风力机偏航对尾迹演化影响的实验研究

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.23062

发电技术 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (6): 1153-1162.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.23062

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风力机偏航对尾迹演化影响的实验研究

张立栋¹, 铁浩¹, 刘惠文², 李钦伟³, 田文鑫⁴, 赵秀勇⁴, 常子涵¹

^1.东北电力大学能源与动力工程学院，吉林省吉林市 132012
^2.河海大学能源与电气学院，江苏省南京市 211100
^3.中国电建集团吉林省电力勘测设计院有限公司，吉林省长春市 130021
^4.国家环境保护大气物理模拟与污染控制重点实验室(国电环境保护研究院有限公司)，江苏省南京市 210031

收稿日期:2024-04-10 修回日期:2024-07-24 出版日期:2024-12-31 发布日期:2024-12-30
作者简介:张立栋(1980)，男，博士，副教授，主要研究方向为新能源发电技术，nedu1015@aliyun.com。
基金资助:
国家自然科学基金青年项目(52106239);吉林省科技厅重点研发项目(20200403141SF)

Experimental Study on the Influence of Wind Turbine Yaw on Wake Evolution

Lidong ZHANG¹, Hao TIE¹, Huiwen LIU², Qinwei LI³, Wenxin TIAN⁴, Xiuyong ZHAO⁴, Zihan CHANG¹

^1.School of Energy and Power Engineering, Northeast Electric Power University, Jilin 132012, Jilin Province, China
^2.College of Energy and Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, Jiangsu Province, China
^3.Power China Jilin Electric Power Engineering Co. , Ltd. , Changchun 130021, Jilin Province, China
^4.State Environmental Protection Key Laboratory of Atmospheric Physical Modeling and Pollution Control (State Power Environmental Protection Research Institute Co. , Ltd. ), Nanjing 210031, Jiangsu Province, China

Received:2024-04-10 Revised:2024-07-24 Published:2024-12-31 Online:2024-12-30
Supported by:
National Natural Science Foundation of China Youth Program(52106239);Key Research and Development Project of Jilin Provincial Science and Technology Department(20200403141SF)

摘要/Abstract

摘要：

目的风力机尾流影响风电场的整体功率输出，对尾流特性进行分析是研究偏航控制对尾流影响的关键。为此，研究了上游风力机不同偏航角对尾流特征(如湍流积分尺度、功率谱密度等)以及尾流中涡流运动等方面的影响，以深入了解偏航状态下风力机尾流特性。方法采用风洞对0°、15°、30°偏航角的风力机下游尾迹演化规律进行研究。使用湍流积分尺度及功率谱密度等描述尾流特征，并以此分析不同特征点之间的相关性。结果偏航角对水平方向的尾流影响较小，湍流积分尺度变化不大；垂直方向上的湍流积分尺度在不同偏航角下具有较大的波动。通过对功率谱密度的分析，进一步量化了涡流运动对尾流湍动能的贡献。0°偏航时的来流受风力机旋转的扰动程度比15°偏航时小；但偏航角的增大并不总是导致风轮对来流的破坏程度增加，30°偏航时对来流涡结构的解耦作用比15°偏航时小。结论偏航角对风力机尾流在水平和垂直方向上的影响具有明显差异；功率谱密度分析为理解涡流运动对尾流湍动能的贡献提供了量化依据，有助于深入研究尾流中的能量传递和流动机制；偏航角与风轮对来流的扰动和解耦作用之间并非简单的正相关关系，这为风力机的优化运行和风电场的布局提供了参考依据。

关键词: 可再生能源, 风电, 风力机, 尾流, 湍流, 演化, 偏航控制, 风洞实验

Abstract:

