CN105405164A - 一种复杂地形风电场地形改造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂地形风电场地形改造方法，包括地形建模、对计算流域模型进行网格划分；对计算流域的边界条件进行设置以及根据求解器中所设置的边界条件在求解器中对计算流域模型求解，本发明可以确定合理的地形改造高度，使得预选机位处湍流度降低到风机使用要求之内，同时节省大量土石方开挖成本，从而保证工程造价最低；对复杂地形风电场局部地形微观选址有一定指导意义，适于风电场微观选址中的流场分析与方案经济分析，在工程中有很好的应用前景。

Description

一种复杂地形风电场地形改造方法

技术领域

本发属于风电场改造技术领域，尤其涉及一种复杂地形风电场地形改造方法。

背景技术

风电是一种可再生的清洁能源，可以在一定程度上缓解能源危机、改善环境状况。近年来我国风电发展迅速，据中国可再生能源学会风能专业委员会的统计数据，2014年全国新增安装风电机组13121台，新增装机容量23196MW，全国累计风电装机容量114609MW，同比增长25.4％，风力发电技术已经是相关领域的研究热点。随着风资源的不断开发，在风电场微观选址中，风资源的预测已经不局限于平坦地形，海上风电场、内陆的复杂地形以及低风速风场都是今后发展的主要方向。

在复杂地形中，受到山峰或者山谷的影响，风资源估算经常出现较大偏差，这些机位在风场建成后，还会受到风场内相邻风机尾流的影响，它们的发电量一般都会低于设计估算值，更为严重的是这些机位处的湍流度可能过大，风机难以承受，会导致风机机械磨损严重，齿轮箱故障率高，降低风力机的使用寿命。目前复杂地形当中的湍流问题任然没有好的解决方案。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种复杂地形风电场地形改造方法，能够确定合适地形改造方案，使得机位处湍流强度满足风机使用要求，并保证工程造价最低。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种复杂地形风电场地形改造方法，包括如下步骤：

步骤1、地形建模，选取计算区域，在CAD中通过删减等高线来改变山顶高度，再通过Matlab将地形三维坐标散点插值拟合成三维地形曲面，再建立计算流域模型；

步骤2、对计算流域模型进行网格划分，网格在水平方向上的步长为固定步长，网格在垂直方向上的步长按照一个固定的比率递增；

步骤3、对计算流域的边界条件进行设置，在求解器中将入口设为速度入口选项，出口设置为自由流出口选项，左右两面以及顶面设置为对称面选项，底面采用标准壁面函数模拟；

步骤4、根据求解器中所设置的边界条件在求解器中对计算流域模型求解。

进一步的，步骤3中的速度入口选项的风廓模型为：

$u\left(z\right)=\frac{u_{*}}{k}\ln \left(\frac{z}{z_0}\right)---\left(1\right)$

$l=\frac{{u_{*}}^2}{\sqrt{C_{\mathrm{\μ}}}}---\left(2\right)$

$\mathrm{\ϵ}=\frac{{u_{*}}^3}{kz}---\left(3\right)$

其中，u(z)是z高度处的风速，u_*为地表面摩擦速度，l是冯卡门常数，Z₀是地表面粗糙度长度，z为距地面的垂直坐标高度，C_μ为常数，k为湍流脉动动能。

进一步的，步骤3中的自由流出口选项的模型为：

$\frac{\∂}{\∂x}(u_x,u_y,u_z,k,\mathrm{\ϵ})=0---\left(7\right)$

其中，u_x表示x轴方向速度；u_y表示y轴方向速度；u_z表示z轴方向速度，ε为紊流脉动动能的耗散率。

更进一步的，步骤3中的对称面选项的模型为：

$u_i=0,\frac{\∂}{\∂i}(u_x,u_y,u_z,k,\mathrm{\ϵ})=0---\left(8\right)$

其中，i＝x，y，z。

本发明的有益效果是：可以确定合理的地形改造高度，使得预选机位处湍流度降低到风机使用要求之内，同时节省大量土石方开挖成本，从而保证工程造价最低；对复杂地形风电场局部地形微观选址有一定指导意义，适于风电场微观选址中的流场分析与方案经济分析，在工程中有很好的应用前景。

