孫 濤，段琦瑋，黨 群，馮 強(qiáng)

(中國(guó)大唐集團(tuán)新能源科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京市 西城區(qū) 100052)

0 引言

大型風(fēng)電場(chǎng)通常由幾十甚至上百臺(tái)風(fēng)力機(jī)組成，可實(shí)現(xiàn)在較大范圍內(nèi)捕獲風(fēng)的動(dòng)能并轉(zhuǎn)化成電能的目標(biāo)[1]。尾跡作為這種能量轉(zhuǎn)換的一個(gè)副產(chǎn)品，通常帶有降低風(fēng)速、增加湍流等特點(diǎn)。在尾流完全形成后的運(yùn)動(dòng)過程中通常還會(huì)出現(xiàn)許多復(fù)雜的現(xiàn)象，如偏斜、融合、恢復(fù)和擺動(dòng)等。因?yàn)檫@些現(xiàn)象會(huì)受到風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)、大氣條件、地面或海面的表面粗糙度以及其他尾跡相互作用等條件的影響，因此尾跡的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)和發(fā)展過程都十分復(fù)雜。上游風(fēng)力機(jī)的尾跡沖擊是造成下游風(fēng)力機(jī)大量功率損失和疲勞載荷增加的主要原因[2]。

為降低尾跡對(duì)風(fēng)力機(jī)發(fā)電量的影響，對(duì)于已建成風(fēng)電場(chǎng)，通過采用尾跡方向控制[3-7]，降低上風(fēng)向風(fēng)力機(jī)發(fā)電量[8-9]，加快尾跡恢復(fù)速度[10]和下游風(fēng)力機(jī)主動(dòng)控制[11-12]等技術(shù)手段減少尾跡對(duì)發(fā)電廠收益的影響。此類控制技術(shù)是工程應(yīng)用中以較低成本減少上下游風(fēng)力機(jī)間尾跡影響的重要技術(shù)手段。

為了在工程應(yīng)用中有效地執(zhí)行上述控制策略，有必要設(shè)計(jì)一種在線算法，以快速檢測(cè)尾跡對(duì)風(fēng)輪產(chǎn)生的沖擊。

由于尾跡內(nèi)部風(fēng)況運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，且尾跡的直徑是風(fēng)輪直徑的1倍以上，因此目前廣泛采用的風(fēng)力機(jī)機(jī)艙頂部測(cè)風(fēng)儀的單點(diǎn)測(cè)量結(jié)果無法為尾跡測(cè)量提供精確的參考，并且會(huì)導(dǎo)致額外的操作并增加風(fēng)力機(jī)的疲勞載荷。此外，加裝在風(fēng)力機(jī)艙頂部或風(fēng)場(chǎng)地面的激光檢測(cè)和測(cè)距設(shè)備檢測(cè)尾跡的方法還有設(shè)備的購買或租賃成本高昂，以及較高的安裝量測(cè)技術(shù)門檻等不足，因此激光檢測(cè)和測(cè)距設(shè)備并不適合風(fēng)電場(chǎng)范圍的實(shí)際部署使用。

由于尾流運(yùn)動(dòng)過程中受諸多因素制約，工程應(yīng)用的尾流模型對(duì)這些因素又進(jìn)行了不同程度的簡(jiǎn)化，因此工程應(yīng)用中的尾流模型在精度和實(shí)時(shí)性上都存在較大的不確定性。

本文從檢測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確性、可靠性的角度出發(fā)，提出一種利用載荷信號(hào)進(jìn)行尾跡沖擊檢測(cè)的方法。利用塔筒基礎(chǔ)應(yīng)變傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行在線分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)尾跡沖擊情形的在線檢測(cè)。

1 風(fēng)力機(jī)尾跡沖擊

圖1 中國(guó)大唐集團(tuán)烏登山風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)部分布局圖

