风电行业新技术（一种新方法无需新设备即可提高风电场的能源输出）

几乎所有产生全球5%以上电力的风力涡轮机都像独立的独立装置一样进行控制。事实上，绝大多数是涉及数十甚至数百台涡轮机的大型风电场装置的一部分，这些涡轮机的尾流可以相互影响。

现在，麻省理工学院和其他地方的工程师发现，在不需要任何新的设备投资的情况下，可以通过对整个涡轮机集合的风流进行建模并相应地优化单个单元的控制来增加此类风电场装置的能量输出。

给定装置的能量输出增加似乎不大 - 总体约为1.2%，最佳风速为3%。但该算法可以部署在任何风电场，并且风电场的数量正在迅速增长，以满足加速的气候目标。研究人员说，如果将1.2%的能源增长应用于世界上所有现有的风电场，那相当于增加3，600多台新的风力涡轮机，或足以为大约300万户家庭供电，并且每年为电力生产商带来近10亿美元的总收益。所有这些都基本上没有成本。

该研究今天发表在《自然能源》杂志上，由麻省理工学院埃丝特和哈罗德·埃杰顿土木与环境工程助理教授迈克尔·豪兰领导的一项研究中。

“基本上，所有现有的公用事业规模的涡轮机都是'贪婪地'和独立控制的，”Howland说。他解释说，“贪婪地”一词指的是这样一个事实，即它们被控制只是为了最大化自己的发电量，就好像它们是孤立的装置，对邻近的涡轮机没有不利影响。

但在现实世界中，涡轮机在风电场中被故意靠近在一起，以实现与土地使用（陆上或海上）以及道路和输电线路等基础设施相关的经济效益。这种接近性意味着涡轮机通常受到其他逆风产生的湍流尾流的强烈影响 - 这是单个涡轮机控制系统目前未考虑的因素。

“从流动物理学的角度来看，在风电场中将风力涡轮机靠近在一起通常是你能做的最糟糕的事情，”Howland说。“最大化总能源产量的理想方法是将它们尽可能地分开，”但这会增加相关成本。

这就是豪兰和他的合作者的工作用武之地。他们开发了一种新的流动模型，该模型根据大气中的入射风和每个涡轮机的控制策略来预测农场中每个涡轮机的发电量。虽然基于流动物理，但该模型从运行中的风电场数据中学习，以减少预测误差和不确定性。在不改变现有风电场的物理涡轮机位置和硬件系统的情况下，他们使用了基于物理的数据辅助建模，在给定不同的风力条件下，对风电场内的流动以及每台涡轮机产生的发电量进行建模，以找到每台涡轮机在给定时刻的最佳方向。这使他们能够最大限度地提高整个农场的产量，而不仅仅是单个涡轮机。

如今，每台涡轮机都会不断感知进风方向和速度，并使用其内部控制软件调整其偏航（垂直轴）角度位置，以尽可能接近风。但是，例如，在新系统中，该团队发现，通过将一台涡轮机稍微远离其自身的最大输出位置 - 可能与其单个峰值输出角度相差20度 - 由此产生的一个或多个顺风单元的功率输出增加将远远弥补第一个单元输出的轻微减少。通过使用考虑到所有这些相互作用的集中控制系统，涡轮机的集合在某些条件下的功率输出水平高达32%。

在印度一个真正的公用事业规模风电场进行的长达数月的实验中，预测模型首先通过测试各种偏航定向策略进行了验证，其中大多数策略都是故意不理想的。通过在真实农场和模型中测试许多控制策略，包括次优策略，研究人员可以确定真正的最优策略。重要的是，该模型能够预测农场发电量和大多数风力条件的最优控制策略，从而确信模型的预测将跟踪农场的真正最优运营策略。这使得使用该模型可以设计新风况和新风电场的最佳控制策略，而无需从头开始执行新的计算。

然后，在同一农场进行了第二个为期数月的实验，该实验仅实现了来自模型的最优控制预测，证明该算法的实际效果可以与模拟中看到的整体能量改进相匹配。在整个测试期间，该系统在所有风速下的能量输出平均增加了1.2%，在每秒6至8米（约每小时13至18英里）的速度下增加了3%。

虽然测试是在一个风电场进行的，但研究人员表示，该模型和合作控制策略可以在任何现有或未来的风电场实施。Howland估计，与世界上现有的风力涡轮机机组相比，1.2%的整体能源改进每年将产生超过31太瓦时的额外电力，大约相当于免费安装额外的3，600台风力涡轮机。他说，这将为风电场运营商带来每年约9.5亿美元的额外收入。

从一个风电场到另一个风电场，获得的能量将有很大差异，这取决于一系列因素，包括单元的间距，其布置的几何形状以及该位置在一年内风力模式的变化。但Howland说，在所有情况下，该团队开发的模型都可以清楚地预测给定站点的潜在收益。“每个风电场的最佳控制策略和潜在的能源收益将有所不同，这促使我们开发一个可以广泛使用的预测风电场模型，以优化整个风能车队，”他补充道。

但他说，新系统可能会被快速轻松地采用。“我们不需要任何额外的硬件安装。我们真的只是在进行软件更改，并且与之相关的潜在能量显着增加。他指出，即使是1%的改进，也意味着在大约100个单位的典型风电场中，运营商可以用更少的涡轮机获得相同的输出，从而节省与购买，建造和安装该单元相关的成本，通常是数百万美元。

此外，他指出，通过减少尾流损耗，该算法可以将涡轮机更紧密地放置在未来的风电场中，从而增加风能的功率密度，节省陆地（或海上）足迹。这种功率密度的增加和足迹的减少可能有助于实现紧迫的温室气体减排目标，这要求大幅扩大风能的陆上和海上部署。

更重要的是，他说，风电场开发的最大新领域是海上，“海上风电场尾流损失的影响往往要大得多。这意味着这种控制这些风电场的新方法的影响可能会大得多。

Howland说，Howland实验室和国际团队正在继续进一步完善模型，并努力改进他们从模型中得出的操作指令，朝着自主，协同控制的方向发展，并努力从给定的一组条件下获得最大的功率输出。

更多信息：Michael F. Howland等人，基于预测模型的集体风电场运营增加了公用事业规模的能源生产，自然能源（2022）。DOI： 10.1038/s41560-022-01085-8

期刊信息：自然能源