0 引言

湍流会直接影响风电机组的性能和寿命，研究表明大湍流会降低风电机组的出力水平，增加风电机组的疲劳载荷和极限载荷，最终造成风电机组的损坏^[1-2]。在风电场建设开发中，风电机组的成本约占整个风电场开发成本的一半，机组能否稳定运行又是关系风电场投资收益的关键因素之一，因此需准确评析各机位点的湍流值，以此选用合理机型，在保障机组可靠稳定运行基础上，使风电场获取最大的投资收益。

1 湍流定义及成因

湍流强度是指风速随机变化幅度的大小，湍流强度指标是决定风电机组安全等级或者设计标准的重要参数之一，也是风电场风资源评估的重要内容，其评估结果直接影响到风电机组的选型。GB/T 18710—2002《风电场风能资源评估方法》附录B中规定的湍流强度I_T计算见公式（1）：

(1)

式中V—10 min平均风速；

σ—10 min平均风速的标准偏差，

，v_i为10 min内每1 s的采样风速。

湍流一般由2个原因造成：一是地表摩擦力，如山地等复杂地形引起的气流变化；二是热力效应，即由于大量的受热空气团垂直运动从而造成当地空气密度的变化^[3]。在微观选址机位安全性复核中，一般以机位点轮毂高度处的15 m/s的特征湍流强度值作为机组选型及机组安全性评估的主要指标之一。

2 机位湍流模拟值偏大或失真的机理

我国陆上风资源丰富、地形简单的区域越来越少，所以资源相对丰富、地形复杂的山区将是今后陆上风电开发的重点^[4]。复杂山地风电场因特殊的地形易产生特殊风况，形成局部区域的大湍流，加上风资源模拟软件在复杂地形的适应性不足也极易造成机位点模拟的湍流值失真，造成原本可用的机位被废弃或选用的机型不够科学，为此在微观选址阶段，需甄别易出现机位湍流模拟值偏大或失真的情况。

2.1 特殊地形引起的机位大湍流

复杂山地风电场容易形成特殊风况，造成场区局部机位点的大湍流。图 1所示为江西某76 MW风电场场区西侧机位分布图，FJ29、FJ30为该风电场的2台风机，场区西侧有一座90 m高的5194号测风塔。场区机型选用轮毂高度为80 m的WTG115型2.0 MW机组，该机组15 m/s特征湍流强度设计值为0.16。微观选址复核阶段采用WT软件模拟场区风资源，推算得到场区FJ29、FJ30机位点的80 m和90 m的风速及特征湍流强度如表 1所示。从模拟结果可知2个机位80 m轮毂高度的特征湍流强度均超出了WTG115型2.0 MW机组的特征湍流设计值，若选用90 m高度塔架的WTG115型2.0 MW机组显然也不满足要求。

5194号测风塔距FJ30约300 m，距FJ29约500 m，且三者海拔高度相当，由此5194号测风塔对FJ29和FJ30两机位的风资源具有较好的代表性。从图 2可知5194号测风塔实测主风向为NNE、次主风向为NE，表 2统计了5194号测风塔各层实测风速及全风向、NE风向、NNE风向时的V=14.5~15.5 m/s湍流强度。从统计结果可知机位的大湍流主要来源于主、次风向的来风，并且5194号测风塔主、次风向实测V=14.5~15.5 m/s湍流强度均超出WTG115型2.0 MW机组的15 m/s特征湍流设计值。从场区等高线地形图及现场踏勘可知FJ29和FJ30主、次风向的上游有1条比这2个机位海拔约200 m的南北走向山脊，由于风流从东北向高山脊倾斜而下形成“翻山风”，导致FJ29和FJ30机位处湍流大、风速小，综合考虑发电量损失情况及机组安全性，实际微观选址复核阶段舍弃了风电场可行性设计报告中的这2个机位。

2.2 软件适应性导致的机位湍流评估值失真

目前复杂地形风资源模拟采用的主流仿真模拟软件有WT、Windsim等软件，在部分复杂地形风电场中，因软件模型的适应性问题，WT和Windsim软件的模拟结果会有所差异，此时需分析结果的可信度。图 3为广东某50 MW的风电场场区机位和测风塔分布图，场区机型选用WTG115型2.0 MW的风电机组，该机组15 m/s特征湍流强度设计值为0.16。场区东侧有80 m高的0812号测风塔，西侧有70 m高的0767号测风塔。从图 4测风塔实测风向可知场区的主风向为N，次风向为SE、SSE。该风电场在微观选址复核阶段，在风数据、地形图相同的情况下，设计院采用了Windsim软件，而主机生产厂家用了WT软件理行模拟。但两者复核结果中却出现了表 3所示的02号和03号2个机位的15 m/s特征湍流结果差异较大的情况，Windsim软件的模拟值甚至超出了机组的设计值。

经过业主、设计院及主机生产厂家的分析，排除了2款软件建模的不合理性导致的结果差异。从表 4可知，场区主风向实测V=14.5~15.5 m/s湍流强度相对较小，次风向实测平均湍流也比较小，通过对图 5所示的02号和03号2个机位北侧地形图及踏勘现场的分析可知2个机位北侧的地形较为开阔平坦，机位附近不具备产生大湍流的地形因素，由此可以采信WT软件模拟所得的机位特征湍流结果。

