风力发电机组的尾流及其影响

单台风电机组尾流流场模拟李品;王东升;崔岩松【摘要】基于CFD的数值模拟的方法,利用Fluent软件对单台风电机组的尾流流场进行数值模拟,得出尾流区中风速的分布规律,并对模拟结果进行分析.根据Larsen尾流模型,计算得到尾流区风速分布,并将二者结果进行相互验证.结果表明,二者计算结果相符,该方法可为风电场微观选址,合理布置风电机组减少尾流效应不利影响提供参考,并得到Larsen尾流模型的适用条件.【期刊名称】《东方汽轮机》【年(卷),期】2018(000)004【总页数】5页(P51-55)【关键词】风力涡轮机;尾流流场;CFD数值模拟;微观选址【作者】李品;王东升;崔岩松【作者单位】河北建投新能源有限公司,河北石家庄,050000;东方电气自动控制工程有限公司,四川德阳,618000;河北建投新能源有限公司,河北石家庄,050000【正文语种】中文【中图分类】TK830 引言在风电场中，风经过旋转的风轮后会发生速度大小和方向的变化，这种对初始空气来流的影响称之为风力机的尾流效应。

尾流导致气流中附加风剪切和湍流强度，这会影响下游风力发电机组的疲劳载荷和结构性能等因素，减少风力机的输出功率，进而影响整个风电场的总输出功率。

因此，开展风电机组尾流场的研究对于合理布置风力发电机组，减少风力发电机组间尾流干扰，进而提高整个风电场的发电效率有着重要意义。

国内外许多专家学者对风电机组的尾流效应开展了广泛研究，一类是尾流模型研究方法，这些模型是由学者提出的简化尾流模型，然后利用实验数据检验模型并且进行修正。

比如WAsP采用的Park模型、Ainslie提出的涡粘性尾流模型、Larsen 尾流模型、 Jensen模型、 AV（AeroViroment）尾流模型等等。

其中Larsen模型是基于旋转对称湍流边界层公式的渐进表达式的半解析尾流模型，尾流区边界非线性并且某一点的风速除了与风力机后距离有关还与距离中线的距离有关，更加符合实际，在欧洲风电机组项目标准中被推荐使用。

风电场的环境问题风电场建设对周边环境影响可分为有利影响和不利影响。

_有利影响(1)充分采用风能资源，削减常规能源的消耗，符合我国能源改革的方向。

而且风能又是可再生能源(即在同一地点相距6~8倍风轮高度的距离后风能又达到原值)。

取之不尽，用之不竭。

(2)风力发电场对比同规模使用燃煤电厂其向大气排放的污染物为零，实现固体、气体零排放。

对爱护大气环境有乐观作用。

(3)风力发电场比燃煤电厂可节约大量淡水资源，削减水环境污染。

特殊是对缺少淡水资源的沿海及干旱地区更重要。

(4)在沿海及旅游区风力机群也是一道风景线，可在肯定程度上反映经济、文化、环境相融洽的程度。

(5)通过实物教育，可增加公众开发自然资源、爱护环境的意识。

二对环境的不利影响1、噪声是公众关怀的一个重要问题风力发电机的噪声是来源于经过叶片的气流和风轮产生的尾流所形成，其强度依靠于叶尖线速度和叶片的空气动力负荷，这种噪声源与风力发电机的机型及塔架设计有关。

噪声影响分为单机影响和机群影响。

单机噪声：为了达到距风机150m处的噪声值小于45dB(A)的要求，厂商在制造时就实行了下措施，风电机选用隔音防震型，变速齿轮箱为减噪型，叶片用减速叶片等。

一般所用风机风轮转速在27r∕min,产生的噪声较小，据厂家介绍，离风机50-150m范围内，噪声级分别为53~33dB(A)°机群噪声：风力发电机机群的排列，是经过风洞试验后确定的，即风机行距在6D(D为风轮直径)，间距在4D~6D风速又恢复到常态，即噪声强度也随着风速减小而明显衰减。

