實現中尺度區域風能資源仿真的方法及應用

文 | 朱重喜 張果宇

實現中尺度區域風能資源仿真的方法及應用

文 | 朱重喜 張果宇

目前國內風電發展迅速，三北地區、沿海地區、以及內陸山地都積極開發風能資源，了解場址及區域內風能資源是開發風電的第一步?，F在國內風電開發運營企業大量建設測風塔以了解風能資源分布，但數據表明約一半數量的測風塔所測區域的風能資源并不理想，在目前技術條件下無法進行風電開發，浪費了不少資金、時間和精力。

通過中尺度區域風能資源仿真評估可分析出較大范圍內的風能資源情況，分析出資源較優區域，適合風電開發的場址區域，便于開展風電場宏觀選址工作，也可以在合理區域設置測風塔，避免設置無利用價值的測風塔，節約資金和時間。

應用現狀

中尺度區域風能資源仿真評估工作可以了解該區域內風能資源分布狀況，評估可開發風能資源區域，便于風電場前期開發，也可以針對大區域內典型和特殊風能資源條件，找到相適應的典型風能資源條件機型。

目前國內風電開發運營商、風電機組制造商和設計院只對設立氣象站和測風塔附近的小區域（5km－10km）進行風能資源評估工作，能做到微觀選址程度，區域局限性較大。大區域風能資源評估只有中國氣象局等少數單位在做相應工作，但并不完全針對風力發電的應用。例如中國氣象局對江蘇省中尺度區域進行了風能資源評估，但未做浙江省、廣東以及內陸地區的風能資源評估。福建省氣象中心對福建省區域風能資源仿真評估也做了有益的分析。

國外一些咨詢公司、科研單位有開展相應的大尺度和中尺度區域風能資源仿真評估工作，比如美國國家可再生能源實驗室NREL等。方法有通過衛星監測得到風能資源數據，也有通過仿真分析得出風能資源數據等。國內也有萊維賽爾等測風及咨詢公司開展相應工作。

風能資源仿真分析技術

一、風能資源仿真技術簡介

風能資源仿真技術主要有基于線性模型（經驗公式綜合計算）的仿真計算和基于CFD技術（計算流體力學）對風能資源進行仿真模擬。

線性模型風能資源仿真技術軟件由實驗和推導的經驗公式來計算和模擬風能資源。目前主要有WAsP、Windfarmer和Windpro等軟件，應用廣泛。當在復雜的地形條件下，坡度大于17度時，基于線性模型下的軟件WAsP所計算出來的結果就會帶來很大的不確定性。

CFD風能資源仿真技術根據流體力學的規律進行模擬求解，將幾何區域分解為小的網格，并在其中求解復雜的偏微分方程組，以此來模擬場址內的風場情形，可較好的計算出相對復雜地形下的風流分布情況，因此可以用于相對復雜地形條件下的風電場選址及風能資源。實驗表明對于復雜地形，尤其是坡度超過17度，CFD技術具有較高的計算精度。目前主要有Meteodyn WT和Windsim等軟件。

二、兩種計算原理的比較

WAsP、Windfarmer和Windpro軟件是基于線性模型（經驗公式綜合計算）的計算軟件。而MeteodynWT和Windsim軟件的建模是基于CFD技術，可以更合理仿真氣動流體，減少復雜地形計算結果的不確定性。

線性模型計算軟件由實驗和推導的經驗公式來計算和模擬風能資源，如圖一所示。

尾流區中的風速降低也由計算公式推導：

式中：Udownwind為下風向平均風速，x為間距，Ct為風電機組推理系數，Drotor為風輪直徑，k為衰減系數。

計算流體力學軟件使用的CFD技術（計算流體力學）是通過計算機的幫助對流體進行模擬。CFD技術根據流體力學的規律進行模擬求解，將幾何區域分解為小的立方體空間（即通常我們所說的網格），并在其中求解復雜的偏微分方程組。CFD技術網格劃分示意圖如圖2所示。

三維不可壓縮瞬時Navier Stokes方程的基本形式：

三、風能資源仿真分析軟件簡介

下面簡介基于線性模型下的軟件WAsP和Windfarmer；基于CFD模型下的軟件Meteodyn WT和WindSim。

（一） WAsP軟件

WAsP軟件是目前國際認可的進行風電場發電量計算與風電機組最優化布置通用軟件。WAsP是風力氣象預報、風電機組和風電場產能預報的PC平臺應用工具，它是行業標準的風力評估軟件。服務于風力氣象和風力相關產業超過15年，成為基于PC的風能資源評估軟件的標準。目前在100余個國家有超過2000的用戶。WAsP軟件界面如圖三所示。

（二） Windfarmer軟件

Windfarmer軟件是基于WAsP計算內核。WindFarmer軟件主要用于分析、設計和優化風電場，可同時考慮地形和尾流效應來計算風電場電能產量；對風電機組進行產能最大化和成本最小化的設計，并使其符合自然條件、規劃設計和工程建設的要求；具有先進的制圖工具，還能進行風力流動計算、噪音計算和風速數據的測量－相關聯－預測分析（MCP）。采用可視化工具創建集錦照片，包括圖像動畫、風電場電纜視圖顯示、陰影閃爍分析和創建視覺影響區域地圖。

WindFarmer軟件界面如圖4所示。

（三）MeteodynWT軟件

圖1 線性軟件計算原理示意圖

圖2 CFD技術網格劃分示意圖

圖3 WAsP軟件界面

MeteodynWT軟件是法國美迪順風公司(Meteodyn)開發出的一款針對復雜地形的風能資源評估軟件。該軟件的核心是一組專門用于大氣流研究的流體力學計算編碼(CFD)，所有可能在實際中加以利用的風能都屬于大氣流的研究范疇。氣流特征和能量分布圖可以在虛擬現實環境下得以清楚地呈現。MeteodynWT能夠顯著降低由于復雜地形(高山，森林，灘涂等)所產生的風電場設計方面的不確定性，提高風能資源評估準確性。 Meteodyn WT軟件界面如圖5所示。