附图说明

图1为地形改造及建模流程图；

图2a为来流风速U₀＝6m/s，来流风向deg＝0°的情况下的计算结果湍流变化曲线图；

图2b为来流风速U₀＝15m/s，来流风向deg＝0°的情况下的计算结果湍流变化曲线图；

图2c为来流风速U₀＝6m/s，来流风向deg＝22°的情况下的计算结果湍流变化曲线图；

图2d为来流风速U₀＝15m/s，来流风向deg＝22°的情况下的计算结果湍流变化曲线图；

图2e为来流风速U₀＝6m/s，来流风向deg＝202°的情况下的计算结果湍流变化曲线图；

图2f为来流风速U₀＝15m/s，来流风向deg＝202°的情况下的计算结果湍流变化曲线图；

图2g为来流风速U₀＝6m/s，来流风向deg＝225°的情况下的计算结果湍流变化曲线图；

图2h为来流风速U₀＝15m/s，来流风向deg＝225°的情况下的计算结果湍流变化曲线图；

图3为Askervein地形与入流方向图；

图4为Askervein地形计算结果与实验结果对比图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1-图4所示，一种复杂地形风电场地形改造方法，包括如下步骤：

首先，进行地形建模，选取计算区域，区域范围为490m×450m，x轴边界长度为490m，y轴边界长度为450m，区域地形高度方向上最大高度差为200m；

然后在CAD中删除地形图的等高线来改变山顶的高度，再通过Matlab将地形三维坐标散点插值拟合成三维地形曲面。再在在gambit软件中建立计算流域的模型，区域范围为490m×450m，计算区域高度为800m。

接下来，对计算流域模型进行网格划分网格在水平方向上的步长为固定步长，网格在垂直方向上的步长按照一个固定的比率递增，其中固定步长为8m,递增比率为1.02，地表第一层网格的起始高度为1m,网格的总数量为40万。

接下来建立入口条件的风廓模型，如式(1)-式(3)所示，

$u\left(z\right)=\frac{u_{*}}{k}\ln \left(\frac{z}{z_0}\right)---\left(1\right)$

$l=\frac{{u_{*}}^2}{\sqrt{C_{\mathrm{\μ}}}}---\left(2\right)$

$\mathrm{\ϵ}=\frac{{u_{*}}^3}{kz}---\left(3\right)$

其中，u(z)是z高度处的风速，u_*为地表面摩擦速度，l是冯卡门常数(取0.42)，z₀是地表面粗糙度长度，z为距地面的垂直坐标高度，C_μ为常数(取0.33)，k为湍流脉动动能。一般情况下，入口条件只提供轮毂高度H处的风速U₀(H)和湍流强度I₀(H)。其它入口参数参照下列模型：

k＝λ(U₀(H)·I₀(H))²(4)

$u_{*}={\mathrm{\λ}}^{0.5}{C}_{\mathrm{\μ}}^{0.25}{U}_0\left(H\right)I_0\left(H\right)---\left(5\right)$

z₀＝H/exp(kU₀(H)/u_*)(6)

其中，λ为模型常数，对于各向同性湍流取1.5。

再来，对计算流域的边界条件进行设置(求解器采用Fluent软件)：在求解器中将入口设为速度入口选项，出口设置为自由流出口选项，即：

$\frac{\∂}{\∂x}(u_x,u_y,u_z,k,\mathrm{\ϵ})=0---\left(7\right)$

其中，u_x表示x轴方向速度；u_y表示y轴方向速度；u_z表示z轴方向速度，ε为紊流脉动动能的耗散率。

左右两面以及顶面设置为对称面选项，即：

$u_i=0,\frac{\∂}{\∂i}(u_x,u_y,u_z,k,\mathrm{\ϵ})=0---\left(8\right)$

其中，i＝x，y，z。

底面采用标准壁面函数模拟，粗糙长度按式(9)计算：

$K_S=\frac{{\mathrm{Ez}}_0}{C_S}---\left(9\right)$

其中E＝9.793,C_S＝1.0，z₀为地面粗糙度长度，K_S为参照粗糙度长度常数。

常用于风电工程中的湍流模型有k-ε，k-ω(SST)和S-A三种模型，k-ω(SST)模型是在k-ε模型的基础上发展起来的，在近壁自由流中有更广泛的应用和较高的精度，本文湍流模型采用k-ω(SST)模型；压力-速度耦合采用Simple算法，对流项差分格式采用二阶格式。

