CN114154325A - 一种定常与非定常混合风能资源评估方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种定常与非定常混合风能资源评估方法及系统，属于新能源发电技术领域。本发明通过将地形复杂度作为评价指标，对风电场场区进行分类，对简单地形风电场采用定常数值模拟方法，对复杂地形采用非定常数值模拟方法，有效提高了风资源评估方法的效率、鲁棒性和精度。采用本发明公开的风资源评估方法，在地形简单的情况下，定常模拟方法能有效提高风资源评估的效率；若地形较为复杂，切换至非定常方法进行风资源评估，能较好地捕捉风电场局部的流动分离，改善数值模拟的收敛效果和数值精度。
Description
技术领域
本发明属于新能源发电技术领域，具体涉及一种定常与非定常混合风能资源评估方法及系统。
背景技术
随着风力发电技术的快速进步，陆上风电已全面进入平价时代，风电在各种主流电源中的竞争力也逐步强化，可以在包含高比例新能源的新型电力系统中占据更为重要的地位。随着风电的快速发展，资源较好的地区目前已经开发得比较充分，电网消纳能力也非常有限，因此大规模的风电建设将走向地形复杂但消纳条件非常好的区域，这对传统的风能资源评估是极大的挑战。
CN112926212A提出了一种内陆平原风能资源评估方法，适用于平坦地形条件下的风能资源评估。该方法提出采用USGC数据和FNL再分析数据，构建参数化方案，利用WAsP对SRTM数据和Google Earth数据进行处理得到地形图，以此为基础进行风功率密度分布计算和风机选址。
CN107194141B公布了一种区域风能资源精细化评估方法，通过融合测风塔数据、风机SCADA数据、气象站数据、数值天气预报数据，利用精细化自适应模型与电力负荷调度系统结合，实现精细化的区域风能评估和可视化的动态调度管理。
CN108649611A公布了一种全球大型风电基地开发潜力评估方法，基于全球风能资源数据，考虑各种不同的计算模型和地理因素，提出了一种全球范围内对大型风电基地开发潜力进行评估的方法。
CN108665123A提出了一种海上风能资源选址新技术，综合考虑风能密度的大小、有效风速出现的频率、风能密度等级频率、资源储量、水深、离岸距离、极值风速、稳定性等多种要素，采用专家咨询权数法，对各因素进行打分，根据实际需求对不同要素的权重进行调整，科学、定量地评定特定海域的风能等级。
通过对上述风能资源评估技术进行系统分析可以发现，目前的评估方法主要针对平坦地形和简单地貌的风电场，如平原地区或海上风电场，这些方法采用线性模型(如WAsP软件)就能获得较好的评估精度。对于地形复杂度不太高的风电场，采用定常计算流体力学方法(如MeteoDyn WT和WindSim软件)也可以较好的进行风能资源评估。
随着近年来风电项目的大规模开发，地形相对简单的区域多数已被使用，风电开发正在往地形复杂的山地区域推进，因此对风能资源评估技术提出了新的要求。在复杂山地流场，气流在地形的作用下出现了分离和旋涡等复杂的流动现象，采用定常方法对风电场进行模拟将会出现较大的误差。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种定常与非定常混合风能资源评估方法及系统，能够有效提高风资源评估方法的效率、鲁棒性和精度。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种定常与非定常混合风能资源评估方法，包括以下步骤：
S1：获取风电场的风速序列并进行插补订正；
S2：对插补订正后的风速序列进行数据分析，得到不同风向扇区各风速段的分布概率；
S3：获取风电场区域的地形图；
S4：采用地形复杂度指标对地形图进行评价，对地形复杂度进行分级，将地形分为复杂地形和简单地形；
S5：利用地形图数据生成数值模拟所用的计算域，并对计算域进行三维网格划分，生成计算网格；
S6：基于S5生成的网格，按照S2中的风向扇区进行计算流体力学仿真，若S4的评价结果为简单地形，采用定常数值模拟方法进行计算；若S4的评价结果为复杂地形，采用非定常数值模拟方法进行计算；得到不同风速扇区的加速比；
