发电技术

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

新能源

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

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

ZHANG Lidong1, TIE Hao1, LIU Huiwen2, LI Qinwei3, TIAN Wenxin4, ZHAO Xiuyong4, CHANG Zihan1

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

收稿日期: 2024-04-10   修回日期: 2024-07-24  

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

Received: 2024-04-10   Revised: 2024-07-24  

作者简介 About authors

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。

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.

Keywords： renewable energy ; wind power ; wind turbine ; wake ; turbulence ; evolution ; yaw control ; wind tunnel experiment

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本文引用格式

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. 发电技术[J], 2024, 45(6): 1153-1162 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.23062

ZHANG Lidong, TIE Hao, LIU Huiwen, LI Qinwei, TIAN Wenxin, ZHAO Xiuyong, CHANG Zihan. Experimental Study on the Influence of Wind Turbine Yaw on Wake Evolution. Power Generation Technology[J], 2024, 45(6): 1153-1162 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.23062

0 引言

随着传统能源资源的枯竭和环境污染的加剧，可再生能源作为一种可持续发展的资源，逐渐受到国内的关注[1-2]。风能利用技术在近几年取得了较快的发展，对于早日实现“双碳”目标发挥了重要作用[3-4]。风电输出功率的强随机性以及弱调度性提高了电力系统运行的不确定性，风电场中风力机的功率输出受到大气边界层以及湍流的影响，风力机尾流也严重影响风电场的整体功率输出[5-8]。对尾流特性的分析是研究偏航控制对尾流影响的关键一环[9-10]。

目前，已有诸多学者通过数值模拟和风洞实验全面分析了各种因素对尾流特性的影响[11-14]。李林敏等[15]结合格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method，LBM)与大涡模拟(large eddy simulation，LES)方法的优势，采用尾流尺度自适应方法分析了风力发电机非稳态流及尾流特性，研究发现，壁面自适应局部涡(wall-adapting local eddy，WALE)模型的尾流区长度较长，速度恢复较慢。Chamorro等[16]基于风轮直径为0.12 m的模型风力机，在雷诺数为1.7×105环境下进行了风洞实验，结果发现，风力机尾流可发展至下游15倍风力机直径，同时尾流在下游风力机前2倍风力机直径处基本完全恢复。王燕等[17]采用数值模拟方法模拟了风力机后的尾流状况和结构，研究了风力机后方尾流场特性，结果表明，风力机下游12倍风轮直径内速度分布受叶尖速比影响仍相当明显，叶尖速比为3时尾流湍流强度最大。高晓霞等[18]对某处实际风电场的尾流情况进行了测量，发现尾流衰减的速度在下游4~6倍风力机直径后开始下降。Fu等[19]研究了在雷诺数为4.2×105情况下，直径为0.12 m的风力机因受到环境因素影响而发生振动时的尾流情况，结果发现，这种影响的程度主要取决于振动的类型、幅度和频率，同时这种影响导致的尾流变化在下游7倍风力机直径后明显减小。布局方式的不同会改变风力机的尾流特征[20-22]，如交错布机方式会使风力机尾迹减弱，从而使得风力机后的尾流涡功率谱特征较串列布机方式大。为了保障机组的安全稳定运行，风力发电机组偏航控制应根据不同的风况，调整其自身的控制策略[23]。对风力机偏航角的主动控制可降低尾流的影响，进而控制风电场的功率输出，因此，深入分析偏航角对风力机尾流的影响是降低尾流效应和提高风电场整体效率的关键[24]。

Lee等[25]对0°、30°、45°、60°偏航角下的风力机尾流进行了模拟，研究发现，在尾流场中轮毂和叶片尖端涡旋之间存在相互作用，随着尾流向下传递，这一相互作用会导致尾流结构越来越不稳定。Gao等[26]利用数值模拟方法建模以研究不同偏航角下的尾流情况，结果表明，当风力机在偏航条件下运行时，一部分尖端涡向尾流区发展，另一部分发展为外流，从而导致尾迹区域减小。一些学者也利用风洞对尾流进行研究，如Schümann等[27]在风洞中将2台直径为1 m的风力机前后放置以组成小型风力机阵列，在雷诺数约为1.2×105环境下使用热线进行测量，进而研究尾流结构，通过测量发现塔架尾流在远尾流场中并不明显，但在近尾流场中会在与转子尾流的相互作用中发生偏转。Talavera等[28]研究了由前后直径0.2 m的2台风力机所组成阵列的尾流恢复情况，结果表明，来流的湍流强度会极大影响尾流的恢复，湍流强度越大，尾流恢复越快。Iungo等[29]利用风洞研究直径为0.15 m的风力机轮毂位置处尾流稳定性，结果发现，轮毂高度处尾流稳定性沿流动方向提高，且随来流风速降低而提高。

综上，目前关于大尺度风力机尾流多尺度湍流微团运动的研究相对较少，且大多采用数值模拟方法进行研究。本文利用风洞实验模拟一台风力机在不同偏航角下的运行情况，研究该风力机的偏航角对其后的尾流多尺度结构演化的影响，以期为风电场偏航控制策略优化、工程尾流模型改进、数据驱动模型训练提供理论和数据参考。

