Page 84 - 电力与能源2024年第一期

78 孟令峰，等：海面粗糙度与尾流衰减系数对近海风电场发电量的影响

行评估考量。远海风电场是指距离海岸线 10 km 以 平和垂直速度分量。
外的风电场，而离海岸线 10 km 之内的风电场则 雷诺应力 τ 的计算方式如下：
被视为近海风电场。由于风能易受到海陆耦合环 τ=C 10 ρu 10 （4）
境的影响，通常在离岸 5~10 km 的海域内气流才 式中 C 10——阻尼系数。
能达到平衡 。因此，如何计算 10 km 以内的近海 C 10 的定义公式如下：
［1］
风电项目的发电量成为了需要研究的难点。 C 10=k/ln（z/z 0 ） 2 （5）
业内常用的计算风电场发电量的软件包括 学者们给出了计算 C 10 的经验公式：

［2］
［4］
［5］
［3］
Windsim ，WT ，WAsP ，Windfarm 及 Wind⁃ C 10=0. 5u 10 ×10 -3 （6）
1/2
［6］
PRO 等 。 一 般 来 说 ，WT 适 用 于 复 杂 地 形 ，而 通过式（1）~式（6），可由海面 10 m 高度处的
［4］
WAsP 则适用于平地或地形起伏较小的区域 。 风速估算海面粗糙度：
由 于 海 上 地 形 变 化 较 小 ，因 此 本 文 选 择 采 用 z 0=10e 20 5 ku 10 （7）
-1/4
WAsP 软件对近海风电场的发电量进行研究 ［7-9］ 。 地表粗糙度有多种分类方式，而 WAsP 中将
文献［10］发现，WAsP 对远海风电场的模拟 地表粗糙度分为了 4 个等级。
结果与实际比较贴合，但对近海风电场的模拟结 （1）粗糙度 0 级指水域、光滑的沙地、雪地等，
果则与实际相差较大。他们认为这可能是海陆耦 取值为 0.000 1~0.02。
合处的大气稳定度及地表粗糙度造成的影响 ［10］ 。 （2）粗糙度 1 级用于表示树木很少的农场等，
文献［11］指出，在使用软件处理实际问题时会进
取值在 0.03~0.05。
行简化，此时需要对计算模型进行进一步调整。
（3）粗糙度 2 级用于表示封闭式农场、灌木较
因此，为了更加准确地计算发电量，就需要根据实
多等区域，取值在 0.1~0.3。
际情况对 WAsP 进行参数设置 ［11］ 。
（4）粗糙度 3 级用于表示森林、城市等区域，
本文通过对泉州市海上风电场进行分析，利
取值在 0.4~1.0。
用 WAsP 软件，研究了不同海面粗糙度和尾流衰
地表粗糙度具体取值如表 1 所示。
减系数对计算结果的影响，从中得到符合中国近
表 1 WAsP 软件中的粗糙度等级
海风电场计算模型的参数取值，为我国近海风电
地表特征 地表特征
地表粗糙度 z 0 地表粗糙度 z 0
场的发电量预测提供理论基础和数据支持。 机场区（覆盖
1.000 0 城市 0.020 0
建筑和林地）
1 参赛计算方法及取值 0.800 0 森林 0.010 0 机场跑道区
0.500 0 郊区 0.008 0 修整后的草地
1.1 海面粗糙度测算 裸露光滑的
0.300 0 防风林 0.005 0
海面粗糙度是指海面的起伏程度。近海处海 土地
0.200 0 树林或灌木丛 0.001 0 雪地
面粗糙度 z 0 可采用如下公式进行计算：
0.100 0 封闭式农场 0.000 3 沙地
z 0=α cu /g （1） 0.050 0 开放式农场 0.000 2 水域
2
式中 α c——Charnock常数；u——摩擦风速，m·s ； 0.030 0 农场（建筑和 0.000 1 海洋等
-1
树木较少）
-2
g——重力加速度，值为 9.81 m·s 。
1.2 尾流衰减系数测算
摩擦风速 u 与距海面 10 m 高处风速 u 10 满足
气流经过旋转的风机后，位于其后的风机的
如下关系式：
功率、动力特性会受到影响，这就是尾流效应。尾
u 10/u=1/［kln（z/z 0 ）］ （2）
式中 k——Vonkarman 常数；z——取值 10。 流效应会影响风机的运行状态，所以要计算风电
摩擦风速 u 可以通过下式计算测定： 场发电量大小，就要对尾流模型进行分析。目前
τ=−ρu 1w=ρu 2 （3） 商业软件中主要用的尾流模型有 Park 及其修正
式中 ρ——空气密度；u 1，w——海面上气流的水 模型、CFD 涡流模型、AV 尾流模型等。