運(yùn)達(dá)股份潘航平：大型風(fēng)電基地運(yùn)行尾流評(píng)估及其對(duì)大基地開(kāi)發(fā)的啟示

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(kāi)。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(lái)。

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(lái)”為主題，將歷時(shí)四天，包括開(kāi)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(jiàn)App全程直播本次大會(huì)。

10月17日上午，運(yùn)達(dá)股份潘航平在“風(fēng)資源技術(shù)論壇上”發(fā)表了題目為《大型風(fēng)電基地運(yùn)行尾流評(píng)估及其對(duì)大基地開(kāi)發(fā)的啟示》的主旨發(fā)言。

以下為演講全文：

各位領(lǐng)導(dǎo)同仁上午好，我是潘航平。今天有幸和大家分享《大型風(fēng)電基地運(yùn)行尾流評(píng)估及其對(duì)大基地開(kāi)發(fā)的啟示》，演講從五個(gè)方面展開(kāi)。

首先是背景介紹，大家對(duì)宏觀的政策背景比我更加了解，國(guó)家能源局頒布的“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃中提出，我們要以重大基地開(kāi)發(fā)支撐發(fā)展，作為“十四五”期間可再生能源發(fā)展的規(guī)劃。主要的任務(wù)是要大力推進(jìn)風(fēng)電和光伏發(fā)電基地化的開(kāi)發(fā)，為此國(guó)家也是規(guī)劃七大陸上新能源發(fā)電基地。

根據(jù)水規(guī)總院今年上半年剛剛發(fā)布2022年中國(guó)可再生能源發(fā)展報(bào)告中指出，三北發(fā)揮區(qū)位資源的優(yōu)勢(shì)，這個(gè)是當(dāng)前大基地開(kāi)發(fā)的現(xiàn)狀。

做大基地的開(kāi)發(fā)，免不了要對(duì)基地的尾流進(jìn)行評(píng)估。這里我引用華潤(rùn)譚總分享過(guò)的一篇報(bào)告，這是中部平原的項(xiàng)目，主風(fēng)向是南北風(fēng)，當(dāng)行間距超過(guò)20米，尾流的影響非常小。然而這個(gè)風(fēng)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行狀況顯示，行間距超過(guò)30米仍然有非常嚴(yán)重的尾流損失，后排的尾流損失將會(huì)逐漸的增大。

下一步是軟件中所用的尾流模型，以pack模型為代表的模型，仍然是當(dāng)前主流商業(yè)軟件中首選模型，部分商業(yè)軟件疊加其他的尾流形式，以考慮對(duì)機(jī)組的影響。剛剛朱總講到他們的尾流疊加模型，也是幾何疊加的形式。大規(guī)模蜂巢尾流模型風(fēng)電機(jī)組不僅僅是對(duì)風(fēng)況做出反應(yīng)，同時(shí)也是風(fēng)況的部分，由于風(fēng)電機(jī)組從空氣中獲取動(dòng)力，它就會(huì)受到干擾。

分為四步，場(chǎng)區(qū)進(jìn)行求解、邊界層擴(kuò)散、邊界層修正、尾流損失計(jì)算。從公式當(dāng)中可以看出，場(chǎng)區(qū)等效粗糙度直接取決于風(fēng)機(jī)輪轂高度和排列間距、水平間距等等。

從邊緣層高度計(jì)算當(dāng)中可以看出，直接取決于風(fēng)電機(jī)組到邊界的距離。這幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)會(huì)講到為什么這么關(guān)鍵？它對(duì)這個(gè)模型的影響是什么？以這張圖為例，項(xiàng)目展示三個(gè)參數(shù)，包括平行主方向的間距SD、SC，另外以某一個(gè)風(fēng)機(jī)為例SBL關(guān)鍵的參數(shù)。

拿到新的模型后，自然而然會(huì)對(duì)模型做精度的驗(yàn)證。驗(yàn)證的案例是丹麥海上風(fēng)電場(chǎng)，比較出名的是這兩張照片（PPT），可以說(shuō)是風(fēng)電行業(yè)當(dāng)中傳播非常廣泛的照片，這個(gè)風(fēng)場(chǎng)是非常規(guī)則8×10，由于排布非常規(guī)則，所以也是做尾流研究非常好的案例，方向選取270度以及220度作為尾流損失的驗(yàn)證。