通过上述流程的建模和设置，将模型在Fluent中计算求解，计算结果的湍流度变化曲线见图2a-图2h。当地形削减15m时，769m高度处(风轮旋转平面最低点)的湍流度增加；削减20m时，四个来流方向的湍流都远低于0.16(15m/s风速下风机运行最大允许湍流度)。受山体形状影响，随着削减高度的增加土石方的开挖量会急剧增加，为减少土石方开挖了，节约成本，选择地形削减15m，同时机位处的基础垫高5m的方案，此时风轮扫略面的底端相对高程为774m，来流方向为0°、22°时，774m处的湍流度分别为0.154和0.16；来流方向为202°和225°时，湍流度比较低，都能满足风机使用要求。从开挖土石方量估算，可以减少成本约50万。

下面通过Askervein的实际数据对模型进行验证，Askervein(阿斯克山脉)处于英国SouthUist(南尤伊斯特)岛西海岸，整体呈椭圆形，椭圆长轴约2km，短轴约1km，相对周边高116m(图3)。研究者在1982年和1983年两年中对该山中的流动情况进行了观测，将观测点布置在图中A-A、AA-AA及B-B等三条线上，获得了大量风速和湍流的实测数据(图中的NW、NE、SE、SW分别表示西北、东北、东南、西南)。数值模拟选用的计算区域水平尺寸为6km×6km，垂直方向为1km。实验测量期间风速较强且处于中性大气边界层条件下，测风站RS处的平均风速为8.9m/s，平均风向角为210°。

地形对流场中的流体有加速或减速效应，如空气流经小山时，在迎风面上升并加速；在背风面空气下沉，速度降低，甚至产生漩涡。这种地形对速度的效应，可表达成关于某一位置风速与其上游入口同一离地高度风速的相对增加量，定义成关系式：

$\mathrm{\Δ}S=\frac{U(x,\mathrm{\Δ}z)-U_0\left(\mathrm{\Δ}z\right)}{U_0\left(\mathrm{\Δ}z\right)}---\left(10\right)$

式(10)中，ΔS称为风加速因子；Δz为距离地面的高度；U(x，Δz)表示水平坐标为x距离地面Δz处的风速；U₀(Δz)为U(x，Δz)同一离地高度对应的入口风速。

风加速因子计算值与实验测量值对比见图4。CP为模型范围的中心位置，图4中横坐标分别表示A-A、AA-AA、B-B三条直线上的点距离山顶HT和中心CP的距离，纵坐标为风加速因子，由图可知计算值与测量值吻合，只有A-A、B-B在入流上游位置处的风加速因子计算值略大于测量值，说明本发明中的模型和计算结果比较合理。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种复杂地形风电场地形改造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、地形建模：选取计算区域，在CAD中通过删减等高线来改变山顶高度，再通过Matlab将地形三维坐标散点插值拟合成三维地形曲面，再建立计算流域模型；

步骤2、对计算流域模型进行网格划分网格在水平方向上的步长为固定步长，网格在垂直方向上的步长按照一个固定的比率递增；

步骤3、对计算流域的边界条件进行设置：在求解器中将入口设为速度入口选项，出口设置为自由流出口选项，左右两面以及顶面设置为对称面选项，底面采用标准壁面函数模拟；

步骤4、根据求解器中所设置的边界条件在求解器中对计算流域模型求解。

2.根据权利要求1所述的一种复杂地形风电场地形改造方法，其特征在于，步骤3中的速度入口选项的风廓模型为：

其中，u(z)是z高度处的风速，u_*为地表面摩擦速度，l是冯卡门常数，Z₀是地表面粗糙度长度，z为距地面的垂直坐标高度，C_μ为常数，k为湍流脉动动能。

3.根据权利要求1所述的一种复杂地形风电场地形改造方法，其特征在于：步骤3中的自由流出口选项的模型为：

其中，u_x表示x轴方向速度；u_y表示y轴方向速度；u_z表示z轴方向速度，ε为紊流脉动动能的耗散率。

4.根据权利要求1所述的一种复杂地形风电场地形改造方法，其特征在于，步骤3中的对称面选项的模型为：

其中，i＝x，y，z。