随着中国风电产业的大力发展，我国陆上风电场项目的地形越来越复杂，项目场址的湍流流场与IEC61400-1标准中给定的湍流谱模型可能完全不同，这将使得风电机组的载荷及功率预测结果的可靠性大大降低。
本研究表明，在这类场址中，使用三维超声测风仪测风并配合专门的矢量算法程序，可以模拟出更符合实际的三维湍流风场，使场址安全性校核和发电量预测精度获得有效提升。
图1：山地风电场
1、复杂地形风数据的精准测量技术
常规的风杯式测风仪仅能对测风塔处安装高度的水平面内合成风速进行测量，并进行十分钟平均风速与湍流强度的统计计算。限于其测量原理，风速受到轴的摩擦力、风杯的转动惯量、温度效应以及余弦响应等因素的影响，在低风速区、温差变化大、山地等复杂环境中精度较低、不确定性很大。
图2：测风塔示意与风杯式测风仪
空间中一点的气流速度既有大小也有方向，是一个矢量。风杯式测风仪仅可测量速度的大小，无法同时测量气流的方向。三维超声波测风仪基于超声脉冲在顺风与逆风方向的传播速度差异测量空气流速，采用三对探头以互相垂直的方式，可以同时测得三个方向上的风速分量，即可以计算气流的方向同时也可以计算垂直方向的气流倾角。相对于风杯式测风仪，三维超声波测风仪具有精度高、不确定性低及同时获得三维风速的优点，可以更精准的测量复杂地形的风资源条件。
图3：三维超声波测风仪（图片来自于网络）
2、基于三维测风数据的矢量统计算法
三维超声波测风仪可以按照地面固定坐标系，采集三维风速分量时序图片（X、Y、Z为地面固定坐标系坐标轴）。对测得的三维风速，有标量法与矢量法两种方法统计十分钟的平均风速、湍流强度及平均风速的年分布概率，以用于风电场的年发电量估算及各机位点机组的功率曲线与载荷的仿真计算。
（1）标量法：先计算每个时间点的合成风速图片，再计算风速的平均值与标准偏差；
（2）矢量法：先分别计算地面固定坐标系下X、Y与Z三方向的风速分量平均值，然后计算十分钟平均风速的大小和方向，再以十分钟平均风速的方向为轴向，重新分解为轴向、横向及竖向的三个风速分量u、v、w，并计算三个分量的湍流强度。
由式（1）至式（4）可知，如果仅使用超声波测风仪的轴向和横向风速时序进行标量法统计计算，且不考虑测量精度差异时，则平均风速与湍流强度与风杯式测风仪的处理结果是相同的。
选取中国宁夏地区某风电场项目的三维超声波测风数据，应用标量法与矢量法进行十分钟平均风速与湍流强度统计计算，并对比两种方法的结果，见图4与图5。
图4 ：标量法与矢量法计算得到的平均风速最大差异
图4可见，在低于9m/s的风速段，标量法计算得到的平均风速更高，最大差异达到矢量法平均风速的33%。在低风速段标量法结果的十分钟平均值偏差较大，这会对发电量及载荷的评估影响较大。
图5：标量法湍流强度与矢量法轴向湍流强度差值的日变化
图5可见，一天中大部分时间段内，标量法的湍流强度与矢量法的轴向湍流强度差异不大，但中午时段差异显著变大，且标量法的湍流强度低于矢量法轴向湍流强度。这主要是由于标量法仅考虑风速的变化，未计入风向的波动对湍流强度计算的影响，而中午时段气温升高使气流的对流与涡旋增加，导致风向波动增加，从而使得矢量法计算的湍流强度更高，更加准确。
图6：矢量法横向湍流强度与轴向湍流比值的日变化
图7：矢量法竖向湍流强度与轴向湍流比值的日变化
图6与图7显示了由矢量法计算的横向湍流强度及竖向湍流强度与轴向湍流强度比值的日变化特征。图中可见，横向湍流强度与轴向湍流强度的比值及竖向湍流强度与轴向湍流强度的比值在白天时段更高，也是湍流强度更大的时段，其中竖向湍流强度在中午时段增强更加明显。这与IEC61400-1标准中对轴向、横向及竖向湍流强度的固定比值有很大差异。所以在湍流强度大的，尤其是横向（V）和竖向（W）湍流强度大的地区，只有测量三维风速并按矢量法处理才能统计出实际风速情况，并依此进行载荷分析，才能保证风机安全性评估的有效性。
从图4至图7可见，三维超声波测风仪相对于风杯式测风仪，可以精确的获得湍流流场的三维特征，如果有多个空间点的三维超声波测风数据，还可以获得准确的空间相干模型。对于复杂地形，使用三维超声波测风数据，并应用矢量法处理才可以获得精确地湍流风模型，这对于对机组发电量、载荷的精确计算以及扫塔等风险预测至关重要。
3、基于三维矢量湍流场的极端阵风幅值精确算法
阵风是更短周期的风速波动，是小尺度涡旋作用的结果。IEC61400-1标准中即利用不同时间周期内风速变化幅值的相关性，使用十分钟湍流强度的代表值计算极端阵风幅值。
图8：阵风周期内的风速波动
图中阵风周期内的风速波动值Y通常使用正态分布建模，其分布参数σ与轴向十分钟标准偏差既有相关性，并且其相关性可以根据湍流功率谱计算。使用三维超声波测风仪可以得到更加精确的轴向湍流强度及湍流功率谱，因此可以计算基于风电场址湍流数据的精确极端阵风幅值。同样在不同高度布置三维超声波测风仪，还可获得更加精确的极端风切变结果。
4、复杂地形三维湍流风场精确建模技术
基于三维超声波测风仪可以得到三维湍流谱的实测结果，并可以基于实测数据进行精确的三维湍流风场建模。
目前用于风电机组载荷与功率仿真的三维湍流风计算的软件，比如OpenFAST的Turbsim以及Bladed的Define turbulence模块都基于Sandia National 实验室的 Veer P.S.在1988年发表的“Three dimensional wind simulation”的算法。该算法将湍流风的空间相干谱处理为实数矩阵，并叠加至功率谱矩阵中，这使得风轮平面各点的风功率谱密度与标准中要求的湍流谱功率谱密度产生差异，如图9至图11。
图9：U方向功率谱差异
图10：V方向功率谱差异
图11：W方向功率谱差异
图9至图11可以看出，基于Veer P.S.算法的软件不能生成与给定湍流功率谱模型一致的湍流风场，因此基于此湍流风模型进行载荷仿真与评估时，当与叶片、塔架等结构特征频率一致频率对应的风能量过高时，会导致结构载荷的高估，反之能量低于给定值时，载荷又将被低估。
鉴衡开发的三维风场生成软件，可以生成与IEC标准中要求的湍流谱或者实测湍流谱完全一致的三维湍流风场。这在基于场址测风数据的定制化设计或者适应性评估中意义重大，在功率曲线的测试及型式认证的载荷对比中也可以对输入的湍流风场进行有效修正。
来源：鉴衡认证
