明陽智能劉清媛：海上風電場尾流協同控制技術及應用

　　2021年10月17日-20日，2021北京國際風能大會暨展覽會（CWP 2021）在北京新國展隆重召開。作為全球風電行業年度最大的盛會之一，這場由百余名演講嘉賓和數千名國內外參會代表共同參與的風能盛會，再次登陸北京。

　　

　　本屆大會以“碳中和——風電發展的新機遇”為主題，歷時四天，包括開幕式、主旨發言、高峰對話、創新劇場以及關于“國際成熟風電市場發展動態及投資機會”“國際新興風電市場發展動態及投資機會”“風電設備智能運維論壇”“碳達峰碳中和加速能源轉型”等不同主題的15個分論壇。能見App全程直播本次大會。

　　

　　在19日上午召開的風電機組技術創新論壇上，明陽智慧能源集團股份公司風資源研發主任工程師劉清媛發表了《海上風電場尾流協同控制技術及應用》的主題發言。

　　

　　劉清媛：感謝各位業內同仁來參加本次的分享，我分享的主題是海上風電場場群尾流控制技術及應用。我從以下三個方面去講述明陽智能在海上風電場場群尾流控制的一個研究心得和研發成果。

　　

　　首先第一部分就是海上風電場尾流的背景。早期建設海上封風場，因為缺乏先進部機的經驗經驗，所以部機是不科學，導致尾流損失會非常大，并且近年來海上大型機組的發展，大葉片會帶來比較嚴重的尾流影響，并且現在的策略主要是以單排機組的發電量最優為目的的控制策略，并沒有考慮到尾流控制、尾流效應對周邊機組以及整場發電量的影響，所以尾流控制技術突破現在是比較重要的一件事情?？匆幌潞Ｉ巷L場尾流特征，海表粗糙度是比較低的，所以它的尾流衰減會比較小，單機尾流脫尾比較長，尾流的疊加效應在后場就會有比較大的影響。

　　

　　大氣風場的復雜性，會為風機尾流精確化評估也會帶來挑戰，所以尾流的影響，總結起來有兩大部分，第一就是大幅度的降低了整場的發電量影響風電場的經濟性；第二就是增加了機組的疲勞載荷，這會影響使用壽命。目前我們是通過尾流的模型或者是CFD的數值仿真對尾流進行特性分析，或者是用主流的測風設備，激光雷達對尾流進行實地探測，目前行業海內沒有比較成熟的尾流智能化控制的，現在我講什么是尾流控制，尾流控制可以分為兩步，在風電場規劃期，我們通過前期微觀選址，可以選擇全場尾流損失最小，發電量最優的方案，這就是尾流控制未雨綢繆的第一步，第二步就是風電場的運行期，可以通過場群尾流控制，智能化降低尾流損失，進一步去提高他的發電量。第二部分就是我接下來想講的事情，什么是場群尾流控制呢？場群尾流就是基于海上風場真實尾流場的驗證，著手于海上風場智能化場群尾流控制策略設計和算法優化，旨在減少前排機組為六對后排機組的干擾，改善風電場運行階段的發電性能，在風電長全壽命周期去提高我們的經濟效益。

　　

　　第二部分就關于尾流控制的一些關鍵技術研發，有以下四點。第一點，尾流模型的驗證工作，現在我國東南沿海的建設和規劃的海上風場都是比較多的，但是與海上風場的尾流控制核發電量相結合的一些研究還是較為缺乏，所以我們在廣東某海上風電場就進行了實地尾流測試實驗，據分析海上風場尾流特性，驗證的他尾流模型的準確性，可以看到我們將兩臺激光雷達是布放在了A號機組，一個掃描雷達放在塔機，然后機倉激光雷達放在他的機倉頂部，然后用掃描雷達的一個水平掃描模式和垂直的掃描模式就可以獲得大面積的尾流場信息。下一步就是通過一系列的數據篩選和提取操作，對尾流數據進行處理，對尾流的特性進行分析和模型驗證。尾流的一個水平風速分布上來看，在不同的距離上，高速模型與真實尾流場這是一高速分布規律是比較一致的，而且因為有一定俯仰角的掃描，所以在不同的高度層它高速模型預真實數據一個吻合程度。然后選擇一些數據與同樣工況的CFD的數據進行了一些對比驗證，也是進一步的去驗證了它的高速模型與CFD的結果，還有實際尾流場的結果吻合性是比較高的。

　　