Objectives The wake of wind turbine affects the overall power output of wind farm. The analysis of wake characteristics is the key to study the influence of yaw control on wake. Therefore, the effects of different yaw angles of the upstream wind turbine on the wake characteristics (such as turbulence integral scale, power spectral density, etc. ) and the eddy current motion in the wake were studied, to understand the wake characteristics of the wind turbine under yaw conditions. Methods The wind tunnel was used to study the evolution law of the downstream wake of the wind turbine at 0°, 15° and 30° yaw angles. The turbulence integral scale and power spectral density were used to describe the wake characteristics, and the correlation between different feature points was analyzed. Results The yaw angle has little effect on the horizontal wake, and the turbulence integral scale does not change much. The turbulent integral scale in the vertical direction has large fluctuations at different yaw angles. Through the analysis of the power spectral density, the contribution of eddy current motion to the turbulent kinetic energy of the wake is further quantified. The incoming current at 0° yaw is less disturbed by the rotation of the wind turbine than that at 15°. However, the increase of yaw angle does not always lead to an increase in the damage degree of wind turbines to the incoming current, and the decoupling effect on the incoming vortex structure at 30° is smaller than that at 15°. Conclusions There is a significant difference in the influence of yaw angle on the horizontal and vertical directions of wind turbine wake. The power spectral density analysis provides a quantitative basis for understanding the contribution of eddy current motion to the turbulent kinetic energy of the wake, which is helpful for in-depth study of the energy transfer and flow mechanism in the wake. There is not a simple positive correlation between the yaw angle and the disturbance and decoupling of the wind turbine on the incoming stream, which provides a reference for the optimal operation of the wind turbine and the layout of the wind farm.

Key words: renewable energy, wind power, wind turbine, wake, turbulence, evolution, yaw control, wind tunnel experiment

中图分类号:

TK 83

张立栋, 铁浩, 刘惠文, 李钦伟, 田文鑫, 赵秀勇, 常子涵. 风力机偏航对尾迹演化影响的实验研究[J]. 发电技术, 2024, 45(6): 1153-1162.

Lidong ZHANG, Hao TIE, Huiwen LIU, Qinwei LI, Wenxin TIAN, Xiuyong ZHAO, Zihan CHANG. Experimental Study on the Influence of Wind Turbine Yaw on Wake Evolution[J]. Power Generation Technology, 2024, 45(6): 1153-1162.

图/表 10

图1 实验设置示意图

Fig. 1 Schematic diagram of experimental setup

图2 实验样机

Fig. 2 Experimental prototype

图3 剪切来流风轮廓特性

Fig. 3 Characteristics of incoming shear flow profile

图4 垂直方向上相同位置的速度分布

Fig. 4 Velocity distribution at the same positions in the vertical direction

图5 湍流积分长度分布曲线

Fig. 5 Distribution curves of turbulence integral length

图6 上叶尖轴向速度的功率谱密度

Fig. 6 Power spectral density of axial velocity at the tip of the upper leaf

图7 下叶尖轴向速度的功率谱密度

Fig. 7 Power spectral density of axial velocity of the lower blade tip

图8 x/dT =5处轴向速度预乘功率谱密度垂向分布特征

Fig. 8 Vertical direction characteristics of stream-wise velocity premultiplied power spectral density at x/dT =5

图9 上、下叶尖后方x/dT=5处流场相关性分析

Fig. 9 Correlation analysis of flow field at x/dT=5 behind the top and bottom tips

图10 x/dT=5处轮毂和其他垂向位置流场相关性分析

Fig. 10 Correlation analysis of flow field at hub and other vertical positions at x/dT=5

