为应对全球气候变化、解决大气污染等问题，国内外对可再生能源的发展寄予厚望，并不断加大投入。风电作为可再生能源的重要组成部分，成本优势和相对成熟的技术，使其在国内外均得到快速发展。风电机组长达20年的设计寿命是保证风电场经济效益的重要前提，而风电场场址的湍流是影响风电机组寿命的最关键因素之一。湍流强度作为大气的流体紊流参数，为空间分布上的三维变量，是风电场开发需要长期测量的重要参数。 

目前，国内的风电场开发测风主要参考的标准——《风电场风能资源测量方法》（GB/T18709—2002）、《风力发电机组功率特性测试》（GB/T18451.2—2012）、《风力发电机组机械载荷测量》（GB/T37257—2018）和《风电场风能资源评估方法》（GB/T18710—2002），均未对湍流的方向分量作出测量要求（以主风向湍流——纵向湍流作为测量值，忽略了横向湍流和垂向湍流）。另一方面，目前，横向湍流对机组的安全性影响尚不明确。风电机组设计方多根据《风力发电机安全要求》（GB/T18451.1—2016）或IEC61400-1  1  标准在3个维度上指定最低要求的湍流强度分配比例，即纵向湍流强度等于主风向湍流强度，横向湍流强度等于0.8或0.7倍主风向湍流强度（Kaimal模型为0.8倍，Mann模型为0.7倍），垂向湍流强度等于0.5倍主风向湍流强度。该假设仅给出了最低比例情况，实际风电场的横向湍流数值有可能被低估。

综合来看，当前行业内相关标准、导则和著作  2-4  虽然提出了各种湍流模型，但对于不同风速下湍流的3个维度的比例并没有进行详细的论述，也未明确横向湍流对风电机组的影响。本文首先针对不同横向湍流强度值下的机组载荷进行了计算，分析了不同湍流模型下横向湍流对载荷影响不同的原因，而后基于我国有一定代表性的10座陆上风电场的实测数据，计算得到了场址的横向湍流普遍分布情况，为风电机组的设计提供了参考。

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横向湍流对风电机组影响的仿真分析

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一、载荷计算模型本

文计算用风电机组模型关键参数见表1。

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风电机组计算采用空气动力学、叶素理论、气动弹性表1计算基本参数力学和结构动力学等原理，国内外大多数风电机组仿真程序均已对上述理论和方法进行了集成。本文应用挪威船级社的DNV Bladed程序，采用Mann和Kaimal两种湍流模型，根据IEC61400-1进行载荷工况设置，进而进行风电机组的动力学载荷计算。横向与纵向湍流强度比值除了标准推荐的最低数值以外，增加了取值1.0，用以对比不同横向湍流强度取值对载荷的影响。

Kaimal模型的纵向风速分量的空间相关结构依据由以下的相干函数确定：

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式中，r为三维流场中两点在法向为主风向的平面上的投影距离；Vhub为轮毂高度风速；f为频率；Lc为相干尺寸参数。

由此可见，Kaimal模型并未包含涡流演变模型，而Mann模型在其方程中对此进行了考虑，其相干函数如下式所示：

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式中，l为三维流场中两点连线向量模值；δ2、δ3分别为两点连线的单位向量的横向和垂向分量；k1、k2、k3分别为3个分量方向的无量纲空间波数；i、j取值为1、2和3时分别代表主风向、横向和垂向湍流分量。该公式定义了距离为(lδ2，lδ3)的两点的速度相干函数，体现了横向和垂向的差异。

等效疲劳载荷计算公式如下：

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式中，ΔLi为载荷幅值；Ni为ΔLi下的循环次数；m为根据材料属性得到的常数值；Neq为等效循环次数；ΔLeq为等效循环应力幅值。

二、影响结果分析

（一）对载荷的影响

计算发现，在Mann湍流模型下，当横向与纵向湍流强度比值从0.7增加到1.0时，风电机组的载荷主要增加在叶根、风轮和偏航位置上，增加量在5%~10%，具体结果见表2。在Kaimal湍流模型下，当横向与纵向湍流强度比值从0.8增加到1.0时，风电机组的载荷变化很小，具体结果见表3。

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由于Kaimal的相干函数基于经验交叉谱，而Mann模型基于线性化Navier-Stokes方程，因此，从理论上来看，Mann模型可描述更真实的湍流情况。国际上，Lene、Søren和Charlotte等人5，6对Kaimal和Mann模型进行了相关研究，并对两种湍流模型的空间相干性与实测数据进行了对比，初步认为Mann模型能够更真实地反映自然湍流风的特性。国内大多数厂家采用Kaimal模型进行湍流风工况计算，因而无法发现横向湍流对载荷的影响，这也可能是横向湍流未得到国内重视的原因。

因此，本文仅以Mann模型下载荷计算结果为准。根据计算结果，除了极限载荷的增加以外，叶根等效疲劳载荷的增加更危险。

（二）对结构损伤的影响

根据材料S-N曲线公式：

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式中，Δσ为应力幅值；N为许用循环次数；m为材料S-N曲线斜线部分的斜率负倒数；const为材料S-N曲线截距参数。

