多类型风力机混合海上风电场尾流优化

《Journal of Marine Science and Engineering》：Hybrid Offshore Wind Farm Wake Optimization with Multi-Type Wind Turbines Chaoneng Huang, Zhichao Lin, Yuke Li, Jinghang Xie, Li Wang, Jian Yang, Dongran Song and Sifan Chen

　　

海上风电目前呈现出风力机容量大型化与风电场址深远海化的发展趋势。传统采用单一类型风力机的风电场难以同时满足风电场高效发电与尾流效应抑制的双重需求。此外，固定式风力机的风剪切效应与浮式风力机的平台运动导致混合多类型风力机风电场的适应性不足。为解决上述问题，本研究针对多类型混合布局海上风电场开展尾流优化。首先，基于风剪切模型分析固定式风力机轮毂高度差异的影响，并通过MoorDyn评估半潜式浮式风力机的平台运动。在此基础上，基于高斯-旋涡混合（Gaussian Curl Hybrid, GCH）模型提出最大化风电场总发电量的尾流优化策略，通过考虑多类型风力机的轮毂高度差异与浮式平台运动实现三维尾流控制。案例研究表明，多类型混合布局本身具有固有的尾流抑制与优化潜力。采用行列混合布局的固定式风电场平均发电效率达到65.25%，优于单一类型布局。对于采用内外混合布局的浮式风电场，位移错位效应显著，纵荡最大偏移21.66米，横荡最大偏移10.32米，总功率增加6.87兆瓦。研究形成了一种与多类型风力机相匹配的分层尾流控制模式，为混合海上风电场的设计与运行提供了一种新颖的尾流调控机制。

本研究聚焦于多类型混合海上风电场的尾流优化问题，旨在为深远海风电开发提供理论支撑与工程参考。研究背景源于全球海上风电加速规模化发展的现实需求：全球风能理事会（GWEC）预测至2034年底海上风电装机容量将达441吉瓦。海上风电具有资源丰富、发电效率高、作为智慧综合能源系统核心灵活资源等优势。然而，传统单类型风力机设计模式已无法满足大型海上风电场高效发电需求，以及供需双侧管理支撑下的系统级灵活运行要求。当前海上风电发展呈现两大趋势——风力机容量大型化与风电场址深远海化，单机容量已从早期5兆瓦快速演进至15兆瓦级商业化阶段，20兆瓦及以上超大型机组逐步进入工程应用阶段。对于固定式海上风电场，不同类型风力机的核心差异集中于轮毂高度和叶轮直径等关键参数，其显著增加导致气动载荷与尾流效应复杂性大幅提升；深远海开发需求则推动了浮式海上风电的快速发展，该技术突破了固定式风力机的水深限制。此外，受大气边界层风剪切影响，不同类型风力机对应不同来流风速条件，导致其尾流影响范围与演化规律存在差异。

关于多类型混合海上风电场设计，已有系列相关研究。Feng等验证了混合设计可降低平准化度电成本（LCOE）的经济优势；Sun等提出了考虑风向效应与叶轮直径关联的定向约束方法；Charhouni等发现多类型布局优化更易实现最优布局效果；Tao等验证了深远海边界站点多类型混合的必要性。然而，现有研究较少将风电场级尾流优化与综合能源系统更广泛运行场景相联系。在混合风电场功率优化方面，Huang等采用主动偏航控制实现全场功率最大化；Li等验证了混合布局风电场的功率提升效果；Wang等基于三维尾流模型提出了风力机启停、偏航与位置协调优化方法；Tao等确认了主动偏航控制策略可有效缓解尾流效应。这些研究虽验证了多类型混合布局在提升发电效率与优化尾流效应方面的优势，但多数局限于场景评估，仍缺乏对浮式风力机运动特性影响的探索。与固定式风力机相比，浮式风力机尾流演化显著受浮式平台运动影响，平台稳态运动导致尾流中心明显偏移，不同功率等级浮式风力机在纵荡和横荡方向的水平运动范围存在显著差异，这些可变运动特性改变了阵列中风力机的相对间距及尾流重叠特征，进而影响风电场三维尾流效应。多类型尾流控制机制缺乏系统总结，混合风电场尾流控制策略有待完善。

为系统性解决上述问题，研究人员以多类型混合海上风电场为研究对象，首先分析不同固定式风力机的风剪切特性与不同浮式风力机的平台运动，阐明风力机型式参数差异对尾流特性的核心影响机制；其次基于GCH模型构建适应多类型混合场景的三维尾流计算模型，充分考虑轮毂高度差异与平台运动对尾流演化的耦合效应；进而提出适应多类型风力机的尾流优化模型，实现风电场功率最大化；最后通过大型固定式风电场和规则阵列浮式风电场的工程案例验证所提方法的有效性。该论文发表于《Journal of Marine Science and Engineering》。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：基于IEC 61400-3-1:2019标准的风剪切模型描述风速随高度变化规律；采用MoorDyn（Version 1.00.02F）系泊动力学仿真软件进行浮式平台运动仿真分析，选取OC4 5兆瓦、OO-Star semi 10兆瓦和UMaine VolturnUS-S 15兆瓦三种代表性半潜式浮式风力机；基于GCH模型构建三维尾流计算模型，参考FLORIS（Version 4.5.1）的成熟验证体系进行参数设置与校准，采用自适应差分进化策略理论指导，选用平衡优化器（Equilibrium Optimizer, EO）算法求解高维非线性优化问题；案例验证方面，大型固定式风电场参考伦敦阵列（London Array）公开数据，浮式风电场采用5×5规则阵列布局及实测风玫瑰数据。

