CN112800697A - 风电场前期测风塔规划选址方法、系统、装置及存储介质 - Google Patents

风电场前期测风塔规划选址方法、系统、装置及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风电场前期测风塔规划选址方法、系统、装置及存储介质，该方法通过数字高程数据获取测风塔的备选位置，之后根据等高线地形图、再分析数据和30m分辨率地表粗糙度数据，计算剩余测风塔备选位置所对应的风速、风向序列；通过相关关系、误差分析和主导风向得到拟选测风塔备选位置，利用三维模型，确认拟选测风塔位置有效，根据综合风切变确定测风塔的高度。该方法不仅提升了中等复杂地形风电场测风塔规划选址的精度，还为确定测风塔的数量提供依据，减少资金浪费。

Description

风电场前期测风塔规划选址方法、系统、装置及存储介质
技术领域
本发明属于风电设备建设技术领域，具体涉及一种适应中等复杂地形的风电场前期测风塔规划选址方法、系统、装置及存储介质。
背景技术
我国国土面积辽阔，风能资源储量较为丰富。随着风力发电机组技术的进步以及开发建设成本的降低，低山丘陵等中等复杂地形风电场迎来了开发建设的高峰期。
低山丘陵风电场开发建设条件较为复杂，海拔高程落差较大，部分区域植被茂密，地形崎岖，局地气候显著，风能资源分布空间分布差异较大，因此，准确测量场址的风能资源条件对项目开发尤为重要。据统计分析，测风数据10％的误差可能导致风电场发电量30％左右的误差，而因风资源数据不准确，导致湍流、极大风速等计算不准，对机组选型及后期的安全运行造成极大的隐患。
目前，针对低山丘陵风电场前期测风塔规划选址，常规做法如下：容量不超过50MW的风电场，设置1座测风塔，容量超过100MW的风电场设置2座测风塔。测风塔所选位置需远离高大树木和障碍物，视野开阔四周无阻挡。
上述技术的不足之处在于：1.不能准确判断测风塔对场址的代表性，若测风塔设置位置和数量不足，会造成场址风能资源评估不准确，若测风塔设置数量过多，会造成投资的浪费；2.不能准确确定测风塔的塔高，若测风塔位置的切变较小，测风塔高度设置过高，会造成投资的浪费，若测风塔位置的切变较大，测风塔高度设置过低，会造成场址风能资源评估不准确。总之，现有技术精确度差、成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风电场前期测风塔规划选址方法、系统、装置及存储介质，适应中等复杂地形，以解决现有技术中，低山丘陵风电场前期测风塔规划选址精确度差的问题。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种风电场前期测风塔规划选址方法，适应中等复杂地形，包括以下步骤：
步骤1，获取风电场区域的数字高程数据，并将获取的数字高程数据对应转化为相应分辨率的等高线地形图；
步骤2，根据步骤1获取的风电场区域的等高线地形图，选取多处测风塔备选位置；
步骤3，获取步骤2中选取的测风塔备选位置所对应的再分析数据；
步骤4，获取Globe Land30地表覆盖数据，并将获取的Globe Land30地表覆盖数据对应转化为30m分辨率地表粗糙度数据；
步骤5，将步骤1得到的等高线地形图、步骤3中得到的任意一个测风塔备选位置所对应的再分析数据和步骤4中得到的30m分辨率地表粗糙度数据输入至计算流体力学软件中进行计算，分别得到剩余测风塔备选位置所对应的风速、风向序列；
步骤6，分别将步骤5中获取得到的剩余测风塔备选位置所对应的风速、风向序列与步骤3中得到的再分析数据做相关关系、误差分析和风向玫瑰图统计，得到多个相关关系系数、多个风速相对误差系数和多个风向玫瑰图主导风向，根据相关关系系数、风速相对误差系数和风向玫瑰图主导风向，选取拟选测风塔备选位置；
步骤7，对步骤6得到的拟选测风塔备选位置，复核地形代表性及障碍物遮挡效应，确认拟选测风塔备选位置有效；
步骤8，计算步骤7中得到的最终测风塔备选位置的综合风切变，根据综合风切变值设置测风塔的高度。