因此不存在风力机群噪声总合影响的问题。

风力机的噪声主要来源于发电机，齿轮箱和浆叶切割空气产生的噪声，当前风力机的噪声水平随着工艺水平的提高而有较大的改善，如国产200kw风力机的噪水平如表1示。

表1国产200KW风力机噪声水平而我们生活中，常见的噪声水平如表2示。

表2生活中常见的噪声源的噪声水平由于上二表可知，风力机的噪声对环境影响不大，在距风力机500m外已基本不受影响。

风⼒发电科普知识（图⽂版）风⼒发电科普知识（图⽂版）⽬录什么是风能？----------------------------------------------------------------------------------4风能来源于何处？----------------------------------------------------------------------------5风功率如何计算？----------------------------------------------------------------------------5全球风能总量有多⼤？----------------------------------------------------------------------6我国风能总量有多少？----------------------------------------------------------------------6风是怎样形成的?-----------------------------------------------------------------------------6⼤⽓运动的受⼒影响是什么？-------------------------------------------------------------6地形对风有什么影响？----------------------------------------------------------------------7什么是海风，陆风；⼭风，⾕风？-------------------------------------------------------7为什么说风能是⼀种绿⾊能源？----------------------------------------------------------8发展风⼒发电具有什么优势？-------------------------------------------------------------9⼈类利⽤风能的历史-------------------------------------------------------------------------9什么是风电场？------------------------------------------------------------------------------10中国风⼒资源分布---------------------------------------------------------------------------11风⼒发电的经济性---------------------------------------------------------------------------12建⽴风电场的应⽤考虑有哪些⽅⾯？---------------------------------------------------13风⼒发电机噪⾳⼤么？---------------------------------------------------------------------14风⼒发电机组的分类及各⾃特点---------------------------------------------------------14风⼒发电机的功率曲线---------------------------------------------------------------------19什么是风⼒发电机的额定输出功率------------------------------------------------------20典型风⼒发电机各部件介绍---------------------------------------------------------------20风⼒发电机的⼯作原理---------------------------------------------------------------------28我国现阶段主要风⼒发电机型的发电过程---------------------------------------------29直驱式风⼒发电机组的特点---------------------------------------------------------------30什么是电⽹？---------------------------------------------------------------------------------32风机并⽹需要考虑哪些⽅⾯？------------------------------------------------------------32并⽹运⾏模式的规模划分------------------------------------------------------------------32风⼒发电机的并⽹有什么好处？---------------------------------------------------------33什么是“防孤岛功能”-----------------------------------------------------------------------33风⼒发电机并⽹运⾏的模式及其特点（根据发电机划分）------------------------33影响风电项⽬投资收益的⼏个因素------------------------------------------------------36风电项⽬开发流程---------------------------------------------------------------------------39风电项⽬的投资构成是什么？------------------------------------------------------------40风⼒发电项⽬的度电成本------------------------------------------------------------------41功率曲线与发电量---------------------------------------------------------------------------42风资源状况的评价指标---------------------------------------------------------------------43知识丰富⽣命！知识就是⼒量！什么是风能？风能就是空⽓的动能,是指风所负载的能量，风能的⼤⼩决定于风速和空⽓的密度。

基于高斯分布的风电场尾流效应计算模型张晓东;张梦雨;白鹤【摘要】风电机组群的尾流效应一直是大型风电场设计与运行优化中不可忽略的问题.随着风电技术的迅速发展,人们对风电场尾流模型的研究越来越重视.目前风电场设计软件中采用的尾流模型难以满足大型风电场尾流效应计算的工程需要.因此在Jensen模型基础上引入服从高斯分布的速度亏损模型,得到了一种新的适用于远场尾流的分析模型,并以此为理论基础建立了多台风电机组的三维尾流效应模型,开发了相应的计算软件.采用新的尾流模型和改进Jensen模型以及修正后的改进Jensen模型分别对丹麦Horns Rev风电场和大丰风电场的部分风电机组进行尾流模拟,将模拟计算的数据和实际运行数据进行对比,结果表明新模型的模拟效果优于其他两种模型.%The wake effect of wind turbines has always been a significant topic of large-sized wind farm design and optimization.With the rapid development of wind power technology,researchers pay more attention to the wake model of wind farms.As present common used wake models used in wind farm design software are hard to satisfy the project needs of wake effect calculation of large-sized wind farm,velocity deficit model following Gaussian distribution has been introduced based on Jensen type models,which is a new analysis model suitable for far-field analytical wake.With the above model as theoretical basis,researchers established 3D discrete wake effect model of more than one wind turbines and developed new calculation software.The new wake model and the improved Jensen model as well as the improved Jensen model after a second modification are used to conduct wake simulations for some windturbines from Denmark Horns Rev offshore wind farm and DaFeng onshore wind farm.The results show that simulation effect of the new model is better than that of the used improved Jensen model and its amended one by comparing simulated calculation result with actual operating data.【期刊名称】《华北电力大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2017(044)005【总页数】5页(P99-103)【关键词】风力发电;风电场;全场尾流模型;高斯分布;速度亏损;功率亏损【作者】张晓东;张梦雨;白鹤【作者单位】华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,北京102206;华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,北京102206;北京金风慧能技术有限公司,北京100176【正文语种】中文【中图分类】TM614随着风力发电技术的进步，风电机组的单机容量增大，风电机组群的规模也在增大。