我們從多篇文章當(dāng)中取案例，包括不同的風(fēng)速和不同風(fēng)向下，有針對(duì)風(fēng)速和功率。從7個(gè)表格當(dāng)中可以看出，常規(guī)的模型無(wú)法模擬出風(fēng)電機(jī)組排多，下游增大的情況，大型風(fēng)場(chǎng)尾流模型可以模擬出這樣的效果。根據(jù)這樣的模擬結(jié)果可以得出來(lái)一個(gè)結(jié)論，大蜂巢尾流模型能夠在規(guī)則排布的情況下，可以為規(guī)則排布的大型風(fēng)電項(xiàng)目模擬提供一定的參考。

但是蜂巢是非常規(guī)則的排布，而我國(guó)實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目很難達(dá)到規(guī)則排布的效果。接下來(lái)看一下大規(guī)模蜂巢尾流模型實(shí)際的情況。

第一個(gè)案例是我國(guó)的西北地區(qū)，這個(gè)項(xiàng)目排布400多臺(tái)機(jī)組，地貌類(lèi)型是戈壁荒漠，平均海拔是2830米-3000米，主方向是西峰到西北風(fēng)，隨著西北方向風(fēng)電場(chǎng)逐漸的擴(kuò)建，導(dǎo)致東南機(jī)組發(fā)電量遠(yuǎn)低于初設(shè)值，在場(chǎng)區(qū)內(nèi)立兩座雷達(dá)做評(píng)估。其中雷達(dá)有兩個(gè)，紅色的點(diǎn)位于場(chǎng)區(qū)的中間，可以說(shuō)受尾流影響非常深，藍(lán)色的雷達(dá)2距離機(jī)組非常遠(yuǎn)，可以認(rèn)為不受場(chǎng)區(qū)的尾流影響。

以雷達(dá)2為參考，雷達(dá)1做雷達(dá)之間的推算，以互推去做，分別用pack和大蜂巢尾流模型推算，并且要求的是篩選出兩座雷達(dá)，風(fēng)向都集中在292度風(fēng)向數(shù)據(jù)做推算。推算的結(jié)果大家也可以看到，Pack模型低估了尾流的效應(yīng)，大規(guī)模尾流模型可以模擬出效果，風(fēng)速誤差也是非常小的，尤其是風(fēng)機(jī)常用的輪轂高度誤差非常小。

第二個(gè)是我國(guó)華北地區(qū)的項(xiàng)目，項(xiàng)目分三期進(jìn)行開(kāi)發(fā)。一期機(jī)組是東邊紅色區(qū)域，二期機(jī)組是綠色區(qū)域，三期機(jī)組是藍(lán)色區(qū)域。其中一期細(xì)分為三種機(jī)型，容量也比較小，綠色是機(jī)型2，藍(lán)色的是機(jī)型3。

其中，項(xiàng)目一期已經(jīng)并網(wǎng)發(fā)電，二期、三期還沒(méi)有并網(wǎng)發(fā)電，從效果來(lái)看機(jī)型1是小機(jī)型，常規(guī)的經(jīng)驗(yàn)是不是小機(jī)型小時(shí)數(shù)大于這個(gè)？但實(shí)際上不是這樣，反而是機(jī)型2小時(shí)數(shù)比機(jī)型1要高，低估了下面的效應(yīng)，我們通過(guò)做模擬分析看到，大蜂巢算出來(lái)的小時(shí)數(shù)和實(shí)際的小時(shí)數(shù)非常接近。

機(jī)型1為什么低？因?yàn)槲擦鲹p失被低估，它的尾流損失達(dá)到9%以上。再?gòu)母鱾€(gè)機(jī)位點(diǎn)詳細(xì)尾流損失的圖來(lái)看，能夠看到機(jī)型1所有的尾流損失差距都是負(fù)數(shù)，初設(shè)尾流損失都是被低估的。

但是細(xì)看，大規(guī)模蜂巢尾流模型不是萬(wàn)能的，對(duì)于圖中所示的區(qū)域和實(shí)際運(yùn)行不符合。以這三臺(tái)機(jī)組為例，12、13、14機(jī)組，實(shí)際運(yùn)行的情況表明，13機(jī)位點(diǎn)發(fā)電量要遠(yuǎn)低于預(yù)測(cè)值，發(fā)現(xiàn)13上的3.6D處就有一個(gè)機(jī)組，12離前排機(jī)組的距離比較遠(yuǎn)。從我們的經(jīng)驗(yàn)分析來(lái)看，13的發(fā)電量要最低才對(duì)，而模型預(yù)測(cè)出來(lái)的結(jié)果并沒(méi)有預(yù)測(cè)出13低，主要是因?yàn)榇蠓涑参擦髂Ｐ退鶎?dǎo)致。因?yàn)槲覀円紤]目標(biāo)機(jī)位點(diǎn)在主方向上游，距離風(fēng)場(chǎng)邊界的距離，對(duì)于13、14兩個(gè)點(diǎn)位來(lái)說(shuō)差不多的，所以在自然流修正階段，就會(huì)把這兩個(gè)修正到同一水平。

