基于scada數(shù)據(jù)的風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)工況的湍流特征提取

基于scada數(shù)據(jù)的風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)工況的湍流特征提取

在風(fēng)電站建設(shè)過(guò)程中，為了降低成本，提高平臺(tái)施工成本，減少平臺(tái)施工成本，通常會(huì)將基礎(chǔ)挖掘出能夠建造風(fēng)電站的基礎(chǔ)，并停止施工。在風(fēng)電站的基礎(chǔ)上，留下10米高的半頭井。改變最小風(fēng)速資源時(shí)，對(duì)初期風(fēng)吹資源的評(píng)估存在一些偏差，并存在于電池運(yùn)行安全中。本文將以山西某風(fēng)電場(chǎng)為例,利用機(jī)組SCADA實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和CFD流體仿真手段,研究上述微地形的改變對(duì)輪轂高度處湍流和機(jī)組振動(dòng)的影響。機(jī)組內(nèi)部加速度超壓件運(yùn)行山西某風(fēng)電場(chǎng)共吊裝29臺(tái)機(jī)組,2014年年底完成調(diào)試并網(wǎng)運(yùn)行,運(yùn)行過(guò)程中部分機(jī)組出現(xiàn)機(jī)艙加速度超限故障,其中大部分機(jī)組存在基礎(chǔ)平臺(tái)半削平的情況。故障機(jī)組所處的地形情況本文選用機(jī)組運(yùn)行的SCADA數(shù)據(jù),時(shí)間長(zhǎng)度為2015年1月1日到2015年12月31日,選取場(chǎng)區(qū)內(nèi)A、B兩臺(tái)典型故障機(jī)組和C、D兩臺(tái)正常機(jī)組,四臺(tái)機(jī)組所處的地形情況如圖1所示。故障機(jī)組與正常機(jī)組所處的地形相似,A機(jī)組和C機(jī)組與B機(jī)組和D機(jī)組各位于一道山梁,大地形下環(huán)境大體相同,因此對(duì)于研究微地形的影響具有較好的參考性。通過(guò)處理機(jī)組SCADA數(shù)據(jù),本文將從湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差、陣風(fēng)因子、機(jī)艙加速度有效值和功率曲線四個(gè)方面討論機(jī)組局地風(fēng)資源情況和運(yùn)行狀態(tài)。一、湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差與所測(cè)機(jī)組的對(duì)比通過(guò)分析問(wèn)題機(jī)組的故障文件可知,該項(xiàng)目機(jī)組發(fā)生機(jī)艙加速度超限故障的時(shí)間段主要集中在四月和十二月,即春冬季節(jié),一年中風(fēng)速最大的月份也恰好在四月和十二月。在北方春冬季節(jié),植被稀疏,影響機(jī)位處湍流的因素以地形為主。湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差是衡量10min樣本內(nèi)數(shù)據(jù)強(qiáng)弱的量度,反映數(shù)據(jù)的脈動(dòng)程度,用公式(1)表示:其中u在正常湍流模型中,湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差代表值σ將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差值與代表值曲線進(jìn)行對(duì)比,來(lái)驗(yàn)證實(shí)際湍流特征與IEC標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)性。以2015年4月為例,A和B機(jī)組湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差隨時(shí)間的變化如圖3(a)和(b)所示。從圖中可知機(jī)位湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差在大于10m/s的風(fēng)速段內(nèi)有較多的數(shù)據(jù)點(diǎn),超出IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的正常湍流模型中A類湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線,且這些數(shù)據(jù)點(diǎn)在風(fēng)速維度上分布較為分散。反觀C和D正常運(yùn)行的機(jī)組,其湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差隨時(shí)間的變化如圖3(c)和(d)所示,機(jī)位湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差在大于10m/s的風(fēng)速段內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)超出在IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的正常范圍。