浙江省深远海风电技术研究重点实验室刘树洁等：基于3D扫描雷达实测数据的海上风电场尾流特性研究

基于3D扫描雷达实测数据的海上风电场尾流特性研究

刘树洁^1,2，崔冬林^3* ，沙伟³，王尼娜^1,2，陈秋阳³

（1.浙江省深远海风电技术研究重点实验室；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司；3.新疆金风科技股份有限公司）

本文发表在《全球能源互联网》2023年第1期“新型电力系统技术工程应用与实践”专题上，受国家自然科学基金项目（U19B2044，U1865102，61836011）资助。欢迎品读。

文章导读

随着全球范围内风电开发利用技术的不断进步，中国海上风电规模越来越大。而在“平价”市场条件下，海上风电开发面临着严峻挑战，发电量是影响风电场经济收益的重要指标之一。由于外部环境限制等因素，国内海上大型风电场尾流相关的实际运行风场观测实验研究还相对较少。本文基于激光扫描雷达实测数据开展海上大型风电场的尾流特性研究，为海上风电场的风电机组优化排布及降低尾流电量损失等工作提供参考。

文章亮点

1）采用先进的3D扫描雷达设备对大型海上运行风电场进行实地尾流观测，并研究了尾流观测有效数据的提取技术与分析方法。

2）基于实际风场布置，将尾流工况进行分类和定义，分为独立尾流、半尾流、全尾流三种尾流工况展开尾流特性分析工作。尾流特性主要包括尾流影响长度、尾流宽度、尾流深度等指标。

3）研究表明独立尾流工况下机组尾流下游方向11D~12D（D为叶轮直径）距离处风速变化趋平，尾流影响减弱，机组尾流影响长度在11D左右；近尾流区内，全尾流工况机组的风速衰减较独立尾流和半尾流工况机组明显增大，远尾流区三种工况变化趋势一致。近尾流区内，尾流宽度均在3D左右，呈“双高斯”或“凹型”分布特征。二者的差异性主要与相邻机组间距的不同相关。三种尾流工况下，近尾流区的尾流深度明显较远尾流区大，尾流速度亏损明显。

4）基于扫描雷达实测尾流开展尾流特性分析工作的可行性和参考性，验证了基于SCADA运行数据开展尾流分析评估工作的可行性。本文基于扫描雷达实测的海上运行风电场尾流工况所开展的尾流特性分析，对实际应用业务中风电场的优化排布设计、降低尾流电量损失等具有参考作用。

主要内容

采用三层PPI扫描模式，扫描方位角范围为350°—90°，可覆盖风电场大部分机组位置；三层俯仰角分别为0.5°、1.5°和2.5°，径向分辨率为30 m；采用1°/s的扫描速度，300 s左右可完成一次三层扫面（见图1）。该扫描模式下可获取全场轮毂高度85 m处的风速、风向时间序列网格点数据。

⬆ 图1 3D扫描雷达PPI扫描模式与风场反演示例

由于海上风电场地表粗糙度小、湍流强度弱，风机的尾流影响距离较陆地更长，风电机组排布间距是影响尾流电量损失的关键因素之一。基于扫描雷达实测的机组尾流下游风速衰减特点，提取相关指标为后续风场优化排布设计提供参考依据。

⬆ 图2 不同尾流工况下机组尾流下游方向风速分布

定义尾流宽度为速度亏损区域的径向长度，尾流深度为速度亏损区域中最高和最低速度的差值。径向距离方向相邻机组间距的大小会产生不同程度的影响，近尾流区的叶轮径向距离风速亏损明显，叶轮左、右侧风速呈“双高斯”或“凹型”分布，1.5D处为峰值，即尾流宽度3D左右。远尾流区6D距离处，叶轮径向距离风速亏损趋势与近尾流区一致，但亏损幅度明显降低。尾流深度可以反映风速衰减幅度的大小，近尾流区的尾流深度明显较远尾流区大，速度亏损明显。而在远尾流区，不同尾流工况的尾流深度相近，即尾流速度亏损程度相差不大。

⬆ 图3 尾流下游方向不同距离处叶轮径向距离风速分布

基于SCADA实际运行数据统计的尾流下游不同距离处的尾流电量损失分布特点与扫描雷达实测的尾流损失电量的变化趋势一致。6~7 m/s风速段条件下，9D左右间距处是明显的拐点，9D及以上距离电量变化趋平，尾流电量损失在10%左右。而近尾流区如4D距离处尾流电量损失较大，达到40%。4D~9D距离段缺少实际运行数据支撑，暂不对比分析。

⬆ 图4 尾流下游方向不同距离处机组发电百分比

由于海上风电场下垫面粗糙度小，自由流状态下湍流强度小且分布均匀，而风电场建成后风电机组运行带来的局地湍流强度变化也是尾流扰动的一种反映。基于实际运行数据可见，上风向相邻机组距离越近，湍流强度增加越大。而湍流强度的增大势必影响风电机组的实际出力，造成电量损失。这也验证了本文基于扫描雷达实测尾流开展尾流特性分析工作的可行性和参考性。

⬆ 图5 不同扇区目标机组机舱代表湍流强度统计

本文引文信息

刘树洁，崔冬林，沙伟，王尼娜，陈秋阳. 基于3D扫描雷达实测数据的海上风电场尾流特性研究[J].全球能源互联网,2023,6(1):80-87.

LIU Shujie, CUI Donglin, SHA Wei, WANG Nina, CHEN Qiuyang. Research on Wake Characteristics of Offshore Wind Farms Based on 3D Scanning Lidar Data [J]．Journal of Global Energy Interconnection, 2023,6(1):80-87 (in Chinese).

研究团队

浙江省深远海风电技术研究重点实验室（以下简称“重点实验室”）的依托单位为中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司（以下简称“华东院”），公司成立于1954年，是隶属于世界五百强企业中国电力建设集团有限公司的中央企业，现总部设在杭州，并在国内外多地设立分支机构与驻外办事机构。业务范围包括水电水利、风电等清洁能源开发利用、建筑与景观工程、交通与市政工程、环境与生态工程、水环境综合治理、水务、海洋与水利等领域，努力打造具有为工程全过程提供智慧化服务能力的一流国际工程公司。

重点实验室现有专职科研人员77人，副高级（含）以上或博士学位比例达96.1%。共有省部级以上人才13名；承担国家级课题10项，主持省部级课题11项；获省部级科学技术类获奖24项；授权国内外发明专利20项，软件著作权22项；发表SCI/SSCI/EI、国家核心期刊论文40余篇；制定实施国家/行业/省级/地方标准15项。

作者简介