復雜地形風電場風資源評估精度提升研究

丁吾鵬

【摘 ?要】現階段，隨著社會的發展，我國的風電場的發展也有了很大的改善。風資源評估和微觀選址是風電場建設的基礎工作，其準確度極大地影響著風機的安全穩定運行、風機利用水平和項目收益的提升。2018年年中，風電競爭性配置新政的推出將風電場建設和運營向市場化推進，這對風電度電成本控制提出了更高的要求，提高風電場的發電量是必然選擇。作為風電場開發的早期關鍵技術環節，微觀選址有助于高效利用風能資源，規避運營維護風險，降低風電場建設和運營成本。提高風電場風資源評估和發電量估算的精準度，是準確估算度電成本、提升競爭力的必備技能。

【關鍵詞】復雜地形;風電場風資源;評估精度提升研究

引言

隨著風能資源的深入開發，復雜山地成為規模風場熱門的微觀選址區域。風電場的運行經驗表明，地形對空氣流動的影響顯著，為微觀選址帶來極大的挑戰。空氣動力學是風資源評估的理論基礎，CFD是其重要的求解與描述手段之一。綜述了風電場風資源評估的傳統方法，介紹了成熟的CFD方法，并指出提升復雜地形風電場風資源評估精度的方法和路徑。

1復雜地形風場風資源評估技術現狀

風場流動分析的主要內容是流動分析，目前獲取復雜地形中風場空氣流動情況的方法主要有3種[1]：a）現場實測。在現場典型位置安裝測風塔，開展1a～3a風速、風向的連續觀測后進行風資源的評估。現場實測能夠真實地反映現場的風資源狀況，在風電場前期建設中必不可少。但限于測風塔數量和成本，不可能達到復雜地形風場流動分析和風機微觀選址的要求;b）風洞試驗。建立復雜地形的縮比模型，在大氣邊界層風洞中測量風場風速分布。風洞試驗可以測量較多的流動參數，可控性好、重復性高，但試驗周期長、費用高，且試驗精度仍有限，可用于典型地形的風場驗證研究。另外，風洞試驗縮小比例過大，會帶來無量綱參數選擇難題，與實際風場的相似性難以完全保證;c）數值評估。數值評估方法較多，速度和精度各異，其核心算法按照特征可以分為線性模型、中尺度模型、雷諾平均模型（RANS）、大渦模擬（LES）、直接數值模擬（DNS）等。數值評估可以對數字地形進行詳細的流動分析，具有成本低、速度快、數據詳盡的特點。但與前2種方法相比，其精度依賴計算方法和經驗，且需要與實測數據進行比較后確定和修正。在風電場宏觀選址前，通常在候選地區建立測風塔，獲取實測風速、風向、氣壓等數據進行風資源分析，它們是風場風資源評估的重要依據。在實測數據的基礎上，采用風資源計算軟件進行資源分布情況的計算分析及風機微觀選址。目前，用于電場風資源計算的軟件多為歐洲的商業化軟件，例如Meteodyn的WT、GH的WindFarmer、VectorAS的WindSim、AWSTruepower的OpenWind等。早期的風資源評估軟件主要基于線性模型進行資源分布計算和微觀選址，能夠給出平坦或起伏不大地形（坡度<20°）的合理風速分布，但當遇到陡峭的山坡或者連續的山脈地形時，不能正確反映復雜地形風場的流動狀況，往往過高地估計了風速，容易發生風力機遠不能達到設計功率的情況。當前，更精密的非線性流動分析模型越來越受到重視，以獲得復雜地形區域的高分辨率流場信息。

