CN112241612B - 一种考虑大气热稳定性的风资源评估综合计算外推方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑大气热稳定性的风资源评估综合计算外推方法，包括以下步骤：对风电场进行多种大气热稳定性等级下的CFD定向计算；初步判定测风塔处的大气热稳定性等级；采用考虑大气热稳定性修正的对数风廓线模型，计算得到测风塔处的莫‑奥长度时间序列；计算各种大气热稳定性等级模拟结果的权重；基于权重，外推得到各个机位点的风资源参数结果。上述技术方案考虑大气热稳定性,使用矢量加权平均方法，在缺乏温廓线数据的情况下，通过两层风速计算得到各个时刻的测风塔处的稳定性，面对大气热稳定性等级变化较为明显的区域也能准确计算，计算结果更贴近实际情况。

Description

一种考虑大气热稳定性的风资源评估综合计算外推方法

技术领域

本发明涉及风资源评估领域，尤其涉及一种考虑大气热稳定性的风资源评估综合计算外推方法。

背景技术

风资源评估是风电场开发的核心环节，对风电场效益及风电场投资的成败起着重要的作用。目前广泛使用的风电场风资源评估技术以CFD(Computational FluidDynamics，计算流体力学)技术为核心，结合实际测风数据对风电场的风资源进行评估。

市场上的某些商业软件采用的风资源评估过程包括输入地形文件、粗糙度文件、测风塔及风机点位文件，设置CFD计算参数后进行CFD计算。之后上传测风塔测风数据文件和风力机功率曲线文件进行风速、风向、湍流、发电量等的综合计算。大气热稳定性作为影响大气运动的重要因子，现存的判定方法对测风数据提出了更多的要求，根据理查森数计算热稳定性等级的方法，需要多层的温度资料，而实际的测风塔往往只有一层温度资料，在实际的计算中缺乏可行性。而采用风向标准差法判断热稳定性等级仅能做到定性判断，无法得到表征大气热稳定性的定量参数L，因此很难应用到考虑大气热稳定性的综合计算风速外推上。

现有的风资源评估技术存在若干明显的缺陷：(1)需要人为假定一种大气热稳定性下的风廓线作为CFD定向计算的入流边界条件，而实际状况下大气热稳定性是随着时间、空间的变化而变化的；(2)大气热稳定性的判定条件比较苛刻，比较科学的方法是结合风廓线、温廓线判定得到，然后现实中为了节省成本考虑，测风塔往往只有一层的温度和气压数据，因此无法用该方法确定场区某个时刻的大气稳定性；(3)在进行综合计算的时候，往往假定全场、全时段统一大气热稳定性，忽略了大气热稳定性的时空变化。由于上述局限性，商业软件的风资源评估结果往往存在较大偏差，尤其是针对大气热稳定性等级变化较为明显的区域。

中国专利文献CN103514341A公开了一种“基于数值天气预报和计算流体动力学的风资源评估方法”。该方法利用数值天气预报模式模拟选定年份的风电场区域风速情况，获得包括风电场风速风向时间变化序列的数值天气预报结果；从所述数值天气预报结果中选取一个或多个格点的风速风向时间变化序列，输入计算流体动力学的软件，CFD软件，计算得到全风场的风资源情况。上述技术方案解决风资源评估计算时没有考虑多种大气热稳定性影响的技术问题。

发明内容

本发明主要解决原有的技术方案没有考虑多种大气热稳定性影响的技术问题，提供一种考虑大气热稳定性的风资源评估综合计算外推方法，考虑大气热稳定性,使用矢量加权平均方法，在缺乏温廓线数据的情况下，通过两层风速计算得到各个时刻的测风塔处的稳定性，面对大气热稳定性等级变化较为明显的区域也能准确计算，计算结果更贴近实际情况。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明包括以下步骤：

(1)对风电场进行多种大气热稳定性等级下的CFD定向计算；

(2)初步判定测风塔处的大气热稳定性等级；具体判断方法为：针对不同类型的风电场项目，基于莫宁-奥布霍夫相似性理论，依据两种判定方法初步判定测风塔处的大气热稳定性等级。

(3)采用考虑大气热稳定性修正的对数风廓线模型，计算得到测风塔处的莫-奥长度时间序列；

(4)计算各种大气热稳定性等级模拟结果的权重；

(5)基于步骤(4)所述的权重，外推得到各个机位点的风资源参数结果。风资源参数结果包括各个机位点的风速、风向等。

作为优选，所述的步骤(1)进行CFD定向计算之前的准备，包括地形图文件、粗糙度文件、机位点、测风塔坐标文件，并且多种大气热稳定性等级下的CFD定向计算，需分别设置各自的对数风廓线入流边界条件：

