風能資源評估影響因素探究

文 | 朱金陽

[作者單位：龍源（北京）風電工程設計咨詢有限公司]

隨著風電產業的成熟，政府的補貼逐漸減少，I類資源區的電價由2009年的0.51元/千瓦時降到2018年的0.4元/千瓦時。而從2018年年底開始，各地方政府先后出臺了競價政策，對風電的優化配置提出了更高的要求。在可預見的幾年內，“平價上網”是一種趨勢，這意味著國家對風電發展完全放開，讓其參與電力市場交易。在這種背景下，風電項目的精準化設計顯得尤為重要。而項目收益率敏感地依賴于發電量，據粗略估計，40小時的年利用小時數變動即可影響1%的收益率。因此，風電項目發電量的準確評估對于測算收益率，乃至項目實施的可行性都是十分重要的。

現階段，用于風能資源評估的計算流體力學（CFD）軟件有很多，既有專門的研究機構開發的（如Meteodyn WT、WindSim等），也有風電機組制造廠商開發的。作為設計人員，有必要正確理解和掌握計算參數的設置方法。這樣，在進行具體項目的風能資源評估時，即使時間節點緊（來不及進行計算結果的收斂性驗證），也能根據自己的經驗設置合理的參數，進行發電量的測算。

目前，國內外開展了一些關于風電機組CFD和流場結構的基礎研究工作，涉及商業的CFD、計算載荷的有限元程序與實驗，以及風電場中的流動結構和湍流。這些基礎研究工作對深入理解風電場內流動的物理現象無疑具有重要的價值。本文從實際應用角度出發，對CFD商用軟件計算參數的合理設置進行研究，包括網格分辨率對計算收斂性的影響，以及網格分辨率、地形圖精度、計算范圍和扇區數量對計算結果的影響。

網格分辨率對計算收斂性的影響

對于流場計算，嚴格來說，需要做網格無關性驗證，并且將驗證結果與實驗測量數據進行對比，才能認為計算結果是可靠的。對于設計人員而言，一方面，由于風電項目一般有比較緊迫的時間節點，而且每位設計人員往往會承擔多個項目，所有項目都做網格無關性驗證是不太現實的。另一方面，由于風電機組流場的復雜性及實驗測量實施的困難，現階段可供對比的實驗數據很少，不太可能在測算發電量之前將計算結果與實驗數據進行對比。也就是說，設計人員在實際計算項目的時候，往往只采用一套網格計算流場來測算機組的發電量。

但是，由于當前多數設計人員并非CFD專業出身，對網格分辨率的設置僅僅依賴于主觀認識，甚至帶有一定的隨意性，因此，計算結果的可靠性有待檢驗。另外，需要闡明的是：計算的收斂并不等同于計算結果的收斂—這一點很多設計人員并沒有認識到。計算的收斂僅僅是得到一個結果，而計算結果的收斂指的是當網格分辨率足夠高（幾何建模精度足夠）時，繼續提高網格分辨率，結果也不會隨之改變。由此得到的一個推論是，當網格分辨率不夠時，計算結果會對網格有依賴性，即不同的網格分辨率得到的計算結果不同。

盡管本文討論的是網格對計算結果收斂性的影響，這里也有必要提一下網格對計算本身收斂性的影響。有的風能資源評估軟件在定向計算的時候有自動收斂的功能，如Meteodyn WT，在計算發散的情況下，會調整網格分辨率的設置（一般是降低網格分辨率），從而使計算達到收斂。筆者認為，這種操作缺乏合理性，因為計算的發散說明在此網格參數設置下計算格式不穩定，計算格式在網格變形較大的區域發散。單純地通過降低網格分辨率使計算收斂只是取得一個計算結果，而不是收斂的計算結果。并且，有時降低網格分辨率仍然不能使得計算收斂。更合理科學的操作應該是提高網格分辨率、網格質量，更準確地模擬實際情況。

