CN103886513A - 一种风电场微观选址用地表粗糙度变化模型的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电场微观选址用地表粗糙度变化模型的建模方法，主要包括：建立粗糙度变化模型；求解已建立的粗糙度变化模型。本发明所述风电场微观选址用地表粗糙度变化模型的建模方法，可以克服现有技术中电网稳定性差和选址难度大等缺陷，以实现电网稳定性好和选址难度小的优点。

Description

一种风电场微观选址用地表粗糙度变化模型的建模方法

技术领域

本发明涉及风力发电过程中风电场微观选址技术领域，具体地，涉及一种风电场微观选址用地表粗糙度变化模型的建模方法。

背景技术

我国风电进入规模化发展阶段以后所产生的大型风电基地多数位于“三北地区”（西北、东北、华北），大型风电基地一般远离负荷中心，其电力需要经过长距离、高电压输送到负荷中心进行消纳。由于风资源的间歇性、随机性和波动性，导致大规模风电基地的风电出力会随之发生较大范围的波动，进一步导致输电网络充电功率的波动，给电网运行安全带来一系列问题。

截至2013年9月，甘肃电网并网风电装机容量已达到663万千瓦，成为仅次于火电的第二大主力电源。随着风电并网规模的不断提高，风力发电的不确定性和不可控性给电网的安全稳定经济运行带来诸多问题。要对风电场微观选址的机理进行深入分析研究，就需要对风力发电过程中影响风能变化的地表粗糙度变化进行建模。

粗糙度变化对气流的影响过程可描述为：气流从一种粗糙度表面跃变到另一种粗糙度表面的过程中，新下垫表面的强制过程将调整原有的风速廓线和摩擦速度。随着气流往下游的运行，新下垫面的强制作用逐渐向上扩散，因而在新表面上空形成一个厚度逐渐加大的新边界层。最后，空气层完全摆脱来流的影响，形成了适应新下垫表面的边界层，在这个过程的初始和中期阶段形成的新边界层就称为动力内边界层。简称内边界层。经变化粗糙度扰动后，风廓线的特点主要表现为：当来流为中性大气时，内边界层层顶以上仍维持上游的对数风廓线的分布规律；而内边界层以下则为对应新的粗糙度与摩擦速度的风速廓线，整个风廓线表现为一种拼接关系。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在电网稳定性差和选址难度大等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种风电场微观选址用地表粗糙度变化模型，以实现电网稳定性好和选址难度小的优点。

本发明的第二目的在于，提出一种风电场微观选址用地表粗糙度变化模型的建模方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种风电场微观选址用地表粗糙度变化模型的建模方法，主要包括：

a、建立粗糙度变化模型；

b、求解上述建立的粗糙度变化模型。

进一步地，所述步骤a，具体包括：

假设上游未受扰来流经过两次粗糙度变化扰动后到达测风塔所在位置，此时的风电机组的风廓线应由三部分拼接而成，分别为对应粗糙度z₀₁、摩擦速度u_*1的u₁(z)，对应粗糙度z₀₂、摩擦速度u_*2的u₂(z)以及对应粗糙度z₀₃、摩擦速度u_*3的u₃(z)；

根据实验观测与仿真分析，流经变化粗糙度的下风向风廓线表示为：

$u\left(z\right)=\left\{\begin{array}{cc}{u}^{\′}\frac{\ln (z/z_{01})}{\ln (0.3h/z_{01})}& z\≥0.3h\\ u^{\′\′}+(u^{\′}+u^{\′\′})\frac{\ln (z/0.09h)}{\ln (0.3/0.09)}& 0.09h\≤z\≤0.3h\\ u^{\′\′}\frac{\ln (z/z_{02})}{\ln (0.09h/z_{02})}& z\≤0.09h\end{array}\right.---\left(1\right);$

