海上风电异构三机串联阵列功率性能与尾流干扰的数值模拟分析

《Journal of Marine Science and Engineering》：Analysis of Power Performance and Wake Interference in a Three-Turbine Tandem Array of Offshore Wind Turbines

　　

本研究调查了由DTU 10-MW和NREL 5-MW海上风力涡轮机组成的异构串联阵列中的多重尾流（multiple-wake）相互作用和下游功率损失。研究人员利用TurbSim生成湍流入流场，并基于Dynamic Wake Meandering（DWM，动态尾流）模型在FAST.Farm中对三机串联阵列进行模拟。研究考虑了7种涡轮机配置和57种模拟场景，系统考察了流向间距（streamwise spacing）、入流湍流强度（inflow turbulence intensity）、涡轮机类型组合及布置对功率输出和尾流演化的影响。结果表明，增加流向间距通常会改善中间和下游涡轮机的功率输出和尾流功率保持比（wake power retention ratios）。与均匀入流相比，湍流强度为15%的湍流入流通常能增强尾流剪切层（wake shear layers）的动量交换，加速尾流恢复，并减少下游功率损失，但其对整个阵列总功率的影响取决于涡轮机配置。涡轮机类型布置通过改变中间涡轮机产生的尾流空间范围及其与下游涡轮机转子扫掠面积（rotor-swept area）的垂直重叠来影响下游性能。在流向间距为5D_ref、湍流强度为15%的条件下，将NREL 5-MW涡轮机置于中间位置、DTU 10-MW涡轮机置于下游位置时，下游尾流功率保持比为53.2%。互换位置后该比值降至31.9%。然而，相应的阵列总功率仅相差0.3 MW，因为功率输出在中间和下游涡轮机之间发生了重新分配。这些发现表明，在评估异构海上风电涡轮机阵列的尾流恢复和功率性能时，应综合考虑流向间距、入流条件和涡轮机类型布置。

随着各国脱碳目标的推进，海上风电装机容量与机组额定功率快速增长，风电场规模日益扩大且分布更加密集，尾流干扰已成为制约能源生产的关键因素。上游机组产生的尾流速度亏损和湍流强度增大不仅降低了下游机组的有效入流风速，还导致其承受非均匀载荷。既往研究表明，流向间距通过影响尾流叠加程度与恢复过程进而改变下游机组功率输出，而入流条件特别是湍流强度对尾流剪切层动量交换与扩散恢复具有重要影响。此外，变桨距高度设计可优化下游机组入流状态，而异构风电场因容量混合部署引入了转子直径、轮毂高度、气动特性及控制策略差异，使尾流叠加与阵列性能评估更为复杂。然而，现有研究多集中于工程优化与功率增强，针对三机串联阵列中流向间距、规定湍流强度、上游机组类型、转子尺寸与轮毂高度差异及机组类型布置如何共同影响机组级尾流与阵列总功率的系统数值案例矩阵研究仍较为缺乏，尤其是在环境湍流较低的海上，低环境湍流可能延长尾流持续时间，而混合容量部署进一步增加了尾流相互作用的复杂性。基于此，研究人员开展了系统的数值模拟研究，旨在揭示异构海上风电三机串联阵列的尾流演化机理与功率性能响应规律，为风机选型与布局优化提供理论依据。

在技术方法方面，研究人员基于TurbSim生成湍流入流场，采用FAST.Farm平台耦合Dynamic Wake Meandering（DWM，动态尾流）模型对三机串联阵列进行数值模拟。研究引入轴向动量理论与Betz极限作为理论基准，采用多尺度计算域离散策略，并通过与Horns Rev风电场实测数据及大涡模拟（LES）结果对比验证模型可靠性。研究设置7种机组配置共57个模拟场景，以NREL 5-MW机组转子直径（126 m）作为统一参考长度D_ref，系统考察4种流向间距（3D_ref、4D_ref、5D_ref、8D_ref）、3种入流条件（均匀入流及湍流强度8%、15%）以及不同机组类型组合与布置对功率性能与尾流演化的影响。

在4.1 Effects of Streamwise Spacing on Turbine Power Output方面，研究人员通过对比分析不同间距与入流条件下各机组功率输出与尾流功率保持比发现，增加流向间距对上游机组T1功率影响甚微，但可显著改善中间机组T2与下游机组T3的功率输出及尾流功率保持比。在均匀入流条件下，Case 1中T2与T3的尾流功率保持比随间距从3D_ref增至8D_ref分别从28.6%和20.4%提升至46.9%和51.0%。湍流强度为15%时改善更为明显，且T3因受上游尾流累积影响，其提升幅度通常大于T2。阵列层面尾流功率保持比同样随间距增大而增加，表明在所考察范围内尾流恢复尚未达到饱和。

