CN105205277B - 一种基于风向频率的风资源网格划分方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于风向频率的风资源网格划分方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、获取测风数据，包括风速数据和风向数据；步骤2、计算风向频率并绘制风向玫瑰图；步骤3、确定主风向；步骤4、确定主风向最小水平分辨率L ₁；步骤5、根据主风向和任一风向上的总网格数之比等于这两个风向相应的风向频率之比，求得各风向上的最小水平分辨率；步骤6、按照不同风向计算得到的最小水平分辨率进行网格划分。各风向总网格数与主风向的最小水平分辨率和风向频率有关，使得网格划分方式更好地实现人为控制，并与工程项目特性息息相关，既具有较好的工程可靠性，又可更加合理地利用计算机资源，大大提高计算效率。

Description

一种基于风向频率的风资源网格划分方法

技术领域

本发明涉及一种基于风向频率的风资源网格划分方法。

背景技术

上世纪90年代开始，世界各国纷纷采用数值模拟技术开展风资源评估，发展风资源数值模拟系统，目前风资源数值模拟已成为风资源评估的主要技术手段。其中，风资源评估软件采用计算流体动力学(CFD)方法进行数值模拟，风资源CFD软件不仅适用于一般地形，对于复杂地形的风能资源评估也具有相当好的适用性，但在实际使用中仍然存在一个共同的问题，比如，风资源评估软件Meteodyn WT，其主要根据计算模拟入口风的不同方向，采用分块结构化网格对整个空间进行网格化，即针对不同方向的定向计算，软件会对网格区域进行相应调整，但不论最小水平分辨率取多少，软件采用的网格划分方式基本相同，并不因项目的风分布不同而改变，总的网格点数沿风向每转90度周期变化一次。

采用传统的等步长划分网格(如各风向均采用最小水平分辨率为50m)，若网格划分较粗糙，则可能出现计算不收敛、计算结果不可靠等问题；若网格划分较精细，虽可提高计算结果的准确率，但会大大增加运算时间。在实际工程设计中，时间因素也值得特别考虑，确保工程进度和计算结果可靠对于顺利完成工程同等重要。尤其对风电场区域分布较大的复杂地形，采用较小的最小水平分辨率往往会导致网格点数倍增，而且这个倍增在各个风向上都有，多风向并行运算时甚至会导致各风向均无法按设置的最小水平分辨率进行网格划分，这是因为特定内存的计算机所容许的总网格计算量是确定的，多风向并行运算时各风向上允许计算的网格数量会进行均匀分配，但这种均匀分配在风较少风向上是不必要的，尤其当单个风向的网格数量超过容许总网格数量一半时，软件则无法进行多风向并行运算。

运用风资源CFD软件分析风电场风资源情况时，如何划分网格来实现高效、准确的分析计算十分重要，对于复杂地形问题更加突出。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种基于风向频率的风资源网格划分方法，各风向总网格数与主风向的最小水平分辨率和风向频率有关，使得网格划分方式更好地实现人为控制，并与工程项目特性息息相关，既具有较好的工程可靠性，又可更加合理地利用计算机资源，大大提高计算效率。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于风向频率的风资源网格划分方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、获取测风数据，包括风速数据和风向数据；

步骤2、计算风向频率并绘制风向玫瑰图；

步骤3、确定主风向；

步骤4、确定主风向最小水平分辨率L₁；

步骤5、根据主风向和任一风向上的总网格数之比等于这两个风向相应的风向频率之比，求得各风向上的最小水平分辨率；

步骤6、按照不同风向计算得到的最小水平分辨率进行网格划分。

优选，步骤4中，根据场地复杂程度确定主风向最小水平分辨率L₁。

优选，步骤5中，根据推导的公式计算其他风向最小水平分辨率，并判断各风向最小水平分辨率计算值的合理性，使得总网格点数玫瑰图与风向玫瑰图保持一致。当某一风向最小水平分辨率计算值大于设定值L₀时，取该风向最小水平分辨率为L₀。

