基于中微尺度嵌套技術(shù)的風(fēng)資源利用率評(píng)估方法

劉子瑞,馬俊鵬,路曉麗,肖成剛,胡江濤,郭海斌

(寧夏回族自治區(qū)電力設(shè)計(jì)院有限公司,寧夏 銀川 750016)

隨著城市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,傳統(tǒng)的化石能源已經(jīng)難以滿足城市供電需求,需要不斷尋找可代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源的可再生能源。目前我國風(fēng)能發(fā)展前景最為廣闊[1-2],然而風(fēng)能屬于間歇式能源,具有較強(qiáng)的隨機(jī)性和波動(dòng)性,導(dǎo)致電力企業(yè)規(guī)劃的風(fēng)電項(xiàng)目在實(shí)際應(yīng)用過程中,風(fēng)資源利用率評(píng)估準(zhǔn)確率低,直接造成發(fā)電性能穩(wěn)定性差、發(fā)電指標(biāo)偏離、風(fēng)資源利用率低等問題[3-4]。

基于此，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者十分重視風(fēng)資源利用率評(píng)估方法研究，從風(fēng)資源分布、氣候和地理位置、風(fēng)速等方面，研究風(fēng)資源的不確定性和變化規(guī)律，提出了粒子群優(yōu)化算法、改進(jìn)粒子群算法、高斯回歸法、四象限分析法、曲面擬合法等風(fēng)資源利用率評(píng)估方法[5]。文獻(xiàn)[6]將山西主要糧食作物氣候資源作為研究對(duì)象，依據(jù)山西主要糧食作物發(fā)育資料，選擇適宜指數(shù)、效能指數(shù)、利用指數(shù)作為資源利用率評(píng)估指標(biāo),評(píng)估氣候資源利用率。文獻(xiàn)[7]將光熱資源作為研究對(duì)象,通過分析光溫、光能、熱量等資源利用率,評(píng)估光熱資源利用率。文獻(xiàn)[8]根據(jù)風(fēng)資源實(shí)際功率特性和分布特征,預(yù)測(cè)風(fēng)資源利用率,通過計(jì)算風(fēng)資源利用率誤差,考慮風(fēng)力的不確定性,評(píng)估風(fēng)資源利用率。上述學(xué)者研究的風(fēng)資源利用率評(píng)估方法,存在風(fēng)資源利用率評(píng)估值與風(fēng)資源實(shí)際利用率擬合度低的問題。為此,本文提出基于中微尺度嵌套技術(shù)的風(fēng)資源利用率評(píng)估方法。

1 基于中微尺度嵌套技術(shù)的風(fēng)資源利用率評(píng)估方法

1.1 基于中微尺度嵌套技術(shù)獲取風(fēng)資源參數(shù)

1.1.1建立中微尺度嵌套模型

本文采用中微尺度嵌套技術(shù)獲取風(fēng)資源參數(shù),通過中尺度獲取風(fēng)資源利用率評(píng)估區(qū)域測(cè)風(fēng)塔位置[9-10],以及不同位置測(cè)風(fēng)塔獲取的風(fēng)資源實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);微尺度獲取風(fēng)資源參數(shù)。根據(jù)中微尺度獲取的風(fēng)資源利用率評(píng)估數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)中微尺度嵌套方案,獲取風(fēng)資源參數(shù)。

采用天氣研究和預(yù)測(cè)(weather research and forecasting,WRF)模式獲取中尺度3TIER數(shù)據(jù)源,模擬風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔位置,生成如圖1所示的中尺度模型。

圖1 中尺度模型

從圖1中可以看出,中尺度模型主要獲取區(qū)域地形、風(fēng)資源風(fēng)速、風(fēng)向等宏觀上的風(fēng)資源參數(shù),并根據(jù)地層起伏、氣壓、氣溫等地質(zhì)、環(huán)境參數(shù)的變化,模擬風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔位置。這些參數(shù)變化可以通過歐拉坐標(biāo)進(jìn)行描述,即:

(1)

式中:K1為環(huán)境氣壓值;K2為測(cè)風(fēng)塔區(qū)域頂層氣壓,即測(cè)風(fēng)塔所在位置的垂直方向上的氣壓變化情況;K0為近地面氣壓;γ為大氣密度隨高度的變化值,即歐拉坐標(biāo)的變化值。γ∈[0,1],當(dāng)γ=1時(shí),表示地面數(shù)據(jù);當(dāng)γ=0時(shí),表示大氣密度的中尺度數(shù)值隨著中尺度模型邊界風(fēng)向、風(fēng)速矢量數(shù)據(jù)u、v的變化而變化,影響空氣密度的數(shù)值,進(jìn)一步影響風(fēng)速變化值O。