优选地，步骤1中，数字高程数据为ASTER GDEM或者SRTM DEM或者NASA DEM。
优选地，步骤1中，风电场区域为：以风电场的外边缘画矩形，且该矩形外扩50km的区域。
优选地，步骤2中，测风塔备选位置的选取原则为：测风塔备选位置垂直方向控制范围为地表高度与测风塔地表高度50m高差范围内，测风塔备选位置水平方向控制范围为备选测风塔位置水平方向3km范围内。
优选地，步骤3中，再分析数据为MERRA或者ERA5。
优选地，步骤3中，再分析数据包括地表垂直高度为90m的位置处所对应的近10年以上的风速风向序列。
优选地，步骤5中，计算流体力学软件为Meteodyn WT或者WindSim。
优选地，步骤6中，根据相关关系系数、风速相对误差系数和主导风向，选取最终测风塔备选位置，具体方法是：
将相关关系系数≥0.95且风速相对误差系数≤3％且主导风向相同所对应的测风塔备选位置删除，之后，在剩余测风塔备选位置中任意选取一个测风塔备选位置，代入步骤5中进行迭代计算，直至所有不满足相关关系系数≥0.95且风速相对误差系数≤3％且主导风向相同条件所对应的测风塔备选位置均已参加计算；最终得到至少一个测风塔备选位置。
优选地，步骤7中，对地形代表性及障碍物遮挡效应进行复核，具体方法是：
将拟选测风塔备选位置输入到三维模型中，利用模型地形信息，确认拟选测风塔备选位置与风电场拟布风机点位区域地形特征差异≤5％；拟选测风塔备选位置上风向3km内无凸起障碍物或山脊遮挡，地势平坦开阔。
优选地，步骤8中，根据综合风切变值设置测风塔的高度，具体方法是：将综合风切变值≥0.20所对应的测风塔备选位置处布置的测风塔的高度设置为不低于140m；将综合风切变值≥0.15且＜0.20所对应的测风塔备选位置处布置的测风塔的高度设置为120m；否则，测风塔的高度设置为100m。
本发明提供的另一个技术方案是：
一种用于风电场前期测风塔规划选址方法的系统，具体包括：
数字高程数据获取模块，用于获取风电场区域的数字高程数据，并将获取的数字高程数据对应转化为相应分辨率的等高线地形图；
测风塔备选位置选取模块，用于根据获取的风电场区域的等高线地形图，选取多处测风塔备选位置；
再分析数据获取模块，用于获取多处测风塔备选位置所对应的再分析数据；
地表覆盖数据获取模块，用于获取Globe Land30地表覆盖数据，并将获取的GlobeLand30地表覆盖数据对应转化为30m分辨率地表粗糙度数据；
计算模块，用于将等高线地形图、任意一个测风塔备选位置所对应的再分析数据和30m分辨率地表粗糙度数据输入至计算流体力学软件中进行计算，分别得到剩余测风塔备选位置所对应的风速、风向序列；
拟选测风塔备选位置选取模块，用于分别将剩余测风塔备选位置所对应的风速、风向序列与再分析数据做相关关系、误差分析和风向玫瑰图统计，得到多个相关关系系数、多个风速相对误差系数和多个风向玫瑰图主导风向，根据相关关系系数、风速相对误差系数和风向玫瑰图主导风向，选取拟选测风塔备选位置；
复核模块，用于对拟选测风塔备选位置，复核地形代表性及障碍物遮挡效应，确认拟选测风塔备选位置有效；
测风塔高度设置模块，用于计算最终测风塔备选位置的综合风切变，根据综合风切变值设置测风塔的高度。
本发明提供的又一个技术方案是：
一种用于风电场前期测风塔规划选址方法的装置，包括存储器和处理器；存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于当执行计算机程序时，实现的风电场前期测风塔规划选址方法。
本发明提供的再一个技术方案是：