式中，需要对u(z)进行计算，

为对数风廓线大气热稳定性修正函数：

式中z表示风速所在的高度，u(z)表示z高度处的风速，u_*表示摩擦风速；κ表示冯卡门常数，z₀表示地表粗糙度，L即为莫-奥长度。

作为优选，所述的对测风塔处的大气热稳定性等级进行初步判定的方法包括时间方法和切变方法。在昼夜辐射变化差异较大的场区，例如新疆，或者地表热力性质差异较大的地区，例如沿海，推荐采用时间方法；该方法认为，在无法得到准确热通量数值的客观条件下，可采用根据昼夜时间判断大气热稳定性，场区在白天(早上6时至下午6时)由于太阳辐射的作用，大气处在不稳定状态；在夜晚(下午6时至第二天早上6时)由于地表辐射占主导作用，大气处在稳定状态。在风切变时空变化较大的区域，推荐采用切变方法；该方法认为，风切变系数较低的区域，不同大气垂直层间的动量交换频繁，大气湍流混合作用更加明显，表现为大气的不稳定性；而风切变系数较高的区域，层间很少混合或不混合，表现为大气的稳定性。

作为优选，所述的切变方法以中性条件下的风切变系数，作为区分大气稳定状态与不稳定状态的临界，当上下两层风速的风速比大于临界风速比时，大气处于稳定状态；反之，则处于不稳定状态，临界风速比的计算公式为：

式中，z₁为低层次风速所在的高度，z₂表示高层次风速所在的高度，z₀为地表粗糙度，L_+∞→+∞，L_-∞→-∞。

作为优选，所述的步骤(3)基于初步判定的大气热稳定性等级，采用考虑大气热稳定性修正的对数风廓线模型，用多层测风塔风速，拟合得到莫-奥长度，得到测风塔处的莫-奥长度时间序列：

式中，需要对L进行计算，

为对数风廓线大气热稳定性修正函数：

式中z表示风速所在的高度，u(z)表示z高度处的风速，u_*表示摩擦风速；κ表示冯卡门常数，z₀表示地表粗糙度，L即为莫-奥长度。

作为优选，所述的步骤(4)基于测风塔处的莫-奥长度，结合CFD定向计算时采用的莫-奥长度，计算各种大气热稳定性等级模拟结果的权重，其权重α计算方法为：

式中，α表示热稳定性等级较高的定向计算结果的权重，L_Mast为测风塔处计算得到的莫-奥长度，L₁为定向计算时采用的较不稳定的大气稳定性等级对应的莫-奥长度；L₂为定向计算时采用的较稳定的大气热稳定性等级对应的莫-奥长度。

作为优选，所述的步骤(5)外推得到各个机位点的风速U，采用加权平均的方法：

U＝αU₂+(1-α)U₁

式中，U₂表示仅基于较稳定的大气热稳定性等级的定向计算结果得到风速；U₁表示仅基于较不稳定的大气热稳定性等级的定向计算结果得到风速。

作为优选，所述的步骤(5)外推得到各个机位点的风向矢量

需采用矢量加权平均的方法：

式中，

表示仅基于较稳定的大气热稳定性等级的定向计算结果得到风向矢量；

表示仅基于较不稳定的大气热稳定性等级的定向计算结果得到风向矢量。

本发明的有益效果是：

1.通过两层风速计算表征大气热稳定性的莫-奥长度的计算方法，在缺乏温廓线数据的情况下也能计算得到各个时刻的测风塔处的稳定性。

2.有别于传统的单一热稳定性的计算，本发明在综合计算风速风向外推过程中考虑了多种大气热稳定性的影响。

3.计算热稳定性权重过程中，采用对莫-奥长度取倒数的权重系数计算方法，保证了连续性。

附图说明

图1是本发明的一种整体计算流程图。

图2是本发明的一种权重计算说明示意图。

图3是本发明的一种运用大气热稳定性计算倒数原理说明示意图。

图4是本发明的一种风向矢量计算示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的一种考虑大气热稳定性的风资源评估综合计算外推方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤一：进行CFD定向计算之前的准备，包括地形图文件、粗糙度文件、机位点、测风塔坐标文件等的准备

步骤二：对风电场进行多种大气热稳定性等级下的CFD定向计算，需要进行多种CFD参数的设置，尤其注意设置的稳定性参数；

步骤三：针对不同类型的风电场项目，基于莫宁-奥布霍夫相似性理论，依据两种判定方法，初步判定测风塔处的大气热稳定性等级。

所采用的两种判定方法分别为时间方法和切变方法，分别适用于不同类型的风电场。在昼夜辐射变化差异较大的场区(例如新疆)，或者地表热力性质差异较大的地区(例如沿海)，推荐采用时间方法；该方法认为，在无法得到准确热通量数值的客观条件下，可采用根据昼夜时间判断大气热稳定性，场区在白天(早上6时至下午6时)由于太阳辐射的作用，大气处在不稳定状态；在夜晚(下午6时至第二天早上6时)由于地表辐射占主导作用，大气处在稳定状态；在风切变时空变化较大的区域，推荐采用切变方法；该方法认为，风切变系数较低的区域，不同大气垂直层间的动量交换频繁，大气湍流混合作用更加明显，表现为大气的不稳定性；而风切变系数较高的区域，层间很少混合或不混合，表现为大气的稳定性；因而可以以中性条件下的风切变系数，作为区分大气稳定状态与不稳定状态的临界；因此，可认为当上下两层风速的风速比大于临界风速比时，大气处于稳定状态；反之，则处于不稳定状态。

