复杂地形条件下应用CFD技术进行风能资源评估应用分析

2014-04-26殷建光

风能 2014年1期

殷建光

（国电联合动力技术有限公司，北京 100039）

0 引言

本文选取中国云南省复杂山区的一个实际项目（整个计算模拟区域的最高海拔在3274m，最低海拔在1422m，海拔落差达1852m）为例，该项目有多个测风塔，如图1所示，塔高均为70m，并且数据同期，便于进行交叉验证与分析。通过对此项目4个测风塔（编号为7101—基础海拔3070m、7103—基础海拔3150m、7105—基础海拔3066m、7106—基础海拔3134m，从南向北沿山脊依次排开）测风数据的分析，选择测风同期的时间从2009年7月20日－2010年6月12日的数据，其中在2009年9月30日－2009年10月6日，以及2010年3月25日－2010年4月13日由于通信问题导致数据缺失，其余天数数据完整、质量较高，适合做交叉验证及后续的比较分析。该项目四个测风塔之间的距离如表1所示。

1 项目建模描述

图1 测风塔位置分布示意图

表1 各测风塔之间的距离（单位：m）

本项目采用基于计算流体力学技术的美迪WT软件进行风流外推及风能资源模拟，分别以各个测风塔作为参考塔，外推其他测风塔，对其风速等风流变量模拟结果进行比较。整个项目计算半径为9864m，采用的水平分辨率为50m，垂直分辨率为6m，水平扩展系数为1.1，垂直扩展系数为1.2，垂直参数为软件默认0.7，平滑参数为软件默认值1，勾选“激活针对计算区域边缘平滑功能”，设定大气热稳定度等级为2，即中性热稳定度。地形数据采用SRTM数据库数据，粗糙度数据采用法国美迪公司提供的粗糙度数据库（根据卫星扫描获取的地表信息，并进行加工整理）作为建模参考[1]。

将地形数据以及粗糙度数据输入，并确定各测风塔位置及绘图区域范围，建模后的情况如图2所示。

在定向计算时采用16个方向扇区进行定向模拟，根据实际测量数据分析，此处主风方向较为集中——西南风，可以适当对主风方向扇区进行加密定向计算，而非对所有方向扇区进行加密，在本研究中增加250度定向计算结果。每个方向扇区网格数量在600万左右，平均每个扇区计算时间约为1小时20分钟，其中图3为方向为247°方向计算的结果结果划分，图4为定向计算后的加速因子的图例显示。

图2 在软件中数字化地形及粗糙度建模示意

图3 WT-247度方向网格生成示意图

图4 247度定向模拟风加速因数示意图

2 CFD数值模拟与实际测量交叉比较

进行交叉比较时，输入其中一个测风塔70m高度处的测风数据，外推至其他测风塔处，并与其他测风塔70m高度处实际测量值进行比较分析，如图5所示，交叉比较结果如表2所示。

由上述结果显示，在风速推算的过程中7103号测风塔推算结果精度非常高计算与实测误差不大于1.6%，代表性最好，因此如果在计算过程中采用7130测风塔评估整个风电场发电量，将得到相对精确的发电量的评估。

图5 各测风塔风速外推模拟结果与实际测量值比较示意图

图6 各测风塔Weibull A参数模拟结果与实际测量值Weibull分布A参数比较示意图

图7 各测风塔Weibull K参数模拟结果与实际测量值Weibull分布K参数比较示意图

表2 各测风塔风速模拟外推误差比较

表3 各个测风塔Weibull参数比较表（采用默认最大似然法拟合）

表4 双塔综合外推结果与实测结果比较

通过风流分布规律参数的推算比较比较，由表3，图6，图7所示，7103号测风塔在推算风速风频分布方面也具有较好推算效果，使得各个点发电量计算也可以控制在一定的误差范围之内，满足实际工程要求并为后续工作奠定基础[2]。测风塔7013号代表性质量高，将在后续工作进行近一步分析。

在此项目上，我们将继续研究多塔综合的效果，将针对不同的测风塔进行配对组合，并采取不同的权重进行分析，主要是看在复杂地形条件下，已有的默认加权方式与其他加权方式，以及不同测风塔组合的多塔综合，对结果的影响，研究中的多塔综合权重首先采取默认的“距离平方”进行加权分析，再采取“距离”进行加权分析（由于测风数据选择都为同期，并且已经对质量进行了控制及筛选，整体测风数据质量较高，所以在研究中测风数据质量的置信系数均取为1）。各个单塔结果中的变量根据距离对应的权重进行加权的方式如下：

X：结果点处的综合变量值；Xi：结果点处第i次综合的变量值；di：从结果点到第i次综合参考点之间的距离；ci：对于第i次综合结果的置信系数；ε=1m；p：距离加权指数，在此研究中，针对p取不同权重，p=2是默认加权方式，即以距离的平方作为加权，p=1，则表示按照各测风参考点与结果点之间的距离进行加权。不同加权方式及组合比较结果如表4所示。

通过上面多塔综合分析，在此项目我们发现如果仅以距离作为多塔综合的权重，在某些结果上略好于默认的距离平方作为权重的结果，但是以距离平方作为默认权重进行多塔综合应该说是适应大部分项目，其整体效果在此项目上表现仍然不错，满足实际工程要求[3]。同时通过模拟分析，我们也会发现，在进行多塔综合时，如果某些塔自身的代表性不好（可能由于此塔所处位置以及环境的特殊性，对此测风塔测量数据所代表的范围有限制），即使其他塔与其进行组合进行多塔模拟分析计算，其对误差改进作用可能并不明显，在此情况下，应该在使用WT软件中采用分片分区域控制，尤其对于已经排布之后的机位发电量计算，可以根据每个测风塔划定其代表区域，然后分片综合计算。