法國(guó)美迪謝新：偏航優(yōu)化控制技術(shù)對(duì)海上風(fēng)電設(shè)計(jì)方案的影響

2023年10月16日-20日，2023北京國(guó)際風(fēng)能大會(huì)暨展覽會(huì)（CWP2023）在北京如約召開。作為全球風(fēng)電行業(yè)年度最大的盛會(huì)之一，這場(chǎng)由百余名演講嘉賓和數(shù)千名國(guó)內(nèi)外參會(huì)代表共同參與的風(fēng)能盛會(huì)，再次登陸北京，聚焦中國(guó)能源革命的未來。

本屆大會(huì)以“構(gòu)筑全球穩(wěn)定供應(yīng)鏈 共建能源轉(zhuǎn)型新未來”為主題，將歷時(shí)四天，包括開幕式、主旨發(fā)言、高峰對(duì)話、創(chuàng)新劇場(chǎng)以及關(guān)于“全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)布局及供應(yīng)鏈安全”“雙碳時(shí)代下的風(fēng)電技術(shù)發(fā)展前景”“國(guó)際風(fēng)電市場(chǎng)發(fā)展動(dòng)態(tài)及投資機(jī)會(huì)”“風(fēng)電機(jī)組可靠性論壇”等不同主題的21個(gè)分論壇。能見App全程直播本次大會(huì)。

10月17日上午，法國(guó)美迪的謝新在“風(fēng)資源技術(shù)論壇上”發(fā)表了題目為《偏航優(yōu)化控制技術(shù)對(duì)海上風(fēng)電設(shè)計(jì)方案的影響》的主旨發(fā)言。

以下為演講全文：

大家好，很高興今天和各位分享我們的課題，主題是《偏航優(yōu)化控制技術(shù)對(duì)海上風(fēng)電設(shè)計(jì)方案的影響》。這個(gè)課題是我們和中國(guó)電建、福建省勘測(cè)設(shè)計(jì)院共同完成的課題。

今天第一部分有關(guān)大基地項(xiàng)目，很多同仁談到尾流。我從另外一個(gè)角度，結(jié)合海上風(fēng)電實(shí)際的案例，與大家探討我們對(duì)于此的看法。

演講分為三部分：理論方向講偏航控制技術(shù)、結(jié)合框架和海上風(fēng)電實(shí)際案例講單風(fēng)場(chǎng)和多風(fēng)場(chǎng)優(yōu)化結(jié)果、結(jié)論。

圖中（PPT）給出對(duì)風(fēng)資源評(píng)估的尾流框架，關(guān)注的是兩方面。大家對(duì)于尾流更多關(guān)注的是結(jié)果而不是本身，我只需要知道最終造成多少發(fā)電量折減就夠了。在這種條件下，我們采用的模型像pack而模型或者大蜂巢尾流模型等，給出的都是發(fā)電量折減的結(jié)果。

但是我們?nèi)绻v尾流的目的改變，我們想針對(duì)尾流做一些優(yōu)化。我們開始的目的就變了，要更多的去關(guān)注尾流的形態(tài)，它的形態(tài)涉及到三個(gè)方面：一是折減；二是尾流偏移，第一部分框架下一般來說上游風(fēng)機(jī)不做主動(dòng)偏航，這種情況下尾流的中心線是沿著初始，一旦做優(yōu)化會(huì)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)；三是尾流的疊加，不是光考慮發(fā)電量疊加。在這個(gè)框架下，我們要采用單獨(dú)的模型考慮。

首先來看風(fēng)速衰減，最早研究是2016年，根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)提出尾流有幾個(gè)特性，它在同樣的距離條件下分布不是均勻的，越靠近尾流中心，尾流折減是越大的，越遠(yuǎn)離的話折減越小。同時(shí)分布是由尾流特征框架控制的，同時(shí)提出要采用近尾流區(qū)和遠(yuǎn)尾流區(qū)分開的模式。

