非規(guī)則大型風(fēng)電場尾流計(jì)算方法研究與討論ModelingWake

Effects

in

Large-Scale

Wind

Farms

with

Irregular

Layouts:Methods

and

Discussiona

CLSCroup

Cnnpany1.課題背景2.尾流傳播疊加模型3.實(shí)際案例4.適用性建議目錄21.課題背景2.尾流傳播疊加模型3.實(shí)際案例4.適用性建議目錄3"大力推進(jìn)風(fēng)電和光伏發(fā)電基地化開發(fā)......統(tǒng)籌推進(jìn)陸上風(fēng)電和光

伏發(fā)電基地建設(shè)""推動(dòng)山東半島、長三角、閩南、粵東、北部灣等千萬千瓦級海上風(fēng)電基地開發(fā)建設(shè),推進(jìn)一批百萬千瓦級的重點(diǎn)項(xiàng)目集中連片開發(fā)。"————節(jié)選自國家發(fā)改委《"十四五"可再生能源發(fā)展規(guī)劃》《“

十四五”

可再生能源發(fā)展規(guī)劃》明確提出風(fēng)電基地化

、集群化開發(fā)戰(zhàn)略，標(biāo)志著我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)進(jìn)入大規(guī)模集中連片開發(fā)的新階段。這一政策導(dǎo)向?qū)︼L(fēng)電場尾流效應(yīng)的計(jì)算與評估提出了更高要求。課題背景4國內(nèi)單體最大陸上風(fēng)電項(xiàng)目烏拉特中旗內(nèi)蒙古能源150萬千瓦風(fēng)儲(chǔ)基地項(xiàng)目亞洲最大海上風(fēng)電集群江蘇如東21座海上風(fēng)電場

.總裝機(jī)規(guī)模483萬千瓦大基地的高密度排布挑戰(zhàn)?

成排、成帶的密集布置方式使得場內(nèi)從上

游到下游的尾流累積效應(yīng)更加突出。?

影響程度遠(yuǎn)超以往陸上零散型開發(fā)中僅需

考慮"單機(jī)或單排尾流"的簡單情況。海上風(fēng)電集群化開發(fā)?"基地化+集群化"發(fā)展路徑,同一海域內(nèi)多個(gè)相鄰風(fēng)場在空間上緊密布局已成常態(tài)。?

相鄰風(fēng)場間尾流互擾的發(fā)生概率與影響強(qiáng)

度顯著增加。課題背景5尾流累積效應(yīng)—Nysted風(fēng)電場案例研究[1]Nysted風(fēng)電場（丹麥，波羅的海）基本信息：?

位置：丹麥Lolland島南部海域?裝機(jī)容量：165.6

MW（72臺西門子2.3MW風(fēng)機(jī)）?

投運(yùn)時(shí)間：2003年?研究意義：首個(gè)發(fā)現(xiàn)“大風(fēng)場尾流累積效應(yīng)”的大型海上風(fēng)電場研究發(fā)現(xiàn)：?研究結(jié)果表明.風(fēng)電場中心和下游區(qū)域的累積尾流效應(yīng)顯著增強(qiáng)。?傳統(tǒng)單機(jī)組Park模型低估了大型風(fēng)場內(nèi)部的額外功率損失。?

證實(shí)了從上游到下游尾流影響逐步加強(qiáng)的現(xiàn)象。[1]Barthelmie,

R.J.andJensen,

L.E.

(2010)

EvaluationofWindFarm

EfficiencyandWindTurbineWakesat

the

NystedOffshoreWind

Farm.

Wind

Energy,

13,

573-586.

/10.1002/we.408課題背景6風(fēng)場間尾流互擾—德國灣海上風(fēng)電場集群[1]多方位的證據(jù)：?

SAR衛(wèi)星遙感

(Synthetic

ApertureRadar)?

長距激光雷達(dá)掃描(Long-RangeLidarScanning)?

飛機(jī)原位測量

(Aircraft

In-SituMeasurement)?

WRF模式+WFP（風(fēng)電場參數(shù)化）研究發(fā)現(xiàn)：?尾流不僅在風(fēng)場內(nèi)從上游到下游遞增.還會(huì)跨風(fēng)場傳播。?風(fēng)場間尾流影響距離典型尺度為20

km–70

km，部分條件下可達(dá)100km。?海上密集開發(fā)背景下.風(fēng)場間尾流影響將成為常態(tài)、且距離尺度已超出傳統(tǒng)工程模型的假設(shè)范圍。[1]Platis,A.,Siedersleben,S.,

Bange,J.etal.First

in

situ

evidence

ofwakesin

thefar

field

behind

offshorewindfarms.

Sci

Rep8,

2163

(2018).

/10.1038/s41598-018-20389-y課題背景7課題背景課題背景如何針對尾流累積效應(yīng)與風(fēng)場間尾流互擾模擬？WRF模式

+WFP技術(shù)路線?

把風(fēng)機(jī)看作動(dòng)量與湍流動(dòng)能來源并耦合至邊界層

（PBL）方程中。在穿過“葉輪層”的網(wǎng)格層上

.根據(jù)來流風(fēng)向在動(dòng)量方程中增加風(fēng)機(jī)推力造成的損耗項(xiàng)

.并向TKE

方程添加能量源。大風(fēng)場尾流模型（LWF）技術(shù)路線?

將整個(gè)風(fēng)電場等效為具有更大粗糙度的下墊面

.通過風(fēng)機(jī)幾何特征和推力系數(shù)推導(dǎo)等效粗糙度

.以此驅(qū)動(dòng)內(nèi)部邊界層并修正風(fēng)速廓線

.預(yù)測大風(fēng)場對來流風(fēng)速的整體影響。局限性?