（四）WindSim軟件

WindSim軟件是由挪威WindSim公司開發的基于計算流體力學（CFD）的風能資源分析評估與風電場選址設計軟件。WindSim軟件是求解風場邊界條件下的流體力學微分方程，獲得微觀風場內的基本流動細節，根據空氣流動的能量分布，安排風電機組處于高風能區。其湍流模型采用湍流動能耗散率閉合方案。風場計算模塊適用計算流體力學商用軟件Pheonics的結構網格解算器部分。WindSim能夠計算氣流在三維方向上的變化；計算規劃風電場任何位置的湍流強度；風速與風向在葉輪掃風面內的變化；規劃風場任何位置的垂直風廓線。

分析的思路和辦法

通過收集相關區域的測風數據、數字地形圖等資料，構建計算模型，不論是線性計算模型還是流體仿真計算模型都可以提供有益的參考價值。進而與區域內已知的其他測風資料比較分析，完善計算模型。

1 收集和整理大區域內相關氣象站和測風塔風能資源數據。

2 收集和整理大區域內相關數字化地圖。

3 針對區域位置和氣候條件等因素，將數據導入仿真計算軟件，并設定相應參數。

4 處理并分析仿真計算結果。

5 分析得出大區域內風能資源分布狀況，可開發的風能資源地區，典型及特殊風能資源條件和相適應機型等結論。

應用實施案例

為說明數據的選取途徑和仿真方法，對某個區域（直徑約100km）進行中尺度的風能資源仿真分析。

一、 收集和整理測風數據

區域內測風數據盡量多收集起來，包括測風塔的位置，經緯度，年平均風速，湍流強度，最大風速，極大風速等材料，并制成風能資源tab文件（包括威布爾分布圖6、風向玫瑰圖圖7等）。

圖4 WindFarmer軟件界面

圖5 Meteodyn WT軟件界面

本案例采用某測風塔測風數據，年平均風速7.35m/s，主風向S，NW。

二、中尺度大區域數字化地圖處理

選用Global Mapper繪制并導出大區域中尺度數字化地圖，如圖8所示。由于該區域面積較大，范圍直徑約100公里，選取等高線每50m一根。在滿足分析精度基礎上避免地圖文件過大。小區域微觀選址計算時一般為等高線每1m－2m一根。

使用WAsP MAP處理粗糙度。根據區域衛星地圖拍攝以及實地勘察等情況，合理繪制地圖的粗糙度，如圖9所示。

圖6 測風塔威布爾分布

圖7 測風塔風向玫瑰圖

圖8 Global Mapper處理大區域數字地圖

三、導入計算軟件，設定參數

本案例中筆者采用WAsP軟件進行風能資源仿真分析。如果有條件，建議最好選用Meteodyn WT和Windsim等CFD流體仿真計算軟件，能較好地保證計算的精確度和流場模擬，但計算時間很長，對計算機硬件要求很高。而且Meteodyn WT等軟件可導入多個測風塔數據，可更全面更精細地評估區域風能資源。導入計算軟件處理如圖10所示。

在WAsP計算中設定中尺度區域風能資源網格精度為500m－1000m，以保證計算的有效性和精確度。小區域微觀選址風能資源網格精度一般為20m－50m。

圖9 區域地圖粗糙度處理

圖10 導入計算軟件處理

四、處理并分析仿真計算結果

通過軟件的計算處理，得出了該區域的風速和風功率密度分布圖如圖11和圖12所示。

五、小結

圖11 中尺度區域風速分布圖

圖12 中尺度區域風功率密度分布圖

通過分析該區域的風速和風功率密度分布圖，了解可開發的風能資源地區，例如：該區域東北面山地有較大范圍的風能資源較豐富區（平均風功率密度達300 W/m2－500W/m2），西南面也有兩塊風能資源較豐富區。與附近相關測風塔測風數據比較，發現該計算結果有較大程度的可靠性。但還可進一步驗證和提高計算的精確度。

由于只能采用WAsP線性軟件計算，且WAsP只能采用一根測風塔數據，計算局限性較大，若采用Meteodyn WT等CFD仿真計算軟件，且輸入多個測風塔數據，仿真計算的精度會更好。

此外還可根據區域風能資源分布狀況，判斷出適用于該區域典型及特殊風能資源條件的相適應風電機組機型。

結語

風能資源仿真分析技術可以對大區域、中尺度區域風能資源進行仿真分析，模擬該地區風能資源狀況，判斷可開發的風能資源地區，合理設置測風塔，優選相適應的風電機組類型，在風電場前期開發中起到積極的作用。

建議在仿真計算中盡量采用精細的地圖數據，導入多個測風塔數據，應用Meteodyn WT和Windsim等CFD流體仿真計算軟件，雖然計算時間較長，但能較好地保證計算的精確度，能更全面地評估區域風能資源。

中尺度大區域風能資源仿真分析計算對計算機配置要求較高，推薦配置8核（16核）CPU，16G內存，4.0HZ主頻，500G硬盤。

風能資源仿真分析技術只是在計算機上仿真模擬該地區風能資源狀況，并不能完全代替在場區內設立測風塔。在選取風能資源條件合適的區域后，需要進一步在場區內設立測風塔取得詳盡的風能資源數據，為風電場風電機組布置、發電量計算等微觀選址工作，以及風電場開發工作取得原始風能資源數據。

（作者單位：浙江運達風電股份有限公司）

攝影：宋永新