采用中微尺度法進(jìn)行風(fēng)能資源評(píng)估的準(zhǔn)確性分析

文 | 許昌，吉曉紅，閆新，王歡歡

近年來，隨著環(huán)境問題的加劇和資源的日益短缺，風(fēng)能作為一種清潔能源受到各行業(yè)的重視。目前國內(nèi)風(fēng)能資源豐富區(qū)域開發(fā)已趨于飽和，并網(wǎng)和消納成為該區(qū)域的主要矛盾，低風(fēng)速平原風(fēng)電場成為風(fēng)能資源開發(fā)的主戰(zhàn)場。當(dāng)前平原風(fēng)電場因土地、規(guī)劃、風(fēng)電機(jī)組尾流等因素影響，造成場區(qū)范圍較大、場內(nèi)豎立測風(fēng)塔位置代表性不高、設(shè)立測風(fēng)塔數(shù)量不足的問題，這將增加風(fēng)能資源評(píng)估的不準(zhǔn)確性和投資風(fēng)險(xiǎn)。

因此，本文提出了用于風(fēng)能資源評(píng)估的中微尺度法。本文以河南省新鄉(xiāng)市某平原風(fēng)電場為例，驗(yàn)證了采用中微尺度法進(jìn)行風(fēng)能資源評(píng)估的準(zhǔn)確性。

風(fēng)電場概況

本文所選風(fēng)電項(xiàng)目位于河南省新鄉(xiāng)市東南部，所在區(qū)域?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，風(fēng)能資源具有較高的開發(fā)利用價(jià)值。場區(qū)面積約56.61km2，地勢平坦，屬于黃河沖積平原，平均海拔高度約70m。

風(fēng)電場裝機(jī)容量6.8萬千瓦，共布設(shè)34臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，風(fēng)電機(jī)組擬選風(fēng)輪直徑121m，單機(jī)容量2.0MW，輪轂高度100m。風(fēng)電場內(nèi)設(shè)有一座測風(fēng)塔M1（位置見圖1），測風(fēng)塔基本情況見表1。

本文采用2016年7月1日—2017年6月30日一個(gè)完整年的測風(fēng)數(shù)據(jù)，來驗(yàn)證中微尺度法評(píng)估風(fēng)能資源的準(zhǔn)確性，測風(fēng)數(shù)據(jù)完整性為99.9%，數(shù)據(jù)完整率滿足《風(fēng)電場風(fēng)能資源評(píng)估方法》（GB/T18710—2002）的要求，缺測和不合理數(shù)據(jù)已進(jìn)行處理。項(xiàng)目區(qū)域位置、風(fēng)電機(jī)組排布及測風(fēng)塔位置如圖1所示。

中微尺度法模擬方法

圖1 項(xiàng)目區(qū)域位置、風(fēng)電機(jī)組排布及測風(fēng)塔位置圖（紅色點(diǎn)為機(jī)位點(diǎn)）

表1 測風(fēng)塔基本情況表

通過中尺度大氣模式求解器，利用全球環(huán)流的再分析數(shù)據(jù)，對(duì)評(píng)估的區(qū)域進(jìn)行中尺度計(jì)算，從而獲得評(píng)估區(qū)域內(nèi)中尺度分辨率風(fēng)能資源數(shù)據(jù)。再以中尺度分辨率風(fēng)能資源數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使用法國美迪Meteodyn WT軟件對(duì)其進(jìn)行微尺度模擬，其模擬結(jié)果可以獲得一定評(píng)估區(qū)域內(nèi)高分辨率的風(fēng)流場分布。

將中尺度模擬和微尺度模擬相結(jié)合進(jìn)行風(fēng)能資源評(píng)估的方法，定義為中微尺度法。下文將詳細(xì)論述中微尺度法用于評(píng)估平原區(qū)域風(fēng)能資源的準(zhǔn)確性。

一、中尺度模擬

（一）中尺度模擬簡述

中尺度模擬是通過中尺度大氣模式求解器，利用全球環(huán)流的再分析數(shù)據(jù)，包括氣象衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、地面氣象站觀測數(shù)據(jù)和測風(fēng)塔實(shí)測數(shù)據(jù)等，對(duì)不同數(shù)據(jù)進(jìn)行同化和再分析，得到研究區(qū)域的中尺度氣象數(shù)據(jù)，再對(duì)評(píng)估的區(qū)域進(jìn)行中尺度計(jì)算。上述結(jié)果保證了評(píng)估區(qū)域內(nèi)，每個(gè)中尺度分辨率網(wǎng)格的風(fēng)能資源平均水平，中尺度模式為微觀計(jì)算提供了宏觀基礎(chǔ)。