按照上述內(nèi)容構(gòu)建的中尺度模型,僅能得到3 km分辨率風(fēng)資源參數(shù),無法準(zhǔn)確模擬20～200 m范圍內(nèi)的地表地貌變化,不能滿足風(fēng)資源利用率評(píng)估需求。為此,在WINDSIM及WT軟件中采用高分辨率網(wǎng)格,生成分辨率為10 m、水平分辨率為35 m的微尺度模型,獲取等流速度、空氣密度等數(shù)據(jù)。

然而,單憑中尺度或微尺度模型都不能獲取完整的風(fēng)資源利用率評(píng)估數(shù)據(jù)。為此,根據(jù)中尺度和微尺度模型特征,將中尺度模型作為根,即基礎(chǔ)框架,在此基礎(chǔ)上嵌套微尺度模型,從而得到如圖2所示的中微尺度嵌套模型。

圖2 中微尺度嵌套模型

由圖2可知,每一個(gè)小正方格均為一個(gè)微尺度模型,所有大正方格則組成了一個(gè)中尺度模型。由中微尺度嵌套模型可得到完整的風(fēng)資源利用率評(píng)估數(shù)據(jù)。

1.1.2獲取風(fēng)資源利用率評(píng)估指標(biāo)數(shù)據(jù)

根據(jù)中微尺度嵌套模型得到風(fēng)向數(shù)據(jù),按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的度數(shù)表示方位,將360°的方位均勻劃分為16個(gè)方位,風(fēng)速為v,時(shí)間間隔為0.5～1.0 s。

(2)

(3)

(4)

式中:G表示風(fēng)速等級(jí),v′為中微尺度嵌套模型區(qū)域內(nèi)風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)時(shí)的風(fēng)速,v″為中微尺度嵌套模型區(qū)域內(nèi)風(fēng)力機(jī)停機(jī)時(shí)的風(fēng)速,t為時(shí)間,A為中微尺度嵌套模型劃分區(qū)域界面,M為中微尺度嵌套模型區(qū)域內(nèi)的測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)次數(shù),v0為測(cè)風(fēng)塔每進(jìn)行一次測(cè)風(fēng)得到的值,Nt,G為t時(shí)間內(nèi)G等級(jí)的風(fēng)速出現(xiàn)次數(shù),f(v)為風(fēng)速分布密度函數(shù),f′(v)為風(fēng)速分布密度函數(shù)的理想值,H1、H2為測(cè)風(fēng)塔測(cè)量高度,v1、v2分別為H1、H2處的風(fēng)速值。

1.2 構(gòu)建風(fēng)資源利用率評(píng)估指標(biāo)

為了充分反映區(qū)域風(fēng)能資源,分析可以利用的風(fēng)能潛力,判斷不同的風(fēng)力渦輪機(jī)類型和風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營方式對(duì)風(fēng)資源利用率的影響,將風(fēng)資源利用率評(píng)估指標(biāo)劃分為開發(fā)效率U1、能質(zhì)效率U2、技術(shù)效率U3、接納效率U4、消納效率U55個(gè)指標(biāo),分別對(duì)應(yīng)給定區(qū)域的風(fēng)資源。應(yīng)用這些指標(biāo),對(duì)電網(wǎng)調(diào)度(平滑)中風(fēng)電波動(dòng)和不確定性做出合理響應(yīng),以確保電力系統(tǒng)中風(fēng)電的高效、穩(wěn)定和可靠消耗。評(píng)估指標(biāo)計(jì)算公式如下:

(5)

式中:C1為風(fēng)電裝機(jī)容量,C2為實(shí)際可開發(fā)風(fēng)能資源總量,C3為全口徑累計(jì)裝機(jī)容量,T1為風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際年風(fēng)電利用小時(shí)數(shù),T2為風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際年風(fēng)電實(shí)際利用小時(shí)數(shù),Q1為風(fēng)電上網(wǎng)電量,Q2為棄風(fēng)電量,Q3為年發(fā)電量,p為年平均棄風(fēng)率。

1.3 評(píng)估風(fēng)資源利用率

根據(jù)式(3)計(jì)算得到的風(fēng)資源利用率評(píng)估指標(biāo)值,構(gòu)成灰靶理論模式序列δ,即:

δ={δ(1),δ(2),…,δ(i),…,δ(n)}

(6)

式中:δ(i)為第i個(gè)狀態(tài)參數(shù)序列,n為風(fēng)資源狀態(tài)參數(shù)數(shù)量。根據(jù)式(4)所示的灰靶理論模式序列,假設(shè)5個(gè)評(píng)估指標(biāo)都具有極大值Umax,且Umax→1,將理想狀態(tài)下的評(píng)估指標(biāo)均值記為1,得到的理想模式序列δ′(i)為:

δ′(i)={δ′(1),δ′(2),…,δ′(n)}={1,1,…,1}

(7)

依據(jù)灰靶理論中的灰靶變換公式,變換灰靶理論模式序列和理想模式序列,則有:

(8)

式中:η表示灰靶變換;δi(n)表示變換后的理想模式序列。經(jīng)過式(6)變換后,判斷δ是否滿足式(9)所示的條件:

(9)

若δ滿足式(9),則可以將δ0記為灰靶理論的靶心。此時(shí),可根據(jù)δ0計(jì)算靶心度λ(δ0,δi),評(píng)估風(fēng)資源利用率,則有:

(10)

P=λ(δ0,δi)

(11)

式中:Δ0i(n)為δ0(n)與δi(n)的差值,Δ0i(max)、Δ0i(min)分別為Δ0i(n)的最大值、最小值,P為風(fēng)資源利用率評(píng)估值。

通過計(jì)算風(fēng)資源利用率評(píng)估指標(biāo)值,即可逐一匹配該指標(biāo)值,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)資源利用率的評(píng)估。

2 實(shí)例與結(jié)果分析

將某區(qū)域的風(fēng)電場(chǎng)作為研究對(duì)象,選擇復(fù)雜地形風(fēng)場(chǎng)的評(píng)估方法和面向風(fēng)電機(jī)組功率模型的評(píng)估方法作為對(duì)比方法,以對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式驗(yàn)證基于中微尺度嵌套技術(shù)的風(fēng)資源利用率評(píng)估方法(本文方法)。

2.1 風(fēng)電場(chǎng)背景介紹

在某區(qū)域的平坦草原上,歷時(shí) 1年零1個(gè)月,建立了12 km2、49.5 MW容量的風(fēng)電場(chǎng),該風(fēng)電場(chǎng)共安裝了35臺(tái)金風(fēng)GW82-1.5MW風(fēng)機(jī)。據(jù)該風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃,其每年采用風(fēng)資源的發(fā)電量預(yù)計(jì)為1.24 GW·h。

從風(fēng)電場(chǎng)中,選取1號(hào)和2號(hào)測(cè)風(fēng)塔近一年(366天)測(cè)得的數(shù)據(jù),將測(cè)風(fēng)塔高度為20 m、45 m、60 m、70 m的相關(guān)數(shù)據(jù)作為評(píng)估樣本。1號(hào)和2號(hào)測(cè)風(fēng)塔每間隔10 min采集一次風(fēng)資源數(shù)據(jù),共采集了52 704個(gè)風(fēng)資源數(shù)據(jù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1風(fēng)資源指標(biāo)數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)測(cè)風(fēng)塔采集到的不同輪轂高度數(shù)據(jù),使用3種評(píng)估方法,分別獲取風(fēng)資源平均風(fēng)速a(m/s)、平均風(fēng)能密度b(W/m2)、有效風(fēng)能密度c(W/m2)、功率d(W)4項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù),得到的風(fēng)資源指標(biāo)數(shù)據(jù)見表1。

表1 風(fēng)資源指標(biāo)數(shù)據(jù)

2.2.2風(fēng)資源利用率評(píng)估結(jié)果擬合度

根據(jù)3種方法獲取的風(fēng)資源指標(biāo)數(shù)據(jù),分別評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)對(duì)不同輪轂高度風(fēng)資源利用率,并將3種方法評(píng)估風(fēng)資源利用率結(jié)果與實(shí)際利用率進(jìn)行擬合,得到如圖3所示的風(fēng)資源利用率評(píng)估擬合效果圖。

從圖3可以看出,復(fù)雜地形風(fēng)場(chǎng)評(píng)估方法得到的風(fēng)資源利用率較實(shí)際值偏低,面向風(fēng)電機(jī)組功率模型的評(píng)估方法得到的風(fēng)資源利用率較實(shí)際值偏高,而本文方法評(píng)估的風(fēng)資源利用率與實(shí)際值完全吻合,具有很高的擬合度。由此說明,利用本文方法對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)資源利用率進(jìn)行評(píng)估時(shí),其評(píng)估結(jié)果與實(shí)際值非常接近,表明本文方法在風(fēng)資源利用率評(píng)估方面具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。

3 結(jié)束語

本文充分利用中微尺度嵌套技術(shù),通過采集完整的風(fēng)資源指標(biāo)數(shù)據(jù),并計(jì)算得到準(zhǔn)確的風(fēng)資源利用率評(píng)估指標(biāo)值。通過對(duì)比風(fēng)資源實(shí)際利用率,確認(rèn)了評(píng)估值與實(shí)際利用率之間的擬合度,可為獲取風(fēng)電工程投資收益率及申報(bào)電價(jià),提供更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)。