研究结果部分按照以下小标题展开分析：

"多类型风力机海上风电场模型"部分介绍了固定式风力机不同轮毂高度的风剪切计算与浮式风力机不同运动范围的浮式移位分析。在风剪切计算方面，采用幂律风剪切模型V(z)=V_hub·(z/z_hub)^shear描述风速随高度变化，其中海上风电场风剪切指数一般取0.12。通过计算重叠面积A_overlap与采样点风速评估尾流效应，分析表明轮毂高度差异导致上游风力机尾流与下游风力机转子平面产生空间错位。在浮式移位分析方面，选取三种半潜式浮式风力机进行运动范围对比，仿真结果显示：OC4 5兆瓦运动范围为X∈[-12.57 m, 9.30 m]、Y∈[-11.36 m, 11.39 m]；OO-Star semi 10兆瓦为X∈[-33.61 m, 22.18 m]、Y∈[-29.82 m, 29.83 m]；UMaine VolturnUS-S 15兆瓦为X∈[-39.00 m, 25.00 m]、Y∈[-34.65 m, 34.57 m]。额定功率、叶轮直径和系泊系统差异是不同机型运动范围差异的核心原因。

"混合海上风电场尾流优化"部分阐述了混合风电场功率优化问题的数学描述、GCH尾流模型的耦合原理及三维尾流控制实现方法。优化问题采用含不等式约束与等式约束的功率最大化描述，优化变量为各风力机的偏航角γ和轴向诱导因子α，约束条件包括风力机运行控制约束和浮式风力机重新定位平衡约束。GCH模型在经典自相似高斯尾流模型基础上补充了偏航控制引起的旋涡效应对尾流偏转的修正，以及上游风力机尾流对下游风力机尾流的等效偏航角修正（二次转向）。模型将完整尾流演化过程划分为尾流亏损与扩展、尾流偏转和尾流叠加等多个子模型。针对多类型混合场景的修正包括：对于不同轮毂高度场景，等效偏航角修正适应上游尾流与下游转子平面的空间错位；对于固定-浮式混合配置，反向旋涡效应修正优化以匹配浮式平台运动引起的动态尾流偏转。通过四种典型场景对比分析，全面呈现了混合多类型风电场的尾流演化规律及其与下游转子的空间耦合关系，形成了通过调节尾流截面速度、尾流中心偏移距离和浮式风力机运动实现三维尾流控制的机制。

"案例研究"部分设计了两大类五组对比案例进行验证。案例A为175台风力机大型固定式风电场：采用伦敦阵列原型参考布局，设置全5兆瓦、全10兆瓦和5兆瓦与10兆瓦混合三种配置。结果表明，混合配置的全风向平均总功率为851.47兆瓦，平均发电效率达65.25%，分别比全5兆瓦和全10兆瓦配置高3.91和0.62个百分点。在0°风向优化中，混合配置效率从65.87%提升至69.29%，提升幅度3.42个百分点，高于全5兆瓦的3.06和全10兆瓦的2.67个百分点，功率增加44.72兆瓦。案例B为5×5规则阵列浮式风电场：采用16台NREL 5兆瓦与9台IEA 15兆瓦风力机内外层混合布局。风玫瑰分布分析显示，9~13米/秒风速段对年发电量贡献率超过60.80%。额定风速下风剪切对比表明，混合阵列可实现前后排机组同时满发。优化后全场总功率从144.42兆瓦增加至151.29兆瓦，增幅6.87兆瓦。上游5兆瓦风力机偏航角15.35°~20.84°，最大达30°，浮式平台位移呈现与机型相关的分层特征。

"结论"部分对研究成果进行了系统总结。主要研究结论包括：多类型混合布局相比单一类型布局已具备尾流抑制效果和发电效率优势，在175台风力机大型固定式风电场中，5兆瓦与10兆瓦混合交替布局全风向平均发电效率达65.25%；多类型混合布局具有更优的尾流优化潜力，优化后效率从65.87%提升至69.29%，提升幅度优于单一类型布局；多类型混合布局可充分匹配风剪切特性，在5×5规则阵列浮式风电场中突破传统同类型阵列的发电限制，利用风剪切和机型参数差异实现前后排机组同时满发；上游5兆瓦风力机采用较大偏航角减轻对下游机组的尾流影响，15兆瓦风力机贡献主要功率增量，偏航控制与位移错位的组合呈现与机型相关的层次特征，为多尺度尾流控制提供新思路。

讨论部分指出，本研究为聚焦揭示多类型混合布局的核心尾流抑制机制，设置了明确的研究边界，存在以下主要局限：采用稳态均匀剪切风来流和浮式平台静态平衡假设，仅考虑常规海况，未开展关键参数系统敏感性分析；优化框架未包含风力机载荷限值、并网要求和控制器约束等动态运行约束；未分析能量增益、机械载荷与运维复杂度之间的定量权衡；未针对20兆瓦以上超大型风力机进行针对性验证。未来研究将进一步拓展机型覆盖范围，开展20兆瓦及以上超大型机组以及驳式、Spar式等不同类型浮式风力机的混合布局特性研究；结合风电场全生命周期平准化度电成本（LCOE），开展阵列布局规划与运行控制的多目标联合优化；探索风、浪、流联合作用下的非定常尾流耦合特性与实时协同控制策略，为深远海混合风电场的高效开发提供更全面的理论和技术支撑。