復(fù)雜地形條件下應(yīng)用CFD技術(shù)進(jìn)行風(fēng)能資源評(píng)估應(yīng)用分析

殷建光

（國電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)有限公司，北京 100039）

0 引言

本文選取中國云南省復(fù)雜山區(qū)的一個(gè)實(shí)際項(xiàng)目（整個(gè)計(jì)算模擬區(qū)域的最高海拔在3274m，最低海拔在1422m，海拔落差達(dá)1852m）為例，該項(xiàng)目有多個(gè)測風(fēng)塔，如圖1所示，塔高均為70m，并且數(shù)據(jù)同期，便于進(jìn)行交叉驗(yàn)證與分析。通過對(duì)此項(xiàng)目4個(gè)測風(fēng)塔（編號(hào)為7101—基礎(chǔ)海拔3070m、7103—基礎(chǔ)海拔3150m、7105—基礎(chǔ)海拔3066m、7106—基礎(chǔ)海拔3134m，從南向北沿山脊依次排開）測風(fēng)數(shù)據(jù)的分析，選擇測風(fēng)同期的時(shí)間從2009年7月20日－2010年6月12日的數(shù)據(jù)，其中在2009年9月30日－2009年10月6日，以及2010年3月25日－2010年4月13日由于通信問題導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失，其余天數(shù)數(shù)據(jù)完整、質(zhì)量較高，適合做交叉驗(yàn)證及后續(xù)的比較分析。該項(xiàng)目四個(gè)測風(fēng)塔之間的距離如表1所示。

1 項(xiàng)目建模描述

圖1 測風(fēng)塔位置分布示意圖

表1 各測風(fēng)塔之間的距離（單位：m）

本項(xiàng)目采用基于計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)的美迪WT軟件進(jìn)行風(fēng)流外推及風(fēng)能資源模擬，分別以各個(gè)測風(fēng)塔作為參考塔，外推其他測風(fēng)塔，對(duì)其風(fēng)速等風(fēng)流變量模擬結(jié)果進(jìn)行比較。整個(gè)項(xiàng)目計(jì)算半徑為9864m，采用的水平分辨率為50m，垂直分辨率為6m，水平擴(kuò)展系數(shù)為1.1，垂直擴(kuò)展系數(shù)為1.2，垂直參數(shù)為軟件默認(rèn)0.7，平滑參數(shù)為軟件默認(rèn)值1，勾選“激活針對(duì)計(jì)算區(qū)域邊緣平滑功能”，設(shè)定大氣熱穩(wěn)定度等級(jí)為2，即中性熱穩(wěn)定度。地形數(shù)據(jù)采用SRTM數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，粗糙度數(shù)據(jù)采用法國美迪公司提供的粗糙度數(shù)據(jù)庫（根據(jù)衛(wèi)星掃描獲取的地表信息，并進(jìn)行加工整理）作為建模參考[1]。

將地形數(shù)據(jù)以及粗糙度數(shù)據(jù)輸入，并確定各測風(fēng)塔位置及繪圖區(qū)域范圍，建模后的情況如圖2所示。

在定向計(jì)算時(shí)采用16個(gè)方向扇區(qū)進(jìn)行定向模擬，根據(jù)實(shí)際測量數(shù)據(jù)分析，此處主風(fēng)方向較為集中——西南風(fēng)，可以適當(dāng)對(duì)主風(fēng)方向扇區(qū)進(jìn)行加密定向計(jì)算，而非對(duì)所有方向扇區(qū)進(jìn)行加密，在本研究中增加250度定向計(jì)算結(jié)果。每個(gè)方向扇區(qū)網(wǎng)格數(shù)量在600萬左右，平均每個(gè)扇區(qū)計(jì)算時(shí)間約為1小時(shí)20分鐘，其中圖3為方向?yàn)?47°方向計(jì)算的結(jié)果結(jié)果劃分，圖4為定向計(jì)算后的加速因子的圖例顯示。

圖2 在軟件中數(shù)字化地形及粗糙度建模示意

圖3 WT-247度方向網(wǎng)格生成示意圖

圖4 247度定向模擬風(fēng)加速因數(shù)示意圖

2 CFD數(shù)值模擬與實(shí)際測量交叉比較

進(jìn)行交叉比較時(shí)，輸入其中一個(gè)測風(fēng)塔70m高度處的測風(fēng)數(shù)據(jù)，外推至其他測風(fēng)塔處，并與其他測風(fēng)塔70m高度處實(shí)際測量值進(jìn)行比較分析，如圖5所示，交叉比較結(jié)果如表2所示。

由上述結(jié)果顯示，在風(fēng)速推算的過程中7103號(hào)測風(fēng)塔推算結(jié)果精度非常高計(jì)算與實(shí)測誤差不大于1.6%，代表性最好，因此如果在計(jì)算過程中采用7130測風(fēng)塔評(píng)估整個(gè)風(fēng)電場發(fā)電量，將得到相對(duì)精確的發(fā)電量的評(píng)估。

圖5 各測風(fēng)塔風(fēng)速外推模擬結(jié)果與實(shí)際測量值比較示意圖

圖6 各測風(fēng)塔Weibull A參數(shù)模擬結(jié)果與實(shí)際測量值Weibull分布A參數(shù)比較示意圖

圖7 各測風(fēng)塔Weibull K參數(shù)模擬結(jié)果與實(shí)際測量值Weibull分布K參數(shù)比較示意圖

表2 各測風(fēng)塔風(fēng)速模擬外推誤差比較

表3 各個(gè)測風(fēng)塔Weibull參數(shù)比較表（采用默認(rèn)最大似然法擬合）

表4 雙塔綜合外推結(jié)果與實(shí)測結(jié)果比較

通過風(fēng)流分布規(guī)律參數(shù)的推算比較比較，由表3，圖6，圖7所示，7103號(hào)測風(fēng)塔在推算風(fēng)速風(fēng)頻分布方面也具有較好推算效果，使得各個(gè)點(diǎn)發(fā)電量計(jì)算也可以控制在一定的誤差范圍之內(nèi)，滿足實(shí)際工程要求并為后續(xù)工作奠定基礎(chǔ)[2]。測風(fēng)塔7013號(hào)代表性質(zhì)量高，將在后續(xù)工作進(jìn)行近一步分析。