（二）中尺度模擬計(jì)算

項(xiàng)目定義：選擇測風(fēng)塔M1位置為計(jì)算中心點(diǎn)，計(jì)算區(qū)域東西長150km，南北長150km，模擬分辨率為3km，模擬計(jì)算時(shí)段為2016年7月1日—2017年6月30日。

模擬計(jì)算：采用ECMWF中心的ERA-I再分析數(shù)據(jù)，該再分析數(shù)據(jù)分辨率為0.75度，將此再分析數(shù)據(jù)載入中尺度模擬系統(tǒng)，設(shè)置為三層網(wǎng)格嵌套模式，最外層分辨率為9km，中間層分辨率為3km，最內(nèi)層分辨率為1km，將嵌套模式及邊界條件設(shè)定好之后，采用ARW求解器進(jìn)行求解，最終得到高分辨率中尺度模擬結(jié)果。

輸出結(jié)果：測風(fēng)塔M1 100m處中尺度模擬小時(shí)時(shí)間序列，包括風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、氣壓等。

二、微尺度模擬

（一）微尺度模擬簡述

以中尺度模擬數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用CFD技術(shù)進(jìn)行降尺度計(jì)算，將風(fēng)電場的流場分解為小的立方體空間（即通常我們所說的網(wǎng)格），并在其中求解復(fù)雜的偏微分方程。整個(gè)風(fēng)電場內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)通過Navier-Stokes流體運(yùn)動(dòng)方程與連續(xù)方程進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，最終的CFD模擬結(jié)果可以獲得一定評(píng)估區(qū)域內(nèi)高分辨率的風(fēng)流場分布。

（二）微尺度模擬計(jì)算

項(xiàng)目定義：根據(jù)項(xiàng)目區(qū)域并結(jié)合地形地貌情況，使用法國美迪Meteodyn WT軟件（版本5.2.1）進(jìn)行項(xiàng)目定義，輸入1：5000地形地貌數(shù)據(jù)，完成繪圖區(qū)域及結(jié)果點(diǎn)設(shè)置。項(xiàng)目定義后可視化地形圖的效果如圖2所示。

繪圖定義：本項(xiàng)目繪圖高度設(shè)定為100m，其主要作用為引入中尺度數(shù)據(jù)進(jìn)行降尺度綜合計(jì)算。

粗糙度數(shù)據(jù)導(dǎo)入：本項(xiàng)目采用美迪WT軟件自帶的粗糙度數(shù)據(jù)庫，并結(jié)合衛(wèi)星圖實(shí)拍地貌情況，對(duì)粗糙度取值進(jìn)行調(diào)整。此項(xiàng)目粗糙度的主要取值為：內(nèi)陸水域河流，0.003；濕地，0.01；農(nóng)田耕地，0.2；裸露地面，0.1～0.06；村莊，0.3；中大規(guī)模城市，0.5～0.6；樹林，0.4。

定向模擬計(jì)算及其收斂效果：本項(xiàng)目微尺度模擬計(jì)算采用高分辨率網(wǎng)格，垂直分辨率為6m，水平分辨率為30m，對(duì)16個(gè)風(fēng)向扇區(qū)進(jìn)行定向模擬計(jì)算。各扇區(qū)定向計(jì)算收斂率均達(dá)到100%。

綜合：將中尺度模擬數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)分別輸入到WT軟件中進(jìn)行降尺度計(jì)算和綜合計(jì)算。

中微尺度法準(zhǔn)確性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證中微尺度法評(píng)估風(fēng)能資源的準(zhǔn)確性，本文主要從風(fēng)能資源基本參數(shù)風(fēng)速、風(fēng)向，WT分析的風(fēng)速圖譜及發(fā)電量等方面進(jìn)行對(duì)比分析，分析對(duì)比數(shù)據(jù)源分別為M1 100m高度實(shí)測風(fēng)能資源數(shù)據(jù)（表2中用Ⅰ代表）、中微尺度法獲得的高分辨率模擬100m高度風(fēng)能資源數(shù)據(jù)（表2中用Ⅱ代表）。