圖2 風(fēng)機(jī)T的尾跡坑示意圖

圖1給出了中國(guó)大唐集團(tuán)某風(fēng)電場(chǎng)的局部布局圖，對(duì)風(fēng)力機(jī)T的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制 (supervisory control and data acquisition，SCADA)系統(tǒng)發(fā)電數(shù)據(jù)進(jìn)行尾跡對(duì)于發(fā)電量影響的分析。其中，風(fēng)力機(jī)T額定功率為2.0 MW，在北偏東34.62°方向上的風(fēng)力機(jī)W1與之相距1.3 km，而在北偏東89.15°方向上風(fēng)力機(jī)W2與之相距2.3 km。圖2給出了風(fēng)力機(jī)T分別處于W1和W2下風(fēng)向時(shí)的功率曲線。根據(jù)圖2可知，風(fēng)機(jī)T在2個(gè)不同方向上都是在11 m/s 左右的風(fēng)速時(shí)開始出現(xiàn)尾跡坑現(xiàn)象，并且隨著風(fēng)速的增加尾跡坑越發(fā)加深。雖然在風(fēng)速達(dá)到14 m/s左右時(shí)2臺(tái)風(fēng)力機(jī)受尾跡影響程度趨于相同，但發(fā)電功率都遠(yuǎn)未達(dá)到額定功率。此外，根據(jù)文獻(xiàn)[13]實(shí)地測(cè)試結(jié)果，海上風(fēng)電場(chǎng)由于尾跡影響，下游風(fēng)力機(jī)的功率損失可達(dá)50%以上。

2 仿真設(shè)計(jì)和檢測(cè)算法

2.1 仿真設(shè)計(jì)

本文利用風(fēng)電場(chǎng)仿真工具FAST.Farm，對(duì)2臺(tái)NREL 5 MW風(fēng)力機(jī)組成的尾跡仿真環(huán)境進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并利用ParaView實(shí)現(xiàn)仿真過程的可視化。FAST.Farm是美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的風(fēng)電場(chǎng)仿真軟件，該軟件具有運(yùn)行速度快、仿真精度高等優(yōu)點(diǎn)，其仿真結(jié)果在推力、發(fā)電功率和不同大氣條件下尾跡蜿蜒、偏斜、融合等現(xiàn)象具有同美國(guó)能源實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的SOWFA軟件相似的精度[14]。

仿真中2臺(tái)風(fēng)力機(jī)沿風(fēng)向布置，平均風(fēng)速設(shè)為8 m/s，2臺(tái)風(fēng)力機(jī)距離設(shè)為8倍風(fēng)輪直徑(1 008 m)，塔筒基礎(chǔ)載荷數(shù)據(jù)的采樣頻率設(shè)為fHz。圖3給出了湍流強(qiáng)度為10%(湍流風(fēng))和0%(穩(wěn)定風(fēng))這2種情況下ParaView可視化的仿真實(shí)驗(yàn)布局效果圖。

圖3 風(fēng)電場(chǎng)仿真布局

仿真首先修改模型控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)鏈接庫文件。由于仿真軟件自帶的風(fēng)力機(jī)控制文件是沒有偏航控制算法的，仿真中將增加風(fēng)力機(jī)的偏航控制策略，設(shè)定為最小化風(fēng)輪法線方向和風(fēng)向夾角的控制方式。此外，在動(dòng)態(tài)鏈接庫文件中增加數(shù)據(jù)緩存算法，將采樣時(shí)間、風(fēng)速向量、塔筒底部彎矩等參數(shù)實(shí)時(shí)的保存到緩存文件中，當(dāng)緩存文件中保存的數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定值C條時(shí)，保存已有數(shù)據(jù)并新建緩存文件。

2.2 算法流程

本文采用快速傅里葉變換(fast Fourier transform, FFT)對(duì)塔筒底部彎矩的緩存時(shí)間序列進(jìn)行分析，并取變換結(jié)果在設(shè)定頻率處的幅值Qi作為檢測(cè)指標(biāo)。其中，i表示第i個(gè)緩存文件，Qi為檢測(cè)算法在第(i-1)C/f到iC/f的取值。若根據(jù)Q的時(shí)間序列，在某時(shí)刻i，有

(1)

成立，則報(bào)告尾跡碰撞檢出。其中n為算法檢出因數(shù)，為可調(diào)參數(shù)，用于提高或降低算法的靈敏度。檢測(cè)算法流程如圖4所示。

圖4 算法流程圖

因?yàn)镼i為檢測(cè)算法在第(i-1)C/f到iC/f的取值，則該檢測(cè)算法至多將導(dǎo)致C/f秒的時(shí)間滯后，讀者可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的具體需求，通過適當(dāng)減少C和增加f的方式減少算法所帶來的時(shí)間滯后。