1 实验方法

1.1 风洞和风力机模型

本实验依托国家环境保护大气物理模拟与污染控制重点实验室的回流式边界层风洞开展，风洞试验段长24 m，宽4 m，高3 m。

实验采用的模型参考了WindPACT 1.5 MW风力机，风轮直径dT=1 m，轮毂高度zhub=1.2 m，叶片通过3D打印工程塑料制作而成，负载电机采用XD31SRZ直流电机，其他参数详见文献[30]。

1.2 流场条件

为了模拟大气湍流边界层环境，在风洞试验段入口处布置尖劈格栅。同时，在风洞底板，每间隔0.3 m设置方块状粗糙元，组成关于试验段轴对称的15行×7列粗糙元阵列，如图1所示，其中：x、y、z分别为流向、展向、竖向距离；Δs为测量间隔；Uhub为轮毂高度来流风速。实验样机如图2所示。最终，在风力机所处位置形成如图3所示风场入流条件，其中：U为风速；I为湍流强度；T为湍流积分时间；L为湍流积分长度。

图1

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图1   实验设置示意图

Fig. 1   Schematic diagram of experimental setup


图2

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图2   实验样机

Fig. 2   Experimental prototype


图3

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图3   剪切来流风轮廓特性

Fig. 3   Characteristics of incoming shear flow profile


湍流积分尺度Λ可以在一定程度上度量尾流场中湍流结构平均尺度特征，因此将其引入以对流场内部涡的结构进行分析。依据泰勒假设，通过对主流向速度自相关函数r(τ)进行积分可得出Λ，具体表达式[21]如下：

Λ≈UcTr
Tr≈∫0tcr(τ)dτ
r(τ)=u'(τ)u'(t-τ)¯σu2

式中：Uc为平均速度；Tr 为主流速度的波动积分；τ为时间间隔；tc为r(τ)首次达到给定值r0的时间，这里r0取0.05[21]；u'为速度波动；σu2为速度方差。

另外，轮毂高度来流风速Uhub=7 m/s，对应叶尖速比λ≈5.7[30]，基于风轮直径的雷诺数约为4.2×105，边界层高度δ≈2.1 m。

1.3 测量方法

实验采用静态皮托管阵列采集流场数据，每次可同步测量间隔Δs=0.1 m的20个测点数据。测点分布如图1所示，考虑3个偏航(偏航角Yaw=0°,15°，30°)工况，每个工况下，在风力机下游x/dT=3,5,7位置竖向测量，z=0.2~2.1 m，采样频率fs=300 Hz，单次采样周期Ts=30 s。

2 结果与讨论

2.1 平均轴向速度分布

无量纲化平均轴向速度分布如图4所示。可以看出，在风轮旋转区域正后方，即z/zhub=0.58~1.42时，随着偏航角的增大，速度损失减少，与没有偏航时相比，偏航角为30°时速度损失减少了约5%。此外，当高度超过上叶片尖的高度时，偏航角越大，风速恢复速率越快。由此可见，上游大型风力机的适当偏航可以提高风速恢复的速率，降低速度损失。

图4

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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


2.2 湍流积分尺度

图5为x/dT=3, 5, 7处偏航角为0°、15°和30°时的尾流垂直方向湍流积分长度分布曲线，其中：R=1 000 mm，为直径积分长度；上、下2条虚线分别为风轮上叶尖和下叶尖位置。从图5可以看出，由于受边界层效应及风力机塔架的遮挡效应等影响，垂直方向湍流积分长度分布并不均匀，关于轮毂中心线的对称性较差。来流风在对旋转风轮做功后，其内部的大尺度涡旋湍流结构迅速衰减，随着尾流位置向下游移动，湍流积分长度也逐渐恢复。在近尾流位置，风力机偏航角的变化对垂直方向上湍流积分长度影响不大；而随着尾流位置远离风力机，偏航角对湍流积分长度的影响也逐渐凸显，x/dT=7处30°偏航角时的湍流积分长度明显增加。此外，随着尾流向下游移动，湍流积分长度也随之增加，x/dT=7处湍流积分长度较x/dT=3处增长0.2左右，说明外部流场大尺度流动结构不断渗入。同时，风电场内部L/R大多小于1，说明环境流场中的大尺度含能湍流结构因风力机旋转的影响，而解耦为大量小尺度湍流结构作用于下游风力机。由于高于风力机上叶尖区域湍流结构所受破坏较小，故风轮扫掠面积上半部分衰减较小。

