數(shù)值模擬在風電場設(shè)計中的應(yīng)用研究

文 | 叢明

數(shù)值模擬在風電場設(shè)計中的應(yīng)用研究

文 | 叢明

風能資源是一種清潔的可再生能源，開展風能資源利用對促進社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。為弄清楚某地區(qū)風能資源有沒有利用價值，需要對該地區(qū)風能資源的儲量進行科學的評估。風能資源狀況的分析研究及風能資源的評估是風電機組選型、布置和發(fā)電量計算的基礎(chǔ)，評估結(jié)果準確與否是風電場投資成敗的關(guān)鍵，其結(jié)論的精度和可靠程度受風能資源數(shù)據(jù)質(zhì)量及風能資源評估方法選取的影響很大。

目前，氣象數(shù)值模型已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用到風能資源評估中，如WRF（Weather Research Forecast）、MM5、WEST（Wind Energy Simulation Toolkits）等，但主要是針對區(qū)域風能資源的整體評價。已有研究表明數(shù)值模擬可以較準確地模擬區(qū)域風能資源的分布趨勢，發(fā)現(xiàn)氣象站觀測資料統(tǒng)計分析無法找到的風能資源；很多學者在不同地區(qū)利用數(shù)值模擬開展了風能資源評估方法的研究；另外，風電開發(fā)商和主要廠家也以數(shù)值模擬為基礎(chǔ)開發(fā)了諸如格林威治、Free MESO等系統(tǒng)，以指導宏觀選址和資源儲備。

數(shù)值模擬技術(shù)不僅在前期規(guī)劃中發(fā)揮重要作用，在風電場設(shè)計階段也非常關(guān)鍵。在項目開發(fā)過程中補齊和延長數(shù)據(jù)序列最常用的方法是進行測量關(guān)聯(lián)預(yù)測。風電場測風數(shù)據(jù)的測量關(guān)聯(lián)預(yù)測（Measure Correlate Predict，MCP）是反映風電場風能長期平均水平的主要技術(shù)手段，《風電場風能資源評估方法》（GB/T 18710-2002）將MCP稱為數(shù)據(jù)訂正，并規(guī)定了長期參考數(shù)據(jù)必須滿足的條件。然而，實際工程中往往因為長期數(shù)據(jù)質(zhì)量差、無法滿足技術(shù)指標要求，而影響MCP分析結(jié)果。因此，很多學者采用了NCEP、MERRA等再分析數(shù)據(jù)研究如何補齊和延長風能資源序列。

本文以陜西定邊某項目為依托，討論利用數(shù)值模擬技術(shù)解決數(shù)據(jù)缺測、序列長度不夠等問題，同時采用測風塔實測數(shù)據(jù)進行檢驗，討論更有效的數(shù)據(jù)插補和代表年評估方法。

測風數(shù)據(jù)及模式介紹

一、測風情況介紹

本文依托的項目位于陜西省定邊縣，項目附近有三基測風塔（T01#、T02#和T03#），相對位置關(guān)系如圖1所示，基本配置情況見表1。三基塔之間最遠距離約24公里，最近距離約13公里，測風高度均為80米高度，同期測風數(shù)據(jù)自2010年7月至2011年9月。

二、 數(shù)值模式介紹

圖1 三基測風塔的距離及相對位置關(guān)系示意

表1 三基測風塔風速及配置情況

本文中采用的中尺度模式為天氣預(yù)報模式WRF，是由美國許多研究部門及大學的科學家共同參與開發(fā)研究的新一代中尺度預(yù)報模式和同化系統(tǒng)，為完全可壓縮以及非靜力模式，采用Fortran90語言編寫，水平方向采用Arakawa-C網(wǎng)格點，垂直方向則采用地形跟隨質(zhì)量坐標。

模擬實驗設(shè)計中采用三重嵌套，從最外層到最內(nèi)層的水平分辨率分別為18公里、6公里和2公里；其中，微物理方案選擇WSM6；邊界層方案選擇k閉合的YSU方案；積云對流參數(shù)化方案選擇BMJ方案；長波和短波輻射方案分別選擇RRTM和Dudhia方案，垂直分辨率設(shè)為44層。

數(shù)值模擬試驗的結(jié)果可以提供三基測風塔相同位置處的80米高度自2010年7月1日－2011年9月30日（與實測同期）的逐10分鐘風速序列。

測風數(shù)據(jù)插補及訂正技術(shù)

在風電場設(shè)計過程中經(jīng)常遇到風電場區(qū)內(nèi)不僅單個測風塔的測風數(shù)據(jù)完整率低或者不合理，而且多臺測風塔也存在著同期數(shù)據(jù)缺測或不合理等情況，而距離場區(qū)內(nèi)最近的氣象站所提供的氣象數(shù)據(jù)往往與測風塔的數(shù)據(jù)相關(guān)性較差，不宜進行插補訂正。

通過三基測風塔風速的相互推導和實測數(shù)據(jù)來檢驗?zāi)M數(shù)據(jù)對測風塔插補的可靠性和合理性。假設(shè)T01#測風時間僅為半年（2010年7月1日－2010年12月31日），利用同期的T01#位置處的模擬結(jié)果進行數(shù)據(jù)插補和平均風速推算。同時，利用T02#和T03#在2010年7月1日－2010年12月31日的數(shù)據(jù)對T01#自2011年1月－2011年9月的數(shù)據(jù)進行插補和平均風速推算，將結(jié)果與實際風速對比。三基測風塔各自進行相同模式的試驗。

