复杂地形拼合地形图对风电场风速推算的影响
2016-12-12王聪任会来张晓东
文 | 王聪，任会来，张晓东
复杂地形拼合地形图对风电场风速推算的影响
文 | 王聪，任会来，张晓东
随着大规模风电场的不断上马，平坦地形场址资源开发殆尽，复杂地形场址的利用迫在眉睫。我国幅员辽阔，地形多样，很多省份地处山地和丘陵地带，同平坦地形相比，复杂地形（如山地）风电场往往具有更好的风能资源和更广阔的开发空间。
风电场前期评估对于风电场的建设、运行有着非常重要的意义，而地形图的精度又直接影响前期评估的准确性，还可以如实反映出场址的细节特点，因此地形图的精确性十分重要。
在风能资源评估过程中，按照可研编制规范的要求，需要收集风电场边界及其外延10km范围内的1:50000地形图、风电场边界及其外延1km－2km范围内的1:10000地形图或1:5000地形图，尽量收集风电场范围内1:2000地形图。由于1:50000和1:10000地形图一般的测绘时间都相对较早，无法反应风电场内及其周边的地形、地貌的真实情况，而1：2000地形图的测绘费用较高，制作周期也长。因此，目前在风电场前期评估中，为了提升评估精度，对于能够取得风电场内实测1:2000地形图的项目，多采用实测1:2000地形图与1:50000或是1:10000地图拼合的形式。这样既可以提高对风电场建模影响最大的场内地形的精度，又能节省资金。但是拼合的地形图也有一定的缺点，比如拼合边界部分过度剧烈，对流场模拟计算结果会产生一定的影响。
本文将使用主流的风能资源计算软件WT和WindSim，选取国内某复杂地形风电场为例，对风电场的风能资源指标进行计算，对比分析两种地形：1:50000地形图和拼合地形图对数值计算结果的影响。
场区描述
如图1所示，场区内最高海拔346m，山体大致为南北走向，地形起伏较为明显。属于典型的丘陵地带，地形较为复杂。场区内多以林地为主，在进行两种地形图计算时，粗糙度采用相同的设置。1号机位于拼合地形图中1:2000地形图外部。
场区内有33台风电机组，1座测风塔，其中测风塔位于场内偏东方向。拼合地形呈长条状，东西长（16km与主风向平行），南北窄（最窄处600m）。
场区内主风向不明显，风向位于东部扇区较多。
风速分析
一、风速结果
图3为两种地形下，WT与WindSim计算出来的各机位点的平均风速。
从图3可以看出，在不同地形图下，风速总体变化较
小，但仍有区别，两款软件都捕捉到了02号、03号，12号－15号，23号－29号等机组点位处的风速变化，只不过在大小上略有不同。1号机组位于拼合地形图中1:2000图区域以外，平均速度本不应该变化，但是由于测风塔位于拼合地形图中1:2000图区域中，因此，测风塔在两种地形中的差别导致了1号机组风速的微小变化。
将风速变化超过0.1m/s的机组点位进行对比，发现，如表1所示，两款软件都捕捉到了08号、12号、13号、14号、23号五个点位风速变化过大，这说明不是偶然情况。
这五个点位拼合前后的垂直高度差在所有机位中处于中下游水平，但是风速变化却很大，这主要是因为地形变化导致，但是准确的地形变化我们无从得知，只能在地图上捕捉到部分变化明显的机位。如图4所示，12号、13号机位极为靠近拼合地形的边缘（100m），所以，可以判断是边缘地形的突变导致了风速的变化。
因此，地形拼合边缘处的风电机组，有可能受到地形突变的影响而导致风速变化。
表1 风速差距较大机位
二、高度与风速
如图5所示，除13号机位外，所有风电机组点位的垂直高度均有不同程度的增加，这是因为原地形图为1:50000