参考文献 30

1	许洪华，邵桂萍，鄂春良，等．我国未来能源系统及能源转型现实路径研究[J]．发电技术，2023，44(4)：484-491． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.23002
	XU H H， SHAO G P， E C L，et al ．Research on China’s future energy system and the realistic path of energy transformation[J]．Power Generation Technology，2023，44(4)：484-491． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.23002
2	纪鹏，黄成，孙田，等．适应高比例可再生能源的价区划分与功率转移权重近似计算研究[J]．电力科学与技术学报，2023，38(6)：12-19． doi:10.19781/j.issn.1673-9140.2023.06.002
	JI P， HUANG C， SUN T，et al ．Study on price zone partition method and improved zonal power transfer distribution factor considering the uncertainty of electricity market[J]．Journal of Electric Power Science and Technology，2023，38(6)：12-19． doi:10.19781/j.issn.1673-9140.2023.06.002
3	牛甲俊，张薇，许达明．基于FCM和ITransformer-TCN的短期风电集群功率预测[J]．东北电力大学学报，2024，44(1)：9-16．
	NIU J J， ZHANG W， XU D M ．Short-term power prediction of wind power cluster based on FCM and ITransformer-TCN[J]．Journal of Northeast Electric Power University，2024，44(1)：9-16．
4	李铮，郭小江，申旭辉，等．我国海上风电发展关键技术综述[J]．发电技术，2022，43(2)：186-197． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22028
	LI Z， GUO X J， SHEN X H，et al ．Summary of technologies for the development of offshore wind power industry in China[J]．Power Generation Technology，2022，43(2)：186-197． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22028
5	戴千斌，黄南天．短期风电功率预测误差修正研究综述[J]．东北电力大学学报，2023，43(2)：1-7．
	DAI Q B， HUANG N T ．Review of research on error correction of short-term wind power prediction[J]．Journal of Northeast Electric Power University，2023，43(2)：1-7．
6	王同光，田琳琳，钟伟，等．风能利用中的空气动力学研究进展Ⅱ：入流和尾流特性[J]．空气动力学学报，2022，40(4)： 22-50．
	WANG T G， TIAN L L， ZHONG W，et al ．Aerodynamic research progress in wind energy Ⅱ：inflow and wake characteristics[J]．Acta Aerodynamica Sinica，2022，40(4)：22-50．
7	张步恩，杨磊，余烈，等．不同偏航工况下受迫运动风力机动力学特性[J]．可再生能源，2024，42(7)：908-914．
	ZHANG B E， YANG L， YU L，et al ．Dynamics of the model turbine with driven motion at different yaw angle operating condition[J]．Renewable Energy Resources，2024，42(7)：908-914．
8	房方，梁栋炀，刘亚娟，等．海上风电智能控制与运维关键技术[J]．发电技术，2022，43(2)：175-185． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22042
	FANG F， LIANG D Y， LIU Y J，et al ．Key technologies for intelligent control and operation and maintenance of offshore wind power[J]．Power Generation Technology，2022，43(2)：175-185． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22042
9	GE M W， GAYME D F， MENEVEAU C ．Large-eddy simulation of wind turbines immersed in the wake of a cube-shaped building[J]．Renewable Energy，2020，163：1063-1077． doi:10.1016/j.renene.2020.08.156
10	赵宏凯，方乐．尾流的双尺度简化模型及其大涡模拟建模[J]．工程热物理学报，2021，42(6)：1446-1454．
	ZHAO H K， FANG L ．Two-scale simplified model of wake and its large eddy simulation modeling[J]．Journal of Engineering Thermophysics，2021，42(6)：1446-1454．
11	刘雨农，王晓东，陈明阳，等．偏航对风电机组机舱近尾流与测风的影响[J]．工程热物理学报，2022，43(5)：1240-1246．
	LIU Y N， WANG X D， CHEN M Y，et al ．Effect of yawing on the near wake flow and stroke of wind turbine machine nacelle[J]．Journal of Engineering Thermophysics，2022，43(5)：1240-1246.
12	杨从新，王印，李寿图，等．基于实验分析入流湍流积分尺度对水平轴风力机功率波动的影响[J]．太阳能学报，2021，42(8)：408-413．
	YANG C X， WANG Y， LI S T，et al ．Experimental study on influence of inflow turbulence integral scale on power fuctuation of horizontal axis wind turbine[J]．Acta Energiae Solaris Sinica，2021，42(8)：408-413．
13	XU B F， WANG T G， YUAN Y，et al ．A simplified free vortex wake model of wind turbines for axial steady conditions[J]．Applied Sciences，2018，8(6)：866． doi:10.3390/app8060866
14	袁飞，夏德喜，汪正军．基于SCADA数据的风电机组群尾流效应计算与验证研究[J]．智慧电力，2023，51(7)：23-30．
	YUAN F， XIA D X， WANG Z J ．Calculation and verification of wake effect on wind turbine based on SCADA data[J]．Smart Power，2023，51(7)：23-30．
