对于实际风电场而言，由于尾流效应的影响，风电机组的输入风速存在差异，因此会导致风电机组工况不同。因此，对于装机容量较大的风电场，应考虑采用多台等效风电机组模拟风电场。在建立风电场多机组等效模型时，首先需要对风电机组分组，再对归为一组的风电机组进行等效，并考虑风电场内部馈线。......
2023-06-28
风电场尾流效应模型研究
【摘要】：在风电场并网研究中所关注的是风力机的尾流模型，有一维尾流模型和三维尾流模型[31]。自20世纪起，专家们建立了多种风力机一维尾流模型。目前在风电场并网研究中，很多专家采用Jensen尾流模型研究风力机的尾流特性[36-41]。图1-5 AV尾流模型图1-6 风电机组排列布置在风电场内，尾流效应造成风电场内每台风力机的输入风速不同，并且受风力机的风轮直径、推力系数、机组间的距离、周围环境及风速和风向等因素的影响[42]。
风电机组从风中获取能量的同时会在风力机下游形成风速下降的尾流区，尾流区沿着风向向下游发展。国内外目前对风力机尾流的研究大致分为两类[30]：一是风力机的尾流数学模型，旨在研究处在尾流区域内风力机的疲劳载荷、输入风速和输出功率等；二是尾流流动机理，旨在揭示尾流流动的基本特征。
在风电场并网研究中所关注的是风力机的尾流模型，有一维尾流模型和三维尾流模型[31]。在研究分析风力机尾流区速度分布和风力机功率输出时，常用一维尾流模型[30]。自20世纪起，专家们建立了多种风力机一维尾流模型。1980年JamesJR提出了无黏近场尾流模型，这种模型只能近似描述风轮下游某点到风轮平面的轴向距离小于5倍风轮直径时的风力机尾流速度分布[32]。Lissaman在瑞典Kalkugen实测数据的基础上，基于湍流喷射的相似理论，提出了单风力机尾流Lissaman模型[33]。还有一种简化尾流模型[34]，利用这种尾流模型计算风力机尾流区的速度分布只与风轮轴向推力系数CT和尾流区内离开风轮平面距离有关，与来流湍流强度无关。丹麦RISϕ的Jensen等提出了Jensen尾流模型[35]，该模型不考虑湍流效应的影响，近似地认为尾流影响区域随距离线性扩张，风轮影响区是圆锥形，运算效率较高。目前在风电场并网研究中，很多专家采用Jensen尾流模型研究风力机的尾流特性[36-41]。但因为在气流通过旋转风轮、风力机从气流中获取能量的同时，风轮后风力机轴向尾流气流速度降低，旋转的风轮还对周围气流产生扰动形成机械湍流，随着风轮下游离开风轮平面距离的增加，尾流区的速度和机械湍流逐渐下降，而且经过一段距离后，在周围气流的作用下，风速才逐渐得到恢复，所以，Jensen尾流模型无法更准确地描述风力机尾流效应。因此，Ebeble WR.采用Abramovich射流理论建立了全场尾流模型（AeroViroment尾流模型，简称AV尾流模型）[30，34]，该模型将风力机尾流区分成三个区域，分别为初始尾流区（区域Ⅰ，其尾流区长度大约为风轮直径的2倍）、过渡区（区域Ⅱ，其尾流区长度大约为风轮直径的3倍）和远场尾流区（区域Ⅲ），如图1-5所示。
图1-5 AV尾流模型
图1-6 风电机组排列布置
在风电场内，尾流效应造成风电场内每台风力机的输入风速不同，并且受风力机的风轮直径、推力系数、机组间的距离、周围环境及风速和风向等因素的影响[42]。目前对尾流效应的建模主要有两种方式：一是考虑风电场内风电机组排列布置和风向变化对尾流效应的影响，如对于风电机组排列布置规则的风电场[43]，如图1-6所示，考虑了特殊的三个风向，对于水平风向1，在垂直方向上的每列风力机输入风速相同，对于垂直风向2，在水平方向上每行风力机输入风速相同，对于45°风向3，每条弧线内的风力机输入风速相同；并将上游风力机对下游风力机的尾流影响近似用功率衰减系数表示，功率衰减系数典型值在0.025～0.063之间[40，43]。二是不考虑风电机组排列布置、风速、风向变化等，仅将风电场内每台风电机组在相同风速下的输出功率之和乘以功率衰减系数（文献[44-46]中功率衰减系数取值为0.92），但由于风向是在0～360°范围内变化，并且风电场内风电机组的排列布置也是各种各样的，因此，这种建模方式不能较准确地模拟风电场内尾流效应。
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