CN108537411B - 一种低风速风电场风电机组粗糙度及风资源分析计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低风速风电场风电机组粗糙度及风资源分析计算方法，步骤1、根据已建风电场与规划风电场的相对位置，判断已建风电场对规划风电场的影响程度；步骤2、判断已建风电场风电机组的均布情况，进入步骤3；步骤3、根据步骤1和2的判断结果，对每个粗糙度单元计算风电机组平均占用面积AH与迎风面积S的比值，对于每个粗糙度单元，当该比值大于设定值Q时，则采用步骤4计算粗糙度；步骤4、对每个粗糙度单元计算已建风电场的粗糙度z0。理论依据充分，可避免人为估计导致的错误，保证后续风资源分析的顺利进行，大大提高工作效率；通过将周围已建风电场简化为一定范围的粗糙度设置，操作简单，可为工程项目提供参考。
Description
技术领域
本发明涉及一种低风速风电场风电机组粗糙度及风资源分析计算方法。
背景技术
风电场规划时，周围已建风电场对其发电量具有一定的影响，如何有效评估已建风电场对规划风电场的影响十分重要。已建风电场中的风电机组类似于地形地貌中的植被、民房等，在实际地形图制作中通常未对植被、民房等进行建模，因此须在地形图文件中设置粗糙度来考虑其对风电场发电量的影响。同理，已建风电场中的风电机组也可按此考虑。
已建风电场粗糙度的取值与其位置、风电机组之间的间距、风电机组轮毂高度、叶轮直径等有关系，WAsP中采用的粗糙度主要基于Lettau(1969)年得出的经验公式，具体表达式如下：
上式中，单个粗糙度单元的粗糙度z0与其风电机组轮毂高度h及迎风面积S有关。对多个粗糙度单元均匀分布的区域，粗糙度单元密度可根据每个单元在平面内的平均占用面积AH来衡量，AH与区域的平面总面积As和粗糙度单元个数n有关。若AH远大于S时，式(1)可得相对合理的结果；若AH与S数量级接近时，式(1)的计算值偏高，即当每个粗糙度单元距离较近、分布较密时，如森林、城市和高大植被区域，气流会被抬升，须考量粗糙度单元的零平面位移。
故现有风资源分析软件中(如WAsP、Meteodyn WT等)仅需指定已建风电场中风电机组的坐标及轮毂高度，即可对已建风电机组和规划风电场风电机组共同进行分析计算。然而，实际工程中，规划风电场和周围已建风电场的投资主体可能不同，要获取周围已建风电机组坐标有一定难度；另外，规划风电场周围可能存在多个已建风电场，要对每个已建风电机组均进行建模工作量较大。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种低风速风电场风电机组粗糙度及风资源分析计算方法，将已建风电场当作一种特定地貌，通过设置其粗糙度来考虑对规划风电场发电量的影响，操作方法简单，具有良好工程适用性。
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：
一种低风速风电场风电机组粗糙度计算方法，包括如下步骤：
步骤1、根据已建风电场与规划风电场的相对位置，判断已建风电场对规划风电场的影响程度：若已建风电场与规划风电场最边缘风电机组相距超过设定值，则将整个已建风电场视为一个粗糙度单元，整个已建风电场采用同一粗糙度模拟；否则，进入步骤2；
步骤2、判断已建风电场风电机组的均布情况：若风电场区风电机组分布均匀，则将整个已建风电场视为一个粗糙度单元，整个已建风电场采用同一粗糙度模拟；若风电场区风电机组分布不均匀，则将局部风电机组分布不均匀的区域视为一个粗糙度单元，其他风电机组分布均匀的区域视为一个粗糙度单元，进入步骤3；
步骤3、根据步骤1和2的判断结果，对每个粗糙度单元计算风电机组平均占用面积AH与迎风面积S的比值，对于每个粗糙度单元，当该比值大于设定值Q时，则采用步骤4计算粗糙度；
步骤4、对每个粗糙度单元计算已建风电场的粗糙度z0：
式中，V是风电场平均风速，Vr是已建风电机组额定风速，D是叶轮直径，Hhub是已建风电机组轮毂高度；
其中，若整个已建风电场采用同一粗糙度模拟，则L取风电机组平均间距；
若风电场区风电机组分布不均匀：其中局部风电机组分布不均匀的区域视为一个粗糙度单元，则L取风电机组间距的加权平均值；其他风电机组分布均匀的区域视为一个粗糙度单元，则L取风电机组平均间距。
优选，步骤1中，若已建风电场与规划风电场最边缘风电机组相距超过20D，则将整个已建风电场视为一个粗糙度单元，其中，D为已建风电机组叶轮直径。
优选，步骤3中，Q的取值不低于80。
优选，Q的取值为100。
优选，步骤2中，若风电场区风电机组分布不均匀的机组数目占总数不超过10％，则认为风电场区风电机组分布均匀，将整个已建风电场视为一个粗糙度单元；否则，认为风电场区风电机组分布不均匀。
一种低风速风电场风资源分析计算方法，包括如下步骤：
