中国南方电网有限责任公司超高压输电公司大理局 刘世增 中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司 邵太华 张文杰 胡昌盛

随着风力资源的持续开发和电网输电线路的不断发展，越来越多输电线路穿越或邻近风电场区域，风力发电场设计规范仅从风机倒塌角度考虑到架空输电线路保持1.5倍风机高度的安全距离，并未从其它方面研究两者间的相互影响。2016年云南省大理州1条110kV 线路穿越九龙坡风电场，穿越风电场的线路导线多处出现断股现象，严重的甚至导致整基杆塔倾斜，而该线路未穿越风电场的区段未出现导线断股等现象。究其原因，可能是因为风电场建成后风场的水平或垂直变化导致[1-3],也可能微风震动增大了线路本身抗振压力导致，又或者风场的不规则变化改变了覆冰程度导致。因此研究风力发电机与输电线路铁塔的尾流效应可为输电线路和风电场设计、运行提供参考。

1 计算模型与网格划分

风力发电机。在SolidWorks 中建立1.5MW风力发电机模型，风力机叶轮直径60m，转速为1.27rad/s。在ANSYS 中导入风力机模型并建立尺寸为2700m×800m×500m 的长方体流体域，考虑两台风机串列的情况进行模拟。将流场计算区域分为旋转域与外域两部分，旋转流场的旋转域部分建立成扁圆盘，叶轮位于旋转内域中央，由于主要考虑风力机下游流场的变化情况，故忽略塔架的影响。根据上述建好的模型进行网格划分，采用非均匀的四面体非结构化网格，对旋转域和叶片表面进行局部加密处理（图1）。

输电铁塔。采用猫头塔，塔高75m。在ANSYS中导入铁塔模型并建立尺寸为500m×300m×200m的长方体流体域，对建好的模型进行网格划分，采用非均匀的四面体非结构化网格，对旋转域和叶片表面进行局部加密处理（图2）。

图1 风力机尾流模拟模型和网格划分

图2 铁塔尾流模拟模型和网格划分

计算方法和边界条件。本次模拟采用有限体积法，湍流方程选用k－ε 双方程模型，扩散项采用中心差分法，对流项采用二阶迎风格式离散。采用SIMPLE 算法进行压力和速度的解耦，避免出现不合理的压力和速度。本次模拟采用的边界条件如下：入口采用均匀速度，速度大小为15m/s；出口为自由出流，故其出口压力设为大气压；流场底面设置为无滑移边界条件，固体壁面；流场侧面及顶面设置为自由滑移壁面；由于风机叶片转动时为动态的，采用滑移网格（mesh motion）模型，风力机匀速转动，转速为1.27rad/s，模拟过程中每个时间步长为0.025s。

2 模拟结果

2.1 风力发电机尾流模拟结果

查看15m/s 入流风速条件下风力机轮毂高度水平面、穿过风机轮毂中心垂直面的速度云图可发现，气流经过风机后产生的速度减小的尾迹主要表现为沿轴向发展，在径向上速度减小的尾迹区域主要集中在风轮直径范围内。在轴向上，气流在经过第一台风机时风速产生剧烈的变化，随后风速有所恢复，在遇到第2台风机后风速再次减小，随后随着远离风机速度开始缓慢恢复，但速度无法恢复至穿越风机前的大小。在轴向上，流体经过第二台风机后速度减小程度明显大于经过第一台风机后的减小值，说明流体中的部分动能通过风机转化为电能。

为分析风机下游不同位置处风速变化的具体数值，对垂直于风轮平面，位于风轮圆心（轮毂中心）、风轮0.5R（R 为风轮半径、下同）、1.25R 处3条直线上风速值进行对比（图3中分别为蓝、红、绿线），从中可看出：位于叶轮半径外（1.25R）的直线上风速基本保持不变，可见风轮转动对位于风轮半径以外区域影响很小；对位于叶轮半径内的2条直线上的风速，流体在穿过风轮时趋势都是速度先急剧减小，然后随着流体远离风机速度开始回升，速度的回升的速率与距风机的距离成反比。

由于输电线路具有导线轻柔、对风荷载敏感的特点，对于穿越风电场输电线线路的线路，需分析风电发电机尾流中湍流强度的变化特征。根据GB/T18710-2002《风电场风能资源评估方法》，湍流强度在0.1或以下表述湍流较小，湍流强度在0.10～0.25为中等程度的湍流，湍流强度高于0.25表示湍流过大。从风机轮毂高度水平面湍流强度的云图中可看出，流体在穿过风轮后，风机下游的湍流强度有了明显的增大，其中湍流强度大于0.25的区域主要位于风机下游400m 范围内。

图3 风力轮毂高度处不同位置处风速

图4 离地50m 高度处不同位置处风速

2.2 输电铁塔尾流模拟结果

从离地50m 高水平面的速度云图可看出，气流在经过铁塔后速度有所减小，在铁塔附近减小很明显，随着远离铁塔，速度有所恢复。选择平面上速度变化最剧烈的一条垂直于铁塔平面的直线来研究速度的变化，从图4可看出气流在遇到铁塔前速度开始减小，穿过铁塔时速度变幅最大，减小至2m/s，穿过铁塔后随着远离铁塔速度开始回升，在铁塔下游100m 处速度已恢复至13.9m/s，随后速度恢复变得缓慢，铁塔下游400m 处速度恢复至14.4m/s。

在风电场设计中需要考虑风电场区域湍流强度大小，因此对输电铁塔尾流区湍流强度进行分析。从离地50m 高水平面湍流强度的云图中可看出，气流经过铁塔后湍流强度有所增大，在铁塔下游100m范围内为湍流过大区，100～200m 范围内为中等湍流区，200m 以外区域为较小湍流区。

3 结语

本文通过利用fluent 软件进行数值模拟来研究风力发电机和输电铁塔尾流区速度和湍流变化特征，主要结论如下：流体经过风机后产生的速度减小的尾迹主要表现为沿轴向发展，在径向上速度减小的尾迹区域主要集中在风轮直径范围内。风机尾流效应会导致沿风机轴向下游方的风速减小，风速减小值最大达入流风速的13%，随着风机轴向下游远离风机，风速减弱得到一定的恢复，但风速仍小于入流风速。流体在穿过风轮后风机下游的湍流强度有了明显的增大，其中湍流强度大于0.25的区域主要位于风机下游400m 范围内；数值模拟研究表明，气流经过输电铁塔后，在铁塔下游会引起风速的减小和湍流强度的增大，而湍流强度增大将使得风力机发电量减小。风机布置除考虑安全距离外还应尽量远离线路铁塔，提高轮毂高度，以降低线路铁塔对风机安全性和发电量的影响。