S7：根据S2得到的不同风向扇区各风速段的分布概率和S6得到的不同风速扇区的加速比，计算风电场区域各扇区的风速分布及其对应的概率，并计算风电场区域的风功率密度和资源图谱，完成风能资源的评估。
优选地，S1中，风电场的风速序列通过外场测风或风资源数据库获取。
优选地，S1中，插补订正通过再分析数据或气象站数据进行。
优选地，S2中，风向扇区的数量为8～40。
优选地，S3中，风电场区域的地形图通过现场测量或公开数据库获取。
优选地，S3中，获取风电场区域的地形图后，采用公开数据对地形图进行拓展处理。
优选地，S4具体为，将地形图导入三维制图软件，计算最大坡度，最大坡度大于30度为复杂地形，否则为简单地形。
优选地，S5中，生成的网格由地面向外层逐步加密。
优选地，S6中，计算流体力学仿真采用数值模拟方法。
本发明公开的一种定常与非定常混合风能资源评估系统，包括：
风电场风速序列获取模块，获取风电场的风速序列；
插补订正模块，对风电场的风速序列进行插补订正；
数据分析模块，对插补订正后的风速序列进行数据分析，得到不同风向扇区各风速段的分布概率；
风电场区域地形图获取模块，获取风电场区域的地形图
地形图评价模块，采用地形复杂度指标对地形图进行评价，对地形复杂度进行分级，将地形分为复杂地形和简单地形；
计算域生成模块，利用地形图数据生成数值模拟所用的计算域；
计算网格生成模块，对计算域进行三维网格划分，生成计算网格；
风速扇区加速比计算模块，基于生成的网格，按照风向扇区进行计算流体力学仿真，若评价结果为简单地形，采用定常数值模拟方法进行计算；若评价结果为复杂地形，采用非定常数值模拟方法进行计算；得到不同风速扇区的加速比；
风能资源评估模块，根据不同风向扇区各风速段的分布概率和不同风速扇区的加速比，计算风电场区域各扇区的风速分布及其对应的概率，并计算风电场区域的风功率密度和资源图谱，完成风能资源的评估。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种定常与非定常混合风能资源评估方法，引入了非定常方法来提升复杂山地风电场风能资源评估的精度。然而，从目前的计算能力和项目开发效率看，常用的计算机计算效率较低，无法满足工程项目快速设计需要，完全采用非定常方法进行风能资源评估还无法应用到实际工程中。因此本发明在非定常流动现象显著和对风电场发电量计算影响较大的来流风向进行非定常模拟、其它来流风向进行定常模拟，从而改进风能资源评估的整体精度。本发明通过将地形复杂度作为评价指标，对风电场场区进行分类，对简单地形风电场采用定常数值模拟方法，对复杂地形采用非定常数值模拟方法，从而有效提高风资源评估方法的效率、鲁棒性和精度。复杂地形风电场与简单地形风电场的主要区别是地形坡度较大导致局部气流出现流动分离，流场具有强烈的非定常特点，因此采用定常模拟方法计算时容易出现收敛困难和局部误差较大等问题。采用本发明公开的风资源评估方法，在地形简单的情况下，定常模拟方法能有效提高风资源评估的效率；若地形较为复杂，切换至非定常方法进行风资源评估，能较好地捕捉风电场局部的流动分离，改善数值模拟的收敛效果和数值精度。
进一步地，插补订正通过再分析数据或气象站数据进行，确保获得一个完整年的数据用于风资源分析。
进一步地，生成的网格由地面向外层逐步加密，确保在流场梯度较大的情况下能捕捉到流动中的精细结构。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
本发明的定常与非定常混合风能资源评估方法，包括以下步骤：
S1：获取风电场的风速序列并进行插补订正；风电场的风速序列通过外场测风或风资源数据库获取；插补订正通过再分析数据或气象站数据进行；
S2：对插补订正后的风速序列进行数据分析，得到不同风向扇区各风速段的分布概率；风向扇区的数量一般选择8～40个；
S3：获取风电场区域的地形图；风电场区域的地形图通过现场测量或公开数据库获取；获取风电场区域的地形图后，采用公开数据对地形图进行拓展处理；
S4：采用地形复杂度指标对地形图进行评价，对地形复杂度进行分级，将地形分为复杂地形和简单地形；具体为，将地形图导入三维制图软件，计算最大坡度，最大坡度大于30度为复杂地形，否则为简单地形；