公式（1）中，z₀₂为研究位置的粗糙度，z₀₁为距离研究位置最近的上风向粗糙度， $u^{\′}=\left(\frac{u_{*1}}{\mathrm{\κ}}\right)\ln \left(\frac{0.3h}{z_{01}}\right),u^{\′\′}=\left(\frac{u_{*2}}{\mathrm{\κ}}\right)\ln \left(\frac{0.09h}{z_{02}}\right),$ u_*2、u_*1分别为对应z₀₁、z₀₂的摩擦速度，κ=0.4为卡曼常数，h为内边界层高度，由下式确定：

$\frac{h}{z_0^{\′}}(\ln \frac{h}{z_0^{;}}-1)=0.9\frac{x}{z_0^{\′}}---\left(2\right);$

公式（2）中，z'₀=max(z₀₁,z₀₂)，x为粗糙度变化位置与研究位置的距离。

由上，如果已知摩擦速度u_*2、u_*1与粗糙度z₀₁、z₀₂，根据公式（1）和公式（2）得到粗糙度变化扰动下的风力发电机组处不同高度的风速值。

进一步地，在步骤a中，所述粗糙度z₀₁和z₀₂，需要通过评价地表情况后获得，因此，如果建立上游未受扰风廓线对应的摩擦速度与u_*2、u_*1的联系，就能够比较不同高度下，粗糙度变化扰动下的流场相对于未受扰流场的变化情况；粗糙度变化扰动下，摩擦速度之间的关系如下式：

$\frac{u_{*n+1}}{u_{*n}}=\frac{\ln (h/z_{0n})}{\ln (h/z_{0n+1})}---\left(3\right);$

公式（3）中，z_0n、z_0n+1分别为上风向粗糙度与距离最近的下风向粗糙度，u_*n、u_*n+1为对应z_0n、z_0n+1的摩擦速度。

进一步地，在步骤a中，若假定上风向未受扰风廓线对应的摩擦速度为

根据公式（3）得到由

表示的u_*2、u_*1，再由公式（1）和公式（2）得到不同高度下由

表示的测风塔位置的风速，将该风速与未受扰风速进行比较，表明粗糙度扰动下的流场变化。

进一步地，在步骤a中，粗糙度变化位置距离研究位置越远其影响亦越弱，加入距离权重因子表示距离的作用，有：

$z_{0\mathrm{neffe}}=z_{0n+1}\×{\left(\frac{z_{0n}}{z_{0n+1}}\right)}^{w_n}---\left(4\right);$

公式（4）中，z_0effe为等效粗糙度，

为第n个粗糙度的距离权重因子，D=10km，即认为10km外的粗糙度变化将不再对研究位置的风廓线产生影响。

进一步地，所述步骤b，具体包括：

非均一下垫面对上风向未受扰流场的扰动一般通过增速因子来评价，增速因子定义为：相对于下垫面同一高度处，下风向受扰风速与上风向未受扰风速之差与上风向未受扰风速的比，即：

$\mathrm{\ΔS}=\frac{U-U_0}{U_0}=\frac{U^{\′}}{U_0}---\left(5\right).$

进一步地，在步骤b中，采用粗糙度变化模型分析流场扰动时，需要按照以下原则进行：

⑴由公式（4）计算等效粗糙度z_0effe，其中研究范围为，从测风塔位置到10km边缘；

⑵为了便于计算，假定

为单位矢量，则可根据等效粗糙度z_0effe与对数风廓线得到风机处的未受扰风速；

⑶利用公式（3）计算摩擦速度u_*2、u_*1，并根据公式（2）计算内边界层高度h；

⑷由公式（1）与测风点处确定受扰风速的表达式；

⑸计算受扰风速并根据公式（5）得到增速因子；

根据以上粗糙度变化对流场扰动的分析原则，得到粗糙度变化模型的计算结果是与风电机组位置对应的一系列增速因子，而根据增速因子的求取过程，粗糙度变化对流场的扰动是独立于流场的，即对于给定的位置，在其地表粗糙度分布不变的情况下，该区域地表粗糙度的变化对流场的扰动都由与研究位置对应的唯一增速因子来确定；

