風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)尾流及其迭加模型的研究（1）

Research on Wind Turbine Wake Model and Overlapping in Wind Farm ABSTRACT: The optimal layouts of wind turbine-generator (WTG) in wind farm are influenced by WTG wake when the site of wind farm is selected. At present, the research achievements in China and abroad on WTG wake and overlay model in actual wind farm mainly focus on one-dimension linear model. Aiming to improve the situation, more complete reasonable WTG wake model was constructed and its boundary in wake was nonlinear with the distance. In addition, according to actual circumstance in WTG wake, different fuller WTG overlay models were built to adapt to the situation of existing wind farm. The comparison results of engineering examples with 3-dimension numerical simulation show that the wake and overlay model in WTG proposed in this paper are more reasonable and it can effectively improve the generation benefit of wind farm.
    KEY WORDS: wind farm; optimal layout of wind turbine;wake model; overlay model
    摘要： 在風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址選定的情況下， 風(fēng)電機(jī)組之間的尾流影響風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)的優(yōu)化布置。 目前， 國(guó)內(nèi)外關(guān)于符合風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)實(shí)際尾流以及迭加模型的研究主要側(cè)重于一維線性模型及其迭加模型的實(shí)際應(yīng)用。 為此， 推導(dǎo)建立了更加完整合理的一維非線性擴(kuò)張尾流模型， 即尾流影響邊界隨距離非線性增大；此外，根據(jù)風(fēng)機(jī)尾流迭加的實(shí)際情況，分別推導(dǎo)建立了完整的風(fēng)機(jī)尾流迭加計(jì)算模型來(lái)適應(yīng)現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)的不同情形。 通過(guò)相關(guān)工程算例結(jié)果與三維數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析表明， 所建立的風(fēng)機(jī)尾流模型和尾流迭加模型更加合理，可有效提高風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電效益。
    關(guān)鍵詞：風(fēng)電場(chǎng)；風(fēng)機(jī)優(yōu)化布置；尾流模型；尾流迭加模型
引言
    風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)優(yōu)化布置是風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其中確定各風(fēng)機(jī)在風(fēng)電場(chǎng)中相對(duì)布置位置的主要因素之一是風(fēng)機(jī)間的尾流效應(yīng)，而且多臺(tái)風(fēng)機(jī)間的尾流迭加又會(huì)影響其他受影響風(fēng)機(jī)的工作風(fēng)速，因此，風(fēng)機(jī)尾流模型及其對(duì)應(yīng)的迭加模型是整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量預(yù)測(cè)的基礎(chǔ) [1-3] 。 這些模型的合理性以及受其他風(fēng)機(jī)尾流影響的風(fēng)機(jī)工作風(fēng)速的合理確定，將直接影響風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)布置和發(fā)電效益。
    最初， 針對(duì)尾流情況 [4-5] ， 多數(shù)學(xué)者都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出一些粗略的指標(biāo)予以指導(dǎo)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)的發(fā)電量判斷以及風(fēng)機(jī)優(yōu)化布置等工作。Lissaman 在瑞典 Kalkugen 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上， 基于湍流噴射的相似理論， 提出了單臺(tái)風(fēng)機(jī)尾流的計(jì)算模型 [6-7] 。 Faxen和 Milborrow 針對(duì)更大尺寸的風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究 [8-9] ， 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析， 風(fēng)速線性變化的規(guī)律性得到了再次驗(yàn)證，但風(fēng)速的衰減速度卻有所不同。1980 年，Vermeulen 在對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，對(duì) Lissaman 數(shù)學(xué)模型提出了改進(jìn)，形成了MILLY 模型 [10] 。 繼 Lissaman 模型和 MILLY 模型之后，1986 年，丹麥 Riso 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出了 Park 模型 [11] ，并將其應(yīng)用到風(fēng)能資源評(píng)估軟件 WasP、windfarm 以及 windpro 等中，其尾流影響邊界隨距離線性增大，即在進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)優(yōu)化布置的模擬計(jì)算時(shí)，均忽略了風(fēng)輪的湍流影響，而采用簡(jiǎn)化風(fēng)機(jī)尾流線性擴(kuò)張模型，這與實(shí)際情況有較大的差異，并導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的迭加模型受到影響，從而使風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)排布不能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。此外，一維非線性尾流模型實(shí)際上是三維尾流模型的一種簡(jiǎn)化計(jì)算模型，從模擬精度上來(lái)看，其所能達(dá)到的模擬精度較三維模型略低，但一維非線性尾流模型與三維尾流模型的應(yīng)用場(chǎng)合及其預(yù)期目的有所不同。