临界风速比的计算公式为：

式中，z₁低层次风速所在的高度，z₂表示高层次风速所在的高度，z₀为地表粗糙度，L_+∞→+∞，L_-∞→-∞。

步骤四：基于初步判定的大气热稳定性等级，采用考虑大气热稳定性修正的对数风廓线模型，用两层测风塔风速，计算得到莫-奥长度，得到测风塔处的莫-奥长度时间序列

所采用的考虑大气热稳定性修正的对数风廓线模型如下：

式中，

为对数风廓线大气热稳定性修正函数：

式中z表示风速所在的高度，u(z)表示z高度处的风速，u_*表示摩擦风速；κ表示冯卡门常数，z₀表示地表粗糙度，L即为莫-奥长度。

步骤五：基于测风塔处的莫-奥长度，结合CFD定向计算时采用的莫-奥长度，计算各种大气热稳定性等级模拟结果的权重，其权重α计算方法为：

式中，α表示热稳定性等级较高的定向计算结果的权重，L_Mast为测风塔处计算得到的莫-奥长度，L₁为定向计算时采用的较不稳定的大气稳定性等级对应的莫-奥长度；L₂为定向计算时采用的较稳定的大气热稳定性等级对应的莫-奥长度；

这里采用对L取倒数的权重计算方法。图3左图可以看出当热稳定性由不稳定向中性发展的过程中，莫-奥长度由很小的负值(接近0)变化到负无穷；当热稳定性由中性向稳定状态发展时，莫-奥长度由正无穷变化到很小的正值(接近0)，很难保证莫-奥长度随热稳定性变化的连续性。权重系数的计算随之出现问题。在对L取倒数之后，在图3中右图可以看出，在稳定性的变化过程中，莫-奥长度随之连续增大，保证了莫-奥长度在由不稳定到中性与中性到稳定的连续过渡，使得计算各热稳定性等级权重的更加合理。

步骤六：计算风向的线性变化权重

式中，θ_Mast表示测风塔的实测风向，θ₁₁，θ₂₁表示在L₁对应的热稳定性等级下，测风塔CFD计算结果在两个扇区下的仿真风向，θ₁₂，θ₂₂表示在L₂对应的热稳定性等级下，测风塔CFD计算结果在两个扇区下的仿真风向；且θ₁₁≤θ_Mast≤θ₂₁，θ₁₂≤θ_Mast≤θ₂₂，β_A，β_B分别表示L₂、L₁所对应的热稳定性等级下的定向计算扇区权重。

步骤七：外推机位点风速，如图2所示，首先根据扇区权重β_A，β_B计算出来A、B两点的风速，之后根据热稳定性权重α得到要求的测风塔的计算风速(A、B之间的点)公式如下：

U_A＝(1-β_A)U₁₂+β_AU₂₂

U_B＝(1-β_B)U₁₁+β_BU₂₁

U_calmast＝(1-α)U_B+αU_A

式中，U_A，U_B分别为在两种单一热稳定性下经扇区加权得到的测风塔仿真风速，U₁₂，U₂₂，U₁₁，U₂₁为测风塔在与θ₁₂，θ₂₂，θ₁₁，θ₂₁相应的扇区和稳定性下的CFD仿真风速，U_calmast为测风塔经热稳定性加权后的仿真风速。

同理，将风力机在CFD相应扇区和稳定度下的仿真风速进行权重计算后，可以得到机位点处的仿真风速：

U_A'＝(1-β_A)U₁₂'+β_AU₂₂'

U_B'＝(1-β_B)U₁₁'+β_BU₂₁'

U_calmch＝(1-α)U_B'+αU_A'

式中，U_calmch表示风力机经热稳定性加权后的仿真风速，U_A'，U_B'分别为风力机在两种单一热稳定性下由扇区权重得到的仿真风速，U₁₂'，U₂₂'，U₁₁'，U₂₁'为风力机在与测风塔CFD计算结果U₁₂，U₂₂，U₁₁，U₂₁对应的热稳定性和扇区下的CFD仿真风速。

基于上述的测风塔的计算风速和机位点的计算风速，依据加速因子假设，即在某固定入口风向下，风电场中测风塔和风机风速之比不随入口风速的变化而发生变化。可以根据以下公式得到机位点处的风速：

