復雜地形拼合地形圖對風電場風速推算的影響

文 | 王聰，任會來，張曉東

復雜地形拼合地形圖對風電場風速推算的影響

文 | 王聰，任會來，張曉東

隨著大規模風電場的不斷上馬，平坦地形場址資源開發殆盡，復雜地形場址的利用迫在眉睫。我國幅員遼闊，地形多樣，很多省份地處山地和丘陵地帶，同平坦地形相比，復雜地形（如山地）風電場往往具有更好的風能資源和更廣闊的開發空間。

風電場前期評估對于風電場的建設、運行有著非常重要的意義，而地形圖的精度又直接影響前期評估的準確性，還可以如實反映出場址的細節特點，因此地形圖的精確性十分重要。

在風能資源評估過程中，按照可研編制規范的要求，需要收集風電場邊界及其外延10km范圍內的1:50000地形圖、風電場邊界及其外延1km－2km范圍內的1:10000地形圖或1:5000地形圖，盡量收集風電場范圍內1:2000地形圖。由于1:50000和1:10000地形圖一般的測繪時間都相對較早，無法反應風電場內及其周邊的地形、地貌的真實情況，而1：2000地形圖的測繪費用較高，制作周期也長。因此，目前在風電場前期評估中，為了提升評估精度，對于能夠取得風電場內實測1:2000地形圖的項目，多采用實測1:2000地形圖與1:50000或是1:10000地圖拼合的形式。這樣既可以提高對風電場建模影響最大的場內地形的精度，又能節省資金。但是拼合的地形圖也有一定的缺點，比如拼合邊界部分過度劇烈，對流場模擬計算結果會產生一定的影響。

本文將使用主流的風能資源計算軟件WT和WindSim，選取國內某復雜地形風電場為例，對風電場的風能資源指標進行計算，對比分析兩種地形：1:50000地形圖和拼合地形圖對數值計算結果的影響。

場區描述

如圖1所示，場區內最高海拔346m，山體大致為南北走向，地形起伏較為明顯。屬于典型的丘陵地帶，地形較為復雜。場區內多以林地為主，在進行兩種地形圖計算時，粗糙度采用相同的設置。1號機位于拼合地形圖中1:2000地形圖外部。

場區內有33臺風電機組，1座測風塔，其中測風塔位于場內偏東方向。拼合地形呈長條狀，東西長（16km與主風向平行），南北窄（最窄處600m）。

場區內主風向不明顯，風向位于東部扇區較多。

風速分析

一、風速結果

圖3為兩種地形下，WT與WindSim計算出來的各機位點的平均風速。

從圖3可以看出，在不同地形圖下，風速總體變化較

小，但仍有區別，兩款軟件都捕捉到了02號、03號，12號－15號，23號－29號等機組點位處的風速變化，只不過在大小上略有不同。1號機組位于拼合地形圖中1:2000圖區域以外，平均速度本不應該變化，但是由于測風塔位于拼合地形圖中1:2000圖區域中，因此，測風塔在兩種地形中的差別導致了1號機組風速的微小變化。

將風速變化超過0.1m/s的機組點位進行對比，發現，如表1所示，兩款軟件都捕捉到了08號、12號、13號、14號、23號五個點位風速變化過大，這說明不是偶然情況。

這五個點位拼合前后的垂直高度差在所有機位中處于中下游水平，但是風速變化卻很大，這主要是因為地形變化導致，但是準確的地形變化我們無從得知，只能在地圖上捕捉到部分變化明顯的機位。如圖4所示，12號、13號機位極為靠近拼合地形的邊緣（100m），所以，可以判斷是邊緣地形的突變導致了風速的變化。

因此，地形拼合邊緣處的風電機組，有可能受到地形突變的影響而導致風速變化。

表1 風速差距較大機位

二、高度與風速

如圖5所示，除13號機位外，所有風電機組點位的垂直高度均有不同程度的增加，這是因為原地形圖為1:50000

地形圖，分辨率為90m，因此在一定程度上平滑了山體的變化，而1：2000圖的嵌入使得場內地形變化更貼合實際，使得山體高度增加，山谷高度減小。絕大部分風電機組點位又位于山頂區域，因此，除13號機組點位外，所有機組點位的垂直高度均有不同程度的增加。

