运达股份潘航平:大型风电基地运行尾流评估及其对大基地开发的启示

能见App 2023年10月17日 23971

2023年10月16日-19日,2023北京国际风能大会暨展览会(CWP2023)在北京如约召开。作为全球风电行业年度最大的盛会之一,这场由百余名演讲嘉宾和数千名国内外参会代表共同参与的风能盛会,再次登陆北京,聚焦中国能源革命的未来。

本届大会以“构筑全球稳定供应链 共建能源转型新未来”为主题,将历时四天,包括开幕式、主旨发言、高峰对话、创新剧场以及关于“全球风电产业布局及供应链安全”“双碳时代下的风电技术发展前景”“国际风电市场发展动态及投资机会”“风电机组可靠性论坛”等不同主题的21个分论坛。能见App全程直播本次大会。

10月17日上午,运达股份潘航平在“风资源技术论坛上”发表了题目为《大型风电基地运行尾流评估及其对大基地开发的启示》的主旨发言。

以下为演讲全文:

各位领导同仁上午好,我是潘航平。今天有幸和大家分享《大型风电基地运行尾流评估及其对大基地开发的启示》,演讲从五个方面展开。

首先是背景介绍,大家对宏观的政策背景比我更加了解,国家能源局颁布的“十四五”可再生能源发展规划中提出,我们要以重大基地开发支撑发展,作为“十四五”期间可再生能源发展的规划。主要的任务是要大力推进风电和光伏发电基地化的开发,为此国家也是规划七大陆上新能源发电基地。

根据水规总院今年上半年刚刚发布2022年中国可再生能源发展报告中指出,三北发挥区位资源的优势,这个是当前大基地开发的现状。

做大基地的开发,免不了要对基地的尾流进行评估。这里我引用华润谭总分享过的一篇报告,这是中部平原的项目,主风向是南北风,当行间距超过20米,尾流的影响非常小。然而这个风场的实际运行状况显示,行间距超过30米仍然有非常严重的尾流损失,后排的尾流损失将会逐渐的增大。

下一步是软件中所用的尾流模型,以pack模型为代表的模型,仍然是当前主流商业软件中首选模型,部分商业软件叠加其他的尾流形式,以考虑对机组的影响。刚刚朱总讲到他们的尾流叠加模型,也是几何叠加的形式。大规模蜂巢尾流模型风电机组不仅仅是对风况做出反应,同时也是风况的部分,由于风电机组从空气中获取动力,它就会受到干扰。

分为四步,场区进行求解、边界层扩散、边界层修正、尾流损失计算。从公式当中可以看出,场区等效粗糙度直接取决于风机轮毂高度和排列间距、水平间距等等。

从边缘层高度计算当中可以看出,直接取决于风电机组到边界的距离。这几个关键参数会讲到为什么这么关键?它对这个模型的影响是什么?以这张图为例,项目展示三个参数,包括平行主方向的间距SD、SC,另外以某一个风机为例SBL关键的参数。

拿到新的模型后,自然而然会对模型做精度的验证。验证的案例是丹麦海上风电场,比较出名的是这两张照片(PPT),可以说是风电行业当中传播非常广泛的照片,这个风场是非常规则8×10,由于排布非常规则,所以也是做尾流研究非常好的案例,方向选取270度以及220度作为尾流损失的验证。

我们从多篇文章当中取案例,包括不同的风速和不同风向下,有针对风速和功率。从7个表格当中可以看出,常规的模型无法模拟出风电机组排多,下游增大的情况,大型风场尾流模型可以模拟出这样的效果。根据这样的模拟结果可以得出来一个结论,大蜂巢尾流模型能够在规则排布的情况下,可以为规则排布的大型风电项目模拟提供一定的参考。

但是蜂巢是非常规则的排布,而我国实际风电场项目很难达到规则排布的效果。接下来看一下大规模蜂巢尾流模型实际的情况。

第一个案例是我国的西北地区,这个项目排布400多台机组,地貌类型是戈壁荒漠,平均海拔是2830米-3000米,主方向是西峰到西北风,随着西北方向风电场逐渐的扩建,导致东南机组发电量远低于初设值,在场区内立两座雷达做评估。其中雷达有两个,红色的点位于场区的中间,可以说受尾流影响非常深,蓝色的雷达2距离机组非常远,可以认为不受场区的尾流影响。