在通常的風能資源評估中，數(shù)據(jù)插補和訂正的方法主要有兩種，按16個風向象限分別進行相關(guān)性分析及風速訂正，稱之為16扇區(qū)法；也有不分風向象限直接進行相關(guān)性分析及風速訂正，這種方法稱為全范圍法。經(jīng)過對比，在參考序列與待插補序列同期相關(guān)性較高的情況下，16扇區(qū)法與全范圍法的結(jié)果比較接近，本文采用全范圍法進行數(shù)據(jù)訂正。

測風塔T01#與T02#、T03#同期風速序列的相關(guān)系數(shù)分別為0.96和0.92，T02#與T03#的相關(guān)系數(shù)為0.93，三基測風塔的模擬風速序列與同期實測風速的相關(guān)系數(shù)分別為0.89、0.88和0.86，上述所有序列之間的相關(guān)關(guān)系全部超過了99.9%的信度檢驗，全部存在顯著正相關(guān)關(guān)系。

圖2 模擬區(qū)域及模式三重嵌套范圍

表2 基于T01#的不同推算方式的結(jié)果比較

表3 基于T02#的不同推算方式的結(jié)果比較

表4 基于T03#的不同推算方式的結(jié)果比較

在風速的修正結(jié)果中，T01#與T02#相互推算的風速最為接近，平均風速差為0.06m/s，相對誤差均低于1%；T01#和T03#相互推算的風速平均差值為0.22m/s，相對誤差分別是4%和-2.8%；T02#和T03#相互推算的結(jié)果位于前兩組之間，平均風速差值約為0.14m/s，相對誤差都在2.5%以下；模擬結(jié)果對三基測風塔風速推算所得的風速差值分別是0.16m/s、0.07m/s和-0.21m/s，相對誤差最大為-3.7%，最小僅為1.1%。

三組試驗的結(jié)果表明，中尺度WRF模式導出的數(shù)據(jù)與測風塔相關(guān)性很好，修正后的風速差值與誤差均在可接受范圍之內(nèi)，在風電場單個測風塔數(shù)據(jù)完整率低或不合理，或者場區(qū)內(nèi)有多個測風塔但是同期數(shù)據(jù)缺測的情況下，利用數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對測風數(shù)據(jù)進行插補和訂正是合理且可靠的。

風速的代表年修正方法

在風能資源評估中，當?shù)貧庀笳揪邆湟韵聴l件才可將風電場短期數(shù)據(jù)訂正為長期數(shù)據(jù)：同期測風結(jié)果的相關(guān)性較好、具有30年以上規(guī)范的測風記錄、與風電場具有相似的地形條件以及距風電場比較近。由于風電場場址一般距城鎮(zhèn)較遠，而氣象站大多數(shù)位于城鎮(zhèn)近郊，兩者之間的地理位置距離較遠，地表環(huán)境也有一定程度的差別，導致氣象站數(shù)據(jù)和風電場內(nèi)測風數(shù)據(jù)的相關(guān)性受到削弱。所以，當前國內(nèi)很多設(shè)計院主要采用基于再分析數(shù)據(jù)的方法評估項目代表年情況。

本文以美國國家環(huán)境預(yù)報中心和大氣科學研究中心的NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù)（水平分辨率為2.5×2.5）、歐洲中期天氣預(yù)報中心的ECMWF再分析數(shù)據(jù)（水平分辨率為0.125×0.125）、中尺度WRF模式輸出結(jié)果三種數(shù)據(jù)為例，比較和討論風電場代表年風速的訂正方法。

三種數(shù)據(jù)與測風塔實測數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系中（圖3、圖4、圖5），NCEP/NCAR數(shù)據(jù)相關(guān)性最差，相關(guān)系數(shù)不足0.7；數(shù)值模擬結(jié)果相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)接近0.97；EC數(shù)據(jù)位于二者之間，相關(guān)系數(shù)約為0.92。結(jié)果表明，利用NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù)判斷風電場代表年的可靠性較低，利用EC數(shù)據(jù)評估代表年的方法是可行的，但利用中尺度WRF模式輸出數(shù)據(jù)進行代表年訂正的方法是最可靠的。使用數(shù)值模擬結(jié)果對測風塔T01#自1984年至2013年的平均風速進行了訂正，得到測風塔30年來的風速變化情況（圖6）。

圖3 測風塔T01#實測風速與NCEP/NCAR數(shù)據(jù)風速的相關(guān)關(guān)系

圖4 測風塔T01#實測風速與EC數(shù)據(jù)風速的相關(guān)關(guān)系

圖5 測風塔T01#實測風速與模擬風速的相關(guān)關(guān)系

圖6 測風塔T01#在80米高度近30年風速變化情況

結(jié)論

深入研究中尺度數(shù)值模擬技術(shù)在風能資源評估中的應(yīng)用方法，可以解決諸多風電開發(fā)過程中的難題，將提高風能資源評估的效率和準確性，為風電行業(yè)的健康發(fā)展提供強有力的保障。

本文以陜西定邊項目為依托，參考三基測風塔的完整數(shù)據(jù)，討論如何應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)解決具體項目的風速評估難題。得出的主要結(jié)論：

（1）在項目單個測風塔的數(shù)據(jù)完整率低或不合理，或者區(qū)域內(nèi)多個測風塔同期觀測數(shù)據(jù)完整率低或不合理的情況下，中尺度模式計算結(jié)果完全可以代替高質(zhì)量測風塔，對缺測或不合理數(shù)據(jù)進行插補訂正，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量達到評估要求。

（2）通常氣象站數(shù)據(jù)與風電場內(nèi)的測風數(shù)據(jù)相關(guān)性很差，此時可采用高質(zhì)量的再分析數(shù)據(jù)輔助判斷代表年風速，但利用中尺度模式的結(jié)果進行代表年訂正是效果相對最好的，也是與實際最接近的。

（作者單位：中能電力科技開發(fā)有限公司）

攝影：陳裕法