湍流强度的影响

湍流强度的影响

湍流就是风机实时发电过程中的大恶魔，在这一点上没有之一。

由于与生俱来的随机性和强非线性，即便你懂得风的轨迹，也很难预测到这个恶魔何时会跑出来破坏风力发电，所以只能在分析报告中看到它的踪迹——比如风机齿轮箱损坏、叶片开裂、基础开缝、发电量不达标，等等，诸如此类的问题无不与湍流有关，也就是说，这个恶魔脱不了干系，可这个看不见摸不着的东西究竟是什么呢？

如果你缺少专业知识，那就得补脑了，看看百科中的标准答案解释：“湍流又称紊流，指的是流体的非均匀流动。”这句话能懂的就懂了，再看看下面这段话，即使不懂也会知道湍流到底是个什么级别的风电难题了。

“湍流的复杂，使得它几乎不可能用任何数学方法准确描述，在过去的一个世纪里，科学家们先后发明了涡粘性和混合长度理论、能量级串理论、流动稳定性理论等对它进行说明和解释，但始终没有实现对湍流的完全模拟，它也因而成为流体力学的世纪难题。”

难题也不过是难题而已，只要风机设计师们和湍流这个恶魔来一番斗智斗勇，风机安全性和良好的发电性能是可以有保障的，但前提是要先了解下风机设计湍流等级，然后就是湍流对风机安全性和发电量究竟有哪些影响。

那么，什么是风机设计湍流的等级标准呢？先看最新IEC61400标准（由IEC制定的风力发电机组系列标准）对风力发电机组的安全等级分类，看个表吧：

请注意，Vref是指风电场50年一遇的10分钟最大风速；Iref是指15m/s时的湍流强度的平均值；A是指高湍流强度等级，B是指中等湍流等级，C是指低等湍流强度。

再说一遍，无论哪位大神都很难用数学方法准确描述湍流，那么风机设计是如何界定湍流的呢？接地气的专家们搬出了万能的统计学方法，根据IEC61400标准规定，湍流强度（TI）是指10分钟内风速随机变化的幅度，也就是10分钟平均风速的标准偏差与同期平均风速的比率。实际上，这就是风机运行中承受的正常疲劳载荷，也是IEC61400-1风机安全等级分级的重要参数之一。

与高难度的湍流画像相比，看看湍流产生的原因就简单多了：一个原因是当气流流动时，气

流会受到地面粗糙度的摩擦或者阻滞作用；另一个原因是由于空气密度差异和大气温度差异引起的气流垂直运动。

通常情况下，上述两个原因往往同时导致湍流的发生。在中性大气中，空气会随着自身的上升而发生绝热冷却，并与周围环境温度达到热平衡，因此在中性大气中，湍流强度大小完全取决于地表粗糙度情况。

叨叨了这么多，也该说说这个恶魔对风机的影响了。

先来看湍流对风机安全性的影响。按道理讲，风机设计有标准可循，可风却并不那么懂设计师的规矩，所以设计师必须要根据特定风场的湍流条件来选择风机，否则后果就严重了：在风场湍流水平超过风机设计水平的情况下，按设计标准制造出来的风机就很难达到预期寿命，原本设计寿命20年的风机，在10年甚至8年的时候，叶根、主轴、机舱底板等结构件就可能出现因为长期疲劳超出设计标准而导致的损坏，这样风电场的收益将难以实现。

到此，问题来了：是不是在湍流超标的情况下，风机就一定不能适用呢？考虑到风机设计参数一般高于现场风况指标，通常可以在经验范围内提出做载荷仿真以确认安全性的需求。比如设计年均风速为8m/s、湍流强度为A类的风机，当某风机位湍流强度平均值为0.162，但年平均风速只有7m/s的情况下，设计师就可以尝试将机位处的参数加入到风机设计的模型中，通过仿真来判断风机是否能够满足这种风场条件下的安全性要求。如果可以满足，那么这款风机就可以适用于该风电场。

再来看湍流对发电量的影响。说到湍流对风场实际发电量的影响，不得不说的是静态功率曲线和动态功率曲线。目前行业内很多场合下，在评估发电量时所使用的功率曲线仍然为“静态功率曲线”，这是非常不科学的，因为静态功率曲线是假设环境湍流为0的情况下绘制出来的理想条件功率曲线，这在现实环境中是不可能存在的，这也是为什么发电量总是被严重高估的主要原因。

科学的方法应是根据评估场址的实际环境湍流，采用与之相应的“动态功率曲线”作为评估电量提供更明确和真实的参考，而不是“静态功率曲线”。

那么，这两种功率曲线的实质性区别在哪呢？

“静态功率曲线”是理论值，它是假设湍流为0、在给定不同的恒定风速情况下，风机所对应的静态输出功率，其功率曲线反映的是风机理论上的最大发电能力，它是由风机叶片翼型的Cp决定的，无法体现风机本身在真实环境中应对湍流的动态性能特点。

“动态功率曲线”是指考虑湍流条件，即在风速非恒定情况下风机的实际功率输出，也就是说，它是通过设定风速湍流条件下，风机控制系统实际响应下的功率输出，是风机真实发电性能表现。

下面这张图，可以帮助你认识和理解低湍流、中湍流和高湍流的“动态功率曲线”。

由图可见，“动态功率曲线”和“静态功率曲线”最大的差异是在额定风速附近，“静态功率曲线”在额定风速上是一个生硬的拐点，而“动态功率曲线”在额定风速附近都会显着低于“静态功率曲线”，这恰恰就是实际风能转换效率和理论风能转换效率偏差发生最大的风速区间。

原因很简单，风机在这个风速区间正是额定风速上下的范围，其控制面临着一个尴尬的境地。理想情况是，当超过额定风速时，风机的控制目标是将风能卸掉，但不能多也不能少，正好够满发；而当风速低于额定风速时，风机的控制目标是尽量捕获最多的能量。

但现实情况是，风速在瞬态会时而高于额定风速，时而低于额定风速，如果不采用激光雷达技术，很难预见下一时刻的风速。风机可能在风速高于额定风速时过度变桨而卸掉了更多的风能，导致不能满发。相反，当风速低于额定风速时，风机也可能还处于上一时刻卸掉风能的变桨状态，导致风能转换效率进一步降低，而大风轮惯量的增加，也加剧了这种低能量转化在传统风机的常态化。这就是为什么有些使用了大风轮传统风机的业主抱怨风机过度偏离理论发电性能的原因吧。

到此，也许你会发现，战胜湍流这个恶魔才是提升风机风能转换效率的最大挑战，而远景智能风机已让这一挑战不再是挑战。那么，远景智能风机究竟有了哪些新技术、新亮点，咱们下次再约，不见不散！