浅谈WindSim软件在复杂地形条件下测风塔选址中的应用

文 | 朱凤霞

浅谈WindSim软件在复杂地形条件下测风塔选址中的应用

文 | 朱凤霞

测风塔的代表性，对于风电场风能资源评估、发电量估算都具有重要意义。选择合适位置的测风塔才能准确评估一个区域内的风能资源状况。测风数据10%的误差可能导致风电场年产能30%左右的误差。选择一个较为准确及具有代表性的测风塔位置，其测风数据可以客观详实地反映区域内的风能状况，是风电场建设取得良好经济效益的关键；而一个不具有代表性的测风塔将夸大或缩小评估区域的风速和风功率密度，不能反映客观事实，有可能因为建成的风电场达不到预期的发电量，造成巨大的经济损失，或者因测风塔设立位置风况不好而放弃开发，浪费了人力物力资源。因此，选择合适位置树立测风塔、提高测风数据的准确性和代表性对风电场的开发具有非常重要的意义。

对于复杂地形的风电场，由于地形起伏大、变化多，风电场内的风能分布情况受众多因素影响，加大了复杂地形区域测风塔选址的难度。鉴此，本文利用WindSim软件进行规划风电场风能资源模拟，综合考虑风流参数，为复杂地形条件下的风电场选取不同数量的立塔点，并分析其代表性。

软件介绍

WindSim软件是由挪威WindSim AS 公司开发并拥有知识产权的风能资源评估软件，是基于先进的CFD（计算流体力学）和边界气象学方法，全面模拟分析区域风资源特性，优化风电场设计的专业工具。采用CFD的方法进行空间风流模拟，完全求解三维Navier－Stokes方程，并应用适合的湍流模型及边界条件对目标区域的风流特性参数进行求解计算。

已有研究表明，WindSim软件对复杂地形条件下的风电场风能资源具有一定的模拟能力。

WindSim软件计算内核为Phoenics软件（Parabolic Hyperbolic Or Elliptic Numerical Integration Code Series），适合于模拟风电场的流动。它使用CFD方法，将全场三维空间区域建立数学网格模型，假设适当的边界条件，采用标准k－ξ模型求解雷诺平均纳维－斯托克斯方程（N－S方程），主要方程为：

表1　规划风电场周围已有测风塔相关信息

其中ρ为空气密度，ν为水平风速，μ为动力学分子粘性系数，k为常数。

相对于常规风能资源评估的线性模型软件，WindSim可以计算气流在三维方向上的变化；计算规划风电场任何位置的湍流强度及入流角度、风速与风向在叶轮扫风面内的变化；计算规划风电场任何位置的垂直风廓线、流线跟踪、模拟测风。并且具有多个测风塔联合计算的特点。WindSim软件没有对风速轮廓曲线做出任何假设，因此可以充分模拟到场址的负切变指数甚至漩涡流动，适用于复杂地形的风电场。

案例分析

广东某山地风电场高程范围为130m－850m，占地面积82km2，规划建设规模为10MW。场内地形高程变化较大，主要为山地地形，原始地貌单元属山地侵蚀地貌（丘陵及丘间沟谷等），大部分保留原始地貌，地形较复杂。场区内有零星基岩出露，山上普遍植被较繁茂。目前规划风电场场区内没有测风塔，规划风电场周围已有三座测风塔（A、B、C），测风塔海拔高度分别为275m、745m和414m，已有测风塔的相关信息见表1。已有测风塔与规划风电场的相对位置如图1所示。

A测风塔距离规划风电场场址中心的距离为16km；B测风塔距离规划风电场场址中心的距离为21km；C测风塔距离规划风电场场址中心的距离为30km。

采用WindSim软件，建立该区域的风资源模型，该模型可联合A、B、C三座测风塔对大范围区域进行风资源模拟，风资源模拟结果基于三座测风塔的测风结果，这样，可以降低测风塔相距较远、地形较复杂所引起的误差。大范围的风能资源图如图2所示。

为了准确评估规划风电场的风能资源，需要在规划风电场内树立测风塔，获得实测风速，根据GB/T 18709－2002《风电场风能资源测量方法》所选测量位置的风况应基本代表该风电场的风况；测量位置附近应无高大建筑物、树木等障碍物，与单个障碍物距离应大于障碍物高度的3倍，与成排障碍物距离应保持在障碍物最大高度的10倍以上；对于地形较为复杂的风电场，应选择两处及以上安装测风设备。利用WindSim软件选取3座拟立测风塔的位置。拟立测风塔的相对位置如图3所示。

图1　已有测风塔与拟建风电场相对位置

图2　拟建风电场及周围区域风能资源分布

图3　拟立测风塔的相对位置

测风塔权重分析

规划风电场选立3个测风塔点，为了分析所选测风塔点对复杂地形风电场整体代表性，需考虑每个测风塔对风电场区域的贡献（即权重）。距离测风塔越近的位置，则该测风塔对其权重则越大，相反的，距离测风塔远的位置，则该测风塔对其权重则越小。当测风塔个数较少时，在距离较远处，测风塔对其权重过大，则无法准确评估离测风塔较远区域的风能资源品质，引起较大误差；当测风塔个数较多时，将会造成不必要的浪费

图4－图6为所选测风塔对整个区域的风资源模拟结果的贡献（权重）。

在测风塔1和测风塔3的5km位置处，两个测风塔对其风资源分析的影响权重各为50%；在测风塔2位置处，测风塔1对其风资源分析的影响权重为70%－80%，测风塔3仅对其贡献20%－30%。这与实际工程中测风塔的有效代表范围相近。从权重图（图4－图6）可以看出，在规划风电场区域内，测风塔1、测风塔2和测风塔3对规划风电场各区域范围有较好的权重影响，所选立测风速能较好的反映整个规范风电场的风能状况，具有代表性。

图4　测风塔1所代表的权重系数

图5　测风塔2所代表的权重系数

图6　测风塔3所代表的权重系数

测风塔位置的相关参数

在复杂地形条件下，地形的隆升和低凹变化对风的运动有很大的影响。在近地层中，由于受地面粗糙度的影响，风速随着高度增加而增大，地面粗糙度越大，风垂直切变越大。

气流通过障碍物时，障碍物下游会形成尾流扰动区，风速降低，同时产生湍流，在障碍物的上风向和其外侧造成湍流涡动区。

用于风能资源评估的测风塔，在选址上必须综合考虑风流参数定向计算的结果。入流角、风切变尽可能小的情况下，根据具体的地形选择合适的位置。 利用WindSim软件计算测风塔1、测风塔2和测风塔3处的风流参数如下表2所示。由表2可见，风切变和入流角较小，所选测风塔1、测风塔2和测风塔3处位置开阔，受下垫面地形及周围障碍物影响较小，适合树立测风塔。

表2　拟建测风塔处风流参数

总结

建设风电场，首先要对选定区域进行风能资源评估。用于风能资源评估的测风塔，在选址上必须考虑测风塔的代表性，且要综合考虑风流参数。在入流角、风切变尽可能小的情况下，根据具体的地形条件选择合适的具有一定代表性的位置。WindSim软件对复杂地形区域具有一定的模拟能力，同时可以较为准确地计算出区域内的风流参数，为风电场前期选取测风塔位置提供较为可靠的依据，减少由于测风塔代表性不足而产生对风电场建设投资影响。通过WindSim软件的模拟计算，可以得到场区初步的风能资源分布情况，然后根据分析结果选择合适位置的测风塔点，更为准确地反映拟建风电场的风能资源状况。

（作者单位：中水珠江规划勘测设计有限公司）