模型中超出A類湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線的數(shù)據(jù)點(diǎn)較少,且這些數(shù)據(jù)點(diǎn)在風(fēng)速維度上相對(duì)集中,均在風(fēng)速18m/s左右分布。四臺(tái)機(jī)組湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差與IEC標(biāo)準(zhǔn)值的對(duì)比見(jiàn)表1,從表中可知,四臺(tái)機(jī)組實(shí)測(cè)湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差在IEC湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差A(yù)類代表值曲線以下的涵蓋比均超過(guò)90%,但A和B兩臺(tái)故障機(jī)組實(shí)測(cè)湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差在IEC湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差B類代表值曲線以下的占比卻低于90%。二、載荷故障下的加速度曲線分析2015年4月1日,A和B機(jī)組因發(fā)生機(jī)艙加速度超限故障,兩臺(tái)故障機(jī)組當(dāng)天的機(jī)艙加速度有效值如圖4(a)和(b)所示。由圖可知兩臺(tái)機(jī)組在部分時(shí)段內(nèi)機(jī)艙加速度有效值超過(guò)0.1g,甚至達(dá)到0.16g,觸發(fā)機(jī)艙加速度超限故障的最低條件。然而同一時(shí)段內(nèi)這兩臺(tái)故障機(jī)組附近的C和D機(jī)組運(yùn)行正常,其機(jī)艙加速度有效值見(jiàn)圖4(c)和(d),C和D機(jī)組機(jī)艙加速度有效值均未超過(guò)0.1g。三、故障機(jī)組的陣風(fēng)因子通常定義陣風(fēng)因子為陣風(fēng)持續(xù)期t2015年4月1日四臺(tái)機(jī)組陣風(fēng)因子隨時(shí)間變化的散點(diǎn)圖如圖5所示,從圖中可知A和B故障機(jī)組的陣風(fēng)因子存在超過(guò)2的時(shí)段,而且這一時(shí)段恰好與故障發(fā)生時(shí)間相吻合;而在同一時(shí)間段內(nèi),C和D機(jī)組陣風(fēng)因子均未超過(guò)2。經(jīng)統(tǒng)計(jì)風(fēng)電機(jī)組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)樣本中陣風(fēng)因子超過(guò)1.4的頻率見(jiàn)表2,由表可知,A和B故障機(jī)組陣風(fēng)因子超過(guò)1.4的頻率占比均超過(guò)10%,且日平均陣風(fēng)因子偏大。四、定額風(fēng)速功率曲線對(duì)比故障機(jī)組不僅在湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差、機(jī)艙加速度、陣風(fēng)因子等方面存在異常,而且對(duì)功率輸出方面也有較大的影響,其功率曲線如圖6所示,2015年4月A和B機(jī)組的功率曲線在額定風(fēng)速段內(nèi)出現(xiàn)較大幅度的下降。五、測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)分析從現(xiàn)場(chǎng)地形分析,距離A機(jī)位的東側(cè)約22m處有一高約10m的半削平山包,同樣在距離B機(jī)位的東部約20m也有一高約11m的半削平山包,兩臺(tái)機(jī)組所處的地形相似。另外,兩臺(tái)機(jī)組與測(cè)風(fēng)塔的相關(guān)性較好(見(jiàn)圖7),說(shuō)明測(cè)風(fēng)塔對(duì)這兩臺(tái)機(jī)組有一定的代表性,因此用測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)進(jìn)行分析是可行的。經(jīng)分析2015年4月1日測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)向?yàn)闁|偏東南,由此可知兩臺(tái)機(jī)組旁邊的半削平山頭恰好位于機(jī)組的主風(fēng)向。機(jī)組葉片最底端距離地面約30m,其與附近的半削平山頭在垂直高度上有不足20m的高差,當(dāng)風(fēng)從山頭一側(cè)吹向風(fēng)電機(jī)組時(shí),氣流受到阻擋而發(fā)生畸變分離,不僅產(chǎn)生較大的湍流,而且導(dǎo)致風(fēng)速沿塔筒高度方向變化很大。