15	李林敏，黄海琴，薛飞飞，等．基于LBM方法的风力发电机尾流结构仿真[J]．工程热物理学报，2020，41(1)：141-146．
	LI L M， HUANG H Q， XUE F F，et al ．Numerical simulation of wind turbine wakes using lattice Boltzmann method[J]．Journal of Engineering Thermophysics，2020，41(1)：141-146．
16	CHAMORRO L P， HILL C， MORTON S，et al ．On the Interaction between a turbulent open channel flow and an axial-flow turbine[J]．Journal of Fluid Mechanics，2013，716：658-670． doi:10.1017/jfm.2012.571
17	王燕，程杰，贾安，等．基于本征正交分解的水平轴风力机非定常尾迹特性分析[J]．农业工程学报，2022，38(7)：69-77．
	WANG Y， CHENG J， JIA A，et al ．Unsteady wake analysis of horizontal wind turbine using proper orthogonal decomposition[J]．Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2022，38(7)：69-77．
18	高晓霞，王腾渊，赵飞，等．基于激光雷达扫描数据的湍流强度影响下风力机尾流特性研究[J]．太阳能学报，2019，40(12)：3645-3650．
	GAO X X， WANG T Y， ZHAO F，et al ．Study on influence of turbulence intensity on wind turbine wake characteristics using lidars scanning data[J]．Acta Energiae Solaris Sinica，2019，40(12)：3645-3650．
19	FU S F， ZHANG B E， ZHENG Y，et al ．In-phase and out-of-phase pitch and roll oscillations of model wind turbines within uniform arrays[J]．Applied Energy，2020，269：114921． doi:10.1016/j.apenergy.2020.114921
20	郑一丹，刘惠文，郑源，等．错列布局风电场尾流演变实验研究[J]．中国电机工程学报，2023，43(4)：1463-1471.
	ZHENG Y D， LIU H W， ZHENG Y，et al ．Experimental study on the wakes evolution of a staggered wind farm[J]．Proceedings of the CSEE，2023，43(4)：1463-1471.
21	刘惠文，郑源，张玉全，等．风电场湍流积分长度演变实验研究[J]．太阳能学报，2020，41(9)：331-337．
	LIU H W， ZHENG Y， ZHANG Y Q，et al ．Experimental investigation on evolution of integral length scale within wind farm[J]．Acta Energiae Solaris Sinica，2020，41(9)：331-337．
22	曹九发，宋佺珉，王超群，等．阵风工况下多台风力机尾流效应的非定常特性[J]．空气动力学学报，2022，40(4)：247-255．
	CAO J F， SONG Q M， WANG C Q，et al ．Unsteady characteristics of wake effect for multiple wind turbines under gust wind condition[J]．Acta Aerodynamica Sinica，2022，40(4)：247-255．
23	张磊，李继影，李钦伟，等．风力机偏航系统控制策略研究现状及进展[J]．发电技术，2021，42(3)：306-312． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.20012
	ZHANG L， LI J Y， LI Q W，et al ．Status and prospect of yaw system control strategy for wind turbines[J]．Power Generation Technology，2021，42(3)：306-312． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.20012
24	王雪丽，张立茹，张嘉奇，等．基于流固耦合偏航工况下风力机输出功率的研究[J]．工程热物理学报，2021，42(3)：641-646．
	WANG X L， ZHANG L R， ZHANG J Q，et al ．Study on wind turbine output power based on fluid-solid coupling yaw[J]．Journal of Engineering Thermophysics，2021，42(3)：641-646．
25	LEE H， LEE D J ．Wake impact on aerodynamic characteristics of horizontal axis wind turbine under yawed flow conditions[J]．Renewable Energy，2019，136：383-392． doi:10.1016/j.renene.2018.12.126
26	GAO Z， LI Y， WANG T，et al ．Modelling the nacelle wake of a horizontal-axis wind turbine under different yaw conditions[J]．Renewable Energy，2021，172：263-275． doi:10.1016/j.renene.2021.02.140
27	SCHÜMANN H， PIERELLA F， SATRAN L ．Experimental investigation of wind turbine wakes in the wind tunnel[J]．Energy Procedia，2013，35(6)：285-296. doi:10.1016/j.egypro.2013.07.181
28	TALAVERA M， SHU F ．Experimental study of turbulence intensity influence on wind turbine performance and wake recovery in a low-speed wind tunnel[J]．Renewable Energy，2017，109：363-371. doi:10.1016/j.renene.2017.03.034
29	IUNGO G V ．Experimental characterization of wind turbine wakes：wind tunnel tests and wind LiDAR measurements[J]．Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2016，149：35-39. doi:10.1016/j.jweia.2015.11.009
30	ZHAO X Y， HU T Y， ZHANG L D，et al ．Experimental study on the characteristics of wind turbine wake field considering yaw conditions[J]．Energy Science and Engineering，2021，9(12)：2333-2341. doi:10.1002/ese3.987