基于這個(gè)模型有很多的探討，我們?cè)谡n題下采用比較新的結(jié)果，它是2020年的模型，基于以上的問題都有解釋，比如說形態(tài)分布應(yīng)該是超高的，近遠(yuǎn)尾流區(qū)會(huì)變成8參數(shù)的模型。這邊我不會(huì)對(duì)模型的細(xì)節(jié)進(jìn)行展開，大家感興趣可以看一下。

我們關(guān)注它空間形態(tài)上尾流的分布，可以看到得出來的結(jié)論，尾流形態(tài)是逐漸減少，同時(shí)永遠(yuǎn)是靠近中心區(qū)域尾流衰減最大的，遠(yuǎn)離中心區(qū)域尾流衰減比較小。

風(fēng)速衰減確定后，對(duì)于偏航優(yōu)化控制還要進(jìn)一步考慮尾流的偏移，這個(gè)是怎么造成的？由于風(fēng)機(jī)有夾角，可以分解為兩個(gè)部分，一個(gè)是沿著X方向，另外一個(gè)是垂直方向會(huì)將風(fēng)產(chǎn)生偏移。結(jié)合質(zhì)量守恒和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以得到尾流中心線的距離。在不同的偏轉(zhuǎn)角下，它偏轉(zhuǎn)的情景。

尾流疊加，大基地有很多同仁已經(jīng)談過，針對(duì)這個(gè)情景下該用什么樣的尾流疊加？2016年有文獻(xiàn)做了比較詳細(xì)的對(duì)比。針對(duì)目前的工業(yè)領(lǐng)域和商業(yè)軟件上常用的三種疊加方法，它做不同的評(píng)估。得出來的結(jié)論是各有優(yōu)劣，最大的方法是最大尾流衰減，嚴(yán)格來說是不疊加。

第二種是自由流的線性疊加和第三種的不疊加，這三種的適用度不同。第一種是上有兩臺(tái)風(fēng)機(jī)完全對(duì)齊，這種情況下和實(shí)驗(yàn)結(jié)果最大衰減模型，另外兩個(gè)高估。第二種是上下風(fēng)機(jī)部分重疊，擬合最好的是線性疊加。第三種是上有兩臺(tái)風(fēng)機(jī)完全不重合，但是尾流區(qū)域有重合。所以實(shí)際上，你沒有辦法針對(duì)所有的情形，找到一種完美契合的方法，為了折中采用的是最后的方法。

這是結(jié)合衰減+偏移+疊加的方法后，給出大家不同最終尾流形態(tài)的模擬。針對(duì)最開始提出的框架可以給出答案，我們采用這樣模型的框架。當(dāng)然這是最基本需要考慮的三個(gè)問題，實(shí)際上你需要在框架上增加一些細(xì)節(jié)，比如說二級(jí)偏轉(zhuǎn)，尾流本身橫向速度也要考慮進(jìn)去，最后找到完整的框架。

當(dāng)框架構(gòu)建好之后，基于框架開發(fā)出比較適合工業(yè)的產(chǎn)品，啊它能給出不同豐富段下最優(yōu)的策略，實(shí)際上就是每臺(tái)風(fēng)機(jī)采用什么樣的偏航角。以及偏航前后或者優(yōu)化前后發(fā)電量的變化，以及尾流折減的變化。

為了驗(yàn)證這個(gè)框架，我們和福建電設(shè)計(jì)院針對(duì)他們的項(xiàng)目進(jìn)行計(jì)算，分為單風(fēng)場(chǎng)和多風(fēng)場(chǎng)說一下。

首先是單風(fēng)場(chǎng)，選取的是臺(tái)灣海峽、福州海域，本身的排布是8D×2.2D，可以看到主動(dòng)偏航控制優(yōu)化前后發(fā)電量提升是2.16%，如果關(guān)注到每一臺(tái)風(fēng)機(jī)的情況，在上游的風(fēng)機(jī)發(fā)電量是降低的，這也很符合邏輯，主動(dòng)有一個(gè)偏航角，所以最上游的風(fēng)機(jī)發(fā)電量一定會(huì)有降低，但是得到的是下游的尾流變化，下游風(fēng)機(jī)避開了最大的中心區(qū)域。最大的一臺(tái)風(fēng)機(jī)發(fā)電量提升，尾流折減的提升接近15%。