S5：利用地形图数据生成数值模拟所用的计算域，并对计算域进行三维网格划分，生成计算网格；生成的网格由地面向外层逐步加密；
S6：基于S5生成的网格，按照S2中的风向扇区进行计算流体力学仿真，若S4的评价结果为简单地形，采用定常数值模拟方法进行计算；若S4的评价结果为复杂地形，采用非定常数值模拟方法进行计算；得到不同风速扇区的加速比；计算流体力学仿真采用数值模拟方法；
S7：根据S2得到的不同风向扇区各风速段的分布概率和S6得到的不同风速扇区的加速比，计算风电场区域各扇区的风速分布及其对应的概率，并计算风电场区域的风功率密度和资源图谱，完成风能资源的评估。
本发明公开的一种定常与非定常混合风能资源评估系统，包括：
风电场风速序列获取模块，获取风电场的风速序列；
插补订正模块，对风电场的风速序列进行插补订正；
数据分析模块，对插补订正后的风速序列进行数据分析，得到不同风向扇区各风速段的分布概率；
风电场区域地形图获取模块，获取风电场区域的地形图
地形图评价模块，采用地形复杂度指标对地形图进行评价，对地形复杂度进行分级，将地形分为复杂地形和简单地形；
计算域生成模块，利用地形图数据生成数值模拟所用的计算域；
计算网格生成模块，对计算域进行三维网格划分，生成计算网格；
风速扇区加速比计算模块，基于生成的网格，按照风向扇区进行计算流体力学仿真，若评价结果为简单地形，采用定常数值模拟方法进行计算；若评价结果为复杂地形，采用非定常数值模拟方法进行计算；得到不同风速扇区的加速比；
风能资源评估模块，根据不同风向扇区各风速段的分布概率和不同风速扇区的加速比，计算风电场区域各扇区的风速分布及其对应的概率，并计算风电场区域的风功率密度和资源图谱，完成风能资源的评估。
下面以一个具体实施例来对本发明进行进一步的解释说明：
某分散式风电场位于中国南部某省，厂区范围较小，地形为复杂山地，前期并未开展测风，也未开展地形图测绘工作，需要进行风能资源评估。
步骤1：从公开数据库GoldWRF下载一个完整年的虚拟测风塔数据，依据《风电场风能资源评估方法》对数据进行校验订正。
步骤2：对步骤1风速序列进行数据分析，分16个风向扇区进行统计，得到不同扇区各风速段的分布概率。
步骤3：从公开的SRTM数据库下载风电场区域的地形图高程数据，长宽范围均为10km。
步骤4：利用步骤3所述地形图构造计算域，垂直高度1km。采用Pointwise网格划分软件生成用于数值模拟的非结构网格，地面附附近的网格尺寸为2m，网格逐步加密，最外层网格500m，网格总数4830万。
步骤5：将步骤4所述网格导出为OpenFOAM软件格式，进行计算流体力学仿真。设定120m高度风速为10m/s，并利用虚拟测风塔统计数据计算的风切变拟合出指数风廓线，将其作为数值仿真的入口边界条件。
步骤6：将步骤3所述地形图导入三维制图软件，计算最大坡度，依据坡度大小对地形复杂度进行评价，本实施例的最大坡度为34°，判定为复杂地形。采用非定常的RANS方法分16个风向扇区进行数值模拟，得到各风向扇区的风速加速比。
步骤7：利用步骤6所述各风向扇区的风速加速比和步骤2各风速段的分布概率，推算整个风电场场址区的风速及对应的概率；
步骤8：利用步骤7得到的风速及对应的概率，计算风电场场址区风能资源分布情况。
以上所述，仅为本发明实施方式中的部分，本发明中虽然使用了部分术语，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方便的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。以上所述仅以实施例来进一步说明本发明的内容，以便于更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。
Claims (10)
1.一种定常与非定常混合风能资源评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取风电场的风速序列并进行插补订正；
S2：对插补订正后的风速序列进行数据分析，得到不同风向扇区各风速段的分布概率；
S3：获取风电场区域的地形图；