[1]	任蓓蕾, 郭昆丽, 蔡维正, 李博浩, 朱婷华, 李玲陶. 基于改进线性自抗扰控制器的直驱风机次同步振荡抑制及阻抗稳定性分析[J]. 发电技术, 2024, 45(6): 1135-1145.
[2]	刘展, 刘健洵, 包琰洋, 李大字. 基于图正则化堆叠自编码器的风机轴承故障诊断方法[J]. 发电技术, 2024, 45(6): 1146-1152.
[3]	吴任博, 黄奕俊. 高比例可再生能源接入下含自愈性能的分布式配电网重构策略研究[J]. 发电技术, 2024, 45(5): 975-982.
[4]	易海, 吕宙安, 张伶俐, 陈希, 柳典, 黄雨薇, 韩星星, 许昌. 基于改进模糊C-均值聚类的陆上风电场集电线路回路划分与拓扑结构优化[J]. 发电技术, 2024, 45(4): 675-683.
[5]	王耀函, 张扬帆, 赵庆旭, 王晓东, 梁恺, 王玙. 低电压穿越过程中风电机组载荷特性联合仿真研究[J]. 发电技术, 2024, 45(4): 705-715.
[6]	王伟杰, 曾鑫洁, 徐远途, 李书仪, 阮灿华, 童宁, 武小梅. 基于正序突变量相轨迹辨识的可再生能源配电网电流保护[J]. 发电技术, 2024, 45(4): 753-764.
[7]	张崇, 李博, 李笑宇, 刘洪波, 刘永发. 基于虚拟同步机控制参数自适应调节的储能系统调频方法[J]. 发电技术, 2024, 45(4): 772-780.
[8]	李军徽, 陈国航, 马腾, 李翠萍, 朱星旭, 贾晨. 高风电渗透率下液流电池储能系统调峰优化控制策略[J]. 发电技术, 2024, 45(3): 434-447.
[9]	张小莲, 孙啊传, 郝思鹏, 许乐妍, 武启川. 风电场参与电网调频的多机协同控制策略[J]. 发电技术, 2024, 45(3): 448-457.
[10]	樊昂, 李录平, 刘瑞, 欧阳敏南, 陈尚年. 不同风速对单桩式海上风电机组塔筒动态特性的影响[J]. 发电技术, 2024, 45(2): 312-322.
[11]	严新荣, 张宁宁, 马奎超, 魏超, 杨帅, 潘彬彬. 我国海上风电发展现状与趋势综述[J]. 发电技术, 2024, 45(1): 1-12.
[12]	许帅, 杨羽霏, 刚傲, 谢越韬, 张晓明, 刘功鹏. 中欧漂浮式海上风电关键技术与产业链合作路径研究[J]. 发电技术, 2024, 45(1): 13-23.
[13]	秦志鹏, 魏高升, 崔柳, 杜小泽. S型翼缝与尾缘襟翼联合控制风力机翼型气动性能的研究[J]. 发电技术, 2024, 45(1): 24-31.
[14]	王进钊, 严干贵, 刘侃. 基于交替方向隐式平衡截断法的直驱风电场次同步振荡分析的模型降阶研究[J]. 发电技术, 2023, 44(6): 850-858.
[15]	彭道刚, 税纪钧, 王丹豪, 赵慧荣. “双碳”背景下虚拟电厂研究综述[J]. 发电技术, 2023, 44(5): 602-615.

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