赖右福
（大唐滑县风力发电有限责任公司， 河南 安阳 455000）
0 引言风力发电机组利用风能转化为机械能发电，由于风力发电机组未能全部利用自由来流风，根据能量守恒，处于下风向的风力发电机组会面临入流风速降低[1-2]、湍流程度增加[3-4]的工况，该现象被称为风电场尾流效应。对于目前具有上百台风机的大型风电场而言，尾流效应影响更为严重，主要存在于尾流导致风场内部流场分布错综复杂，代表特征为风电场内部风速降低，直接影响风电场发电量，此危害带来的典型发电量损失为10%，而对于风机排布紧密、地形复杂的风场，造成的发电量损失平均在2%～30%左右[5]。为探究尾流效应带来的具体发电量损失，国外学者在丹麦Horns Rev 海上风电场开展了尾流效应对风电机组输出功率的影响，研究结果显示当下游风机完全处于上游风机尾流区时，功率损失高达50%[6]。尾流带来的风场内部流场分布复杂，同样增强了风场湍流强度，直接影响机组的疲劳载荷和使用寿命，降低风机的寿命，韩国某风电场因为长期受到周边风场尾流效应影响，导致风场内机组湍流强度增强明显，机组疲劳载荷比周边风场机组高出30%～50%，对机组的使用寿命造成了较为严重的损伤[8]。
风电机组的经济性运行与安全性运行要求风电机组必须科学布局且机组之间保持安全距离，有效降低尾流效应带来的风速降低损失和湍流强度增大危害。针对尾流效应的研究，目前主要集中于模拟或理论尾流模型研究，上述研究方法对于掌握尾流发展特性具有重要参考意义，但对于实际运行环境复杂的风电场，理论或模拟研究存在一定的偏差，需要现场实验数据互为补充。基于上述分析，本研究采取激光雷达现场试验方法，从影响尾流分布特性的关键因素、发展机理及尾流空间分布特性三个方面入手，开展风电机组尾流分布特性及影响机理研究。
1 试验情况图1 为风电场风机相对位置图，本次4 台试验风机（10-1、10-2、10-3 以及10-4）位于风电场北部，前方无其他风机干扰，适合开展测风试验。
图1 风电场风机相对位置
尾流实验结果的准确性不仅依赖于尾流测量精度，更依赖于入流风信息测量的精准性。为同步获取风机入流风信息以及尾流三维分布信息，本试验采取两台不同类型测风激光雷达，一台为垂直风廓线型激光雷达（WP350），布局于试验风机主风向，用于获取来流风廓线数据（风速、风向、湍流、风切变等），另一台激光雷达为三维扫描式激光雷达（W3D6000），安装于四台试验风机后方，用于监测尾流三维风速分布（三维空间风速、湍流等），具体安装位置如图1 所示。为保证试验的精度，两台激光雷达测量原理一致，均基于多普勒效应，且出厂精度校验合格。
2 数据处理2.1 DBS 模式多普勒波束摆动测量模式（DBS 模式）风数据处理过程中假设北、东、南、西和垂直五个方向的径向风速分别为VlosN、VlosE、VlosS、VlosW和Vlos，用u、v、w分别代表风速南北水平分量、东西水平分量以及垂直分量为，激光束与水平面的夹角为θ，计算公式如公式（1）所示。
通过计算风速南北水平分量为u，东西水平分量为v，则可反算出水平风速V 和风向α：
2.2 PPI 模式与RHI 模式位置平面显示测量模式（PPI 模式）与距离高度显示测量模式（RHI 模式）中同样假设水平风速为V，激光束测得的径向速度为Vlos，Δθ 为方位角间隔，φ是径向波束的俯仰角，风速计算公式如式（4）所示：
2.3 湍流强度本研究采用以下公式计算湍流强度，其中σ 为平均风速的标准偏差，为平均测量风速：
3 尾流测量结果分析讨论3.1 水平面尾流特性分析来流风向、风速、湍流强度的不同，都有可能影响尾流场的三维空间分布。为表征不同典型工况下的尾流分布特性，试验在大量测试的基础上，选取了四种代表性工况开展了水平面尾流特性分析，分别为CASE1 工况（风力机无尾流）、CASE2 工况（风力机尾流无干涉）、CASE3（风力机尾部分干涉）和CASE4 工况（尾流完全干涉工况），其中尾流测量风速均为三维激光雷达所测量径向风速反算而来，风速分布云图如图2 所示。表1 为对应的来流风速信息。
表1 WP350 所测来流工况信息
图2 不同工况下水平面尾流风速分布云图
