基于CFD与SCADA协同分析的复杂地形风机载荷评估与扇区管理策略优化

《Scientific Reports》：Terrain-induced aerodynamic disturbances and wind sector management of a wind turbine in complex terrain: a SCADA–CFD cross-validation study at the Tetouan wind farm

　　

摘要

在复杂地形中运行的风力涡轮机暴露于地形引起的气动扰动之中，例如强垂直风切变、风向变化、湍流和流动偏转，这些扰动会增加叶轮的不对称载荷，降低运行可靠性。此类扰动与数据采集与监视控制系统（SCADA）记录的运行响应之间，以及风力扇区管理（WSM）策略参数化之间的定量关联，在真实风机中尚未得到充分记录。本研究分析了摩洛哥特图安风电场的3.0 MW风机（WTG 30，轮毂高度80 m），该风机位于一座山丘以西300 m处，该山丘覆盖了72.8%–99.9%的叶轮扫掠面积。研究方法结合了长期修正的风资源评估（WDA、WAsP 11和WindPRO 3.4）、WTG 30及其两台邻近风机的扇区分箱SCADA数据分析、针对十个来流扇区（50°–140°）在叶轮顶部、轮毂和叶轮底部进行稳态雷诺平均Navier–Stokes（RANS）和非稳态分离涡模拟（DES），以及基于模拟来流推导的准稳态叶轮载荷指标。DES结果识别出两种关键工况：在50°–80°扇区，整个叶轮处于山丘尾流中（14.7 m/s未受扰动参考风速下叶轮顶部平均风速为2.7–5.5 m/s），而在90°–130°扇区，上部叶轮仍暴露于14.6–15.6 m/s的风中，而叶轮底部仅经历2.2–3.9 m/s的风速。这导致叶轮剪切指数为1.08–1.52（IEC标准风廓线的剪切指数为0.2），叶轮上的风向变化为43°–95°，叶根1P叶片偏置和叶轮倾斜载荷指标比均匀IEC参考来流高2.1–3.2倍。SCADA数据独立表明，对于东风，WTG 30与邻近风机的平均绝对方向偏差为24°–36°（而西风为4°–7°），且按扇区划分的SCADA风速衰减与CFD叶轮等效风速比呈相关性（r = 0.81，p < 0.01）。基于此，对WTG 30的WSM设置进行了修订（35°–85°扇区在所有风速下停机，85°–135°扇区风速超过10 m/s时停机，180°–200°扇区风速超过12 m/s时停机），估计年发电量损失为37.6%（3.19 GWh/年），相比当前设置的20.5%（1.74 GWh/年）更高。结果表明，将CFD与SCADA数据相结合，为在复杂地形中识别关键扇区并制定面向可靠性的运行策略提供了定量、基于物理的基础，但组件级气动弹性验证仍然是必要的。