第二個(gè)情形是針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)，假設(shè)裝機(jī)容量不確定，我的規(guī)劃面積是確定的，這種情況下怎么樣能夠獲得一個(gè)最優(yōu)的收益？這個(gè)收益是和你的尾流折減掛鉤的。我們選取10%的尾流折減閾值優(yōu)化排布，做出4種額外的排布，由8D按照7.57%、6.56%，針對(duì)這些排布采用策略。如果不采用的話，尾流到9%以上，如果再稍微的縮短一點(diǎn)，尾流就超過閾值了。采用偏航控制是把主間距直接縮短到6.5%，等于說容量就大大的增加了。

同樣偏航優(yōu)化控制，排布越緊密，優(yōu)化的效果也是越好的，拉的越遠(yuǎn)，本身的尾流也比較小。我觀察到豐富段，優(yōu)化技術(shù)對(duì)于中低效果是最好的。這是每臺(tái)風(fēng)機(jī)優(yōu)化的發(fā)電量變化與初始是一樣的。

同時(shí)，如果說容量固定，同樣可以通過這種方法減少用海面積。得出來的結(jié)論是基于風(fēng)電場(chǎng)，如果優(yōu)化容量，同等的情況下可以提升20%，如果說容量不變，用海面積可以減少23.8%。

最后的案例是多風(fēng)場(chǎng)，找兩個(gè)風(fēng)場(chǎng)也是在臺(tái)灣海峽，它的容量是900mw，還有馬祖1000mw，如果是單風(fēng)電場(chǎng)可以進(jìn)行偏航控制，但是很多時(shí)候開發(fā)風(fēng)電場(chǎng)一個(gè)規(guī)劃區(qū)內(nèi)是不同的開發(fā)商，如果采用統(tǒng)一的優(yōu)化策略，有的時(shí)候不太好溝通。

針對(duì)這種情形，部分風(fēng)機(jī)采用偏航優(yōu)化，其他的風(fēng)機(jī)仍然保持對(duì)風(fēng)，這兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)采用偏航優(yōu)化，上游沒有進(jìn)行優(yōu)化。

得出來的結(jié)論，即便全部風(fēng)機(jī)不采用偏航優(yōu)化策略效果也是可以的，DE區(qū)采用偏航下游風(fēng)機(jī)提升1.02%。這個(gè)可以從本身的排布分析出來，這也是很正常的情況。R區(qū)和D區(qū)間距只有3公里，越密集優(yōu)化效果是越好的，另外是5公里優(yōu)化效果能達(dá)到稍微小一點(diǎn)不到1%。

針對(duì)以上提出的技術(shù)和應(yīng)用給出比較關(guān)注的結(jié)論，針對(duì)偏航優(yōu)化控制技術(shù)，我們需要考慮尾流實(shí)際上和傳統(tǒng)風(fēng)資源評(píng)估系統(tǒng)不同，我們要額外考慮到尾流的分布，涉及到衰減、偏移、疊加，必須要同時(shí)考慮這三個(gè)才能優(yōu)化形態(tài)。采用偏航優(yōu)化控制技術(shù)，對(duì)單個(gè)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行排布：一是可以提升發(fā)電量，二是達(dá)到有效擴(kuò)容，三是有效的減少用海面積。

采用這種面積針對(duì)多個(gè)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化它仍然有效，但是效果沒有采用整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的效果好。最后是如果采用偏航優(yōu)化控制技術(shù)，針對(duì)這樣的效果風(fēng)機(jī)間距越小效果也是越顯著的，一般是中低風(fēng)速段效果優(yōu)化更加明顯。

我的分享結(jié)束，謝謝大家。

（根據(jù)演講速記整理，未經(jīng)演講人審核）