本发明的有益效果是：

本发明提出的方法可以对风资源评估软件的传统网格划分方式进行优化，各风向总网格数与主风向的最小水平分辨率和风向频率有关，使得网格划分方式更好地实现人为控制，并与工程项目特性息息相关，既具有较好的工程可靠性，又可更加合理地利用计算机资源，大大提高计算效率；本发明方法对复杂地形下的风电场特别适用，尤其是主风向突出的复杂地形项目，优势特别明显。但本方法不仅适用于复杂地形，对于一般的平坦地形或主风向不突出的工程项目本方法同样适用，该方法还可解决软件定向计算过程中的不收敛问题；本发明方法通过数值模拟，得到了适用于一般地形和复杂地形条件下的主风向最小水平分辨率取值范围，为工程项目的开展提供了参考；本发明方法是在经过大量的风电场工程项目基础上提出的，理论依据充分，同时注重工程师设计经验，贴合工程实际情况，可以作为实际工程设计咨询中的指导方法。

附图说明

图1是本发明一种基于风向频率的风资源网格划分方法的流程图；

图2是最小水平分辨率对考虑尾流后的总发电量影响图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

一种基于风向频率的风资源网格划分方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤1、获取测风数据，包括风速数据和风向数据；

步骤2、计算风向频率并绘制风向玫瑰图；

步骤3、确定主风向；

步骤4、确定主风向最小水平分辨率L₁；

步骤5、根据主风向和任一风向上的总网格数之比等于这两个风向相应的风向频率之比，求得各风向上的最小水平分辨率；

步骤6、按照不同风向计算得到的最小水平分辨率进行网格划分。

根据获取的测风数据计算工程项目的风向频率，据此绘制风向玫瑰图，确定主风向。风向分布对于项目发电量计算结果影响较大，若某个方向风十分缺乏甚至无风，则该方向对计算结果的影响非常微小，并且，采用不同最小水平分辨率时，CFD软件在风比较缺乏的风向上计算得到的发电量变化不大，可以考虑对这些方向进行网格稀疏划分，避免计算机资源的无谓浪费；相反，若某个方向风特别集中，则该方向对计算结果影响巨大，可考虑该方向上网格进行特别加密。这种基于风向频率的网格划分方法既可以合理利用计算机资源，缩短计算时间，同时又能保证计算结果精度，对风电场分布区域较大或者主风向较明显的项目将具有显著效果。

优选，步骤4中，根据场地复杂程度确定主风向最小水平分辨率L₁。对于较复杂地形采用传统网格划分时，最小水平分辨率取30～50m可以保证计算结果的准确性。但具体实施非常困难，对风电场区域分布较大的复杂地形，采用30～50m的最小水平分辨率往往会导致网格点数倍增，而且这个倍增在各个风向上都有，多风向并行运算时甚至会导致各风向均无法按30～50m的最小水平分辨率进行网格划分，这是因为特定内存的计算机所容许的总网格计算量是确定的，多风向并行运算时各风向上允许计算的网格数量会进行均匀分配，但这种均匀分配在风较少风向上是不必要的，尤其当单个风向的网格数量超过容许总网格数量一半时，软件则无法进行多风向并行运算。

如图2所示为最小水平分辨率对考虑尾流后的总发电量影响，关于主风向上最小水平分辨率L₁的选取，复杂地形采用等步长划分网格时最小水平分辨率建议选用30～50m，基于风向频率的网格划分方法由于可更合理地利用计算机资源，因此主风向上的最小水平分辨率可选取更小值。建议一般情况下主风向上的最小水平分辨率选用20～50m，特殊情况下可选取10～20m，比如主风向地形特别复杂导致的该风向计算不收敛。一般地形时主风向的最小水平分辨率建议选取50～70m。具体的地形判定标准可根据需要自行设定。

步骤5中，假设任一风向的最小水平分辨率为L_x，CFD软件总的网格生成区域尺寸为a，用户定义的重点分析区域尺寸为b，各风向上定义的重点区域网格点数N_hi，则：

主风向上定义的重点区域网格点数N_h1为：

N_h1＝(b/L₁)² (1)

其他任一风向上定义的重点区域网格点数N_hx为：

N_hx＝(b/L_x)² (2)

假定CFD软件网格生成区域里的总网格数N_i和用户定义的重点区域网格数N_hi具有一定比例关系，比例系数为k，此比例系数与总网格生成区域和用户定义区域的面积之比(a/b)²有关，对同一工程项目k为定值，则各风向上总网格数N_i为：

N₁＝k(b/L₁)² (3)

N_x＝k(b/L_x)² (4)