式中，U_mch为机位点处最终计算得到的风速，U_Mast为测风塔的实测风速

步骤八：外推机位点风向。基于得到的热稳定性权重α和扇区权重β_A，β_B，外推得到各个机位点的风向矢量

计算公式如下，注意采用的是矢量加权平均的方法：

式中，

为机位点处最终计算得到的风向，

分别表示在两种单一热稳定下由风向扇区权重得到的仿真风向，

表示在L₂对应的大气热稳定性等级下，与测风塔CFD结果

在同样扇区下的仿真风向。

表示在L₁对应的大气热稳定性等级下，与测风塔CFD结果

在同样扇区下的仿真风向。

上式均运用矢量相加法则进行计算。

在图4中清晰地示意了矢量权重相加的方法，两个初始矢量分别乘上各自权重，改变矢量的模，再用平行四边形法则得到加权后的矢量之和，再根据该和矢量，得到风向角。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了大气热稳定性、临界风速比等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (5)

1.一种考虑大气热稳定性的风资源评估综合计算外推方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对风电场进行多种大气热稳定性等级下的CFD定向计算；

(2)初步判定测风塔处的大气热稳定性等级，对测风塔处的大气热稳定性等级进行初步判定的方法包括时间方法和切变方法，所述切变方法以中性条件下的风切变系数，作为区分大气稳定状态与不稳定状态的临界，当上下两层风速的风速比大于临界风速比时，大气处于稳定状态；反之，则处于不稳定状态，临界风速比的计算公式为：

式中，z₁为低层次风速所在的高度，z₂表示高层次风速所在的高度，z₀为地表粗糙度，L_+∞→+∞，

和

为不同莫-奥长度时z₁高度处对数风廓线大气热稳定性对风速的修正值，

和

为不同莫-奥长度时z₂高度处对数风廓线大气热稳定性对风速的修正值；

(3)采用考虑大气热稳定性修正的对数风廓线模型，计算得到测风塔处的莫-奥长度时间序列；

(4)计算各种大气热稳定性等级模拟结果的权重，基于测风塔处的莫-奥长度，结合CFD定向计算时采用的莫-奥长度，计算各种大气热稳定性等级模拟结果的权重，其权重α计算方法为：

式中，α表示热稳定性等级较高的定向计算结果的权重，L_Mast为测风塔处计算得到的莫-奥长度，L₁为定向计算时采用的较不稳定的大气稳定性等级对应的莫-奥长度；L₂为定向计算时采用的较稳定的大气热稳定性等级对应的莫-奥长度；

(5)基于步骤(4)所述的权重，外推得到各个机位点的风资源参数结果。

2.根据权利要求1所述的一种考虑大气热稳定性的风资源评估综合计算外推方法，其特征在于，所述步骤(1)进行CFD定向计算之前的准备，包括地形图文件、粗糙度文件、机位点、测风塔坐标文件，并且多种大气热稳定性等级下的CFD定向计算，需分别设置各自的对数风廓线入流边界条件：

式中，需要对u(z)进行计算，

为对数风廓线大气热稳定性修正函数：

式中z表示风速所在的高度，u(z)表示z高度处的风速，u_*表示摩擦风速；κ表示冯卡门常数，z₀表示地表粗糙度，L即为莫-奥长度。

3.根据权利要求1所述的一种考虑大气热稳定性的风资源评估综合计算外推方法，其特征在于，所述步骤(3)基于初步判定的大气热稳定性等级，采用考虑大气热稳定性修正的对数风廓线模型，用多层测风塔风速，拟合得到莫-奥长度，得到测风塔处的莫-奥长度时间序列：

式中，需要对L进行计算，

为对数风廓线大气热稳定性修正函数：

式中z表示风速所在的高度，u(z)表示z高度处的风速，u_*表示摩擦风速；κ表示冯卡门常数，z₀表示地表粗糙度，L即为莫-奥长度。

4.根据权利要求1所述的一种考虑大气热稳定性的风资源评估综合计算外推方法，其特征在于，所述步骤(5)外推得到各个机位点的风速U，采用加权平均的方法：

U＝αU₂+(1-α)U₁

式中，U₂表示仅基于较稳定的大气热稳定性等级的定向计算结果得到风速；U₁表示仅基于较不稳定的大气热稳定性等级的定向计算结果得到风速。

5.根据权利要求1所述的一种考虑大气热稳定性的风资源评估综合计算外推方法，其特征在于，所述步骤(5)外推得到各个机位点的风向矢量

需采用矢量加权平均的方法：

式中，

表示仅基于较稳定的大气热稳定性等级的定向计算结果得到风向矢量；

表示仅基于较不稳定的大气热稳定性等级的定向计算结果得到风向矢量。

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