图2 中红色线条代表尾迹线，可以明显看到风机10-3 在CASE1 工况中无尾迹线，风机10-1 和10-4风机尾迹线也相对较短。CASE2 工况与CASE1 工况入流风向基本一致，也即尾流发展方向一致，但不同于CASE1 工况，其四台风机尾迹线均相对明显，尤其对于风机10-3。结合表1 来流风况信息，两个工况在风速相差0.96 m/s、风向相差1.625°情况下，CASE1工况来流湍流强度高于CASE2 工况17%。究其原因，上述现象出现的原因主要为湍流强度的影响，尾流风速在恢复的过程中需要不断与自由来流风进行动量交换，而湍流强度的增加，更加快速推进了尾流恢复速度，而在CASE1 工况中，其湍流强度明显偏高，有效加速了尾流风速的恢复，这就说明了CASE2 工况与CASE1 工况在风速、风向基本相同的情况下，尾迹线不同的原因，也证明了湍流强度在一定程度上可以加速尾流风速恢复。而在CASE3 和CASE4 工况，可以明显看到由于风向的改变，风力机之间的尾迹线呈现了两种不同的状态，在CASE3 工况下，风力机10-1 与102 近似呈现错列布局，风力机10-2 尾流部分受到风力机10-1 尾流干涉，而在CASE4 工况下，风力机10-1 与10-2 近似串呈现串列布置，风力机10-2 完全位于10-1 尾流影响之下。
综上分析，水平面尾流发展特性与入流风况信息密切相关，风力机尾迹发展方向受到来流风向影响，来流风向的不同会影响风力机尾流之间的干涉程度，会导致无干涉、部分干涉以及完全干涉等三种典型现象。在来流风速、风向一定的情况下，尾流恢复速度取决于湍流强度影响，湍流强度可以加速尾流与自由流之间的动量交换，进而加速尾流恢复、减小尾流作用区域。
3.2 单台风力机垂直高度平面尾流特性分析图3 为风力机10-2 垂直高度平面风速分布云图，数据由三维激光雷达W3D6000 距离- 高度测量模式（RHI 模式）所获取。由于只有在特定风向下（即，风向、风力机以及RHI 扫描方位角一致），才能有效测量风力机10 垂直高度平面尾流风速分布，受限于测量周期内主风向影响，所测量的风力机10-2 垂直高度平面尾流数据较为有限。为了能最大限度地对比不同风速工况，选取了两个不同时间段的RHI 扫描结果，分别对应CASEA 和CASEB 工况，依据风力机额定风速（11 m/s）划分，分别定义为高风速工况（风速高于风力机额定风速）和低风速工况（风速低于风力机额定风速），高风速工况下轮毂高度处风速为14.52 m/s，低风速工况轮毂高度处风速为8.69 m/s。表2 为具体来流工况信息。
表2 CASEA 和CASEB 来流工况信息
图3 垂直高度平面风速分布云图
三维激光雷达RHI 模式所测量高度范围为风力机10-2 基础至220 m 高度处，如图3 所示。其中图中数据空缺区域是由于地形以及障碍物遮挡导致激光雷达未测到有效数据。从风速分布云图中可以明显看到CASEA 工况整体的风速分布明显高于CASEB工况，但CASEB 低风速工况下的尾流效应却相对更加明显。
为深入剖析高风速工况与低风速工况下来流风廓线与尾流区垂直高度平面尾流变化特性，结合风廓线型激光雷达以及三维激光雷达测量风速信息，对两个工况下来流风廓线以及尾流区垂直高度平面风速分布进行了绘制，其中垂直高度平面风速分布选取了近尾流区和远尾流区三个典型位置处，分别为距离风力机10-2 1D、7D 和8D（D 为风力机转子直径，77 m），如图4 所示。
图4 来流风廓线以及尾流区风速剖面
由图4 可见，相较于低风速工况，高风速工况对应风切变效应较为明显。在高风速工况中，来流风廓线曲线从高度50 m 至高度100 m 处，对应风速由13.87 m/s 增长至16.53 m/s 左右，增幅为2.7 m/s，随着高度达到100 m 以后，风速基本不在发生变化。而在低风速工况CASEB 中，来流风廓线近似呈现直线，来流风速不随高度增加而变化。剖析原因可知，在入流湍流强度、风向一定的情况下，风切变效应取决于来流风速影响。在低风速时，地面的粘滞作用较轻微，风速随高度变化不明显；在高风速时，上层风速较大，地面的粘滞作用显得较为明显，因而风切变现象也相应变得明显。
从尾流区垂直高度平面风速分布角度来看，高风速工况下尾流风速恢复较快，风速亏损较小，尤其在近尾流区是1D 位置处，风力机轮毂高度处（65 m）的风速略微低于来流风速，随着下风向距离的增加，到达远尾流区7D 位置以后，尾流效应基本消失。相比于高风速工况，低风速工况所带来的尾流效应更为明显，在近尾流区1D 位置处，风力机轮毂高度处风速为5 m/s 左右，相比于入流风速，风速损失接近50%，尾流风速在8D 以后逐渐恢复至来流风廓线水平。相较于高风速工况，低风速工况下风力机推力系数较大，而风速大小与推力系数呈现负相关，即风速越大，风力机推力系数越小，由风力机动量理论可知，近尾流区风速损失程度与推力系数呈现正相关。因此在其他环境参数一致的前提下，风速大小成为影响尾流效应的重要因素。
4 结论1）在风力机布局确定情况下，来流风向不同会决定风力机之间尾流干涉程度，呈现无干涉、部分干涉以及完全干涉等三种现象。
2）在单排风力机轮毂高度水平面尾流特性分析中，对于风速基本一致的工况，来流湍流强度与尾流恢复速率呈现正相关。
3）在单台风力机来流风廓线以及垂直高度平面尾流特性分析中，结果表明入流风速越大，风切变效应越明显；在其他环境参数一定的情况下，尾流恢复速率与风力机推力系数呈现负相关。
