覆冰影響的南方山地風電場風資源評估方法

陳標，何建軍，舒忠虎，羅金，楊凱鈞，姜楠楠

(1.國家能源集團龍源江永風力發(fā)電有限公司，湖南 長沙 410000；2.長沙理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，湖南 長沙 410114)

0 引言

風能是一種清潔、可再生的能源，是當前最具開發(fā)前景的能源之一[1]。在風電場初步規(guī)劃階段需要進行當?shù)氐娘L資源評估，目的是確定風電場裝機容量以及機組選型，使發(fā)電量最大的同時風機所受載荷最小。風資源評估對風電場最終產(chǎn)能有很大影響，測風數(shù)據(jù)10%的誤差可能導(dǎo)致風電場年產(chǎn)能30%左右的誤差[2]；而風電機組葉片結(jié)冰將會影響葉片的氣動性能，降低風電機組的發(fā)電功率，進而影響風電場的年發(fā)電量，對風資源預(yù)測結(jié)果產(chǎn)生影響。

當前國內(nèi)外的風資源評估方法主要有基于測風塔觀測數(shù)據(jù)建立不同的數(shù)學(xué)模型，有效地將氣象站和測風塔的觀測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為風能、風功率等風能資源評估參數(shù)的數(shù)理統(tǒng)計評估方法，以及利用計算機模擬技術(shù)結(jié)合測風塔觀測數(shù)據(jù)、中尺度數(shù)據(jù)實現(xiàn)對近地層風能資源進行分析的數(shù)值模擬評估方法[3]。Tobias Klaas[4]采用激光雷達對復(fù)雜山地進行風資源評估；Giovanni Gualtieri[5]對意大利南部四個山地的風資源做了分析，繪制出風玫瑰圖并得出威布爾概率分布函數(shù)。這些風資源模擬都沒有考慮結(jié)冰情況，對模擬結(jié)果會產(chǎn)生一定影響。我國南方山地地區(qū)冬季會出現(xiàn)雨凇和霧凇的現(xiàn)象，葉片表面極易覆冰，且由于空氣溫度與濕度的不同，覆冰程度也不同，鄧磊等[6]研究了覆冰對南山風電場XE82 風電機組氣動性能、發(fā)電功率的影響，證明風力機翼型的升力降低、阻力增加，風能捕獲能力下降，嚴重影響年發(fā)電量。

常用的風能資源分析軟件有WAsP、WindSim、Meteodyn WT 等[7]。WAsP 是由丹麥國家實驗室風能應(yīng)用開發(fā)部開發(fā)的風能資源分析處理軟件。在以平坦地形為主的“三北” 地區(qū)，WAsP 軟件能較好地模擬出風電場區(qū)域的風能資源分布，較為準確地反應(yīng)出該地區(qū)的風能資源情況，但隨著我國風電場的開發(fā)逐步向南方山地擴展，地形條件也越來越復(fù)雜，使用WAsP 軟件進行山地風電場風能資源評估有一定的局限性[8]。通常在山地風電場內(nèi)，地形斜面發(fā)生較大改變時，會發(fā)生流體的分離，在這些情況下，可能會造成錯誤的計算結(jié)果，導(dǎo)致評估過程出現(xiàn)較大的偏差。

挪威WindSim 公司開發(fā)的WindSim 軟件是一個以計算流體力學(xué)(CFD) 為核心的風資源評估系統(tǒng)軟件[9]，其不僅在簡單地貌可得到準確結(jié)果，更擅長于起伏、丘陵、山地等復(fù)雜地形，是一款功能強大、廣泛應(yīng)用的CFD 風資源評估軟件[10]。Byrkjkdal 等[11]研究發(fā)現(xiàn)輕微的覆冰情況會影響1%的發(fā)電量，嚴重的覆冰影響更大，所以在進行風資源評估時，考慮覆冰情況是非常有必要的。針對我國南方山地地區(qū)地形復(fù)雜且風速相對低、受夏季風影響大、冬季覆冰情況嚴重[12]的情況，以湖南某山地為例，利用WindSim 在復(fù)雜地形上進行風資源評估的優(yōu)勢，模擬該地區(qū)的風資源分布情況，在此基礎(chǔ)上，對其進行微觀選址和有覆冰與無覆冰條件下的經(jīng)濟效益分析，探索考慮結(jié)冰條件的南方山地風資源評估方法。

1 研究方法

數(shù)值計算特定場址氣候條件下的風速和風向，在此基礎(chǔ)上確定每個風機的最優(yōu)微觀選址位置。風電場的氣候條件一般通過現(xiàn)場測量得出，也可以通過氣象模擬得到，這兩種方式獲得的氣候數(shù)據(jù)都可以直接與WindSim 接口。WindSim 采用了模塊化的方法來完成微觀選址的過程，這些模塊必須按照正確的順序運行，WindSim 模塊包括地形、風場、對象、結(jié)果、風資源以及能量，通過6 個模塊的操作得出每臺風機的發(fā)電量和尾流損失，并生成風力發(fā)電場模擬報告。