在4.2 Effects of Inflow Conditions on Wake Characteristics方面，研究人员选取Case 1与Case 4在间距5D_ref下对比均匀入流与15%湍流强度的尾流速度亏损分布。结果显示，均匀入流下尾流核心区保持相干低速区且恢复缓慢；湍流强度增至15%后，尾流边界更为弥散，相干性减弱，横向扩散与尾流摆动增强，促进了高动量流体卷入尾流区，加速动量再分配并改善下游机组有效入流。尾流功率保持比方面，Case 4对湍流增强的响应较Case 1更为显著，其中间机组T2的尾流功率保持比在15%湍流强度下由均匀入流的33.3%提升至55.3%，表明入流湍流的增益效果与机组配置相关。

在4.3 Effects of Turbine-Type Arrangement on Wake Characteristics方面，研究人员通过对比Case 2与Case 3（相同机组组成但T2与T3位置互换）在5D_ref下的垂直截面尾流分布发现，中间机组类型显著改变尾流空间范围与垂直分布。NREL 5-MW机组作为中间机组时产生相对局限的尾流，与下游DTU 10-MW机组转子扫掠面积因29 m轮毂高度差而垂直重叠较小；而DTU 10-MW机组作为中间机组时产生更大范围尾流，与下游NREL 5-MW机组具有更大的转子扫掠面积垂直重叠，导致下游机组暴露于更强尾流干扰。功率结果表明，15%湍流强度、5D_ref条件下，Case 2下游机组T3尾流功率保持比达53.2%，而Case 3仅为31.9%。然而二者总阵列功率仅相差0.3 MW，体现了机组间功率重新分配特征。

在4.4 Overall Power Performance of the Tandem Array方面，研究人员通过累加三台机组功率得到总阵列功率，并引入额定容量归一化阵列功率指标。结果表明，在总额定容量与间距相同的情况下，首排布置DTU 10-MW机组的配置总平均功率高于首排为NREL 5-MW的配置。总阵列功率随流向间距增大而持续增加，且15%湍流强度下多数配置总功率高于均匀入流，但Case 1在8D_ref时反而下降，表明下游功率增益未必能补偿上游机组输出变化。此外，Case 4虽具有最高绝对总功率，但因装机规模最大，其额定容量归一化功率最低，提示评估时需同时考虑绝对功率与归一化指标。

在讨论部分（4.5 Scope and Limitations），研究人员指出，本研究仅限于两种机型与三机串联配置，未考虑大气稳定度、垂直风切变、风向变化及偏航错位，且详细尾流场对比仅针对部分配置与入流条件。性能评估主要基于最后1000 s时间平均功率，未量化统计不确定性与结构载荷，所考察间距范围亦未确定尾流恢复饱和距离。未来研究将拓展至更多样机组组合与更大阵列，纳入更丰富大气条件、更大流向间距、三维时均尾流分析、多种湍流实现及结构载荷评估。

关于研究结论，本研究系统考察了由DTU 10-MW与NREL 5-MW海上风机组成的三机串联阵列在不同流向间距、入流条件及机组类型组合布置下的功率性能与尾流演化特性，主要结论如下：其一，增加流向间距可有效减弱尾流干扰并提升下游机组功率输出与尾流功率保持比，阵列层面尾流保持比亦随之增加，表明尾流恢复在所考察范围内尚未饱和；其二，入流湍流促进尾流扩散与动量交换，通常有助于改善下游功率恢复，尤其湍流强度15%时更为显著，但8%湍流强度影响具有配置依赖性，且下游功率提升未必带来总阵列功率增加；其三，机组类型布置显著影响尾流发展与功率再分配，改变NREL 5-MW与DTU 10-MW位置可改变尾流扩展、垂直分布及下游转子暴露程度，5D_ref间距及15%湍流强度下二者下游尾流保持比差异显著，但总阵列功率差异微小，说明单机性能差异可在阵列内部部分补偿；其四，整体功率性能受机组组成、布置与间距共同影响，最高绝对功率未必对应最高额定容量归一化功率，评估异构阵列时应兼顾绝对功率与归一化指标。