本文首先研究計算參數中的網格分辨率對計算收斂性的影響。需要指明的是，殘差曲線、收斂度對說明計算的收斂性有限，故本文直接以物理量（速度、湍流等）來說明。以某個較為平緩的丘陵項目（該項目機位的最大海拔高差約20米，共有19個機位）為例，選取3個具有代表性的機位，對其中的一個扇區進行說明。圖1顯示了不同網格分辨率對推算風速的影響，可以看出，對于假定入流參考速度為15 m/s的大氣邊界層速度剖面，兩種網格分辨率（500萬網格、1000萬網格）推算的風速差異可達0.1 m/s，對當前主流機型來說，對應著約70小時的年利用小時數。

進一步來說，現有的風能資源評估軟件均是定常流場計算，采用的RANS模型，將物理量分解為平均量和脈動量之和。

式中，u∞是自由流速度，u′是脈動速度。湍流強度的大小對機組載荷影響顯著。如果做精細化的設計和評估，還應考察機位處脈動速度/湍流強度的收斂情況，從而對機位處的湍流大小有更為準確的認識。圖2表明，采用1000萬扇區計算網格、在機位處推算的平均風速已經基本收斂的情況下，其中一個機位處的湍流強度并未收斂，仍在波動，說明二階的湍流量收斂更慢一些。需要指出的是，由于采用的是大氣邊界層入流剖面，低層受地表影響明顯，因而該層的湍流強度收斂速度慢，收斂之后的湍流強度比高層湍流強度大，這與實際物理規律定性一致。

因此，在考察計算的收斂情況時，特別是對地形復雜、湍流比較大的地區，應同時監測風速、湍流強度的收斂曲線。

此外，計算收斂性還與地形圖精度、山脊走向有關。對于復雜地形，采用精度不夠的地形圖以及沿山脊走向、主風向扇區的計算收斂性較差。某個山地項目算例表明，在其他參數設置相同的情況下，沿山脊走向扇區1∶2000地形圖的計算收斂率為99%，而使用衛星圖的收斂率為85%。對1∶2000地形圖計算的不同扇區來說，扇區收斂率最好的為100%，主風向扇區收斂性最差，為95%。

網格質量也會對計算收斂性有影響。某扇區采用20×2（指水平、垂直方向分別為20m、2m，下同）、最大長寬比為100的網格分辨率時計算發散，將網格長寬比限制在20時收斂，說明過大的網格長寬比不利于收斂。

網格分辨率對計算結果的影響

網格分辨率是影響計算結果收斂（可靠性）的關鍵參數，網格分辨率不夠可能會導致計算的結果偏離收斂值。至于網格分辨率的合理取值，可從軟件開發商那里獲得，因為開發商在推出自己的軟件時會進行大量的測試。以國內主流的風能資源評估軟件Meteodyn WT為例，建議采用的網格分辨率至少為25×4。當然，這只是經驗值，還應該考慮實際項目的差異。

圖3顯示了上述復雜山地項目（沿主風向一條山脊布機40臺，海拔高度為500～600m）采用不同網格分辨率推算的機位處平均風速。在此算例中，采用 40×8、30×6、25×4、20×2 網格分辨率計算的機位處平均風速分別為 6.13m/s、6.10m/s、6.10m/s、6.21m/s。可以看出，采用40×8、30×6、25×4網格分辨率推算的整場風速較為一致，但由于項目地形復雜，采用更高分辨率的網格（20×2）可以捕捉局部的地形效應，因此，其推算結果更為準確。采用較高和較低網格分辨率推算的機位處平均風速最大偏差可達0.3m/s，對應的年利用小時數相差約200小時。

地形圖精度對計算結果的影響

在項目推進的不同階段，設計人員獲得的地形圖精度也不一樣。在評估階段，項目公司一般不會提供測繪地形圖，這時的計算往往采用1∶50000比例的地形圖或公共衛星圖（SRTM 90m，Aster）。在可研階段，項目公司一般會提供1：10000，甚至1∶2000精度的測繪地形圖。對于簡單地形（如平原、海上），由于地形起伏不大，海拔高度的差異很小，采用不同精度的地形圖對軟件推算風速的影響很小。而對于復雜地形（如山地、丘陵），地形起伏大，海拔高程的差異性明顯，不同精度的地形圖對真實地形的刻畫程度不同，從而對計算結果造成較大影響。

