第３ 高 原 气 象 １卷 第６期 Ｖ ｏ ｌ ． ３ １ Ｎ ｏ ． ６ ， ２ ０ １ ２年１ ２月 Ｄ ｅ ｃ ｅ ｍ ｂ ｅ ｒ ２ ０ １ ２ Ｐ Ｌ ＡＴ Ｅ ＡＵ ＭＥ Ｔ Ｅ Ｏ Ｒ Ｏ Ｌ Ｏ ＧＹ ］ （ ） ： 陈伯龙 ，高晓清 ，左洪超 ，等 ．大型风电场群风电场布局间距的模型研究 ［ Ｊ ．高原气象 ， ２ ０ １ ２， ３ １ ６ １ ７ ４ ６－１ ７ ５ ２．
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也做了相应的研究 。
；定稿日期 ： ２ ０ １ １ ０ ５ １ ３ ２ ０ １ １ １ ２ ２ ０ 收稿日期 ： － － － － ；中国科学院 “ 科技支甘 ” 工程项目 “ 甘肃酒泉风能预报集成研究 ” 西部之 光 ” 人才计划联合学者项目“ 甘肃省风能 基金项目 ：中国科学院 “ 资源精细化评估研究 ” 共同资助 ，男 ，甘肃陇西人 ，博士研究生 ，主要从事边界层气象学研究 ． ： １ ９ ８ ２－ ） Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｃ ｈ ｅ ｎ ｂ ｌ ０ ６＠ ｌ ｚ ｕ． ｅ ｄ ｕ． ｃ ｎ 作者简介 ：陈伯龙 （ ： Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｘ ａ ｏ ｌ ｚ ｂ． ａ ｃ ． ｃ ｎ ＊ 通讯作者 ：高晓清 ． ＠ ｑ ｇ
大型风电场群风电场布局间距的模型研究
１ ２ ３ 陈伯龙１－２， 高晓清 ＊ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ， 左洪超 ， 汪宁渤 ， 刘
磊１
（ １．中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 寒旱区陆面过程与气候变化重点实验室 ，甘肃 兰州 ７ ３ ０ ０ ０ ０； ） ２．兰州大学 大气科学学院 ，甘肃 兰州 ７ ３ ０ ０ ０ ０； ３．甘肃省电力公司风电技术中心 ，甘肃 兰州 ７ ３ ０ ０ ７ ０
＋ （ ） 文章编号 ： １ ０ ０ ０ ０ ５ ３ ４ ２ ０ １ ２ ０ ６ １ ７ ４ ６ ０ ７ Ｐ ４ ２ ５． ６ ３ － － － 中图分类号 ：
文献标志码 ：Ａ
１ 引言
风能是一种新兴可再生的清洁能源 ，是化石燃 料最为重要和理想的替代能源之一 。 在全球变暖和 节能减排的影响下 ，很多国家都在大力开发风能和 发展风力发电
摘 要 ：利用边界层理论和梯度输送原理 ，依据动量 守 恒 定 律 ，在 大 气 中 性 层 结 条 件 下 建 立 了 风 电 场 的动量吸收模型和风电场下游的动量补偿模型 ，计算出风电场尾 流 距 离 。 参 照 实 际 风 电 场 布 局 规 模 和 风机几何参数设计数值试验 ，并对尾流距离与这 些 参 量 之 间 的 关 系 进 行 了 初 步 分 析 。 结 果 表 明 ，风 电 场尾流距离随风机直径 、风塔高度 、风机行数和风机 动 能 利 用 系 数 的 增 加 而 增 大 ，随 地 表 粗 糙 度 和 风 机列间距的增加而减小 ，并且这一距离不受风速和风机列数的影响 。 关键词 ：风电场 ；布局设计 ；尾流距离 ；有效风功率密度
［ ］ １－５
［］ 的受力平衡 。Ｌ ａ ｃ ｋ ｎ ｅ ｒ ｅ ｔ ａ ｌ９ 也 研 究 了 海 上 风 电 场
风机的最优布局 。 在大型风电场群中 ，风电场之间存在类似于风 电场中风机之间的相互影响 。 风机之间一个非常重 要的影响就是风机尾流效应 ，即上游的风机对下游 的风机有遮挡作用 。 风场中流经上游风机的气流由 于部分能量被风机吸收 ，导致在风机的下游方向湍 流加强 、水平动量减 小 ，但 会 随 着 离 风 机 距 离 的 增 加逐渐减弱 ，这 种 现 象 称 为 风 机 的 尾 流 损 失 效 应 。 同样 ，在 大 型 风 电 场 群 中 ，上 游 风 电 场 在 工 作 时 ， 风场中的一部分风能被吸收并转化为电能 ，导致下 游一定距离内的有效风功率密度降低 ，这一效应类 似于风机的尾流影响 ，故该现象定义为大型风电场 群中风电场的尾流效应 。 在风电场的下游 ，经过大 气边界层自上而下的动量补充 ，随着与上游风电场 距离的增加 ，有效风功率密度也在增加 。 直到一定 距离后 ，有效风 功 率 密 度 恢 复 到 和 上 游 同 样 大 小 ， 此处风电场的尾流效应完全消失 ，该距离定义为上
［０］ 游风电场的最大尾流损失距离 。Ｆ ｅ ｒ ｎ á ｎ ｄ ｅ ｚ ｅ ｔ ａ ｌ１
。 如何在大型风电场群中最大程
度地利用风能资源 、提 高 投 资 效 益 、优 化 土 地 利 用 效率 ，就涉及到风电场群的布局和设计 。 风电场群 的布局是影响风电工程效益的一个重要因素 。 风电 场群的布 局 和 场 间 距 的 优 化 必 须 考 虑 到 湍 流 、地 形 、周围风速和风电 场 的 尾 流 效 应 ，风 电 场 场 间 距 过小 ，则 能 量 亏 损 严 重 ；场 间 距 过 大 ，则 土 地 利 用 率较低 。 合理的场间距是指在风电场运行中上游风 电场不会影响下游风电场的正常发电功率 ，同时又 要尽量缩小场间距 ，从而提高土地利用率 。 很多学 者对单个风电场中风机的布局和风机相互之间的影 响都做了详细的研究
将一群风机等效为单个风机建立模型来研究风电场 的一些特 性 ，这 一 方 法 可 以 认 为 是 从 风 机 到 风 电 场 ，再从风电场到大型风电场群的推广研究 。 一些
］ １ １－１ ４ 对风电场 中 的 风 速 变 化 特 征 从 不 同 角 度 学者 ［
损失和输出功率模型 ，同时用改进的优化算法研究 了基于风电场费用模型的风机最优布局 。Ｆ ｒ ａ ｎ ｄ ｓ ｅ ｎ ｅ ｔ ａ ｌ 分析了海上大型风电场中风机的尾流损失模 型 ，同时介绍了大型风电场中风机在中性边界层中
［ ］ ６－９
。Ｋ ｕ ｓ ｉ ａ ｋ ｅ ｔ ａ ｌ 研究了 Ｎ
［ ６］
个风机最 大 发 电 能 力 的 风 电 场 布 局 问 题 ，考 虑 风 向 、风能分布和风机 尾 流 损 失 等 因 素 ，建 立 了 多 目
［］ 标优化模型 。Ｊ ａ ｖ ｉ ｅ ｒ ｅ ｔ ａ ｌ７ 建立了单个风机的尾 流