2.3 模拟算法不合理导致的机位湍流评估失真

在同一个模型中，因局部风向变化，模拟算法不合理也会导致机位点湍流仿真结果的差异。图 6为湖南某50 MW风电场场区机位分布图，场区机型选用WTG115型2.0 MW的风电机组，该机组15 m/s特征湍流强度设计值为0.16。场区有70 m高的8017号（海拔507 m）、80 m高的8336号（海拔332 m）及80 m高的8337号（海拔507 m）3座测风塔。因8337号测风塔只收集到9个月的实测数据，在校核场区机位安全性时，采用WT软件模拟场区风资源，分别计算8336号单塔、8017号单塔、8017号和8336号双塔下FJ19（海拔370 m）、FJ20（海拔382 m）2个机位的湍流，从表 5可知，不同测风塔计算的湍流结果差异值较大。

8336号测风塔和8337号测风塔80 m风速相关性为0.884，8336号测风塔80 m风速和8017号测风塔70 m风速相关性为0.887，这3座测风塔风速相关性较好，从图 7可知8017号测风塔实测风向以NNE为主，从图 8可知8336号和8337号测风塔实测主风向以N为主，结合场区中间低、两边高的地形可知，场区为典型的山谷风。FJ19、FJ20 2个机位海拔与8336号测风塔海拔接近，从地形看，FJ19和FJ20机位的风向应该和8336号测风塔风向接近，而8017号测风塔主风向和8336号测风塔及8336号测风塔的主风向有所差别，因此8336号测风塔对FJ19和FJ20的风资源代表性比8017号测风塔好，用8336号单塔模拟FJ19和FJ20 2个机位的15 m/s特征湍流值比用8017号单塔或8017号和8336号双塔计算FJ19和FJ20机位15 m/s特征湍流值更为可信，由此FJ19、FJ20 2个机位安装WTG115型2.0 MW机型是安全的。

3 提高机位湍流评估准确性的对策

复杂山地风电场因受水源保护、自然生态保护、压覆矿产等因素制约，可开发的区域有限。为充分利用可开发区域里的有限机位点，使拟建风电场的机组能够安全稳定运行并获取最大的投资收益，在风电场微观选址阶段，针对上述3类问题，可从以下方面着手提高机位点湍流值评估的准确性。

3.1 通过模型推算和现场详勘相互验证机位大湍流受特殊地形影响情况

在软件建模计算准确的前提下，针对模拟推算得到的机位湍流超过机组设计值的机位，先要分析机位点各扇区模拟的湍流值，针对大湍流的扇区，在机位详勘阶段，需要根据机位所处的具体地形综合判断模拟值的可信度。若机位详勘证实了模拟值的准确性，则可采信软件模拟值。

如果机位的大湍流不是出现在主风向上，且没有备选机位可用时，可以考虑采用扇区管理来减少湍流对机组的危害，即当机位非主风向上的特征湍流值超过风机安全设计值时，对机组在该风向段实施停机操作，减少该风向段大湍流来风对机组的危害，降低机组的载荷，确保机组安全运行^[5]。如果大湍流出现在主风向扇区，则不建议采用该策略，因为该策略会损失较多的发电量，影响风电场的整体收益。如上述江西某76 MW风电场中FJ29、FJ30机位，通过模拟推算和实际详勘结合综合判断为特殊地形带来的主风向湍流偏大，如表 6所示，FJ29、FJ30机位主风向NNE及NE的特征湍流均超出WTG115型2.0 MW机组的特征湍流设计值（0.16），若对这2个机位采用主风向上的扇区管理来规避大湍流对机组的损害，则分别会损失701 h和643 h的发电量，因此要舍弃这2个机位。

3.2 通过模型互校和现场详勘相结合来减少软件适应性导致的机位湍流误判

为减少软件适应性差带来的机位湍流模拟失真问题，风电场计算建模时应根据不同的地形条件选用不同的软件建模，如平坦地形一般选用Wasp软件，复杂地形选用WT或Windsim软件。建模仿真时也要规范制作地形图、粗糙度、测风数据等计算文件，模型的参数设置也应科学合理，尽可能避免因计算文件不规范或参数设置不合理带来的模拟仿真结果失真。针对模拟仿真湍流异常的机位点，若机位隔壁有测风塔，可通过对比机位模拟的湍流与测风塔实测湍流来验证机位模拟湍流的可信度，如无测风塔可对比时，可考虑采用其他流体建模软件模拟对比验证，对于同一机位点不同模拟软件出现的模拟值偏差较大的情况，可通过机位现场详勘来辅助判断模拟值的可信度。

3.3 通过分区计算来减少不合理算法导致的机位湍流误判

一些场区在风资源模拟时没有综合考虑各机位所处的实际地形以及测风塔对场区各机位风资源的特殊性，在用软件模拟仿真时采用系统默认的计算方法，这种模拟推算方法往往会造成低估或高估机位的实际湍流，致使机位的安全性存在隐患或机型选择不够合理。为提高机位湍流模拟的准确度，在场区风资源模拟阶段，应综合分析场区内各测风塔实测风速与实测风向之间的相关性，每个测风塔对场区各机位风资源的代表性，机位在场区所处的实际地形等因素选用测风塔分区计算方法，以提高软件对场区风资源仿真模拟的准确度。

4 结语

为准确评估风电项目中的机位湍流，确保机位机型选择的合理性以及机组的安全稳定运行，在风电场的前期立塔测风阶段，需结合地形与场区机位的布置选择合适塔位立塔测风。在微观选址复核阶段，也需结合实际地形选用合适的建模软件和计算方法，针对湍流模拟异常的机位点，需要根据机位详勘综合甄别机位湍流模拟值的可信度。风资源工程师要注重内业和外业的融合贯通，不断总结风电场风资源评估经验，提高机位风资源评估的准确性，提出减少湍流对机组损害的有力对策，为风电项目的稳定运行与效益创收提供技术保障。