此外，测风塔位置的风速往往受到不同方向粗糙度变化的影响，此时需要按照扇区划分的原则，在每个扇区内采用同样的方法分析粗糙度变化的影响。

本发明各实施例的风电场微观选址用地表粗糙度变化模型的建模方法，由于主要包括：建立粗糙度变化模型；求解已建立的粗糙度变化模型；可以利用该粗糙度变化模型方便地实行风电场微观选址；从而可以克服现有技术中电网稳定性差和选址难度大的缺陷，以实现电网稳定性好和选址难度小的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明风电场微观选址用地表粗糙度变化模型在粗糙度变化下的内边界层发展示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明实施例，如图1所示，提供了一种风电场微观选址用地表粗糙度变化模型的建模方法，具体说明如下：

㈠粗糙度变化模型

假设上游未受扰来流经过两次粗糙度变化扰动后到达测风塔所在位置，如图1所示，此时的风电机组的风廓线应由三部分拼接而成，分别为对应粗糙度z₀₁、摩擦速度u_*1的u₁(z)，对应粗糙度z₀₂、摩擦速度u_*2的u₂(z)以及对应粗糙度z₀₃、摩擦速度u_*3的u₃(z)。

显然，此时对应均一粗糙度的对数风廓线已不再适用，根据实验观测与仿真分析，流经变化粗糙度的下风向风廓线可描述为：

$u\left(z\right)=\left\{\begin{array}{cc}{u}^{\′}\frac{\ln (z/z_{01})}{\ln (0.3h/z_{01})}& z\≥0.3h\\ u^{\′\′}+(u^{\′}+u^{\′\′})\frac{\ln (z/0.09h)}{\ln (0.3/0.09)}& 0.09h\≤z\≤0.3h\\ u^{\′\′}\frac{\ln (z/z_{02})}{\ln (0.09h/z_{02})}& z\≤0.09h\end{array}\right.---\left(1\right);$

公式（1）中，z₀₂为研究位置的粗糙度，z₀₁为距离研究位置最近的上风向粗糙度， $u^{\′}=\left(\frac{u_{*1}}{\mathrm{\κ}}\right)\ln \left(\frac{0.3h}{z_{01}}\right),u^{\′\′}=\left(\frac{u_{*2}}{\mathrm{\κ}}\right)\ln \left(\frac{0.09h}{z_{02}}\right),$ u_*2、u_*1分别为对应z₀₁、z₀₂的摩擦速度，κ=0.4为卡曼常数，h为内边界层高度，由下式确定：

$\frac{h}{z_0^{\′}}(\ln \frac{h}{z_0^{;}}-1)=0.9\frac{x}{z_0^{\′}}---\left(2\right);$

公式（2）中，z'₀=max(z₀₁,z₀₂)，x为粗糙度变化位置与研究位置的距离。

由上，如果已知摩擦速度u_*2、u_*1与粗糙度z₀₁、z₀₂，就可根据公式（1）和公式（2）得到粗糙度变化扰动下的风力发电机组处不同高度的风速值。而粗糙度z₀₁、z₀₂一般通过评价地表情况后获得，因此，如果可以建立上游未受扰风廓线对应的摩擦速度与u_*2、u_*1的联系，就可以比较不同高度下，粗糙度变化扰动下的流场相对于未受扰流场的变化情况。粗糙度变化扰动下，摩擦速度之间的关系如下式：

$\frac{u_{*n+1}}{u_{*n}}=\frac{\ln (h/z_{0n})}{\ln (h/z_{0n+1})}---\left(3\right);$

公式（3）中，z_0n、z_0n+1分别为上风向粗糙度与距离最近的下风向粗糙度，u_*n、u_*n+1为对应z_0n、z_0n+1的摩擦速度。

若假定上风向未受扰风廓线对应的摩擦速度为

可根据公式（3）得到由

表示的u_*2、u_*1，再由公式（1）和公式（2）得到不同高度下由

表示的测风塔位置的风速，将该风速与未受扰风速进行比较，就表明了粗糙度扰动下的流场变化。

此外，粗糙度变化位置距离研究位置越远其影响亦越弱，加入距离权重因子表示距离的作用，有：

$z_{0\mathrm{neffe}}=z_{0n+1}\×{\left(\frac{z_{0n}}{z_{0n+1}}\right)}^{w_n}---\left(4\right);$