1)采用上述任意一项所述的方法计算风电场风电机组粗糙度；
2)在风资源分析软件中，划分已建风电场区域并进行粗糙度线赋值；
3)进行风资源分析计算。
优选，所述风资源分析软件是WAsP或Meteodyn WT。
本发明的有益效果是：
本方法可对已建风电机组的粗糙度进行判断计算，理论依据充分，可避免人为估计导致的错误，保证后续风资源分析的顺利进行，大大提高工作效率；通过将周围已建风电场简化为一定范围的粗糙度设置，操作简单，可为工程项目提供参考。本发明方法对周边已有多个风电场的项目特别适用，优势较明显。
附图说明
图1是本发明一种低风速风电场风电机组粗糙度的计算方法的流程图；
图2是本发明个别风机占总数不超过10％的示意图；
图3是本发明个别风机占总数超过10％的示意图。
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。
如图1所示，一种低风速风电场风电机组粗糙度计算方法，包括如下步骤：
步骤1、根据已建风电场与规划风电场的相对位置，判断已建风电场对规划风电场的影响程度：若已建风电场与规划风电场最边缘风电机组相距超过设定值，则可认为已建风电机组粗糙度对规划风电场影响较小，则将整个已建风电场视为一个粗糙度单元，整个已建风电场采用同一粗糙度模拟；否则，认为已建风电机组粗糙度对规划风电场影响较大，尚需考虑已建风电机组的均布性，进入步骤2。
一般的，若已建风电场与规划风电场最边缘风电机组相距超过20D，则将整个已建风电场视为一个粗糙度单元，其中，D为已建风电机组叶轮直径。
步骤2、判断已建风电场风电机组的均布情况：若风电场区风电机组分布均匀，则将整个已建风电场视为一个粗糙度单元，整个已建风电场采用同一粗糙度模拟；若风电场区风电机组分布不均匀，则将局部风电机组分布不均匀的区域视为一个粗糙度单元，其他风电机组分布均匀的区域视为一个粗糙度单元，进入步骤3。
可根据Google Earth影像或搜集到的相关资料，判断已建风电场风电机组的均布情况。若风电场区风电机组分布不均匀的机组数目占总数不超过10％，即个别风电机组数目占总数不超过10％，则认为风电场区风电机组分布均匀，将整个已建风电场视为一个粗糙度单元；否则，认为风电场区风电机组分布不均匀，可将整个风电场按均匀性进行分区，然后各分区的风电机组分别设置粗糙度。
其中，个别风电机组是指其与大部分均布风电机组间距相差超过15％，具体可分以下两种情况：
第一种情况如图2所示，对于此种情况，整个风电场仍可采用同一粗糙度模拟，计算粗糙度时的风机间距L可取大部分均布风电机组的平均间距；第二种情况如图3所示，对于此种情况，可将个别风电机组和均布风电机组分成两个区，然后各分区分别设置粗糙度，对于个别风电机组区计算粗糙度时，风机间距L可取风电机组间距的加权平均值；对于大部分均布风电机组区计算粗糙度时，风机间距L则取均布风电机组的间距。
步骤3、根据步骤1和2的判断结果，对每个粗糙度单元计算风电机组平均占用面积AH与迎风面积S的比值，对于每个粗糙度单元，当该比值大于设定值Q时，则采用步骤4计算粗糙度。一般的，Q的取值不低于80，比如，Q的取值为100。对低风速风电机组此比值一般在100左右及以上，比值越高公式适用性越好。
步骤4、对每个粗糙度单元计算已建风电场的粗糙度z0：
风电机组轮毂高度为Hhub，叶轮直径为D，平均间距为L。对于风电机组均匀布置的风电场，区域平面总面积As与风电机组台数n和风电机组平均间距L有关，近似取As＝nL2。
由于风电机组叶轮为动态，实际迎风面积采用纯静态三叶轮面积或拟静态叶轮盘面积均不合适，实际迎风面积与风电场平均风速V及风电机组输出功率有关。由风电机组功率曲线可知，在风电机组切入风速至额定风速Vr之间，风电机组输出功率逐渐增加，在达到额定风速Vr后，输出功率保持不变。额定风速时风电机组满负荷运转，假定此时风电机组迎风面积为叶轮盘面积，即πD2/4，从风能密度等效考虑，则风电场平均风速V时，风电机组的迎风面积可划为(V/Vr)3πD2/4，由此可得：
一般情况下，L为D的5～10倍，对低风速风电场V约为6m/s，风电机组额定风速Vr约9m/s，则AH与S之比为100～400，两者不在同一数量级，因此根据上式可得相对合理的结果。可得，均匀布置风电场的整体粗糙度计算公式如下：
式中，V是风电场平均风速，Vr是已建风电机组额定风速，D是叶轮直径，Hhub是已建风电机组轮毂高度；
其中，若整个已建风电场采用同一粗糙度模拟，则L取风电机组平均间距；
若风电场区风电机组分布不均匀：其中局部风电机组分布不均匀的区域视为一个粗糙度单元，则L取风电机组间距的加权平均值；其他风电机组分布均匀的区域视为一个粗糙度单元，则L取风电机组平均间距。