在此項(xiàng)目上，我們將繼續(xù)研究多塔綜合的效果，將針對(duì)不同的測風(fēng)塔進(jìn)行配對(duì)組合，并采取不同的權(quán)重進(jìn)行分析，主要是看在復(fù)雜地形條件下，已有的默認(rèn)加權(quán)方式與其他加權(quán)方式，以及不同測風(fēng)塔組合的多塔綜合，對(duì)結(jié)果的影響，研究中的多塔綜合權(quán)重首先采取默認(rèn)的“距離平方”進(jìn)行加權(quán)分析，再采取“距離”進(jìn)行加權(quán)分析（由于測風(fēng)數(shù)據(jù)選擇都為同期，并且已經(jīng)對(duì)質(zhì)量進(jìn)行了控制及篩選，整體測風(fēng)數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，所以在研究中測風(fēng)數(shù)據(jù)質(zhì)量的置信系數(shù)均取為1）。各個(gè)單塔結(jié)果中的變量根據(jù)距離對(duì)應(yīng)的權(quán)重進(jìn)行加權(quán)的方式如下：

X：結(jié)果點(diǎn)處的綜合變量值；Xi：結(jié)果點(diǎn)處第i次綜合的變量值；di：從結(jié)果點(diǎn)到第i次綜合參考點(diǎn)之間的距離；ci：對(duì)于第i次綜合結(jié)果的置信系數(shù)；ε=1m；p：距離加權(quán)指數(shù)，在此研究中，針對(duì)p取不同權(quán)重，p=2是默認(rèn)加權(quán)方式，即以距離的平方作為加權(quán)，p=1，則表示按照各測風(fēng)參考點(diǎn)與結(jié)果點(diǎn)之間的距離進(jìn)行加權(quán)。不同加權(quán)方式及組合比較結(jié)果如表4所示。

通過上面多塔綜合分析，在此項(xiàng)目我們發(fā)現(xiàn)如果僅以距離作為多塔綜合的權(quán)重，在某些結(jié)果上略好于默認(rèn)的距離平方作為權(quán)重的結(jié)果，但是以距離平方作為默認(rèn)權(quán)重進(jìn)行多塔綜合應(yīng)該說是適應(yīng)大部分項(xiàng)目，其整體效果在此項(xiàng)目上表現(xiàn)仍然不錯(cuò)，滿足實(shí)際工程要求[3]。同時(shí)通過模擬分析，我們也會(huì)發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行多塔綜合時(shí)，如果某些塔自身的代表性不好（可能由于此塔所處位置以及環(huán)境的特殊性，對(duì)此測風(fēng)塔測量數(shù)據(jù)所代表的范圍有限制），即使其他塔與其進(jìn)行組合進(jìn)行多塔模擬分析計(jì)算，其對(duì)誤差改進(jìn)作用可能并不明顯，在此情況下，應(yīng)該在使用WT軟件中采用分片分區(qū)域控制，尤其對(duì)于已經(jīng)排布之后的機(jī)位發(fā)電量計(jì)算，可以根據(jù)每個(gè)測風(fēng)塔劃定其代表區(qū)域，然后分片綜合計(jì)算。

3 結(jié)論

通過對(duì)云南復(fù)雜山地項(xiàng)目的模擬分析，確認(rèn)了計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)在復(fù)雜地形條件下進(jìn)行風(fēng)能資源模擬的可靠性；同時(shí)，也確認(rèn)了在進(jìn)行多塔綜合時(shí)，采用默認(rèn)參數(shù)通常來講是合適的，如果根據(jù)不同的項(xiàng)目情況，也可以適當(dāng)采用距離作為加權(quán)參數(shù)。

下一步的研究將采用更為精細(xì)化的地形數(shù)據(jù)，在復(fù)雜地形條件下，高分辨率地形數(shù)據(jù)可以保證測風(fēng)塔位置及風(fēng)電機(jī)組相對(duì)位置的準(zhǔn)確，進(jìn)行可靠的后評(píng)估。同時(shí)在下一階段研究中將考慮中尺度技術(shù)與CFD技術(shù)結(jié)合進(jìn)行降尺度分析計(jì)算，并與實(shí)際測量值進(jìn)行比較分析，確認(rèn)在復(fù)雜地形條件下進(jìn)行風(fēng)能資源評(píng)估的其他途徑及方案驗(yàn)證。

[1]雷楊娜,孫嫻 ,姜?jiǎng)?chuàng)業(yè).測風(fēng)塔選址對(duì)復(fù)雜地形風(fēng)電場風(fēng)資源評(píng)估的影響 [J].水電能源科學(xué), 2013 (4):236-239.

[2]遲繼峰,鐘天宇, 劉慶超.復(fù)雜地形多測風(fēng)塔綜合地貌及風(fēng)切變擬合修正的風(fēng)資源評(píng)估方法研究 [J].華電技術(shù), 2012 (11):75-77.

[3]馮賓春,邢占清.風(fēng)資源評(píng)估中的關(guān)鍵問題評(píng)述 [J].水利水電技術(shù),2009 (9):46-49.