图5

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图5   湍流积分长度分布曲线

Fig. 5   Distribution curves of turbulence integral length


2.3 功率谱密度

功率谱密度Фu常用于表征流场中不同尺度涡旋结构的能量级联特征。风力机下游x/dT =3, 5, 7位置处上、下叶尖后方轴向速度的功率谱密度分别如图6、7所示。可以看出，空气经过风轮后形成充分发展的湍流，具有典型的大尺度含能区、惯性子区和黏性耗散区多尺度级联特征分区，Kolmogorov-5/3标度幂律特征显著。功率谱密度特征随着尾流轴向位置的变化而有显著差异，随着尾流向下游移动，惯性子区的跨度也随之增大。同时，在x/dT=3处不同偏航角下功率谱密度均存在较大差异，下叶尖位置尾流小尺度涡贡献的能量也明显高于上叶尖处在同一水平位置的小尺度涡旋的能量。从总体进行分析，风力机偏航角对尾流功率谱密度的影响较小。

图6

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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

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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


2.4 预乘功率谱密度

为更清晰地表征风力机偏航对尾流场湍动能组分构成的影响，本文进一步采用预乘功率谱密度(fФu)来量化各尺度涡旋运动对流场湍动能的贡献程度。以x/dT=5为例，其轴向速度预乘功率谱密度垂向分布特征如图8所示，其中横坐标为无量纲化涡旋发生频率，即斯特劳哈尔数St=fdT/Uhub。从图8可以看出：1）受高剪切力影响，各工况下，近壁区域湍动能均较高且多尺度特征显著，跨度超过St∈[10-1,101]区间；2）受风力机叶片旋转扫风影响，整个尾流场都含有丰富的高频、小尺度涡旋结构(特别是St>4.0尺度)，是流场湍动能的主要来源，而且偏航角为15°和30°时小尺度涡旋动能相对更大，但二者差异较小；3）低频、大尺度涡旋结构主要集中在2个区域，其中一个区域是在下叶尖高度和地面之间，主要受高剪切力和狭长的绕流空间影响，另一区域是在轮毂高度和上叶尖高度之间，涡旋尺度集中在St∈[10-1, 100]区间，主要来源于环境流场大尺度涡旋以及叶尖涡、轮毂涡等相干结构，而且当偏航角为15°和30°时，大尺度涡旋能量减弱，这与叶尖涡、轮毂涡受风向影响而发生偏转有关。

图8

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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


2.5 相关性分析

图9为偏航角Yaw =0°, 15°, 30°时，风力机上、下叶尖后方x/dT =5处流场内湍流强度之间的时间相关性分析，其中ρ为相关性系数。可以看出，不同偏航角时，上下叶尖湍流流动特征基本都呈弱相关(ρ∈[-0.1, 0.1])。随着时滞τ的增大，ρ均趋于在0附近振荡，且偏航角对上、下叶尖之间流动相关性有一定的影响，相关性系数振荡幅值及相位有所不同。以小时滞(τ<0.2 s)为例，Yaw=0°, 15°工况下两叶尖之间湍流波动呈负相关，而Yaw=30°工况下两叶尖后方流动之间几乎没有相关性。

图9

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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


为更好地了解风场中不同位置湍流强度的相关程度，对轮毂和其他位置之间湍流强度的相关性进行分析，图10为风力机下游x/dT=5处Yaw=0°, 15°, 30°时的风力机轮毂与其他位置之间的湍流相关性分析。可以看出，Yaw=0°时y/dT=±0.9及y/dT=±0.5位置与轮毂的相关性较低，而在靠近轮毂位置的湍流强度与轮毂位置相关性更高。随着偏航角增大，这种情况发生了改变。当发生偏航时，y/dT=±0.9位置与轮毂流动相关性系数几乎为0；在风力机影响区间(y/dT=-0.5~0.5)内，风轮所朝向的位置、轮毂之间湍流波动与其沿轮毂对称所表现的相关性截然相反，如y/dT=-0.2位置与轮毂之间湍流波动极为紧密，而y/dT=0.2位置则与轮毂位置毫不相关。随着偏航角增大到30°，这种现象有所减弱，风轮两侧与轮毂位置后方流动的相关性逐渐接近，在y/dT=±0.5位置处，这种相关性的变化较为明显，而在离轮毂较近的位置与轮毂之间的湍流波动仍有较大差别。

图10

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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


3 结论

利用风洞实验对垂直方向上不同位置及不同风力机偏航角的尾流场特征参数进行了测量分析，研究了尾流场中的湍流特性和能量分布。通过对风洞实验得到的数据进行分析，得出以下结论：

1）来流风对风轮做功后，其自身的结构遭到破坏，解耦成不同尺度的涡旋。远尾流位置处风力机偏航角对尾流湍流积分尺度的影响更大，30°偏航角下的湍流积分尺度较0°偏航角时增加了约0.2。

2）随着偏航角的增大，风力机对来流内部结构扰乱程度逐渐减弱，在风力机轮毂位置的大尺度涡旋减少。

3）在特定的区间范围内，偏航角能够对尾流恢复起到有效的作用。15°偏航时大尺度涡旋破碎成的高频小尺度涡旋较多，相较于0°偏航而言，15°偏航所导致的尾流内部涡结构的裂解更加严重，而30°偏航时小尺度涡旋数量较少，尾流开始恢复，这表明风力机的偏航角对尾流恢复的促进作用只有在15°之后才体现出来。

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