2021年10月17日-20日，2021北京國際風(fēng)能大會(huì)暨展覽會(huì)（CWP 2021）在北京新國展隆重召開。作為全球風(fēng)電行業(yè)年度最大的盛會(huì)之一，這場(chǎng)由百余名演講嘉賓和數(shù)千名國內(nèi)外參會(huì)代表共同參與的風(fēng)能盛會(huì)，再次登陸北京。

　　

　　本屆大會(huì)以“碳中和——風(fēng)電發(fā)展的新機(jī)遇”為主題，歷時(shí)四天，包括開幕式、主旨發(fā)言、高峰對(duì)話、創(chuàng)新劇場(chǎng)以及關(guān)于“國際成熟風(fēng)電市場(chǎng)發(fā)展動(dòng)態(tài)及投資機(jī)會(huì)”“國際新興風(fēng)電市場(chǎng)發(fā)展動(dòng)態(tài)及投資機(jī)會(huì)”“風(fēng)電設(shè)備智能運(yùn)維論壇”“碳達(dá)峰碳中和加速能源轉(zhuǎn)型”等不同主題的15個(gè)分論壇。能見App全程直播本次大會(huì)。

　　

　　在19日上午召開的風(fēng)電機(jī)組技術(shù)創(chuàng)新論壇上，明陽智慧能源集團(tuán)股份公司風(fēng)資源研發(fā)主任工程師劉清媛發(fā)表了《海上風(fēng)電場(chǎng)尾流協(xié)同控制技術(shù)及應(yīng)用》的主題發(fā)言。

　　

　　劉清媛：感謝各位業(yè)內(nèi)同仁來參加本次的分享，我分享的主題是海上風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)群尾流控制技術(shù)及應(yīng)用。我從以下三個(gè)方面去講述明陽智能在海上風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)群尾流控制的一個(gè)研究心得和研發(fā)成果。

　　

　　首先第一部分就是海上風(fēng)電場(chǎng)尾流的背景。早期建設(shè)海上封風(fēng)場(chǎng)，因?yàn)槿狈ο冗M(jìn)部機(jī)的經(jīng)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，所以部機(jī)是不科學(xué)，導(dǎo)致尾流損失會(huì)非常大，并且近年來海上大型機(jī)組的發(fā)展，大葉片會(huì)帶來比較嚴(yán)重的尾流影響，并且現(xiàn)在的策略主要是以單排機(jī)組的發(fā)電量最優(yōu)為目的的控制策略，并沒有考慮到尾流控制、尾流效應(yīng)對(duì)周邊機(jī)組以及整場(chǎng)發(fā)電量的影響，所以尾流控制技術(shù)突破現(xiàn)在是比較重要的一件事情。看一下海上風(fēng)場(chǎng)尾流特征，海表粗糙度是比較低的，所以它的尾流衰減會(huì)比較小，單機(jī)尾流脫尾比較長(zhǎng)，尾流的疊加效應(yīng)在后場(chǎng)就會(huì)有比較大的影響。

　　

　　大氣風(fēng)場(chǎng)的復(fù)雜性，會(huì)為風(fēng)機(jī)尾流精確化評(píng)估也會(huì)帶來挑戰(zhàn)，所以尾流的影響，總結(jié)起來有兩大部分，第一就是大幅度的降低了整場(chǎng)的發(fā)電量影響風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)性；第二就是增加了機(jī)組的疲勞載荷，這會(huì)影響使用壽命。目前我們是通過尾流的模型或者是CFD的數(shù)值仿真對(duì)尾流進(jìn)行特性分析，或者是用主流的測(cè)風(fēng)設(shè)備，激光雷達(dá)對(duì)尾流進(jìn)行實(shí)地探測(cè)，目前行業(yè)海內(nèi)沒有比較成熟的尾流智能化控制的，現(xiàn)在我講什么是尾流控制，尾流控制可以分為兩步，在風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃期，我們通過前期微觀選址，可以選擇全場(chǎng)尾流損失最小，發(fā)電量最優(yōu)的方案，這就是尾流控制未雨綢繆的第一步，第二步就是風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行期，可以通過場(chǎng)群尾流控制，智能化降低尾流損失，進(jìn)一步去提高他的發(fā)電量。第二部分就是我接下來想講的事情，什么是場(chǎng)群尾流控制呢？場(chǎng)群尾流就是基于海上風(fēng)場(chǎng)真實(shí)尾流場(chǎng)的驗(yàn)證，著手于海上風(fēng)場(chǎng)智能化場(chǎng)群尾流控制策略設(shè)計(jì)和算法優(yōu)化，旨在減少前排機(jī)組為六對(duì)后排機(jī)組的干擾，改善風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行階段的發(fā)電性能，在風(fēng)電長(zhǎng)全壽命周期去提高我們的經(jīng)濟(jì)效益。

