如何化解风电场中的“尾流”挑战？

近年来，海上风电凭借风速高、湍流强度低且对环境影响小的优势，在全球范围内得到了极为迅速的发展。然而，当众多巨大的风力发电机聚集在海上风电场时，一个不可忽视的物理现象出现了-“尾流效应”（Wake Effect）。

简单来说，当前排的风力发电机吸收风能后，会在后方形成一片风速降低且充满湍流的“尾流区”。处于尾流区内的下游风电机不仅发电量会受损，其叶片和传动系统承受的疲劳载荷也会显著增加，这给风电机的安全运行和可靠性带来了严重威胁。为了降低发电成本和运维需求，寻找有效控制海上风电机叶片载荷的新方法成为亟待解决的问题。

面对风机叶片上复杂的空气动力载荷，传统的整体变桨控制方法存在响应慢、磨损大等局限性。为此，研究人员引入了直升机旋翼研究的“智能转子控制”（Smart Rotor Control）概念。核心是利用传感器、执行器和控制器的组合，在叶片的各个位置施加可控的作用力。在众多方案中，“可变形后缘襟翼”（Deformable Trailing Edge Flap, 简称 DTEF）脱颖而出。它能够以柔性的方式改变形状，通过改变叶片弦向的压力分布调整空气动力学特性。这种襟翼具有响应快、体积小、对流场干扰低等优点，被认为是智能转子控制中最具潜力的执行器。

研究团队开发了一个内部的 DTEF 控制器，其工作原理如上图所示。控制器通过传感器获取叶片上的载荷信号，经过坐标转换和 PID（比例-积分-微分）算法计算后，向每个叶片分配适当的襟翼偏转角度，从而实现对叶片疲劳载荷的有效抑制。

以往关于智能转子控制的研究大多只关注单台风电机，很少考虑风电场中的尾流效应。为了填补这一空白，研究团队依托美国国家可再生能源实验室（NREL）的 5 MW 级海上风电机模型，利用最新开发的气动-伺服-弹性数值计算平台进行了深入的仿真研究。研究人员评估了四种典型的风机布置策略：

单机模式（Single case）：作为参考基准的独立风电机。

纵列模式（Column case）：两台风电机前后串联排列。

行阵模式（Row case）：风电机呈单排横向排列。

阵列模式（Array case）：具有两排以上风电机的复杂风电场布置。

研究结果表明，在整个运行区域的典型风速下，为叶片加装“智能襟翼”能带来切实的改善：在高达 20 m/s 的轮毂风速下，智能控制系统不仅有效控制了叶片的疲劳载荷，还稳定了发电功率和整体变桨角度。数据显示，在此风速下，叶片根部挥舞力矩的标准差、叶尖挥舞方向的挠度标准差以及根部等效疲劳损伤（DEL）平均分别降低了约 30.0%、20.0% 和 20.0%。

图2直观地展示了不同风速下的控制效果。可以看出，在 20 m/s 的高风速下，各项载荷指标的下降幅度达到最大，这意味着系统在恶劣风况下的保护作用最为明显。

在风速较低的区域（小于 11.4 m/s 的额定风速），控制效果呈现出一种有趣的递减趋势：单机模式 > 纵列模式 > 行阵模式 > 阵列模式。这与风机所受的“有效湍流强度”依次增加有关。湍流强度越大，叶片表面发生的气流分离就越复杂，使得智能控制发挥作用的难度增加。

图3中的波动曲线展示了随时间变化的叶片根部力矩。绿色曲线（带襟翼）相比于红色曲线（无襟翼），其波动的幅度明显被“削平”了，这正是智能襟翼平抑疲劳载荷的直观体现。

当风速达到 11.4 m/s（额定风速）时，情况发生了反转：阵列模式下的控制效果优于其他三种模式。研究人员认为，这可能是因为复杂的尾流效应触发了更多的变桨活动，反而有助于削弱叶片表面不受控制的气流分离现象。

作者简介：张明明，风能工程领域专家。曾任中国科学院工程热物理研究所研究员、博士生导师。现任哈尔滨工业大学（深圳）机电工程与自动化学院教授、绿色低碳能源创新技术研究所所长。长期从事风电叶片空气动力学、风电场及复杂地形条件下风力机相互作用与优化设计、风电场选址及控制等方向研究。

DOI：10.1007/s11434-015-0899-4