風機的載荷受風切變、入流角和湍流風場等特征的影響。由于風場模擬采用三維模型，風場的所有這些特性都可以計算出來，因此對于某種類型的風機，采用數(shù)值計算的方法就可以檢驗風場產(chǎn)生的載荷是否在風機可接受的范圍之內(nèi)。

1.1 地形模擬方法

建立流場模型的第一步是生成考察區(qū)域的三維模型，這涉及到選擇需要模擬的橫向和縱向范圍，該范圍通過包含海拔和粗糙度信息的gws 格式的數(shù)字化地形文件創(chuàng)建，運行地形模塊生成如圖1 所示的報告，表1 為數(shù)字地形模型數(shù)據(jù)，表2 為grid.gws 中的數(shù)據(jù)，以密集的地形模型點的坐標x、y、z表達地面形態(tài)。從圖1 (a) 中可以看出，山脈海拔約為570 m，最高處分別在幾個區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)，圖中顏色過渡穩(wěn)定，可以判斷出其山脈坡度相對平緩。最初范圍的粗糙度為0.1，山脊位置粗糙度為0.5，所以圖1 (b) 對數(shù)粗糙度顯示為負值。從圖1 (c) 中可以看出，該地區(qū)山脈走勢相對和緩，坡度不大，整體坡度在2°～4°，個別地方坡度較大，最大值達到13.6°。二階導(dǎo)數(shù)表示的是坡度的變化程度，從圖中可以看出整體值大部分在－0.000 1～0.000 1，最小值和最大值只出現(xiàn)在個別地方。圖1 (d) 說明了坡度的變化程度不大，從另一方面證明了該山地走勢平緩。從圖1 (e) 可以看到，深色部分較少，說明山脈的較高處不多。采用貼體坐標(BFC) 生成網(wǎng)格，顯示了地面層的分辨率。圖1 (f) 網(wǎng)格沿地面最高點向上延展到1 724.0 m，網(wǎng)格由模型頂部往地面逐漸加密。示意圖左右兩邊顯示地形最高和最低處網(wǎng)格垂直分布的狀況。能獲得模擬結(jié)果的節(jié)點在單元格中間位置，以圓點表示。

圖1 數(shù)字地形模型

表1 數(shù)字地形模型數(shù)據(jù)

表2 grid.gws 中數(shù)據(jù)

對已生成的3D 模型的水平區(qū)域進行可視化，而當前已生成3D 模型的區(qū)域在整個區(qū)域等高線地形圖中的位置通過一個灰色的邊框標示出來。從grid.gws 中提取的數(shù)字地形模型，以矩形框標記。

1.2 風場特性分析方法

在地形模塊生成3D 模型后可以在風場中進行CFD 模擬，風場通過求解雷諾平均Navier－Stokes(RANS) 方程來確定，湍流閉合使用雙方程湍流模型。由于該方程是非線性的，所以要通過迭代計算來求解。由假設(shè)的初始條件開始，逐步迭代，直到最終得到收斂結(jié)果。通過檢查速度分量(U1，V1，W1)、湍流動能 (KE) 和湍流損耗率(EP) 或湍流頻率(OMEG) 的點值和殘差數(shù)值來評估風場模擬的收斂性，所有變量均根據(jù)右邊的min值和max 值按比例縮放。通過屬性欄設(shè)置一個收斂標準，當殘差值小于設(shè)定的收斂標準時模擬自動停止。如果在設(shè)定的迭代次數(shù)之后仍未達到收斂標準則顯示為“－”；如果計算結(jié)果是發(fā)散則顯示為“D”。

1.2.1 點值圖

點值圖能夠反應(yīng)圖中參數(shù)的分布范圍、數(shù)量特征和密度變化，圖2 為不同扇區(qū)的點值圖。默認的點值位于地形中央、地面層(nx/2，ny/2，1) 的地方，其中nx和ny是在x和y方向上的單元格的數(shù)量。

圖2 扇區(qū)點值圖

定點值位置能夠設(shè)定在水平面的任何地方，這樣可以監(jiān)測那些點的發(fā)展情況，如測風塔和風電機組所在的位置。本文僅選取正北、正南、正東、正西4 個方向的風流波動情況展示出來。由圖2 可知，U1、V1、W1、KE、EP、OMEG的點值都趨于穩(wěn)定，說明四個方向的風流狀況穩(wěn)定發(fā)展，適合設(shè)立風電機組。

1.2.2 殘差值

殘差分析就是通過殘差所提供的信息，分析出數(shù)據(jù)的可靠性、周期性或其他干擾。所謂殘差值是指觀測值與預(yù)測值(擬合值) 之間的差，即是實際觀察值與回歸估計值的差。