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出方法的有效性，文章分別在均勻風(fēng)、湍流風(fēng)和時(shí)變風(fēng)向3種工況的情形下進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真中設(shè)置平均風(fēng)速為8 m/s，湍流風(fēng)況下的湍流強(qiáng)度設(shè)為10%，風(fēng)向如圖3所示(從WT1到WT2的方向)。仿真中各參數(shù)取值為n=5,C=1 000,f=100。此外，由于前排風(fēng)力機(jī)的尾流會(huì)大大降低后排風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪前風(fēng)速，導(dǎo)致被尾流擊中的風(fēng)力機(jī)其發(fā)電功率將大大降低。因此，本文亦對(duì)通過風(fēng)力機(jī)WT2的發(fā)電功率數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)行尾跡檢測(cè)的可行性進(jìn)行了分析，并通過ParaView軟件來直觀驗(yàn)證本文提出方法的有效性。

3.1 均勻風(fēng)

在圖3所示的均勻風(fēng)情形下，Q的時(shí)間序列結(jié)果如圖5所示。圖6給出了WT2發(fā)電功率隨時(shí)間變化的曲線。比較圖5—6可知文中提出方法檢測(cè)到尾跡集中時(shí)間為仿真開始后147.2 s，較即時(shí)功率檢測(cè)的結(jié)果滯后了4.2 s，這2種方法在均勻風(fēng)況下具有相似的檢出效果。

圖5 均勻風(fēng)情形下的Q時(shí)間序列

圖6 均勻風(fēng)情形下的即時(shí)功率時(shí)間序列

3.2 湍流風(fēng)

圖7 湍流風(fēng)情形下的Q時(shí)間序列

圖8 湍流風(fēng)情形下的即時(shí)功率時(shí)間序列

在圖 3所示的湍流風(fēng)情形下，Q的時(shí)間序列結(jié)果如圖7所示，WT2的即時(shí)功率時(shí)間序列如圖8所示。因圖8中有多個(gè)同尾跡擊中時(shí)刻相同的數(shù)據(jù)模式，無法用于尾跡擊中時(shí)刻的驗(yàn)證。根據(jù)圖9給出的ParaView的可視化結(jié)果，在仿真開始后的145 s，WT1的尾跡到達(dá)WT2的風(fēng)輪面處，這與圖7中的結(jié)果一致。因此可以判斷WT2在仿真開始后145 s受到WT1的尾跡影響。根據(jù)圖9，本文提出的檢測(cè)算法有8 s的時(shí)間滯后。

圖9 ParaView可視化效果圖

3.3 時(shí)變風(fēng)向

變風(fēng)向仿真中，采用8 m/s的均勻風(fēng)，其風(fēng)向從-16°開始，以0.04°/s的速度，風(fēng)向逐漸改變?yōu)?°，改變過程如圖10所示。

圖10 風(fēng)向改變前后示意圖

根據(jù)ParaView的結(jié)果顯示，WT1的尾跡在仿真開始330 s后部分擊中WT2的風(fēng)輪，在480 s時(shí)完全擊中WT2的風(fēng)輪。

圖11表明，本文提出的算法能夠完全檢測(cè)WT1尾跡掃過WT2風(fēng)輪的過程。

圖11 時(shí)變風(fēng)向情形下的Q時(shí)間序列

盡管仿真結(jié)果表明在3種風(fēng)況下文章所提出算法都存在一定的時(shí)間滯后，但是這種量級(jí)的時(shí)間滯后不影響實(shí)現(xiàn)控制算法的要求。此外，基于測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)分析和迭代學(xué)習(xí)方法，亦可以提高本文所提方法的檢測(cè)效果與精度。

盡管在湍流風(fēng)和變風(fēng)向這2起風(fēng)況下較均勻風(fēng)風(fēng)況下的檢測(cè)信號(hào)存在一定的噪聲信號(hào)，實(shí)際應(yīng)用中可以通過濾波、模式識(shí)別等方法實(shí)現(xiàn)快速的在線檢測(cè)。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于載荷數(shù)據(jù)的風(fēng)力機(jī)尾跡在線檢測(cè)方法，并利用風(fēng)電場(chǎng)仿真工具FAST.Farm，對(duì)2臺(tái)風(fēng)力機(jī)情況下的尾跡檢測(cè)進(jìn)行了仿真及結(jié)果分析，結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。盡管部分仿真是在無湍流風(fēng)況下執(zhí)行的，但仿真結(jié)果顯示本文所提方法對(duì)湍流風(fēng)具有較強(qiáng)的適用性。由于本文只分析了塔筒底部彎矩一種載荷信號(hào)的時(shí)間序列，接下來將對(duì)不同位置的載荷信號(hào)進(jìn)行比較，進(jìn)一步分析適合尾跡檢測(cè)的傳感器安裝位置與型號(hào)。