法国美迪谢新:偏航优化控制技术对海上风电设计方案的影响

能见App 2023年10月17日 22739

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,法国美迪的谢新在“风资源技术论坛上”发表了题目为《偏航优化控制技术对海上风电设计方案的影响》的主旨发言。

以下为演讲全文:

大家好,很高兴今天和各位分享我们的课题,主题是《偏航优化控制技术对海上风电设计方案的影响》。这个课题是我们和中国电建、福建省勘测设计院共同完成的课题。

    今天第一部分有关大基地项目,很多同仁谈到尾流。我从另外一个角度,结合海上风电实际的案例,与大家探讨我们对于此的看法。

    演讲分为三部分:理论方向讲偏航控制技术、结合框架和海上风电实际案例讲单风场和多风场优化结果、结论。

    图中(PPT)给出对风资源评估的尾流框架,关注的是两方面。大家对于尾流更多关注的是结果而不是本身,我只需要知道最终造成多少发电量折减就够了。在这种条件下,我们采用的模型像pack而模型或者大蜂巢尾流模型等,给出的都是发电量折减的结果。

    但是我们如果讲尾流的目的改变,我们想针对尾流做一些优化。我们开始的目的就变了,要更多的去关注尾流的形态,它的形态涉及到三个方面:一是折减;二是尾流偏移,第一部分框架下一般来说上游风机不做主动偏航,这种情况下尾流的中心线是沿着初始,一旦做优化会产生偏转;三是尾流的叠加,不是光考虑发电量叠加。在这个框架下,我们要采用单独的模型考虑。   

    首先来看风速衰减,最早研究是2016年,根据实验观测提出尾流有几个特性,它在同样的距离条件下分布不是均匀的,越靠近尾流中心,尾流折减是越大的,越远离的话折减越小。同时分布是由尾流特征框架控制的,同时提出要采用近尾流区和远尾流区分开的模式。

    基于这个模型有很多的探讨,我们在课题下采用比较新的结果,它是2020年的模型,基于以上的问题都有解释,比如说形态分布应该是超高的,近远尾流区会变成8参数的模型。这边我不会对模型的细节进行展开,大家感兴趣可以看一下。

    我们关注它空间形态上尾流的分布,可以看到得出来的结论,尾流形态是逐渐减少,同时永远是靠近中心区域尾流衰减最大的,远离中心区域尾流衰减比较小。

    风速衰减确定后,对于偏航优化控制还要进一步考虑尾流的偏移,这个是怎么造成的?由于风机有夹角,可以分解为两个部分,一个是沿着X方向,另外一个是垂直方向会将风产生偏移。结合质量守恒和数学推导,可以得到尾流中心线的距离。在不同的偏转角下,它偏转的情景。

    尾流叠加,大基地有很多同仁已经谈过,针对这个情景下该用什么样的尾流叠加?2016年有文献做了比较详细的对比。针对目前的工业领域和商业软件上常用的三种叠加方法,它做不同的评估。得出来的结论是各有优劣,最大的方法是最大尾流衰减,严格来说是不叠加。

    第二种是自由流的线性叠加和第三种的不叠加,这三种的适用度不同。第一种是上有两台风机完全对齐,这种情况下和实验结果最大衰减模型,另外两个高估。第二种是上下风机部分重叠,拟合最好的是线性叠加。第三种是上有两台风机完全不重合,但是尾流区域有重合。所以实际上,你没有办法针对所有的情形,找到一种完美契合的方法,为了折中采用的是最后的方法。

    这是结合衰减+偏移+叠加的方法后,给出大家不同最终尾流形态的模拟。针对最开始提出的框架可以给出答案,我们采用这样模型的框架。当然这是最基本需要考虑的三个问题,实际上你需要在框架上增加一些细节,比如说二级偏转,尾流本身横向速度也要考虑进去,最后找到完整的框架。

    当框架构建好之后,基于框架开发出比较适合工业的产品,啊它能给出不同丰富段下最优的策略,实际上就是每台风机采用什么样的偏航角。以及偏航前后或者优化前后发电量的变化,以及尾流折减的变化。

    为了验证这个框架,我们和福建电设计院针对他们的项目进行计算,分为单风场和多风场说一下。

    首先是单风场,选取的是台湾海峡、福州海域,本身的排布是8D×2.2D,可以看到主动偏航控制优化前后发电量提升是2.16%,如果关注到每一台风机的情况,在上游的风机发电量是降低的,这也很符合逻辑,主动有一个偏航角,所以最上游的风机发电量一定会有降低,但是得到的是下游的尾流变化,下游风机避开了最大的中心区域。最大的一台风机发电量提升,尾流折减的提升接近15%。

    第二个情形是针对风电场,假设装机容量不确定,我的规划面积是确定的,这种情况下怎么样能够获得一个最优的收益?这个收益是和你的尾流折减挂钩的。我们选取10%的尾流折减阈值优化排布,做出4种额外的排布,由8D按照7.57%、6.56%,针对这些排布采用策略。如果不采用的话,尾流到9%以上,如果再稍微的缩短一点,尾流就超过阈值了。采用偏航控制是把主间距直接缩短到6.5%,等于说容量就大大的增加了。

    同样偏航优化控制,排布越紧密,优化的效果也是越好的,拉的越远,本身的尾流也比较小。我观察到丰富段,优化技术对于中低效果是最好的。这是每台风机优化的发电量变化与初始是一样的。

    同时,如果说容量固定,同样可以通过这种方法减少用海面积。得出来的结论是基于风电场,如果优化容量,同等的情况下可以提升20%,如果说容量不变,用海面积可以减少23.8%。

    最后的案例是多风场,找两个风场也是在台湾海峡,它的容量是900mw,还有马祖1000mw,如果是单风电场可以进行偏航控制,但是很多时候开发风电场一个规划区内是不同的开发商,如果采用统一的优化策略,有的时候不太好沟通。

    针对这种情形,部分风机采用偏航优化,其他的风机仍然保持对风,这两个风电场采用偏航优化,上游没有进行优化。

    得出来的结论,即便全部风机不采用偏航优化策略效果也是可以的,DE区采用偏航下游风机提升1.02%。这个可以从本身的排布分析出来,这也是很正常的情况。R区和D区间距只有3公里,越密集优化效果是越好的,另外是5公里优化效果能达到稍微小一点不到1%。

    针对以上提出的技术和应用给出比较关注的结论,针对偏航优化控制技术,我们需要考虑尾流实际上和传统风资源评估系统不同,我们要额外考虑到尾流的分布,涉及到衰减、偏移、叠加,必须要同时考虑这三个才能优化形态。采用偏航优化控制技术,对单个风场进行排布:一是可以提升发电量,二是达到有效扩容,三是有效的减少用海面积。

    采用这种面积针对多个风场进行优化它仍然有效,但是效果没有采用整个风场的效果好。最后是如果采用偏航优化控制技术,针对这样的效果风机间距越小效果也是越显著的,一般是中低风速段效果优化更加明显。

    我的分享结束,谢谢大家。

(根据演讲速记整理,未经演讲人审核)