從圖3 可以看出，4 個正方向的殘差值都最終趨于0，說明模擬結(jié)果正確，觀測值與預(yù)測值相吻合，且風流趨于穩(wěn)定。

圖3 扇區(qū)殘差值圖

2 微觀選址和效益分析方法

2.1 風電場布局及風功率曲線

使用對象模塊在風電場中布置風機和測風塔的位置，在工具箱將測風數(shù)據(jù)添加到項目中，激活得到如圖4 所示的風機和測風塔分布圖。

圖4 包含對象的數(shù)字定型模型

從氣象監(jiān)測站所收集的測風數(shù)據(jù)被用于進行風資源的校驗和發(fā)電量的計算。在提供歸一化的加速比等數(shù)據(jù)時，也可使用測風數(shù)據(jù)作為參考點數(shù)據(jù)，見表3，x、y、z為地形模型點的坐標。

表3 測風對象

當風速小于風力發(fā)電機滿發(fā)功率的最低風速時，葉片的槳矩調(diào)整為最大限度吸收風能的角度，并保持不變。當風速達到和超過滿發(fā)功率時，通過變換槳矩角度減少風能的吸收，從而實現(xiàn)功率的平滑輸出。當空氣密度為1.225 kg/m3，ws2000 風機功率和推力系數(shù)計算結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同風速區(qū)間的風功率和推力系數(shù)曲線

2.2 葉尖前緣覆冰對風功率計算的影響

風功率是影響風電機組發(fā)電量的重要參數(shù)，風功率的計算公式為式(1):

式中，ρ為空氣密度，1.225 kg/m3；A為風輪掃風面積；v為來流風速；CP為風能利用系數(shù)。

研究發(fā)現(xiàn)風能利用系數(shù)會隨著風機葉尖覆冰厚度的增加而降低，當葉尖前緣覆冰厚度為10 mm、48 mm 和86 mm 時，最大風能利用系數(shù)分別降低了3.9%、38.1%和51.5%[12]。如圖6 所示是葉尖覆冰情況下覆冰厚度與風功率的關(guān)系曲線。

圖6 不同覆冰厚度下風功率與速度的關(guān)系

當存在覆冰狀況時，風機的功率曲線整體呈下降的趨勢，且隨著風速的增加，輸出功率降低程度變大；隨冰層厚度的增加，輸出功率降低程度變大，甚至出現(xiàn)停機的現(xiàn)象，所以在風資源評估中應(yīng)充分考慮風電機組風能利用系數(shù)降低的問題。

2.3 年發(fā)電量估算

計算發(fā)電量，首先通過風速頻率分布的數(shù)學(xué)模型擬合實際的風頻分布，然后與風電機組的實際輸出功率函數(shù)積分，公式(2) 為風電機組的理論發(fā)電量AEP的計算公式:

式中，t為發(fā)電時間；vi、v0為切入、切出風速；v為風速；f(v) 為風速概率分布密度函數(shù)；P(v)為風電機組的功率曲線函數(shù)。

結(jié)冰期發(fā)電量AEPi計算公式為:

式中，ni為不同覆冰厚度對應(yīng)的覆冰天數(shù)；αi為不同覆冰厚度對應(yīng)的功率系數(shù)。

根據(jù)風頻的不同，采用公式(2) 在WindSim中計算得出輪轂高度為80 m、額定功率為2 MW 的ws2000 風機年發(fā)電量，見表4。

表4 基于風頻分布的年發(fā)電量計算結(jié)果

從模擬計算結(jié)果可以初步確定擬建的風電場在理想狀況下的年發(fā)電量為56.585 2 GW·h。覆冰后年發(fā)電量AEPM計算如公式(4) 所示:

式中，n為覆冰天數(shù)。該風電場位于南方高山地區(qū)，根據(jù)此處測風數(shù)據(jù)及氣候環(huán)境可知，每年平均有結(jié)冰影響天數(shù)約為52 天，平均覆冰厚度分別為10 mm、48 mm 和86 mm，則覆冰后年發(fā)電量情況如圖7 所示。

圖7 年發(fā)電量與覆冰厚度的關(guān)系

由圖7 可知，覆冰會對風電機組年發(fā)電量造成一定影響，隨著覆冰嚴重程度的增加，發(fā)電量減少得越多，在平均覆冰厚度為10 mm、48 mm 和86 mm 時，發(fā)電量分別減少5.8%、13.5% 和16.5%，所以在風資源評估中應(yīng)充分考慮風電機組覆冰情況。

3 結(jié)論

本文采用Windsim 軟件對南方某山地風資源狀況進行評估，地形模擬結(jié)果顯示該山脈海拔在570 m左右，走勢相對緩和，且坡度不大；風場特性分析表明風流穩(wěn)定，風能資源相對較好，此處適合建風電場；考慮結(jié)冰情況對風功率及發(fā)電量的影響，在風資源評估中應(yīng)充分考慮風電機組風能利用系數(shù)降低的問題。本文利用計算流體力學(xué)的方法模擬了流場流動情況，可較好地解決南方山地風電場由于山地地形復(fù)雜、地勢險峻、地表粗糙度大、風速相對低、冬季覆冰等特征下風資源的評估問題，為南方山地風電場風能資源評估和風電場設(shè)計建設(shè)提供數(shù)據(jù)分析和基礎(chǔ)研究。