由此可见，应力循环次数N值与应力幅值的m次方成反比，对于非恒幅值应力变化，一般采用等效疲劳应力作为其度量。由于在结构小变形和材料线弹性假设的适用范围内，载荷和应力成线性关系，因此，等效疲劳载荷可以替代等效疲劳应力，作为结构损伤的预判量。

根据上述等效疲劳载荷和S-N曲线定义可知，结构寿命与等效疲劳载荷的m次方成反比。对于基于环氧树脂的叶片复合材料，其S-N曲线的m值为10，因此，若等效疲劳载荷增加5%，其损伤将增加1.0510=1.63，寿命降低为原寿命的61.4%，将严重影响叶片和机组寿命，须予以重视。

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我国横向湍流实测值分析

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一、测风数据来源

国际上，Hans在其著作   7  中提供了美国、丹麦和新西兰平坦地区的实测结果，具体测量数值见表4。可以发现，在国外某些平坦地区，横向与纵向湍流强度的比值绝大多数大于0.7。

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我国虽在《台风型风力发电机组》（GB/T31519—2015）标准中对台风的横向湍流强度进行了统计测量，但未对该数值在我国陆上风电场的适用性进行说明，也未统计横向与纵向湍流强度比值随风速变化的关系。

本文随机选取了位于东北、华北、西北、华中地区的10座平坦地形风电场的测试项目，风电场所在区域和测试时间见表5。

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对以上风电场的测试均满足《风力发电机组功率特性测试》（IEC61400-12-1—2017）的测试场地评估要求。测试时间从3个月到8个月不等，测试总时间跨度能够覆盖全年时长，具有一定的抽样代表性。

测风均采用ThiesClima风杯式风速计，ThiesClima或MetOne品牌风向标，所有传感器都在标定有效期内，塔高均在80m以上。

二、测风数据分析方法

测风数据处理流程见图1。

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刨除风电场中的极小风速、非测试扇区、潜在结冰和采样频率低于1Hz的测试数据，获得有效测风数据。

对测试数据的平均风速进行分栈，每1m/s区间为一栈（以2m/s栈为例，其包含了平均风速在1.5m/s至2.5m/s区间的风速时序），对每个风速栈内的横向与纵向湍流强度比值进行均值统计。

三、结果分析

统计结果如图2—11所示，其中蓝色散点为每个10分钟测风数据结果，红线为整数风速栈内横向与纵向湍流强度比值的均值。根据实测结果，横向与纵向湍流强度比值在整体上随风速增大而降低，但其值均高于IEC61400-1中推荐的下限值。

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统计我国现有数据，各座风电场的各风速栈下横向与纵向湍流强度比值的均值见表6。

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由于在各座风电场测试得到的风速区间不同，仅对存在至少5座风电场实测数据的风速栈进行平均值统计，在1m/s至17m/s风速段内，拟合得到横向与纵向湍流强度比值随风速变化的关系如下：

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根据拟合曲线（图12），在15m/s风速下，横向与纵向湍流强度比值在0.95左右。

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结论

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本文针对我国风电场开发过程中经常被忽略的横向湍流，进行了其与载荷相关性的分析，并在国内随机选取了分布在10个省份的平坦风电场项目开展横向湍流强度实测，得到以下结论：

（1）横向湍流对风电机组的载荷存在影响，风电场开发过程中应添加横向湍流测量要求，载荷仿真时应采用Mann模型为湍流数值建模。

（2）横向湍流强度的增加会大幅度降低叶片的设计寿命，并影响风轮、机舱和塔架极限工况下的安全性。

（3）10座平坦风电场的横向湍流强度值均大于IEC标准推荐的下限值，且横向与纵向湍流强度比值随风速增大而降低。CWEA

（作者单位：北京鉴衡认证中心有限公司）

注释：

1: IEC61400-1—2019Wind energy generation systems - Part1：Design requirements[S].

2: J C Kaimal，J C Wyngaard，YIzumi，etal. Spectral characteristics of surface-layer turbulence [J].Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society，1972，98：563−598.

3: J Mann.The spatial structure of neutral atmospheric surface-layer turbulence [J]. Journal of Fluid Mechanics， 1994，273 ：141 − 168.

4: J Mann.Wind field simulation [J]. Probabilistic Engineering Mechanics，1998，13 ：269 − 282.

5: Lene Eliassen，Charlotte Obhrai. Coherence of turbulent wind under neutral wind conditions at FINO1 [J]. Energy Procedia，2016，94 ：388 − 398.

6: Lene Eliassen，Søren Andersen. Investigating Coherent Structures in the Standard Turbulence Models using Proper Orthogonal Decomposition[J]. Journal of Physics ：Conference Series，2016，753（3）.

7:Hans A Panofsky，John A Dutton. Atmospheric turbulence - Models and methods for engineering application [M]. United States of America，JOHN WILEY&SONS，1983.

本文来源：《风能》杂志 

 文 ：刘兆，黄宇同，王丹丹，蔡志崧

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