地形图，分辨率为90m，因此在一定程度上平滑了山体的变化，而1：2000图的嵌入使得场内地形变化更贴合实际，使得山体高度增加，山谷高度减小。绝大部分风电机组点位又位于山顶区域，因此，除13号机组点位外，所有机组点位的垂直高度均有不同程度的增加。
我们将两种地形垂直高度变化和风速变化联系起来，得到图5的结果，可以看出，在垂直高度变化的过程中，风速也有相应的变化。WT在2号－7号，10号－23号等风电机组点位处，曲线匹配非常好，趋势极为相近；在08号、29号－33号点位处曲线差距较大，趋势相近；其他点位处曲线匹配和趋势都有较好的相关性。WindSim在曲线匹配和趋上都表现的比WT结果要差一些。
地形的拼合同样导致了地形陡峭程度的变化，如图6所示，拼合地形的陡峭程度均高于原地形，这也侧面证明了拼合地形的机位垂直高度均有所提升。两条曲线相关性良好，其相关值为0.81。
由以上分析可以看出，地形的拼合使场内地形发生了变化，陡峭程度，垂直方向高度也随之增加，引起了平均风速的变化，垂直高度变化与风速变化有一定的相关性。
三、两软件对比
图7为拼合地形中，两款软件的计算风速。可以看出，他们在许多点位数值相近，但是在23号－26，28号－33号点位上，风速差距较大。
这是由于WT和WindSim两种软件分别使用单方程和双方程湍流模型，并且在求解参数以及垂直网格划分上都有不同，所以结果也有差异，这里不做具体分析。
其他参数分析
一、入流角分析
同样由于地形的变化，风电机组点位处的入流角也均高于原地形，图8为拼合地形下，两软件入流角的对比。由于两软件之间模型和参数存在很多区别，因此在这里只讨论各自的趋势和数值，不直接做横向比较。
将入流角按由大到小顺序排列进行对比发现，两软件都捕捉到了30号、28号、13号、14号、11号点位的较大入流角。
由以上分析可以看出，地形的拼合使机位点的入流角发生了变化，同时导致了部分机位的入流角过大，而入流角的变化直接影响风电机组的使用寿命，因此，在拼合地形下，入流角参数的变化应该予以重视。
二、风廓线分析
由图5所示的高度差和图6所示的陡峭指数可以看出，所有风电机组点位的周边地形均发生了不同程度的变化，这势必导致风电机组点位处的风廓线发生变化。
根据风向玫瑰图，我们选出了22.5°、112.5°和135°三个风频较高的方向，对随机抽取的11号风电机组风廓线进行观察，如图9所示，三个方向的风廓线均发生改变，其中22.5°方向改变较大；112.5°和135°方向由于山顶的加速效应提高了近地层的风速，因此风廓线出现了负切变现象。
由以上分析可以看出，地形的拼合使场内机位的风廓线发生了变化，因此导致了部分机位的切变也发生相应的变化，而切变对风电机组的使用寿命有一定的影响，因此，在拼合地形下，风电机组点位处风廓线的变化应该予以重视。
表2 入流角差距较大机位
结论
拼合地形图的使用，导致了计算过程中场内地形的改变，因此会导致部分情况发生：
（一）使用拼合后的地形图，机位点垂直方向高度普遍增加，同时陡峭指数（RIX）也随之增加。
（二）使用拼合后的地形图，拼合边缘处的风电机组，有可能受到地形突变的影响而导致风速变化，高度变化与风速变化有一定的关系。
（三）使用拼合后的地形图，部分点位的入流角以及风廓线发生了不同程度的变化，这两个参数对风电机组的运行寿命有一定影响，因此应予以重视。
（四）使用拼合后的地形图，能够更真实反映风电场内地形的情况，从而在一定程度上提高风电项目评估的精度。
以上使用拼合后的地形图所发生的变化，将直接影响微观选址的结果，从而在一定程度上影响风电项目评估的精度。
（作者单位：王聪：龙源（北京）风电工程设计咨询有限公司；任会来，张晓东：华北电力大学）