借助機(jī)組SCADA數(shù)據(jù),只能監(jiān)測(cè)輪轂高度處來(lái)流變化情況,而無(wú)法獲知其他高度層的風(fēng)參數(shù)以及流場(chǎng)變化。為了更好地解釋半削平山頭對(duì)下風(fēng)向風(fēng)電機(jī)組的影響作用,下文將采用CFD流體模擬仿真技術(shù)對(duì)場(chǎng)區(qū)地形進(jìn)行流場(chǎng)模擬。仿真方案設(shè)置及數(shù)據(jù)傳遞CFD模擬仿真技術(shù)可較好地應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)復(fù)雜地形的流動(dòng)模擬,再現(xiàn)復(fù)雜地形的大氣邊界層內(nèi)的流動(dòng)。為了更加直觀地描述氣流流經(jīng)半削平山頭后的流場(chǎng)變化情況,本文首先對(duì)半削平山頭實(shí)現(xiàn)3D建模,然后采用流場(chǎng)仿真模型對(duì)半削平山頭的流場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬,最后從機(jī)組平臺(tái)的垂直剖面和水平剖面分析半削平平臺(tái)對(duì)機(jī)組的影響。圖8展示了模擬方案設(shè)置及數(shù)據(jù)傳遞流程。半削平處的小山包與機(jī)位點(diǎn)平臺(tái)的海拔相差10m,模擬區(qū)域設(shè)置網(wǎng)格分辨率為1m×1m×1m,提取測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、濕度數(shù)據(jù)生成邊界廓線作為模擬區(qū)域的初始條件,對(duì)半削平風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)處的流場(chǎng)進(jìn)行模擬。一、半削平小山包校園內(nèi)湍流強(qiáng)度分布假設(shè)平臺(tái)處高度為0m,根據(jù)前述方法模擬半削平風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)垂直方向上0m-80m各高度處的環(huán)境湍流變化情況,具體模擬結(jié)果見(jiàn)圖9和表3。根據(jù)CFD流體模擬仿真結(jié)果,風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)處的湍流強(qiáng)度在半削平小山包的10m高度附近達(dá)到最大,隨著高度的上升,環(huán)境湍流值逐漸減小,且環(huán)境湍流值在30m高度處有較大的變化,該結(jié)論與障礙物對(duì)湍流的影響結(jié)論一致,即受障礙物的影響,渦流擾動(dòng)區(qū)的影響高度范圍約為障礙物高度的3倍。風(fēng)電機(jī)組葉片掃風(fēng)最低點(diǎn)所處的高度一般距地約為20m-30m,若氣流從半削平風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)處的小山包流經(jīng)下風(fēng)向的風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)會(huì)發(fā)生氣流分離,山包與平臺(tái)間的海拔差越大,則氣流分離就越嚴(yán)重,影響的葉片掃風(fēng)面的面積越大,進(jìn)而給葉片的受力、機(jī)組的載荷帶來(lái)一定影響,最終影響機(jī)組正常發(fā)電。二、半削平平臺(tái)影響假設(shè)半削平的小山包與機(jī)位點(diǎn)平臺(tái)處海拔相差10m,如圖10所示,在水平剖面上(其高度與平臺(tái)高度一致),由于受半削平平臺(tái)的影響,半削平的小山包對(duì)風(fēng)有阻擋作用,在小山包前后均形成回流區(qū),對(duì)機(jī)組的發(fā)電量和載荷安全產(chǎn)生影響。三、環(huán)境湍流值變化原山頭處垂直剖面上環(huán)境湍流見(jiàn)圖11,半削平風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)垂直剖面上環(huán)境湍流見(jiàn)表4。由表4可知,從原山頭與半削平風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)環(huán)境湍流值變化情況來(lái)看,環(huán)境湍流值突變的高度層發(fā)生在風(fēng)與地表接觸的那一層高度,即山地地形中貼近地表處的湍流值最大,貼近地表處的湍流對(duì)機(jī)組有一定的影響,從而增加機(jī)組振動(dòng)的可能性。氣流擾動(dòng)與機(jī)組載荷適應(yīng)性通過(guò)對(duì)機(jī)組SCADA數(shù)據(jù)和CFD仿真模擬的分析,位于機(jī)組上風(fēng)向的半削平山頭前后形成較大湍流的回流區(qū),特別容易對(duì)機(jī)組下旋葉片的氣流造成擾動(dòng)。從發(fā)電量角度來(lái)看,氣流擾動(dòng)會(huì)影響葉片正常變槳,使其無(wú)法達(dá)到理論最優(yōu)Cp值,最終導(dǎo)致機(jī)組出力較差,發(fā)電量