一种计算机可读的存储介质，存储介质上存储有计算机程序，当计算机程序被处理器执行时，实现的风电场前期测风塔规划选址方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的适应中等复杂地形的风电场前期测风塔规划选址方法，通过数字高程数据获取测风塔的备选位置，之后根据等高线地形图、再分析数据和30m分辨率地表粗糙度数据，计算剩余测风塔备选位置所对应的风速、风向序列；通过相关关系、相对误差和主导风向得到拟选测风塔备选位置，利用三维模型，确认拟选测风塔位置有效，根据综合风切变确定测风塔的高度，该方法不仅提升了中等复杂地形风电场测风塔规划选址的精度，还为确定测风塔的数量提供依据，减少资金浪费；同时，提升了风电场风能资源评估的准确性，合理的测风塔位置及塔高的选择，可以降低风能资源评估的不确定性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例提供的风电场前期测风塔规划选址方法流程图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
本发明实施例提供了一种风电场前期测风塔规划选址方法、系统、装置及存储介质，适应中等复杂地形，解决了现有技术中，低山丘陵风电场前期测风塔规划选址精确度差的问题。
如图1所示，本发明实施例提供的风电场前期测风塔规划选址方法，适应中等复杂地形，包括测风塔数量及塔高的确定，测风塔位置的选择。通过本发明方法能够提升中等复杂地形的风电场测风塔规划选址的精度，还为确定测风塔的数量提供依据，减少资金浪费；同时，提升了风电场风能资源评估的准确性，合理的测风塔位置及塔高的选择，可以降低风能资源评估的不确定性。
具体包括以下步骤：
步骤1，获取风电场区域的数字高程数据，并将获取的数字高程数据对应转化为相应分辨率的等高线地形图，风电场区域为：以风电场的外边缘画矩形，矩形外扩50km的矩形区域，数字高程数据为：ASTER GDEM或者SRTM DEM或者NASA DEM。
步骤2，根据步骤1获取的风电场区域的等高线地形图，选取多处测风塔备选位置；测风塔备选位置的选取原则为：测风塔备选位置垂直方向控制范围为地表高度与测风塔地表高度50m高差范围内，测风塔备选位置水平方向控制范围为备选测风塔位置水平方向3km范围内。
步骤3，根据步骤2选取的测风塔备选位置，获取测风塔的备选位置所对应的再分析数据，再分析数据为MERRA或者ERA5，再分析数据包括地表垂直高度为90m的位置处所对应的近10年以上的风速风向序列；
近10年以上的风速风向序列获取方法具体是：
利用数值天气预报模式(NWP)进行获取，该模式使用的输入数据是过去50年的全球天气数据；高分辨率的地形、土壤和植被数据；以及现场实测数据；采用气候变化分析、长时段历史数据以及空间分布图，可以获取项目区域风能状况长期变化。
步骤4，获取Globe Land30地表覆盖数据；利用Globe Land30地表覆盖数据与地表粗糙度的对应关系，将获取的Globe Land30地表覆盖数据对应转化为30m分辨率地表粗糙度数据；获取的Globe Land30地表覆盖数据范围为：以风电场的外边缘画矩形，矩形外扩50km。
表1 GlobeLand30地表覆盖分类与地表粗糙度的对应关系
Figure BDA0002930213720000071
步骤5，将步骤1得到的等高线地形图、步骤3中得到的任意一个测风塔备选位置所对应的再分析数据和步骤4中得到的30m分辨率地表粗糙度数据输入至计算流体力学软件Meteodyn WT或者WindSim中，进行计算，分别得到剩余测风塔备选位置所对应的风速风向序列，其中，在计算流体力学软件中，将测风塔备选位置处的地表高度设置为90m、100m、120m和140m。
步骤6，分别将步骤5中获取得到的剩余测风塔备选位置所对应的风速、风向序列与步骤3中得到的再分析数据做相关关系及误差分析，得到多个相关关系系数、多个风速相对误差系数和风向玫瑰图统计，其中，将相关关系系数≥0.95且风速相对误差系数≤3％且主导风向相同所对应的测风塔备选位置删除，之后，在剩余测风塔备选位置中任意选取一个测风塔备选位置，代入步骤5、步骤6中进行迭代计算，直至剩余的不满足相关关系系数≥0.95且风速相对误差系数≤3％且主导风向相同条件所对应的测风塔备选位置均已参加计算；最终得到至少一个拟选测风塔备选位置；