定性地講，地形圖精度越高，越能反映項目所在區域的真實地形，在網格分辨率足夠高的情況下，其計算結果更可靠。

同樣以該復雜山地項目為例（下同）考察采用公共衛星圖、1∶10000地形圖、1∶2000地形圖三種不同精度的地形圖對計算結果的影響。在網格分辨率為25×4的參數設置條件下，選定具有代表性的測風塔和機位點的風加速因子、湍流強度值的計算結果已經收斂。

圖4是該山地項目不同地形圖計算結果的對比。分析發現：從測風塔推算的全場平均風速來看，SRTM衛星圖高于測繪地形圖（約偏高0.2m/s，對應約150 小時的年利用小時數），使用SRTM衛星圖、1∶10000地形圖、1∶2000地形圖得到的全場平均風速分別為 6.35m/s、6.13m/s、6.10m/s；從推算的具體機位處的風速來看，測繪地形圖各機位處的風速差異要比SRTM衛星圖的大，這是因為測繪圖刻畫地形更為精細。

計算范圍對計算結果的影響

除非遭遇極端天氣（如臺風），一般認為風電機組附近的流場流動是不可壓縮的。對于當前主流的長葉片機型，考慮風輪轉速為10r/min、風輪直徑為140m的情況，估算葉尖線速度約為70m/s，對應的馬赫數約為0.24，故不可壓縮流動（馬赫數小于0.3）的假設是合理的。不可壓縮流動的特點是控制方程是橢圓形的，任何一點的擾動在全場傳播。從CFD角度考慮，不可壓縮流動的計算域足夠大，計算結果才收斂。實際上，當計算域增大到一定程度，計算結果的變化很小，而且計算域越大，需要的計算成本也越大。計算范圍的選取應統籌考慮計算成本以及計算結果對計算域的依賴性。

圖5是對該山地項目不同計算范圍結果的對比，選取以項目中心為圓心，半徑為10km、15km、20km的計算區域，對應的全場平均風速分別為6.10m/s、6.10m/s、6.12m/s。在本算例中，計算區域半徑為10km的情況即包含了可能受到影響的周邊地形，最后的結果已經收斂。

扇區數量對計算結果的影響

現有測風儀器對風向的測量精度通常為2°。為了充分考慮風向變化對計算結果的影響，扇區的數量/劃分區間也應達到一定的精度要求。

這里比較了以 30°、22.5°、15°、10°劃分扇區推算的機位處平均風速及年利用小時數的情況，結果見圖6。采用30°、22.5°、15°、10°劃分扇區推算的機位處平均風速分別為6.08m/s、6.10m/s、6.09m/s、6.08m/s，推算的機位處年利用小時數分別為（折減系數取0.75）2646小時、2665小時、2653小時、2646小時。在本算例中，扇區數量對計算結果的影響較小。

結論

本文主要應用Meteodyn WT軟件系統地研究了風能資源評估中網格對計算收斂性的影響，以及網格分辨率、地形圖、計算范圍、扇區數量對風能資源評估結果的影響。某個山地項目的算例結果表明：

（1）計算的收斂不等同于計算結果的收斂，計算的收斂僅僅是得到了一個結果，而計算結果的收斂指的是結果不隨計算參數設置的變化而變化。在考察計算結果的收斂情況時，特別是對地形復雜、湍流比較大的地區，應同時監測風速、湍流強度的收斂曲線。

（2）使用較高分辨率的網格可以捕捉局部的地形效應，但實際計算項目時還要考慮計算成本的問題。

（3）采用公共衛星圖比測繪地形圖推算的整體風速偏高，采用1：10000地形圖與采用1：2000地形圖推算的整場平均風速較為一致，但具體到各機位處會有差異。

（4）當計算范圍包含項目周邊復雜地形時，計算結果基本收斂。但需區別對待不同的項目，本算例要求半徑為10km。

（5）當采用不同的扇區（以10°～30°分扇區）設置時，推算的風速和年利用小時數差異不大，最大相差20小時。

（6）本文僅選取了一個典型的復雜山地項目為算例，后續需進行更多的算例驗證，包括網格質量對計算結果的影響以及各類CFD軟件計算結果的差異。