公式（4）中，z_0effe为等效粗糙度，

为第n个粗糙度的距离权重因子，D=10km，即认为10km外的粗糙度变化将不再对研究位置的风廓线产生影响。

㈡粗糙度变化模型求解方法

非均一下垫面对上风向未受扰流场的扰动一般通过增速因子来评价，增速因子定义为：相对于下垫面同一高度处，下风向受扰风速与上风向未受扰风速之差与上风向未受扰风速的比，即：

$\mathrm{\ΔS}=\frac{U-U_0}{U_0}=\frac{U^{\′}}{U_0}---\left(5\right).$

综上，采用粗糙度变化模型分析流场扰动时，可按照以下原则进行：

⑴由公式（4）计算等效粗糙度z_0effe，其中研究范围为，从测风塔位置到10km边缘；

⑵为了便于计算，假定

为单位矢量，则可根据等效粗糙度z_0effe与对数风廓线得到风机处的未受扰风速；

⑶利用公式（3）计算摩擦速度u_*2、u_*1，并根据公式（2）计算内边界层高度h；

⑷由公式（1）与测风点处确定受扰风速的表达式；

⑸计算受扰风速并根据公式（5）得到增速因子。

以上就给出了粗糙度变化对流场扰动的分析原则，可见粗糙度变化模型的计算结果是与风电机组位置对应的一系列增速因子，而根据增速因子的求取过程，粗糙度变化对流场的扰动是独立于流场的，即对于给定的位置，在其地表粗糙度分布不变的情况下，该区域地表粗糙度的变化对流场的扰动都由与研究位置对应的唯一增速因子来确定。此外，测风塔位置的风速往往受到不同方向粗糙度变化的影响，此时可按照扇区划分的原则，在每个扇区内采用同样的方法分析粗糙度变化的影响。粗糙度变化对风向的影响只有在经过相当长的下风向距离后，风向才逐渐发生变化，因此可不考虑粗糙度变化对风向的影响。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种风电场微观选址用地表粗糙度变化模型的建模方法，其特征在于，主要包括：

a、建立粗糙度变化模型；

b、求解上述建立的粗糙度变化模型。

2.根据权利要求1所述的风电场微观选址用地表粗糙度变化模型，其特征在于，所述步骤a，具体包括：

假设上游未受扰来流经过两次粗糙度变化扰动后到达测风塔所在位置，此时的风电机组的风廓线应由三部分拼接而成，分别为对应粗糙度z₀₁、摩擦速度u_*1的u₁(z)，对应粗糙度z₀₂、摩擦速度u_*2的u₂(z)以及对应粗糙度z₀₃、摩擦速度u_*3的u₃(z)；

根据实验观测与仿真分析，流经变化粗糙度的下风向风廓线表示为：

$u\left(z\right)=\left\{\begin{array}{cc}{u}^{\′}\frac{\ln (z/z_{01})}{\ln (0.3h/z_{01})}& z\≥0.3h\\ u^{\′\′}+(u^{\′}+u^{\′\′})\frac{\ln (z/0.09h)}{\ln (0.3/0.09)}& 0.09h\≤z\≤0.3h\\ u^{\′\′}\frac{\ln (z/z_{02})}{\ln (0.09h/z_{02})}& z\≤0.09h\end{array}\right.---\left(1\right);$

公式（1）中，z₀₂为研究位置的粗糙度，z₀₁为距离研究位置最近的上风向粗糙度， $u^{\′}=\left(\frac{u_{*1}}{\mathrm{\κ}}\right)\ln \left(\frac{0.3h}{z_{01}}\right),u^{\′\′}=\left(\frac{u_{*2}}{\mathrm{\κ}}\right)\ln \left(\frac{0.09h}{z_{02}}\right),$ u_*2、u_*1分别为对应z₀₁、z₀₂的摩擦速度，κ=0.4为卡曼常数，h为内边界层高度，由下式确定：