又由于尾流疊加模型，只考慮到上方向最接近的機(jī)組，由此導(dǎo)致這兩臺(tái)機(jī)組尾流后的風(fēng)速會(huì)被修正后同一水平，所以13、14沒(méi)有預(yù)測(cè)出實(shí)際，這也是模型原理導(dǎo)致的結(jié)果。

項(xiàng)目分一期、二期、三期開(kāi)發(fā)，如果把這三期都投運(yùn)的情況下與一期做對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)僅針對(duì)一期80臺(tái)機(jī)組來(lái)看，它的尾流損失會(huì)進(jìn)一步增大0.5%以上，由此導(dǎo)致一期的發(fā)電量會(huì)降低0.5%，所以這也是給我們一個(gè)啟示，多開(kāi)發(fā)會(huì)考慮后面對(duì)前面發(fā)電量損失的影響。

結(jié)論與展望，從大規(guī)模風(fēng)場(chǎng)模型、宣傳和原理來(lái)講一下，常規(guī)的尾流模型它對(duì)大規(guī)模尾流模型是失真的。而大規(guī)模風(fēng)場(chǎng)尾流模型是較為可靠的模型，能夠符合整場(chǎng)的情況，但是這個(gè)模型對(duì)個(gè)別點(diǎn)位的精度和預(yù)測(cè)不是那么貼切。

模型原理，主要是考慮機(jī)組之間的橫縱間距，可以更加適合規(guī)則排布的大型風(fēng)電基地，又由于模型考慮到機(jī)組邊界的距離，因此邊界如何框定會(huì)直接影響到評(píng)估結(jié)果。需要考慮場(chǎng)區(qū)的高度和地表粗糙度，這些取值也會(huì)影響到評(píng)估結(jié)果。

最后大基地開(kāi)發(fā)的啟示，充分考慮周邊風(fēng)場(chǎng)帶來(lái)的尾流影響，減少尾流損失。對(duì)于規(guī)則排布的大基地項(xiàng)目，不建議用常規(guī)的工程尾流模型評(píng)估，雖然說(shuō)這個(gè)模型評(píng)估的電量很客觀，但不建議用常規(guī)的模型去做。我們也對(duì)模型進(jìn)行相應(yīng)的展望，這也是后續(xù)的工作。

各個(gè)尾流模型明確的適用邊界是什么？這也是很多風(fēng)資源的工程師在思考的問(wèn)題，什么樣的風(fēng)場(chǎng)用pack模型就可以了？什么樣的風(fēng)場(chǎng)用pack疊加能量守恒模型？還有什么樣風(fēng)場(chǎng)必須要用大規(guī)模風(fēng)場(chǎng)尾流模型？各個(gè)模型適用邊界是什么？希望行業(yè)內(nèi)出具相應(yīng)的指導(dǎo)準(zhǔn)則給工程師參考。

大規(guī)模風(fēng)場(chǎng)尾流模型參考范圍和標(biāo)準(zhǔn)是什么？邊框之間的連接線怎么連接合適？邊框與各機(jī)位點(diǎn)的間距取多少合適？什么樣的機(jī)位點(diǎn)不應(yīng)該被框進(jìn)去？這樣的機(jī)位點(diǎn)風(fēng)場(chǎng)框選完全交給工程師個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)，會(huì)導(dǎo)致后面的結(jié)果不同，我希望行業(yè)內(nèi)能夠出具相應(yīng)的規(guī)范指導(dǎo)我們?nèi)プ鱿鄳?yīng)的評(píng)估。

大型風(fēng)場(chǎng)的尾流評(píng)估，對(duì)于非規(guī)則排布的適用性怎么樣？如果適用性不好如何優(yōu)化？

大型風(fēng)電基地引發(fā)的揣流強(qiáng)度增大效應(yīng)，該如何耦合斤大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)尾流模型？

我今天分享的內(nèi)容就是這些，謝謝。

（根據(jù)演講速記整理，未經(jīng)演講人審核）