2重要性

隨著中國風電裝機容量的快速增長，復雜地形風電場、尾流效應顯著的大型風電場、海上風電場越來越多，國外軟件不適合國內風電場設計的問題也越來越突出。為此，有必要利用非線性流動分析模型如中尺度氣象模型、CFD等，獲得復雜地形條件下分辨率高的近地層風場空氣流動。針對復雜地形，國外軟件開發商紛紛轉向CFD技術研究與應用，不斷完善其分析模型。該技術的核心是復雜地形條件下大氣邊界層流動模擬技術。風電機組旋轉時產生很大的氣動升力，伴有強烈的旋渦尾流，其與風機的性能、噪聲、負載和振動水平直接相關，還可能導致附近的風機流場紊亂及運行工況劣化。因此，風機尾流模型及其對應的迭加模型是準確估算整個風電場發電量預測的重要因素。風機尾流效應估算的準確性以及受其他風機尾流影響的風機工作風速的合理確定，直接影響風電場的風機布置和發電效益。常用的商業軟件通常在流場計算環節不考慮風機尾流，而在微觀選址環節采用簡化的尾流模型，考慮尾流效應，尾流影響估算有時偏大，有時偏小。國內也有許多研究機構開展了相關研究。采用精確性較好的中尺度氣象模式MM5分析了遼寧近海的風資源分布，但該模式的尺度仍然太大，并不能給出局部地形的風能分布。清華大學和同濟大學的研究組合作開發了風場模擬和微觀選址優化軟件Aeolux，暫未經過大量工程實際應用驗證。湍流數值模擬方法能夠提供豐富的流動細節，在小尺度流動中，例如航空航天、風力機、化工、汽車設計等，得到了廣泛應用。

3提高復雜地形風場風資源評估精度的路徑探討

流體動力分析方法依精度從低到高和耗時從短到長依次排列為：線性模型、中尺度模型、雷諾平均模型（RANS）、大渦模擬（LES）、直接數值模擬（DNS）。風場風資源評估是計算資源高度密集型的任務，需要平衡分析精度、時間及收益。現階段，雷諾平均模型與中尺度大氣模型耦合是可行的發展方向[7]。商業化風資源評估軟件算法封閉，難以滿足提高風場風資源評估精準度的需求，通用流體動力分析軟件如FLUENT、OPENFOAM等相對透明，而且能夠獲得更高的計算精度，可以在其基礎上進行深入開發。為實現更高準確度的風資源評估和發電量估算，凸顯項目競爭優勢，應考慮以通用流體動力軟件為平臺，充分利用測風數據和風電場運營數據，深入研究各種復雜地形風場的流動規律，發展針對復雜地形風場的計算模式。針對復雜地形及風機尾流影響，建立風電場CFD氣動模擬與虛擬葉片耦合模型，可對各機位的風場參數進行模擬計算，提供較高精度的數值計算結果，展現流動細節，進而對風機微觀選址加以優化，實現風資源的優化利用。在實際應用中，風力機在風場中的數值模型不必為風力機真實模型，可用合適的尾流模型代替，例如宋夢譞等[8]采用了虛擬濃度模型。此外，在應用通用流體動力分析軟件進行復雜地形風電場風資源分布情況分析的同時，可將測風塔實測數據及地形信息同化到數值模式預報系統中，運用WRF模型嵌套CFD技術，將中尺度模型預測結果降尺度處理，充分考慮風電場地形地貌、粗糙度、空氣密度等多種環境因素，經過統計訂正處理，獲得高空間精度的風資源數據。在此基礎上，還可進一步發展高精度的氣象預測模型，提高風功率預測的準確度。

結語

通過調研發現模型的復雜度與資源評估精度不成正比，并結合工程實際指出雷諾平均模型與中尺度大氣模型耦合的大方向，提出了提高復雜地形風場風資源評估的幾條路徑。鑒于問題本身的影響因素較多，尚需詳細分析，并找到基于現有條件的最佳CFD算法。

參考文獻：

[1]肖儀清，李朝，歐進萍，等.復雜地形風能評估的CFD方法[J].華南理工大學學報（自然科學版），2009，37（9）：30.

[2]李軍，胡非，程雪，等.CFD在復雜地形風能開發中的應用研究[J].太陽能學報，2013，34（7）：1250.

（作者單位：中國電建集團河南省電力勘測設計院有限公司）