风电出力特性
对于单台风机而言，风轮的理论最大效率为59.3%,实际效率会更低一些。

对于风电场而言，由于受空气密度、尾流、场用电和线损、风力发电机组利用率、功率曲线保证率、气候影响等因素的影响，风电场上网电力往往较低，大约为风电场理论出力的65-70%，一个装机容量49.5MW的风电场，其最大出力在32.2-34.65MW。

风电出力的变化率大不仅表现在其日出力特性上，同时其季节出力特性也较大。

本文以一装机容量33x1500kW风电场为例，通过一整年的测风资料分析，并计算其上网电量分析，全年日平均出力变化率为33-45%，全年季节平均出力变化率可达20-57%。

图1以春、夏、秋、冬四个季节任选一天的风电出力曲线分析，从图中可以看出，风电电力的日出力变化率较大，春季为1824-34155kW、夏季为0-34155kW、秋季为11513-32742kW、冬季为10099-34115kW，同时因季节的不同，其日出力变化率也相差很大。

图2以春、夏、秋、冬四个季节典型日风电平均出力曲线。

图1 风电场春、夏、秋、冬某日风电实际出力曲线
图2 风电场春、夏、秋、冬典型日风电平均出力曲线因此风电电力由于受自然来风电影响出力波动性很大，具体体现为较大的日变化率和季节变化率，呈现较强的季节性、间歇性。

因此研究风电的出力特性，首先需要研究当地风资源的成因和特点，不同的风能资源呈现出的风电出力完全不同，近期各省市启动的十三五风电规划中，分析总结各地方风能资源特点和已有风电场运行规律，综合评价当地风电出力特性成为重中之重。

风力发电对电网运行的影响及对策近年来，随着全球化石油能源的日益匮乏，加上日本地震带来的核电警示，加快包括风电在内的安全性清洁能源产业的发展已成为大势所趋。

大规模的风力发电需实现并网运行，国外风电大国虽然对风力发电和电网运行积累了一些经验，但由于我国电网结构的特殊性，风力发电和电网运行如何协调发展已成为风电场规划设计和运行中不可回避的最重要课题。

一、我国风力发电对电网运行的影响我国风力资源的富集地区，电网均比较薄弱，风力发电对电网运行的影响主要体现在电网调度、电能质量和电网安全稳定性等方面。

1.1对电网调度的影响风能资源丰富的地区人口稀少、负荷量小、电网结构薄弱等特点，风电功率的输入必然要改变电网的潮流分布，对局部电网的节点电压也将产生较大的影响。

风能本身是不可控的能源，它是否处于发电状态和所发电量基本取决于风速状况，而风速的不稳定性和间歇性决定了风电机组发电量具有较大的波动性和间歇性，并网后的风电场相当于电网的随机扰动源，具有反调节特性，需要电网侧预留出更多的备用电源和调峰容量，由于风力发电的不稳定性，增加了风力发电调度的难度。

1.2对电能质量的影响风电机组输出功率的波动性，使风电机组在运行过程中受湍流效应、尾流效应和塔影效应的影响，造成电压偏差、波动、闪变、谐波和周期性电压脉动等现象，尤其是电压波动和闪变对电网电能质量影响严重。

风力发电机中的异步电动机没有独立的励磁装置，并网前本身无电压，在并网时要伴随高于额定电流5～6倍的冲击电流，导致电网电压大幅度下跌。

在变速风电机组中大量使用的电力电子变频设备会产生谐波和间谐波，谐波和间谐波的出现，会导致电压波形发生畸变。

1.3对电网安全稳定性的影响电网在最初设计和规划时，没考虑到风电机组接入电网末端会改变配电网功率单向流动从而使潮流流向和分布发生改变的特点，造成风电场附近的电网电压超出安全范围，甚至导致电压崩溃。

大规模的风力发电电量注入电网，必将影响电网暂态稳定性和频率稳定性。