S4：采用地形复杂度指标对地形图进行评价，对地形复杂度进行分级，将地形分为复杂地形和简单地形；
S5：利用地形图数据生成数值模拟所用的计算域，并对计算域进行三维网格划分，生成计算网格；
S6：基于S5生成的网格，按照S2中的风向扇区进行计算流体力学仿真，若S4的评价结果为简单地形，采用定常数值模拟方法进行计算；若S4的评价结果为复杂地形，采用非定常数值模拟方法进行计算；得到不同风速扇区的加速比；
S7：根据S2得到的不同风向扇区各风速段的分布概率和S6得到的不同风速扇区的加速比，计算风电场区域各扇区的风速分布及其对应的概率，并计算风电场区域的风功率密度和资源图谱，完成风能资源的评估。
2.根据权利要求1所述的定常与非定常混合风能资源评估方法，其特征在于，S1中，风电场的风速序列通过外场测风或风资源数据库获取。
3.根据权利要求1所述的定常与非定常混合风能资源评估方法，其特征在于，S1中，插补订正通过再分析数据或气象站数据进行。
4.根据权利要求1所述的定常与非定常混合风能资源评估方法，其特征在于，S2中，风向扇区的数量为8～40。
5.根据权利要求1所述的定常与非定常混合风能资源评估方法，其特征在于，S3中，风电场区域的地形图通过现场测量或公开数据库获取。
6.根据权利要求1所述的定常与非定常混合风能资源评估方法，其特征在于，S3中，获取风电场区域的地形图后，采用公开数据对地形图进行拓展处理。
7.根据权利要求1所述的定常与非定常混合风能资源评估方法，其特征在于，S4具体为，将地形图导入三维制图软件，计算最大坡度，最大坡度大于30度为复杂地形，否则为简单地形。
8.根据权利要求1所述的定常与非定常混合风能资源评估方法，其特征在于，S5中，生成的网格由地面向外层逐步加密。
9.根据权利要求1所述的定常与非定常混合风能资源评估方法，其特征在于，S6中，计算流体力学仿真采用数值模拟方法。
10.一种定常与非定常混合风能资源评估系统，其特征在于，包括：
风电场风速序列获取模块，获取风电场的风速序列；
插补订正模块，对风电场的风速序列进行插补订正；
数据分析模块，对插补订正后的风速序列进行数据分析，得到不同风向扇区各风速段的分布概率；
风电场区域地形图获取模块，获取风电场区域的地形图
地形图评价模块，采用地形复杂度指标对地形图进行评价，对地形复杂度进行分级，将地形分为复杂地形和简单地形；
计算域生成模块，利用地形图数据生成数值模拟所用的计算域；
计算网格生成模块，对计算域进行三维网格划分，生成计算网格；
风速扇区加速比计算模块，基于生成的网格，按照风向扇区进行计算流体力学仿真，若评价结果为简单地形，采用定常数值模拟方法进行计算；若评价结果为复杂地形，采用非定常数值模拟方法进行计算；得到不同风速扇区的加速比；
风能资源评估模块，根据不同风向扇区各风速段的分布概率和不同风速扇区的加速比，计算风电场区域各扇区的风速分布及其对应的概率，并计算风电场区域的风功率密度和资源图谱，完成风能资源的评估。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117521282A (zh) * | 2023-11-07 | 2024-02-06 | 国家气候中心 | 用于风电场气候特征模拟的密度依赖型风机参数化方法 |
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2021
- 2021-11-30 CN CN202111447461.XA patent/CN114154325A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117521282A (zh) * | 2023-11-07 | 2024-02-06 | 国家气候中心 | 用于风电场气候特征模拟的密度依赖型风机参数化方法 |
| CN117521282B (zh) * | 2023-11-07 | 2024-04-12 | 国家气候中心 | 用于风电场气候特征模拟的密度依赖型风机参数化方法 |
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