以雷达2为参考,雷达1做雷达之间的推算,以互推去做,分别用pack和大蜂巢尾流模型推算,并且要求的是筛选出两座雷达,风向都集中在292度风向数据做推算。推算的结果大家也可以看到,Pack模型低估了尾流的效应,大规模尾流模型可以模拟出效果,风速误差也是非常小的,尤其是风机常用的轮毂高度误差非常小。

第二个是我国华北地区的项目,项目分三期进行开发。一期机组是东边红色区域,二期机组是绿色区域,三期机组是蓝色区域。其中一期细分为三种机型,容量也比较小,绿色是机型2,蓝色的是机型3。

其中,项目一期已经并网发电,二期、三期还没有并网发电,从效果来看机型1是小机型,常规的经验是不是小机型小时数大于这个?但实际上不是这样,反而是机型2小时数比机型1要高,低估了下面的效应,我们通过做模拟分析看到,大蜂巢算出来的小时数和实际的小时数非常接近。

机型1为什么低?因为尾流损失被低估,它的尾流损失达到9%以上。再从各个机位点详细尾流损失的图来看,能够看到机型1所有的尾流损失差距都是负数,初设尾流损失都是被低估的。

但是细看,大规模蜂巢尾流模型不是万能的,对于图中所示的区域和实际运行不符合。以这三台机组为例,12、13、14机组,实际运行的情况表明,13机位点发电量要远低于预测值,发现13上的3.6D处就有一个机组,12离前排机组的距离比较远。从我们的经验分析来看,13的发电量要最低才对,而模型预测出来的结果并没有预测出13低,主要是因为大蜂巢尾流模型所导致。因为我们要考虑目标机位点在主方向上游,距离风场边界的距离,对于13、14两个点位来说差不多的,所以在自然流修正阶段,就会把这两个修正到同一水平。

又由于尾流叠加模型,只考虑到上方向最接近的机组,由此导致这两台机组尾流后的风速会被修正后同一水平,所以13、14没有预测出实际,这也是模型原理导致的结果。

项目分一期、二期、三期开发,如果把这三期都投运的情况下与一期做对比,可以发现仅针对一期80台机组来看,它的尾流损失会进一步增大0.5%以上,由此导致一期的发电量会降低0.5%,所以这也是给我们一个启示,多开发会考虑后面对前面发电量损失的影响。

结论与展望,从大规模风场模型、宣传和原理来讲一下,常规的尾流模型它对大规模尾流模型是失真的。而大规模风场尾流模型是较为可靠的模型,能够符合整场的情况,但是这个模型对个别点位的精度和预测不是那么贴切。

模型原理,主要是考虑机组之间的横纵间距,可以更加适合规则排布的大型风电基地,又由于模型考虑到机组边界的距离,因此边界如何框定会直接影响到评估结果。需要考虑场区的高度和地表粗糙度,这些取值也会影响到评估结果。

最后大基地开发的启示,充分考虑周边风场带来的尾流影响,减少尾流损失。对于规则排布的大基地项目,不建议用常规的工程尾流模型评估,虽然说这个模型评估的电量很客观,但不建议用常规的模型去做。我们也对模型进行相应的展望,这也是后续的工作。

各个尾流模型明确的适用边界是什么?这也是很多风资源的工程师在思考的问题,什么样的风场用pack模型就可以了?什么样的风场用pack叠加能量守恒模型?还有什么样风场必须要用大规模风场尾流模型?各个模型适用边界是什么?希望行业内出具相应的指导准则给工程师参考。

大规模风场尾流模型参考范围和标准是什么?边框之间的连接线怎么连接合适?边框与各机位点的间距取多少合适?什么样的机位点不应该被框进去?这样的机位点风场框选完全交给工程师个人的经验,会导致后面的结果不同,我希望行业内能够出具相应的规范指导我们去做相应的评估。

大型风场的尾流评估,对于非规则排布的适用性怎么样?如果适用性不好如何优化?

大型风电基地引发的揣流强度增大效应,该如何耦合斤大规模风电场尾流模型?

我今天分享的内容就是这些,谢谢。

(根据演讲速记整理,未经演讲人审核)