风能以其不可替代的优势已成为最重要的清洁能源之一,随着风场的广泛投建,高海拔、低温、低风速地区建设的风力机运行条件复杂且恶劣,非常值得人们探索,故本课题以实验为主要研究手段,利用激光测风雷达对青藏高原地区冬季风场中的3.6MW大型水平轴风力机的来流与尾流进行同时测量,并同步记录于风力机数据采集与监视控制系统(SCADA),来研究来流条件对风力机的输出功率及尾流的影响。另外,现今数值模拟以其经济性、便利性被广泛使用,准确的数值模拟可弥补实验测量的诸多不足,但其重现外场风场的可行性仍值得探讨,故本课题依据实验测得的外场数据,来验证大涡模拟能否准确重现高原外场大型风力机的来流、功率、尾流。本文首先进行外场实验方案设计,其次对相干雷达测风原理、风速反演方法进行说明,然后验证实验数据的准确性并进行后续处理,为后文做出准确分析奠定基础。最后研究了来流条件对风力机功率及尾流的影响,并对数值模拟的准确性进行了探讨,主要内容可总结为如下几个方面:(1)激光雷达的稳定运行分析与测量风速的准确性及测量数据的处理通过雷达发射的激光的数据流与激光的空间探测位置分析,确保测风雷达的稳定运行,为准确测量实验数据提供保证。通过对SCADA系统同时记录的机舱风速计与机舱式激光雷达测得的来流风速数据的回归分析,其结果呈高度相关性。探讨了实验中与雷达硬件及气象相关的测量不确定性来源,对机舱式激光雷达测得的不同来流风速的不确定度进行了计算。基于机舱式激光测风雷达近一个月的测量得到的温度、风速、风向、风切变指数、湍流度与SCADA系统记录风力机输出功率的对比分析,得到如下规律:大尺度地形对主流风向的影响显著;风剪切指数为负值时,基本是处于上游风力机的尾流区;对于高原戈壁地区,昼夜交替引起的温度周期性变化明显,并且会对风剪切产生周期性影响。(2)来流条件对风力机输出功率与尾流的影响基于小波分析理论,对同一时程下,来流、功率及尾流不同位置处的风速数据的小波分析表明:来流的小尺度波动会被发电机的控制作用过滤掉,从而输出功率更平滑;可以引起风力机功率发生大尺度波动的湍流来流作用在风轮上时,功率的波动频率均小于风速的波动频率,即湍流的尺度效应将会被放大;来流风速的增大会增加其中高频的小尺度湍涡结构对风力机的影响,进而功率的高频波动增加。来流湍流的间歇性运动会对风力机尾流不同高度处风速产生明显的影响;随着来流风速增大,尾流发生级联演化现象越弱,尾流湍流结构受来流影响越清晰。基于相关函数理论,将来流风速与对应的时段内风力机输出功率以及相同时段的风轮下游不同位置处的风速数据进行自相关与互相关分析,结果表明:在相同数据长度下,来流与功率的相关性系数有随风速的增加而增加的趋势;轮毂高度处来流对尾流中轮毂高度以下部分的风速波动影响更明显,且尾流与来流的互相关系数有随风速增加而增加的趋势;所以,来流风速对风力机输出功率以及尾流的影响的强弱并不只依赖于空间位置关系,更与来流风速的大小以及风力机的运转情况有关。基于SCADA数据的风力机输出功率的功率谱特性表明,风力机输出功率的波动可分为三个区域,分别为大尺度气象现象影响区、湍流特征与功率波动耦合区和小尺度湍流脉动影响区,其中,湍流特征与功率波动耦合区的功率谱出现-2及-5/3-4的斜率,小尺度湍流脉动影响区域附近出现三个由风轮旋转引起的波峰,且 0.064Hz前后分别出现Φp/Φu～f-4/3,Φp/Φu～f-4两种幂率关系。(3)大涡模拟外场测量不同来流条件下的风力机流场特性基于OpenFOAM开源平台,利用致动线和大涡模拟相结合的方法对风力机的实验工况进行数值模拟,结果表明来流风速模拟值与实验值误差在8.7%以内,风力机输出功率的数值模拟结果与实验结果的误差范围在6%以内,在数值模拟不考虑机舱与塔架影响的情况下,在垂直方向上风轮下游1倍风轮直径处的数值结果与实验结果误差较大,而风轮下游1.5倍风轮直径后,在垂直方向上尾流风速的数值模拟结果与实验结果的误差范围在10.09%以内。由此说明,数值模拟还原外场流场速度特性具有一定准确性。