风电场规划时，周围已建风电场对其发电量具有一定的影响，如何有效评估已建风电场对规划风电场的影响十分重要。风电机组一般在场区内均匀分布，风机间距为叶轮直径的5～10倍，个别机组因地形等原因略有差别，但对整个场区影响较小。低风速风电场中场区平均风速小于风电机组额定风速，机组迎风面积的计算须考虑场区风速的影响，风电机组粗糙度需综合考虑自身各因素的影响，得到适合其自身的粗糙度计算方法。通过将周围已建风电场简化为一定范围的粗糙度设置，理论依据充分，操作简单，可为工程项目提供参考。
对应的，一种低风速风电场风资源分析计算方法，包括如下步骤：
1)采用上述任意一项所述的方法计算风电场风电机组粗糙度；
2)在风资源分析软件中，比如WAsP或Meteodyn WT，划分已建风电场区域并进行粗糙度线赋值；
3)进行风资源分析计算。
要考虑已建风电场风电机组对规划风电场的影响，一般通过在风资源分析软件中增加已建风电机组的坐标及轮毂高度。但实际中规划风电场和周围已建风电场的投资主体可能不同，要获取周围已建风电机组坐标及相关资料有一定难度；另外，规划风电场周围可能存在多个已建风电场，要对每个已建风电机组均进行建模工作量较大。已建风电场中的风电机组类似于地形地貌中的植被、民房等，本发明提出的方法可通过在地形图文件中设置粗糙度来考虑其对风电场发电量的影响，理论依据充分，操作简单，可大大减少工作量，有助于提高工作效率，同时又可防止人为主观因素导致的错误，对周边已有多个风电场的项目具有显著效果。若规划风电场周围存在多个已建风电场，可避免对每个已建风电机组均进行建模，大大减少工作量，有助于提高工作效率。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。
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 (8)
1.一种低风速风电场风电机组粗糙度计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、根据已建风电场与规划风电场的相对位置，判断已建风电场对规划风电场的影响程度：若已建风电场与规划风电场最边缘风电机组相距超过设定值，则将整个已建风电场视为一个粗糙度单元，整个已建风电场采用同一粗糙度模拟；否则，进入步骤2；
步骤2、判断已建风电场风电机组的均布情况：若风电场区风电机组分布均匀，则将整个已建风电场视为一个粗糙度单元，整个已建风电场采用同一粗糙度模拟；若风电场区风电机组分布不均匀，则将局部风电机组分布不均匀的区域视为一个粗糙度单元，其他风电机组分布均匀的区域视为一个粗糙度单元，进入步骤3；
步骤3、根据步骤1和2的判断结果，对每个粗糙度单元计算风电机组平均占用面积AH与迎风面积S的比值，对于每个粗糙度单元，当该比值大于设定值Q时，则采用步骤4计算粗糙度；
步骤4、对每个粗糙度单元计算已建风电场的粗糙度z0：
式中，V是风电场平均风速，Vr是已建风电机组额定风速，D是叶轮直径，
Hhub是已建风电机组轮毂高度；
其中，若整个已建风电场采用同一粗糙度模拟，则L取风电机组平均间距；
若风电场区风电机组分布不均匀：其中局部风电机组分布不均匀的区域视为一个粗糙度单元，则L取风电机组间距的加权平均值；其他风电机组分布均匀的区域视为一个粗糙度单元，则L取风电机组平均间距。
2.根据权利要求1所述的一种低风速风电场风电机组粗糙度计算方法，其特征在于，步骤1中，若已建风电场与规划风电场最边缘风电机组相距超过20D，则将整个已建风电场视为一个粗糙度单元，其中，D为已建风电机组叶轮直径。
3.根据权利要求1所述的一种低风速风电场风电机组粗糙度计算方法，其特征在于，步骤3中，Q的取值不低于80。
4.根据权利要求3所述的一种低风速风电场风电机组粗糙度计算方法，其特征在于，Q的取值为100。
5.根据权利要求1所述的一种低风速风电场风电机组粗糙度计算方法，其特征在于，步骤2中，若风电场区风电机组分布不均匀的机组数目占总数不超过10％，则认为风电场区风电机组分布均匀，将整个已建风电场视为一个粗糙度单元；否则，认为风电场区风电机组分布不均匀。
6.根据权利要求1所述的一种低风速风电场风电机组粗糙度计算方法，其特征在于，步骤2中，根据Google Earth影像或搜集到的相关资料，判断已建风电场风电机组的均布情况。
7.一种低风速风电场风资源分析计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)采用权利要求1‐6任意一项所述的方法计算风电场风电机组粗糙度；
2)在风资源分析软件中，划分已建风电场区域并进行粗糙度线赋值；
3)进行风资源分析计算。
8.根据权利要求7所述的一种低风速风电场风资源分析计算方法，其特征在于，所述风资源分析软件是WAsP或Meteodyn WT。
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