風(fēng)電場的尾流效應(yīng).doc

風(fēng)電場的尾流效應(yīng)王杰（華北電力大學(xué)，保定，071003）摘要：詳細(xì)分析了尾流效應(yīng)模型以及尾流效應(yīng)對不同位置風(fēng)機(jī)風(fēng)速的影響,以某風(fēng)電場為例得到了考慮以上因素時風(fēng)電場的風(fēng)速分布和實際輸出功率，在此基礎(chǔ)上，改進(jìn)基于風(fēng)電場端口輸出特性的風(fēng)電場等值方法。0 引言隨著煤、石油、天然氣等化石類非再生能源的日益枯竭和全球生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，風(fēng)電作為一種可再生的潔凈能源發(fā)展越來越快。但是由于風(fēng)能具有隨機(jī)性和間歇性的特點，風(fēng)電場的輸出功率也存在著周期性的波動，功率的變化會對電網(wǎng)產(chǎn)生一系列的影響，只要包括電壓的波動和閃變、對接入點短路電流的影響、并網(wǎng)過程對電網(wǎng)的沖擊、對頻率的影響等等。因此建立合適的動態(tài)模型，準(zhǔn)確地模擬風(fēng)電場動態(tài)行為是仿真研究結(jié)果可信度的關(guān)鍵。1尾流效應(yīng)模型基于風(fēng)電場端口輸出特性的風(fēng)電場等值方法，未考慮由尾流效應(yīng)對不同位置風(fēng)機(jī)的影響，而統(tǒng)一的將所有風(fēng)機(jī)的風(fēng)速視為相等的。這樣對于等值結(jié)果會造成一定的誤差，本文意在將尾流所造成的風(fēng)機(jī)輸出功率不同的影響考慮在內(nèi)而提高等值的精度。在風(fēng)電場中，各臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)排列在不同的位置上。由于尾流的影響，坐落在下風(fēng)向的風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速將低于坐落在上風(fēng)向的風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速，一般稱之為尾流效應(yīng)。確定尾流效應(yīng)的物理因素主要有機(jī)組間的距離、風(fēng)電機(jī)組的功率特和推力特性以及風(fēng)的湍流強(qiáng)度。受尾流影響的風(fēng)的湍流強(qiáng)度是： (1)其中和分別是風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的湍流和自然湍流的均方差，是平均風(fēng)速，通常情況下，=0.08，=0.12。圖1是尾流效應(yīng)的Jensen模型，Jensen模型較好地模擬了平坦地形的尾流情況。圖1尾流效應(yīng)模型 (Jensen模型)假設(shè)風(fēng)電場是均勻場，是兩個風(fēng)電機(jī)組的距離，葉輪半徑和尾流半徑分別是和；自然風(fēng)速、通過轉(zhuǎn)子的風(fēng)速和受尾流影響的風(fēng)速分別是，。據(jù)動量理論有： （2）式中為空氣密度是一常數(shù)。令尾流下降系數(shù)，由于， 和風(fēng)電機(jī)組的推力系數(shù)具有如下關(guān)系： （3）所以 （4） 其中一般取0.2。3 考慮尾流效應(yīng)的風(fēng)電場風(fēng)速分布圖2 風(fēng)電場風(fēng)機(jī)布局圖以72臺風(fēng)機(jī)的風(fēng)電場為例，假設(shè)該風(fēng)電場是平坦分布的，忽略了地形因素，如圖2所示，每臺風(fēng)機(jī)容量為600kW，半徑為30m，整個風(fēng)電場的裝機(jī)容量為43.2MW。整個風(fēng)電場分6部分，每部分包含12臺風(fēng)機(jī)，通過30kV電纜與升壓站相連。沿電纜方向相鄰風(fēng)機(jī)間距離為350m，相鄰兩排風(fēng)機(jī)間距離為850m，由于風(fēng)機(jī)布局的行距比較大，可以認(rèn)為各行風(fēng)機(jī)之間沒有影響，而同一行的風(fēng)機(jī)由于尾流因素會產(chǎn)生相互影響。