一、風(fēng)速、風(fēng)向?qū)Ρ确治?/h3>

圖2 地形可視化效果圖

為了驗(yàn)證中微尺度法的準(zhǔn)確性，可將其模擬的風(fēng)速、風(fēng)向與M1測風(fēng)塔實(shí)測風(fēng)速、風(fēng)向進(jìn)行相關(guān)性分析。經(jīng)分析，兩者風(fēng)速相關(guān)系數(shù)R達(dá)到0.8312，風(fēng)向的相關(guān)系數(shù)R達(dá)到0.8567，相關(guān)性都較好。風(fēng)速、風(fēng)向相關(guān)性分析見圖3、圖4。

將中微尺度法模擬的風(fēng)能資源基本參數(shù)與M1測風(fēng)塔實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差分析。經(jīng)分析，模擬值與實(shí)測值風(fēng)速、風(fēng)向的差別分別為0.54%、0.00%，偏差值小。從而可證中微尺度法模擬的風(fēng)能資源基本參數(shù)風(fēng)速、風(fēng)向的準(zhǔn)確性較高。偏差分析結(jié)果見表2，風(fēng)速、風(fēng)向頻率玫瑰圖見圖5、圖6。

二、 風(fēng)速圖譜對(duì)比分析

圖3 風(fēng)速相關(guān)性圖

圖4 風(fēng)向相關(guān)性圖

圖5 風(fēng)向頻率玫瑰圖（左側(cè)為實(shí)測、右側(cè)為模擬）

圖6 風(fēng)能頻率玫瑰圖（左側(cè)為實(shí)測、右側(cè)為模擬）

表2 風(fēng)速、風(fēng)向偏差分析表

為了進(jìn)一步驗(yàn)證中微尺度法評(píng)估風(fēng)能資源的準(zhǔn)確性，將WT軟件分析的風(fēng)速圖譜與實(shí)測數(shù)據(jù)風(fēng)速圖譜進(jìn)行對(duì)比，并將場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組100m輪轂高度處的風(fēng)速導(dǎo)出，進(jìn)行偏差分析。經(jīng)對(duì)比，兩者風(fēng)速圖譜吻合度較高；單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)速最大偏差1.62%，最小偏差0.72%，平均偏差1.30%，偏差較小。風(fēng)電機(jī)組100m輪轂高度平均風(fēng)速偏差分析表見表3，風(fēng)速圖譜見圖7、圖8。

三、發(fā)電量對(duì)比分析

風(fēng)電場裝機(jī)容量6.8萬千瓦，共布設(shè)34臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，發(fā)電量綜合折減系數(shù)0.781。

圖7 實(shí)測數(shù)據(jù)平均風(fēng)速圖譜

圖8 模擬數(shù)據(jù)平均風(fēng)速圖譜

表3 風(fēng)電機(jī)組100m輪轂高度平均風(fēng)速偏差分析表

表4 風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量對(duì)比表

經(jīng)分析，單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量最大偏差4.02%，最小偏差0.44%，平均偏差為2.00%，偏差較小，中微尺度法評(píng)估風(fēng)電場發(fā)電量準(zhǔn)確性是可靠的。風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量對(duì)比見表4。

結(jié)論

本文以河南省新鄉(xiāng)市某平原風(fēng)電場為例，從風(fēng)速、風(fēng)向、WT分析的風(fēng)速圖譜、WT發(fā)電量計(jì)算結(jié)果等方面進(jìn)行對(duì)比分析 ，論證了中微尺度法用于風(fēng)能資源評(píng)估的準(zhǔn)確性。當(dāng)大范圍平原風(fēng)電場內(nèi)測風(fēng)塔數(shù)量不足或代表性不高，可選用中微尺度法模擬測風(fēng)數(shù)據(jù)，并結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)，采用多塔綜合評(píng)估風(fēng)電場風(fēng)能資源。得到主要結(jié)論如下：

（1）中微尺度法模擬的風(fēng)速、風(fēng)向與M1測風(fēng)塔實(shí)測風(fēng)速、風(fēng)向相關(guān)系數(shù)都達(dá)到了0.8以上，相關(guān)性較好。兩者風(fēng)速、風(fēng)向偏差分別為0.54%、0.00%，偏差值小。中微尺度法模擬的風(fēng)速、風(fēng)向準(zhǔn)確性較高。

（2）中微尺度法風(fēng)速圖譜與實(shí)測數(shù)據(jù)風(fēng)速圖譜吻合度高；單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)速最大偏差1.62%，最小偏差0.72%，平均偏差1.30%，偏差較小，進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性。

（3）分別將中微尺度法計(jì)算的發(fā)電量與M1測風(fēng)塔實(shí)測數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源計(jì)算得到發(fā)電量偏差為2.00%，再次證明該方法用于評(píng)估風(fēng)電場發(fā)電量是可靠的。