基于偏航控制的浮式海上风电场尾流建模与功率优化策略研究

针对浮式海上风电场因尾流效应导致的功率损失问题，清华大学团队创新性地提出双偏航控制策略(DYCS)，通过结合平台偏航与风机偏航控制，开发了基于偏斜余弦分布的尾流全场速度预测模型。实验验证表明，该模型在近/远尾流区均优于现有模型，DYCS可使风场输出功率最高提升11.3%，为浮式风电场的智能调控提供了新思路。

　　

随着全球气候危机加剧，可再生能源发展迫在眉睫。风能作为清洁能源的重要组成，2023年全球新增装机达117GW，但为实现2030年11TW的可再生能源目标，年新增规模需提升至320GW。然而，风电场中上游风机产生的尾流效应可导致下游风机功率损失高达60%，这一问题在浮式海上风电场中更为复杂——浮动平台的多自由度运动使得尾流呈现动态偏转和增强的尾流摆动现象，传统固定式风电场的偏航控制策略难以直接适用。

针对这一挑战，清华大学的研究团队在《Renewable Energy》发表研究，创新性地提出"双偏航控制策略(Dual Yaw Control Strategy, DYCS)"。该研究首先建立了基于偏斜余弦分布的尾流全场速度预测模型，通过结合平台偏航与风机偏航的双重调控机制，显著扩展了尾流可控偏转范围。验证显示，该模型在近尾流区(3D距离)和远尾流区(7D距离)的预测精度分别比传统高斯模型提高42%和31%。应用DYCS后，浮式风电场在极端尾流影响下的输出功率最高提升11.3%，为深海风电开发提供了关键技术支撑。

关键技术方法包括：1) 基于质量/动量守恒推导尾流偏转模型；2) 采用风洞实验和大型涡模拟(LES)数据验证；3) 设计箭形排列的6风机浮动平台；4) 结合平台中心偏航(COY控制)与个体风机偏航的协同优化。

【Wake deflection model】
通过控制体积分析法建立理论模型，发现尾流偏转距离δ与推力系数C_T、偏航角γ呈非线性关系。在γ=30°时，模型预测与风洞实验误差小于5%。

【Validation for the wake deflection model】
对比Bastankhah的LES数据，新模型在近尾流区(3D)的流速分布预测决定系数R²达0.93，远优于传统高斯模型(0.72)。

【Floating multi-turbine platform】
箭形平台通过中央模块的被动偏航(类似风向标)实现整体朝向调节，配合DYCS可使尾流偏转范围扩大2.4倍。

【Conclusions】
研究突破性地实现了三方面创新：1) 首个适用于浮式风机的全尾流区速度预测模型；2) 揭示平台偏航角与最优风机偏航角的耦合规律；3) 验证DYCS在实风况下的有效性。该成果为深海风电场的集群优化提供了新范式，其11.3%的功率增益相当于每100MW风场年增收230万美元，具有显著的经济效益。作者特别指出，未来需进一步研究平台纵摇/横摇运动对尾流三维结构的影响，以完善动态控制体系。