精度受限，對復(fù)雜地形條件以及風(fēng)電場內(nèi)部尾流累積模擬效果有限。?對邊界層(PBL)方案依賴性高。?高昂的計(jì)算資源及時(shí)間需求。局限性?

無法考慮不同機(jī)型，不同輪轂高度以及風(fēng)電場內(nèi)部基準(zhǔn)粗糙度變化等因素。?對非規(guī)則排布風(fēng)電場以及風(fēng)電場之間長尾流模擬適配度差。9課題背景如何針對尾流累積效應(yīng)與風(fēng)場間尾流互擾模擬？—更加通用的方法尾流的疊加效應(yīng)

尾流的傳播效應(yīng)

U0

,

TI0

?不考慮尾流傳播：cT

基于自由來流風(fēng)速U0

計(jì)算，

k基于環(huán)境湍流強(qiáng)度TI0計(jì)算。?

考慮尾流傳播：

cT基于尾流影響后的Uinc計(jì)算，k基于考慮附加湍流后的TIinc計(jì)算。?

線性疊加

：cwake,j

=

1一

σi(1一cwake,i

→j)?

平方和疊加：cwake,j

=

1

一

σi

1

一

cwake,i

→j

2?

最大衰減疊加：

cwake,j

=

min(cwake,i

→j)?

cwake

=

=

=

1

一

?

k：尾流擴(kuò)展系數(shù)

.0.5倍的湍流強(qiáng)度。T2風(fēng)機(jī)受到的尾流影響T3風(fēng)機(jī)受到的尾流影響T2風(fēng)機(jī)對T3風(fēng)機(jī)造成的尾流影響尾流傳播疊加模型kU(x)T1

T2單機(jī)Park尾流模型U0

,

TI0D10x1.課題背景2.尾流傳播疊加模型3.實(shí)際案例4.適用性建議目錄11尾流傳播疊加模型風(fēng)電場內(nèi)部—尾流傳播疊加方式

U0

=

7.5m/s，TI0

=

0.1間距：5D，葉輪直徑：121m無傳播無疊加傳播線性疊加傳播平方和疊加LWF模型傳播最大衰減疊加12尾流傳播疊加模型風(fēng)電場間

間距：5D，葉輪直徑：121m尾流傳播疊加方式考慮尾流影響的距離

U0

=7.5m/s，TI0

=

0.1

U0

=7.5m/s，TI0=

0.1

20D

20D

傳播線性疊加傳播平方和疊加傳播最大衰減疊加傳播-線性100D傳播-線性50D傳播-線性20D傳播-線性10DLWF模型LWF模型無傳播無疊加131.課題背景2.尾流傳播疊加模型3.實(shí)際案例4.適用性建議目錄14實(shí)際案例大基地項(xiàng)目—多機(jī)型+多輪轂高度+非規(guī)則排布傳播線性疊加U0

=9.5m/s，TI0=

0.115實(shí)際案例大基地項(xiàng)目—多機(jī)型+多輪轂高度+非規(guī)則排布傳播線性疊加LWF模型無傳播無疊加U0

=9.5m/s，TI0

=0.1U0

=

9.5m/s，TI0

=0.1U0

=

9.5

m/s，TI0

=0.116實(shí)際案例海上風(fēng)電場集群—多機(jī)型+多輪轂高度+風(fēng)電場間長尾流-cwake

=

0.981傳播線性疊加U0

=9.5m/s，TI0=

0.1-cwake

=

0.94217實(shí)際案例海上風(fēng)電場集群—多機(jī)型+多輪轂高度+風(fēng)電場間長尾流-cwake

=

0.947-cwake

=

0.998-cwake

=

0.981傳播線性疊加無傳播無疊加LWF模型U0

=9.5m/s，TI0=

0.1U0

=9.5m/s，TI0=

0.1U0

=9.5m/s，TI0=

0.1-cwake

=

0.942-cwake

=

0.965-cwake

=

0.936181.課題背景2.尾流傳播疊加模型3.實(shí)際案例4.適用性建議目錄19n

上游兩風(fēng)機(jī)部分重疊×

最大衰減模型：低估風(fēng)速折減

自由流線性疊加：與實(shí)驗(yàn)最為吻合×自由流平方和疊加：低估風(fēng)速折減適用性建議不同尾流疊加方式—適宜場景[1]n

上游兩風(fēng)機(jī)不重疊×

最大衰減模型

：尾流混合區(qū)低估×自由流線性疊加

：尾流混合區(qū)高估

自由流平方和疊加：與實(shí)驗(yàn)最為吻合n

上游兩風(fēng)機(jī)完全對齊

最大衰減模型：與實(shí)驗(yàn)最為吻合×自由流線性疊加：高估風(fēng)速折減×自由流平方和疊加：高估風(fēng)速折減[1]

Gunn,K.,Stock-Williams,

C.,

Burke,M.,Willden,

R.,

Vogel,

C.,

Hunter,W.,Stallard,T.,Robinson,N.andSchmidt,S.

R.,

2016,September.Limitations

tothevalidity

of

single

wake

superposition

inwindfarmyield20適用性建議不同尾流疊加方式—針對規(guī)則排布大規(guī)模風(fēng)電場的測試分析Site

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1410.5010.5010.5010.5010.50cwake

cwake

cwake

cwake

cwake最大衰減疊加LWF平方和疊加線性疊加測量Site

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