　　

　　第二部分就關(guān)于尾流控制的一些關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，有以下四點(diǎn)。第一點(diǎn)，尾流模型的驗(yàn)證工作，現(xiàn)在我國東南沿海的建設(shè)和規(guī)劃的海上風(fēng)場(chǎng)都是比較多的，但是與海上風(fēng)場(chǎng)的尾流控制核發(fā)電量相結(jié)合的一些研究還是較為缺乏，所以我們?cè)趶V東某海上風(fēng)電場(chǎng)就進(jìn)行了實(shí)地尾流測(cè)試實(shí)驗(yàn)，據(jù)分析海上風(fēng)場(chǎng)尾流特性，驗(yàn)證的他尾流模型的準(zhǔn)確性，可以看到我們將兩臺(tái)激光雷達(dá)是布放在了A號(hào)機(jī)組，一個(gè)掃描雷達(dá)放在塔機(jī)，然后機(jī)倉激光雷達(dá)放在他的機(jī)倉頂部，然后用掃描雷達(dá)的一個(gè)水平掃描模式和垂直的掃描模式就可以獲得大面積的尾流場(chǎng)信息。下一步就是通過一系列的數(shù)據(jù)篩選和提取操作，對(duì)尾流數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)尾流的特性進(jìn)行分析和模型驗(yàn)證。尾流的一個(gè)水平風(fēng)速分布上來看，在不同的距離上，高速模型與真實(shí)尾流場(chǎng)這是一高速分布規(guī)律是比較一致的，而且因?yàn)橛幸欢ǜ┭鼋堑膾呙瑁栽诓煌母叨葘铀咚倌Ｐ皖A(yù)真實(shí)數(shù)據(jù)一個(gè)吻合程度。然后選擇一些數(shù)據(jù)與同樣工況的CFD的數(shù)據(jù)進(jìn)行了一些對(duì)比驗(yàn)證，也是進(jìn)一步的去驗(yàn)證了它的高速模型與CFD的結(jié)果，還有實(shí)際尾流場(chǎng)的結(jié)果吻合性是比較高的。

　　

　　在尾流的一個(gè)垂直特性分析當(dāng)中，我們采用了掃描激光雷達(dá)的垂直的掃描模式，驗(yàn)證了在中場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的尾流區(qū)，高速模型與實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)吻合程度較高，并且在垂直方向上，因?yàn)轱L(fēng)速會(huì)受到風(fēng)險(xiǎn)期的影響，那么它的尾流風(fēng)速分布，會(huì)體現(xiàn)出來一個(gè)指數(shù)型的高速分布。并且在風(fēng)速損失方面我們可以看到實(shí)測(cè)平均風(fēng)速損失與模型預(yù)測(cè)風(fēng)速損失在4D距離之后它是高度閾值性。以上我們從水平和垂直兩個(gè)方向，驗(yàn)證了尾流模型準(zhǔn)確性，就將尾流模型運(yùn)用到我們尾流控制策略設(shè)計(jì)當(dāng)中。這是我們控制策略設(shè)計(jì)的邏輯，就是根據(jù)機(jī)位的排布方式和測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)可以制定一個(gè)全場(chǎng)尾流工況表，根據(jù)這個(gè)工況表去計(jì)算每一個(gè)工況的尾流損失、風(fēng)速還有功率，以及每個(gè)工況對(duì)應(yīng)的一個(gè)機(jī)倉朝向，可以生成動(dòng)態(tài)的一個(gè)風(fēng)速、風(fēng)向、湍流，對(duì)應(yīng)的每一個(gè)機(jī)組的機(jī)倉朝向這個(gè)動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)庫，那么這樣就可以用于我們的一個(gè)尾流控制的策略中。尾流控制策略的比較核心的部分，我們將三個(gè)模塊進(jìn)行協(xié)同的合作，機(jī)組的主控系統(tǒng)將風(fēng)速風(fēng)向儀還有機(jī)倉激光雷達(dá)測(cè)得的風(fēng)況數(shù)據(jù)上傳到場(chǎng)級(jí)控制器中，場(chǎng)級(jí)控制器是獨(dú)立于整場(chǎng)機(jī)組，它可以與整場(chǎng)機(jī)組進(jìn)行通訊，然后接收到這個(gè)風(fēng)況數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)速還有風(fēng)向的一系列評(píng)估，然后給每一個(gè)機(jī)組去下發(fā)偏航指令。那么我們的偏航控制系統(tǒng)就是去執(zhí)行場(chǎng)級(jí)控制器給它下發(fā)的指令，