我們將兩種地形垂直高度變化和風速變化聯系起來，得到圖5的結果，可以看出，在垂直高度變化的過程中，風速也有相應的變化。WT在2號－7號，10號－23號等風電機組點位處，曲線匹配非常好，趨勢極為相近；在08號、29號－33號點位處曲線差距較大，趨勢相近；其他點位處曲線匹配和趨勢都有較好的相關性。WindSim在曲線匹配和趨上都表現的比WT結果要差一些。

地形的拼合同樣導致了地形陡峭程度的變化，如圖6所示，拼合地形的陡峭程度均高于原地形，這也側面證明了拼合地形的機位垂直高度均有所提升。兩條曲線相關性良好，其相關值為0.81。

由以上分析可以看出，地形的拼合使場內地形發生了變化，陡峭程度，垂直方向高度也隨之增加，引起了平均風速的變化，垂直高度變化與風速變化有一定的相關性。

三、兩軟件對比

圖7為拼合地形中，兩款軟件的計算風速。可以看出，他們在許多點位數值相近，但是在23號－26，28號－33號點位上，風速差距較大。

這是由于WT和WindSim兩種軟件分別使用單方程和雙方程湍流模型，并且在求解參數以及垂直網格劃分上都有不同，所以結果也有差異，這里不做具體分析。

其他參數分析

一、入流角分析

同樣由于地形的變化，風電機組點位處的入流角也均高于原地形，圖8為拼合地形下，兩軟件入流角的對比。由于兩軟件之間模型和參數存在很多區別，因此在這里只討論各自的趨勢和數值，不直接做橫向比較。

將入流角按由大到小順序排列進行對比發現，兩軟件都捕捉到了30號、28號、13號、14號、11號點位的較大入流角。

由以上分析可以看出，地形的拼合使機位點的入流角發生了變化，同時導致了部分機位的入流角過大，而入流角的變化直接影響風電機組的使用壽命，因此，在拼合地形下，入流角參數的變化應該予以重視。

二、風廓線分析

由圖5所示的高度差和圖6所示的陡峭指數可以看出，所有風電機組點位的周邊地形均發生了不同程度的變化，這勢必導致風電機組點位處的風廓線發生變化。

根據風向玫瑰圖，我們選出了22.5°、112.5°和135°三個風頻較高的方向，對隨機抽取的11號風電機組風廓線進行觀察，如圖9所示，三個方向的風廓線均發生改變，其中22.5°方向改變較大；112.5°和135°方向由于山頂的加速效應提高了近地層的風速，因此風廓線出現了負切變現象。

由以上分析可以看出，地形的拼合使場內機位的風廓線發生了變化，因此導致了部分機位的切變也發生相應的變化，而切變對風電機組的使用壽命有一定的影響，因此，在拼合地形下，風電機組點位處風廓線的變化應該予以重視。

表2 入流角差距較大機位

結論

拼合地形圖的使用，導致了計算過程中場內地形的改變，因此會導致部分情況發生：

（一）使用拼合后的地形圖，機位點垂直方向高度普遍增加，同時陡峭指數（RIX）也隨之增加。

（二）使用拼合后的地形圖，拼合邊緣處的風電機組，有可能受到地形突變的影響而導致風速變化，高度變化與風速變化有一定的關系。

（三）使用拼合后的地形圖，部分點位的入流角以及風廓線發生了不同程度的變化，這兩個參數對風電機組的運行壽命有一定影響，因此應予以重視。

（四）使用拼合后的地形圖，能夠更真實反映風電場內地形的情況，從而在一定程度上提高風電項目評估的精度。

以上使用拼合后的地形圖所發生的變化，將直接影響微觀選址的結果，從而在一定程度上影響風電項目評估的精度。

（作者單位：王聰：龍源（北京）風電工程設計咨詢有限公司；任會來，張曉東：華北電力大學）