工程项目的风向频率和主风向通常已知，通过选定主风向上的最小水平分辨率L₁，利用主风向和任一风向上的总网格数之比等于这两个风向相应的风向频率之比，即可求得各风向上所需要的最小水平分辨率L_x。若主风向与任一风向的风向频率之比为m，则有

N₁/N_x＝m (5)

将式(3、4)代入式(5)可得，

除了主风向外的任一风向上的最小水平分辨率L_x可根据上式计算确定，但有时根据上式计算所得的L_x较大，为了较精确地考虑这些风向上地形因素的影响，优选，步骤5中，根据推导的公式计算其他风向最小水平分辨率，并判断各风向最小水平分辨率计算值的合理性，使得总网格点数玫瑰图尽量与风向玫瑰图保持一致。当某一风向最小水平分辨率计算值大于设定值L₀时，取该风向最小水平分辨率为L₀。一般情况下，可取L₀等于100m，若L_x的计算值大于100m时，L_x取100m；特殊情况下(地形特别复杂时)，可取L₀等于70m，若L_x的计算值大于70m时，L_x取70m。

采用基于风向频率的网格划分方法，CFD软件在各风向上划分的总网格数目与风的分布基本吻合。主风向的最小水平分辨率越小，软件总网格点数玫瑰图与风向玫瑰图越一致。CFD软件按照不同风向计算得到的最小水平分辨率进行网格划分，据此进行风资源评估。本发明的网格划分方式与工程项目的风分布相一致，可更加合理地利用计算机资源，提高计算效率，同时计算结果十分可靠，对于风电场区域分布较大或主风向特别明显的复杂地形尤为适用：对风电场区域较大、风机布置较分散的复杂地形可适用多风向并行计算，提高计算效率；对主风向特别明显的复杂地形，可以避免在风较少风向上的冗余计算，大大缩短计算时间。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于风向频率的风资源网格划分方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、获取测风数据，包括风速数据和风向数据；

步骤2、计算风向频率并绘制风向玫瑰图；

步骤3、确定主风向；

步骤4、确定主风向最小水平分辨率L₁；

步骤5、根据主风向和任一风向上的总网格数之比等于这两个风向相应的风向频率之比，求得各风向上的最小水平分辨率：

假设任一风向的最小水平分辨率为L_x，CFD软件总的网格生成区域尺寸为a，用户定义的重点分析区域尺寸为b，各风向上定义的重点区域网格点数N_hi，则：

主风向上定义的重点区域网格点数N_h1为：

N_h1＝(b/L₁)² (1)

其他任一风向上定义的重点区域网格点数N_hx为：

N_hx＝(b/L_x)² (2)

假定CFD软件网格生成区域里的总网格数N_i和用户定义的重点区域网格数N_hi具有一定比例关系，比例系数为k，此比例系数与总网格生成区域和用户定义区域的面积之比(a/b)²有关，对同一工程项目k为定值，则各风向上总网格数N_i为：

N₁＝k(b/L₁)² (3)

N_x＝k(b/L_x)² (4)

工程项目的风向频率和主风向已知，通过选定主风向上的最小水平分辨率L₁，利用主风向和任一风向上的总网格数之比等于这两个风向相应的风向频率之比，即可求得各风向上所需要的最小水平分辨率L_x，若主风向与任一风向的风向频率之比为m，则有

N₁/N_x＝m (5)

将式(3) 、( 4)代入式(5)可得，

步骤6、按照不同风向计算得到的最小水平分辨率进行网格划分。

2.根据权利要求1所述的一种基于风向频率的风资源网格划分方法，其特征在于，步骤4中，根据场地复杂程度确定主风向最小水平分辨率L₁。

3.根据权利要求2所述的一种基于风向频率的风资源网格划分方法，其特征在于，对于复杂地形L₁选用20～50m，否则，L₁选用50～70m。

4.根据权利要求2所述的一种基于风向频率的风资源网格划分方法，其特征在于，对于复杂地形L₁选用10～20m，否则，L₁选用50～70m。

5.根据权利要求1所述的一种基于风向频率的风资源网格划分方法，其特征在于，当某一风向最小水平分辨率计算值大于设定值L₀时，取该风向最小水平分辨率为L₀。

6.根据权利要求5所述的一种基于风向频率的风资源网格划分方法，其特征在于，L₀的取值为70m或100m。