步骤7，对步骤6得到的拟选测风塔备选位置，输入到三维模型中，利用模型地形信息，分别计算拟选测风塔备选位置与风电场拟布风机点位区域的高程变异系数，确定地形特征差异满足≤5％的要求；拟选测风塔备选位置上风向3km内无凸起障碍物或山脊遮挡，地势平坦开阔。若拟选测风塔备选位置满足上述要求，则确认拟选测风塔备选位置有效；若不满足上述要求，则进行步骤2，重新选取测风塔备选位置，直至拟选测风塔备选位置满足上述要求；
步骤8，计算步骤7中得到的最终测风塔备选位置，在地表高度为90m、100m、120m和140m时的综合风切变值，将综合风切变值≥0.20所对应的测风塔备选位置处布置的测风塔的高度设置为不低于140m，将综合风切变值≥0.15且＜0.20所对应的测风塔备选位置处布置的测风塔的高度设置为120m，否则，测风塔的高度设置为100m。
本发明提供的另一个技术方案是：
一种用于风电场前期测风塔规划选址方法的系统，具体包括：
数字高程数据获取模块，用于获取风电场区域的数字高程数据，并将获取的数字高程数据对应转化为相应分辨率的等高线地形图；
测风塔备选位置选取模块，用于根据获取的风电场区域的等高线地形图，选取多处测风塔备选位置；
再分析数据获取模块，用于获取多处测风塔备选位置所对应的再分析数据；
地表覆盖数据获取模块，用于获取Globe Land30地表覆盖数据，并将获取的GlobeLand30地表覆盖数据对应转化为30m分辨率地表粗糙度数据；
计算模块，用于将等高线地形图、任意一个测风塔备选位置所对应的再分析数据和30m分辨率地表粗糙度数据输入至计算流体力学软件中进行计算，分别得到剩余测风塔备选位置所对应的风速、风向序列；
拟选测风塔备选位置选取模块，用于分别将剩余测风塔备选位置所对应的风速、风向序列与再分析数据做相关关系、误差分析和风向玫瑰图统计，得到多个相关关系系数、多个风速相对误差系数和多个风向玫瑰图主导风向，根据相关关系系数、风速相对误差系数和风向玫瑰图主导风向，选取拟选测风塔备选位置；
复核模块，用于对拟选测风塔备选位置，复核地形代表性及障碍物遮挡效应，确认拟选测风塔备选位置有效；
测风塔高度设置模块，用于计算最终测风塔备选位置的综合风切变，根据综合风切变值设置测风塔的高度。
本发明提供的又一个技术方案是：
一种用于风电场前期测风塔规划选址方法的装置，包括存储器和处理器；存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于当执行计算机程序时，实现的风电场前期测风塔规划选址方法。
本发明提供的再一个技术方案是：
一种计算机可读的存储介质，存储介质上存储有计算机程序，当计算机程序被处理器执行时，实现的风电场前期测风塔规划选址方法。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.风电场前期测风塔规划选址方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取风电场区域的数字高程数据，并将获取的数字高程数据对应转化为相应分辨率的等高线地形图；
根据获取的风电场区域的等高线地形图，选取多处测风塔备选位置；
获取多处测风塔备选位置所对应的再分析数据；
获取Globe Land30地表覆盖数据，并将获取的Globe Land30地表覆盖数据对应转化为30m分辨率地表粗糙度数据；
将等高线地形图、任意一个测风塔备选位置所对应的再分析数据和30m分辨率地表粗糙度数据输入至计算流体力学软件中进行计算，分别得到剩余测风塔备选位置所对应的风速、风向序列；
分别将剩余测风塔备选位置所对应的风速、风向序列与再分析数据做相关关系、误差分析和风向玫瑰图统计，得到多个相关关系系数、多个风速相对误差系数和多个风向玫瑰图主导风向，根据相关关系系数、风速相对误差系数和风向玫瑰图主导风向，选取拟选测风塔备选位置；
对拟选测风塔备选位置，复核地形代表性及障碍物遮挡效应，确认拟选测风塔备选位置有效；