　　在尾流的一個垂直特性分析當中，我們采用了掃描激光雷達的垂直的掃描模式，驗證了在中場和遠場的尾流區，高速模型與實測的數據吻合程度較高，并且在垂直方向上，因為風速會受到風險期的影響，那么它的尾流風速分布，會體現出來一個指數型的高速分布。并且在風速損失方面我們可以看到實測平均風速損失與模型預測風速損失在4D距離之后它是高度閾值性。以上我們從水平和垂直兩個方向，驗證了尾流模型準確性，就將尾流模型運用到我們尾流控制策略設計當中。這是我們控制策略設計的邏輯，就是根據機位的排布方式和測風數據可以制定一個全場尾流工況表，根據這個工況表去計算每一個工況的尾流損失、風速還有功率，以及每個工況對應的一個機倉朝向，可以生成動態的一個風速、風向、湍流，對應的每一個機組的機倉朝向這個動態的數據庫，那么這樣就可以用于我們的一個尾流控制的策略中。尾流控制策略的比較核心的部分，我們將三個模塊進行協同的合作，機組的主控系統將風速風向儀還有機倉激光雷達測得的風況數據上傳到場級控制器中，場級控制器是獨立于整場機組，它可以與整場機組進行通訊，然后接收到這個風況數據進行風速還有風向的一系列評估，然后給每一個機組去下發偏航指令。那么我們的偏航控制系統就是去執行場級控制器給它下發的指令，

　　

　　第三部分就是進行全流程的仿真分析，動態的仿真了海上風電場與場級控制器的通訊機制，然后模仿風況的數據進行尾流的仿真發電量的計算，以及最后機倉偏航優化，我們仿真結果就是在全風向的條件下，風速4米-13米不等的，4米-10米的風速段下，它的發電量提升可以有4個點以上，也就是說在低風速未達到滿發的時候，我們采用的尾流控制可以達到比較可觀的提升，并且對他的穩定風況和非穩定風況的機倉偏航表現也進行了仿真，也就是說在穩定風況下，機組可以準確的去執行偏航指令，但在非穩定風況下，場級控制器也能夠保證它能夠較好執行偏航指令，并且可以動態控制它偏航時長還有偏航次數。接著形成了自動化的一個解決方案集成在明陽風格網頁平臺上，網址就是右上角網址大家感興趣可以察看。

　　

　　我們這個網頁平臺有8個具體的應用?，F在介紹就是尾流控制優化應用，它有三大功能，尾流優化、尾流評估還有尾流可視化。其中有三個模塊，輸入、計算和輸出。進入到詳情頁面之后可以在我們新建項目當中去對項目進行自定義，完了之后可以去上傳功率曲線的數據，還有機組的排布的數據，上傳之后，可以對它參數進行一系列的設置比如說風速、風向還有湍流，這可以影響到后期尾流優化的結果。跳轉到項目清單界面之后，就是我們項目創建已經在系統內部生成，系統是正在準備進行項目的計算，我們可以看一下這個計算的結果展示。    

　　

　　在基礎的信息里面，可以看到他們的機位的排布的信息，然后再尾流優化可以看到整場尾流優化的評估結果，在尾流評估階段可以輸入風資源的數據，得到不同機組的提升量，不同的風向的提升量，還有不同月份的提升量，在這都可以計算出來，然后再尾流可視的結果里面可以看到，在計算模塊可以把這些參數輸入進去，就可以得到尾流可視化的結果，智能化的結果輸出，最后會打包呈現出一些尾流的數據處理的結果，還有機組偏航舉證表還有自動生成這個評估報告。  

　　

　　尾流控制實施和效果驗證方面，我們也是把尾流控制策略把它下地到了某海上的風電場項目去，然后在風電場去配備兩臺激光雷達和一臺掃描式的激光雷達，現場對風電場添加了場級的控制器，將尾流控制策略編寫到場級的控制器中，然后對整場的機組也進行了對北的調整。將激光雷達播放到目標機組機倉上，進行了運行和調試，建立了機倉、激光雷達、機組然后還有場機控制器通訊。最后我們選擇部分機組進行了尾流控制的測試。

　　

　　大家看到，后臺可以監控到部分機組一些偏航角度的持續變化，也就是去監控它是否能夠準確的執行我們給它下達的偏航指令，同時對尾流控制前后的風況也是進行了一系列的評價，對代表風速、代表風向和代表的湍流、代表的功率與整場的數據進行了一個評估。它的提升情況，在兩個工況下，前排機組與后排機組我們可以選擇典型的例子，后排機組受到前排機組整個影響的時候，它的風速都會呈現偏低的情況，發電量也會受到一定程度影響。但是通過控制尾流優化，我們可以看到后排機組風速會得到一定的，恢復正常，發電量會有所提升。我們也是在現場進行了四個月的尾流控制的測試，就各機組的運行性能都是比較良好的，場級控制器的執行率可以達到99%以上，那么穩定風況下全場機組它的提升量是在2個點以上，非穩定提升量也約為一個點。

　　

　　最后總結，前期基于測風激光雷達的風場的實測分析，完成了尾流模型的驗證，中期我們對尾流的控制策略進行設計以及算法的一些優化，最后生成一個自動化的解決方案。后期將尾流控制策略落地到我們的海上風電場中，也是初見成效。這里可以做個展望，尾流控制也是在未來海上風場一個智慧化、現代化發展的一個技術難題，也需要去做進一步技術突破的方向。并且在未來海上風場一些智能化運維、降本增效也是一個有效的利器。感謝大家來參加本次的分享，謝謝。

　　

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