$\frac{h}{z_0^{\′}}(\ln \frac{h}{z_0^{;}}-1)=0.9\frac{x}{z_0^{\′}}---\left(2\right);$

公式（2）中，z'₀=max(z₀₁,z₀₂)，x为粗糙度变化位置与研究位置的距离。

由上，如果已知摩擦速度u_*2、u_*1与粗糙度z₀₁、z₀₂，根据公式（1）和公式（2）得到粗糙度变化扰动下的风力发电机组处不同高度的风速值。

3.根据权利要求2所述的风电场微观选址用地表粗糙度变化模型，其特征在于，在步骤a中，所述粗糙度z₀₁和z₀₂，需要通过评价地表情况后获得，因此，如果建立上游未受扰风廓线对应的摩擦速度与u_*2、u_*1的联系，就能够比较不同高度下，粗糙度变化扰动下的流场相对于未受扰流场的变化情况；粗糙度变化扰动下，摩擦速度之间的关系如下式：

$\frac{u_{*n+1}}{u_{*n}}=\frac{\ln (h/z_{0n})}{\ln (h/z_{0n+1})}---\left(3\right);$

公式（3）中，z_0n、z_0n+1分别为上风向粗糙度与距离最近的下风向粗糙度，u_*n、u_*n+1为对应z_0n、z_0n+1的摩擦速度。

4.根据权利要求3所述的风电场微观选址用地表粗糙度变化模型，其特征在于，在步骤a中，若假定上风向未受扰风廓线对应的摩擦速度为

根据公式（3）得到由

表示的u_*2、u_*1，再由公式（1）和公式（2）得到不同高度下由

表示的测风塔位置的风速，将该风速与未受扰风速进行比较，表明粗糙度扰动下的流场变化。

5.根据权利要求4所述的风电场微观选址用地表粗糙度变化模型，其特征在于，在步骤a中，粗糙度变化位置距离研究位置越远其影响亦越弱，加入距离权重因子表示距离的作用，有：

$z_{0\mathrm{neffe}}=z_{0n+1}\×{\left(\frac{z_{0n}}{z_{0n+1}}\right)}^{w_n}---\left(4\right);$

公式（4）中，z_0effe为等效粗糙度，

为第n个粗糙度的距离权重因子，D=10km，即认为10km外的粗糙度变化将不再对研究位置的风廓线产生影响。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的风电场微观选址用地表粗糙度变化模型，其特征在于，所述步骤b，具体包括：

非均一下垫面对上风向未受扰流场的扰动一般通过增速因子来评价，增速因子定义为：相对于下垫面同一高度处，下风向受扰风速与上风向未受扰风速之差与上风向未受扰风速的比，即：

$\mathrm{\ΔS}=\frac{U-U_0}{U_0}=\frac{U^{\′}}{U_0}---\left(5\right).$

7.根据权利要求6所述的风电场微观选址用地表粗糙度变化模型，其特征在于，在步骤b中，采用粗糙度变化模型分析流场扰动时，需要按照以下原则进行：

⑴由公式（4）计算等效粗糙度z_0effe，其中研究范围为，从测风塔位置到10km边缘；

⑵为了便于计算，假定为单位矢量，则可根据等效粗糙度z_0effe与对数风廓线得到风机处的未受扰风速；

⑶利用公式（3）计算摩擦速度u_*2、u_*1，并根据公式（2）计算内边界层高度h；

⑷由公式（1）与测风点处确定受扰风速的表达式；

⑸计算受扰风速并根据公式（5）得到增速因子；

根据以上粗糙度变化对流场扰动的分析原则，得到粗糙度变化模型的计算结果是与风电机组位置对应的一系列增速因子，而根据增速因子的求取过程，粗糙度变化对流场的扰动是独立于流场的，即对于给定的位置，在其地表粗糙度分布不变的情况下，该区域地表粗糙度的变化对流场的扰动都由与研究位置对应的唯一增速因子来确定；

此外，测风塔位置的风速往往受到不同方向粗糙度变化的影响，此时需要按照扇区划分的原则，在每个扇区内采用同样的方法分析粗糙度变化的影响。

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