　　

　　第三部分就是進(jìn)行全流程的仿真分析，動(dòng)態(tài)的仿真了海上風(fēng)電場(chǎng)與場(chǎng)級(jí)控制器的通訊機(jī)制，然后模仿風(fēng)況的數(shù)據(jù)進(jìn)行尾流的仿真發(fā)電量的計(jì)算，以及最后機(jī)倉偏航優(yōu)化，我們仿真結(jié)果就是在全風(fēng)向的條件下，風(fēng)速4米-13米不等的，4米-10米的風(fēng)速段下，它的發(fā)電量提升可以有4個(gè)點(diǎn)以上，也就是說在低風(fēng)速未達(dá)到滿發(fā)的時(shí)候，我們采用的尾流控制可以達(dá)到比較可觀的提升，并且對(duì)他的穩(wěn)定風(fēng)況和非穩(wěn)定風(fēng)況的機(jī)倉偏航表現(xiàn)也進(jìn)行了仿真，也就是說在穩(wěn)定風(fēng)況下，機(jī)組可以準(zhǔn)確的去執(zhí)行偏航指令，但在非穩(wěn)定風(fēng)況下，場(chǎng)級(jí)控制器也能夠保證它能夠較好執(zhí)行偏航指令，并且可以動(dòng)態(tài)控制它偏航時(shí)長(zhǎng)還有偏航次數(shù)。接著形成了自動(dòng)化的一個(gè)解決方案集成在明陽風(fēng)格網(wǎng)頁平臺(tái)上，網(wǎng)址就是右上角網(wǎng)址大家感興趣可以察看。

　　

　　我們這個(gè)網(wǎng)頁平臺(tái)有8個(gè)具體的應(yīng)用。現(xiàn)在介紹就是尾流控制優(yōu)化應(yīng)用，它有三大功能，尾流優(yōu)化、尾流評(píng)估還有尾流可視化。其中有三個(gè)模塊，輸入、計(jì)算和輸出。進(jìn)入到詳情頁面之后可以在我們新建項(xiàng)目當(dāng)中去對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行自定義，完了之后可以去上傳功率曲線的數(shù)據(jù)，還有機(jī)組的排布的數(shù)據(jù)，上傳之后，可以對(duì)它參數(shù)進(jìn)行一系列的設(shè)置比如說風(fēng)速、風(fēng)向還有湍流，這可以影響到后期尾流優(yōu)化的結(jié)果。跳轉(zhuǎn)到項(xiàng)目清單界面之后，就是我們項(xiàng)目創(chuàng)建已經(jīng)在系統(tǒng)內(nèi)部生成，系統(tǒng)是正在準(zhǔn)備進(jìn)行項(xiàng)目的計(jì)算，我們可以看一下這個(gè)計(jì)算的結(jié)果展示。    

　　