计算最终测风塔备选位置的综合风切变，根据综合风切变值设置测风塔的高度。
2.根据权利要求1所述的风电场前期测风塔规划选址方法，其特征在于，所述风电场区域为：以风电场的外边缘画矩形，且该矩形外扩50km的区域。
3.根据权利要求1所述的风电场前期测风塔规划选址方法，其特征在于，测风塔备选位置的选取方法为：测风塔备选位置垂直方向控制范围为地表高度与测风塔地表高度50m高差范围内，测风塔备选位置水平方向控制范围为备选测风塔位置水平方向3km范围内。
4.根据权利要求1所述的风电场前期测风塔规划选址方法，其特征在于，所述再分析数据包括地表垂直高度为90m的位置处所对应的近10年以上的风速、风向序列。
5.根据权利要求1所述的风电场前期测风塔规划选址方法，其特征在于，选取拟选测风塔备选位置的具体方法是：
将相关关系系数≥0.95且风速相对误差系数≤3％且主导风向相同所对应的测风塔备选位置删除，之后，在剩余测风塔备选位置中任意选取一个测风塔备选位置，输入至计算流体力学软件中进行迭代计算，直至所有不满足相关关系系数≥0.95且风速相对误差系数≤3％且主导风向相同条件所对应的测风塔备选位置均已参加计算；最终得到至少一个测风塔备选位置。
6.根据权利要求1所述的风电场前期测风塔规划选址方法，其特征在于，对地形代表性及障碍物遮挡效应进行复核，具体方法是：
将拟选测风塔备选位置输入到三维模型中，利用模型地形信息，确认拟选测风塔备选位置与风电场拟布风机点位区域地形特征差异≤5％；拟选测风塔备选位置上风向3km内无凸起障碍物或山脊遮挡，地势平坦开阔。
7.根据权利要求1所述的风电场前期测风塔规划选址方法，其特征在于，根据综合风切变值设置测风塔的高度，具体方法是：
将综合风切变值≥0.20所对应的测风塔备选位置处布置的测风塔的高度设置为不低于140m；将综合风切变值≥0.15且＜0.20所对应的测风塔备选位置处布置的测风塔的高度设置为120m；将综合风切变值＜0.15所对应的测风塔备选位置处布置的测风塔的高度设置为100m。
8.一种用于权利要求1所述风电场前期测风塔规划选址方法的系统，其特征在于，具体包括：
数字高程数据获取模块，用于获取风电场区域的数字高程数据，并将获取的数字高程数据对应转化为相应分辨率的等高线地形图；
测风塔备选位置选取模块，用于根据获取的风电场区域的等高线地形图，选取多处测风塔备选位置；
再分析数据获取模块，用于获取多处测风塔备选位置所对应的再分析数据；
地表覆盖数据获取模块，用于获取Globe Land30地表覆盖数据，并将获取的GlobeLand30地表覆盖数据对应转化为30m分辨率地表粗糙度数据；
计算模块，用于将等高线地形图、任意一个测风塔备选位置所对应的再分析数据和30m分辨率地表粗糙度数据输入至计算流体力学软件中进行计算，分别得到剩余测风塔备选位置所对应的风速、风向序列；
拟选测风塔备选位置选取模块，用于分别将剩余测风塔备选位置所对应的风速、风向序列与再分析数据做相关关系、误差分析和风向玫瑰图统计，得到多个相关关系系数、多个风速相对误差系数和多个风向玫瑰图主导风向，根据相关关系系数、风速相对误差系数和风向玫瑰图主导风向，选取拟选测风塔备选位置；
复核模块，用于对拟选测风塔备选位置，复核地形代表性及障碍物遮挡效应，确认拟选测风塔备选位置有效；
测风塔高度设置模块，用于计算最终测风塔备选位置的综合风切变，根据综合风切变值设置测风塔的高度。
9.一种用于所述风电场前期测风塔规划选址方法的装置，其特征在于，包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如权利要求1至7任一项所述的风电场前期测风塔规划选址方法。
10.一种计算机可读的存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1至7任一项所述的风电场前期测风塔规划选址方法。
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