相鄰的上風(fēng)向風(fēng)機(jī)對下風(fēng)向風(fēng)機(jī)獲得風(fēng)能的影響可用Jensen模型中的公式，若風(fēng)向為圖 2所示方向，衰減常數(shù)以式計算 （5）其中h為輪轂高度，為粗糙度，一般為0.002。設(shè)各臺風(fēng)機(jī)0.2，風(fēng)輪機(jī)高60m，葉片半徑為30m，則由(4)式計算可得：=0.961這樣由于每行風(fēng)機(jī)所在處速度相同，即每一行的運行點相同，因此同行的風(fēng)機(jī)可以等值為一臺機(jī)，比如（1,1），（1,2），（1,3），（1，4），（1,5），（1，6）,（1，7），(1,8),(1,9),(1,10),(1,11),(1,12)這樣風(fēng)電場可以等值為6臺風(fēng)機(jī)。就發(fā)電機(jī)出力和風(fēng)速之間的關(guān)系而言,都基本遵從如圖3所示的功率輸出曲線.由圖3可以看出，在風(fēng)電機(jī)可運行風(fēng)速范圍內(nèi)，風(fēng)機(jī)輸出功率隨著風(fēng)速的增大而增大。因此，如果不考慮尾流效應(yīng)，風(fēng)電場的所有風(fēng)機(jī)的風(fēng)速均按所測自然風(fēng)風(fēng)速，則通過理論計算得到的風(fēng)電場輸出功率要大于風(fēng)電場的實際輸出。圖3風(fēng)電基礎(chǔ)的功率輸出特性曲線3 考慮尾流效應(yīng)的風(fēng)電場等值方法基于端口輸出特性的風(fēng)電場等值方法的原理是綜合利用不同運行風(fēng)速下的風(fēng)電場輸出特性中所包含的各種信息建立優(yōu)化模型求解風(fēng)電場的等值參數(shù)，即通過由幾組風(fēng)速與該風(fēng)速下對應(yīng)的風(fēng)電場輸出的組合作為該等值模型的輸入信息得到幾組等值參數(shù)，再通過模型的目標(biāo)函數(shù)得到最優(yōu)的等值結(jié)果。因此，風(fēng)速與風(fēng)速下的輸出特性的確定對于模型等值結(jié)果的精度很重要。等值方法中沒有考慮尾流效應(yīng)，風(fēng)電場測得的上風(fēng)向風(fēng)速視為每臺風(fēng)機(jī)獲得的風(fēng)速，而實際的風(fēng)電場輸出為,把(，)作為優(yōu)化模型的輸入，則等值結(jié)果會產(chǎn)生一定的誤差，因此必須考慮尾流效應(yīng)的影響。根據(jù)風(fēng)電場的實際和風(fēng)機(jī)參數(shù)，代入尾流效應(yīng)模型，得到最接近風(fēng)電場實際運行狀態(tài)的每臺風(fēng)機(jī)的風(fēng)速，通過風(fēng)功率公式得到風(fēng)場每臺風(fēng)機(jī)的平均風(fēng)速，因此(，)才是優(yōu)化模型中正確的是輸入?yún)?shù)，這樣得到的等值結(jié)果才是最精確的。4結(jié)論 本文詳細(xì)分析了尾流效應(yīng)模型，以及對風(fēng)電場的風(fēng)速分布和風(fēng)電場輸出功率的影響，考慮了尾流效應(yīng)提高了基于風(fēng)電場輸出特性的等值模型的精度。5參考文獻(xiàn)1 王承煦, 張源. 風(fēng)力發(fā)電. 中國電力出版社, 北京, 2003.2 孫建鋒，焦連偉，吳俊玲，等風(fēng)電場發(fā)電機(jī)動態(tài)等值問題的研究.電網(wǎng)技術(shù)，2004，28(7)：58613 Feijo A, Cidrs J, Camilo C. A third order model for the doubly fed induction machineJ. Electric Power Research, 2000, 56(2): 121-127.4 李先允. 大型風(fēng)力發(fā)電場等值建模研究綜述. 華北電力學(xué)報，2006，42-46.5 李東東，陳陳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動態(tài)模型研究中國電機(jī)工程學(xué)報，6 Muljadi E, Butterfield C P. Wind farm power systemmodel developmentC. World Re