　　在基礎(chǔ)的信息里面，可以看到他們的機(jī)位的排布的信息，然后再尾流優(yōu)化可以看到整場(chǎng)尾流優(yōu)化的評(píng)估結(jié)果，在尾流評(píng)估階段可以輸入風(fēng)資源的數(shù)據(jù)，得到不同機(jī)組的提升量，不同的風(fēng)向的提升量，還有不同月份的提升量，在這都可以計(jì)算出來，然后再尾流可視的結(jié)果里面可以看到，在計(jì)算模塊可以把這些參數(shù)輸入進(jìn)去，就可以得到尾流可視化的結(jié)果，智能化的結(jié)果輸出，最后會(huì)打包呈現(xiàn)出一些尾流的數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，還有機(jī)組偏航舉證表還有自動(dòng)生成這個(gè)評(píng)估報(bào)告。  

　　

　　尾流控制實(shí)施和效果驗(yàn)證方面，我們也是把尾流控制策略把它下地到了某海上的風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目去，然后在風(fēng)電場(chǎng)去配備兩臺(tái)激光雷達(dá)和一臺(tái)掃描式的激光雷達(dá)，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)添加了場(chǎng)級(jí)的控制器，將尾流控制策略編寫到場(chǎng)級(jí)的控制器中，然后對(duì)整場(chǎng)的機(jī)組也進(jìn)行了對(duì)北的調(diào)整。將激光雷達(dá)播放到目標(biāo)機(jī)組機(jī)倉上，進(jìn)行了運(yùn)行和調(diào)試，建立了機(jī)倉、激光雷達(dá)、機(jī)組然后還有場(chǎng)機(jī)控制器通訊。最后我們選擇部分機(jī)組進(jìn)行了尾流控制的測(cè)試。

　　

　　大家看到，后臺(tái)可以監(jiān)控到部分機(jī)組一些偏航角度的持續(xù)變化，也就是去監(jiān)控它是否能夠準(zhǔn)確的執(zhí)行我們給它下達(dá)的偏航指令，同時(shí)對(duì)尾流控制前后的風(fēng)況也是進(jìn)行了一系列的評(píng)價(jià)，對(duì)代表風(fēng)速、代表風(fēng)向和代表的湍流、代表的功率與整場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了一個(gè)評(píng)估。它的提升情況，在兩個(gè)工況下，前排機(jī)組與后排機(jī)組我們可以選擇典型的例子，后排機(jī)組受到前排機(jī)組整個(gè)影響的時(shí)候，它的風(fēng)速都會(huì)呈現(xiàn)偏低的情況，發(fā)電量也會(huì)受到一定程度影響。但是通過控制尾流優(yōu)化，我們可以看到后排機(jī)組風(fēng)速會(huì)得到一定的，恢復(fù)正常，發(fā)電量會(huì)有所提升。我們也是在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了四個(gè)月的尾流控制的測(cè)試，就各機(jī)組的運(yùn)行性能都是比較良好的，場(chǎng)級(jí)控制器的執(zhí)行率可以達(dá)到99%以上，那么穩(wěn)定風(fēng)況下全場(chǎng)機(jī)組它的提升量是在2個(gè)點(diǎn)以上，非穩(wěn)定提升量也約為一個(gè)點(diǎn)。

　　

　　最后總結(jié)，前期基于測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的風(fēng)場(chǎng)的實(shí)測(cè)分析，完成了尾流模型的驗(yàn)證，中期我們對(duì)尾流的控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)以及算法的一些優(yōu)化，最后生成一個(gè)自動(dòng)化的解決方案。后期將尾流控制策略落地到我們的海上風(fēng)電場(chǎng)中，也是初見成效。這里可以做個(gè)展望，尾流控制也是在未來海上風(fēng)場(chǎng)一個(gè)智慧化、現(xiàn)代化發(fā)展的一個(gè)技術(shù)難題，也需要去做進(jìn)一步技術(shù)突破的方向。并且在未來海上風(fēng)場(chǎng)一些智能化運(yùn)維、降本增效也是一個(gè)有效的利器。感謝大家來參加本次的分享，謝謝。

　　

　　（根據(jù)演講速記整理，未經(jīng)演講人審核）