实现中尺度区域风能资源仿真的方法及应用

文 | 朱重喜 张果宇

实现中尺度区域风能资源仿真的方法及应用

文 | 朱重喜 张果宇

目前国内风电发展迅速，三北地区、沿海地区、以及内陆山地都积极开发风能资源，了解场址及区域内风能资源是开发风电的第一步。现在国内风电开发运营企业大量建设测风塔以了解风能资源分布，但数据表明约一半数量的测风塔所测区域的风能资源并不理想，在目前技术条件下无法进行风电开发，浪费了不少资金、时间和精力。

通过中尺度区域风能资源仿真评估可分析出较大范围内的风能资源情况，分析出资源较优区域，适合风电开发的场址区域，便于开展风电场宏观选址工作，也可以在合理区域设置测风塔，避免设置无利用价值的测风塔，节约资金和时间。

应用现状

中尺度区域风能资源仿真评估工作可以了解该区域内风能资源分布状况，评估可开发风能资源区域，便于风电场前期开发，也可以针对大区域内典型和特殊风能资源条件，找到相适应的典型风能资源条件机型。

目前国内风电开发运营商、风电机组制造商和设计院只对设立气象站和测风塔附近的小区域（5km－10km）进行风能资源评估工作，能做到微观选址程度，区域局限性较大。大区域风能资源评估只有中国气象局等少数单位在做相应工作，但并不完全针对风力发电的应用。例如中国气象局对江苏省中尺度区域进行了风能资源评估，但未做浙江省、广东以及内陆地区的风能资源评估。福建省气象中心对福建省区域风能资源仿真评估也做了有益的分析。

国外一些咨询公司、科研单位有开展相应的大尺度和中尺度区域风能资源仿真评估工作，比如美国国家可再生能源实验室NREL等。方法有通过卫星监测得到风能资源数据，也有通过仿真分析得出风能资源数据等。国内也有莱维赛尔等测风及咨询公司开展相应工作。

风能资源仿真分析技术

一、风能资源仿真技术简介

风能资源仿真技术主要有基于线性模型（经验公式综合计算）的仿真计算和基于CFD技术（计算流体力学）对风能资源进行仿真模拟。

线性模型风能资源仿真技术软件由实验和推导的经验公式来计算和模拟风能资源。目前主要有WAsP、Windfarmer和Windpro等软件，应用广泛。当在复杂的地形条件下，坡度大于17度时，基于线性模型下的软件WAsP所计算出来的结果就会带来很大的不确定性。

CFD风能资源仿真技术根据流体力学的规律进行模拟求解，将几何区域分解为小的网格，并在其中求解复杂的偏微分方程组，以此来模拟场址内的风场情形，可较好的计算出相对复杂地形下的风流分布情况，因此可以用于相对复杂地形条件下的风电场选址及风能资源。实验表明对于复杂地形，尤其是坡度超过17度，CFD技术具有较高的计算精度。目前主要有Meteodyn WT和Windsim等软件。

二、两种计算原理的比较

WAsP、Windfarmer和Windpro软件是基于线性模型（经验公式综合计算）的计算软件。而MeteodynWT和Windsim软件的建模是基于CFD技术，可以更合理仿真气动流体，减少复杂地形计算结果的不确定性。

线性模型计算软件由实验和推导的经验公式来计算和模拟风能资源，如图一所示。

尾流区中的风速降低也由计算公式推导：

式中：Udownwind为下风向平均风速，x为间距，Ct为风电机组推理系数，Drotor为风轮直径，k为衰减系数。

计算流体力学软件使用的CFD技术（计算流体力学）是通过计算机的帮助对流体进行模拟。CFD技术根据流体力学的规律进行模拟求解，将几何区域分解为小的立方体空间（即通常我们所说的网格），并在其中求解复杂的偏微分方程组。CFD技术网格划分示意图如图2所示。

三维不可压缩瞬时Navier Stokes方程的基本形式：

三、风能资源仿真分析软件简介

下面简介基于线性模型下的软件WAsP和Windfarmer；基于CFD模型下的软件Meteodyn WT和WindSim。

（一） WAsP软件

WAsP软件是目前国际认可的进行风电场发电量计算与风电机组最优化布置通用软件。WAsP是风力气象预报、风电机组和风电场产能预报的PC平台应用工具，它是行业标准的风力评估软件。服务于风力气象和风力相关产业超过15年，成为基于PC的风能资源评估软件的标准。目前在100余个国家有超过2000的用户。WAsP软件界面如图三所示。

（二） Windfarmer软件

Windfarmer软件是基于WAsP计算内核。WindFarmer软件主要用于分析、设计和优化风电场，可同时考虑地形和尾流效应来计算风电场电能产量；对风电机组进行产能最大化和成本最小化的设计，并使其符合自然条件、规划设计和工程建设的要求；具有先进的制图工具，还能进行风力流动计算、噪音计算和风速数据的测量－相关联－预测分析（MCP）。采用可视化工具创建集锦照片，包括图像动画、风电场电缆视图显示、阴影闪烁分析和创建视觉影响区域地图。

WindFarmer软件界面如图4所示。

（三）MeteodynWT软件

图1 线性软件计算原理示意图

图2 CFD技术网格划分示意图

图3 WAsP软件界面

MeteodynWT软件是法国美迪顺风公司(Meteodyn)开发出的一款针对复杂地形的风能资源评估软件。该软件的核心是一组专门用于大气流研究的流体力学计算编码(CFD)，所有可能在实际中加以利用的风能都属于大气流的研究范畴。气流特征和能量分布图可以在虚拟现实环境下得以清楚地呈现。MeteodynWT能够显著降低由于复杂地形(高山，森林，滩涂等)所产生的风电场设计方面的不确定性，提高风能资源评估准确性。 Meteodyn WT软件界面如图5所示。

（四）WindSim软件

WindSim软件是由挪威WindSim公司开发的基于计算流体力学（CFD）的风能资源分析评估与风电场选址设计软件。WindSim软件是求解风场边界条件下的流体力学微分方程，获得微观风场内的基本流动细节，根据空气流动的能量分布，安排风电机组处于高风能区。其湍流模型采用湍流动能耗散率闭合方案。风场计算模块适用计算流体力学商用软件Pheonics的结构网格解算器部分。WindSim能够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；风速与风向在叶轮扫风面内的变化；规划风场任何位置的垂直风廓线。

分析的思路和办法

通过收集相关区域的测风数据、数字地形图等资料，构建计算模型，不论是线性计算模型还是流体仿真计算模型都可以提供有益的参考价值。进而与区域内已知的其他测风资料比较分析，完善计算模型。

1 收集和整理大区域内相关气象站和测风塔风能资源数据。

2 收集和整理大区域内相关数字化地图。

3 针对区域位置和气候条件等因素，将数据导入仿真计算软件，并设定相应参数。

4 处理并分析仿真计算结果。

5 分析得出大区域内风能资源分布状况，可开发的风能资源地区，典型及特殊风能资源条件和相适应机型等结论。

应用实施案例

为说明数据的选取途径和仿真方法，对某个区域（直径约100km）进行中尺度的风能资源仿真分析。

一、 收集和整理测风数据

区域内测风数据尽量多收集起来，包括测风塔的位置，经纬度，年平均风速，湍流强度，最大风速，极大风速等材料，并制成风能资源tab文件（包括威布尔分布图6、风向玫瑰图图7等）。

图4 WindFarmer软件界面

图5 Meteodyn WT软件界面

本案例采用某测风塔测风数据，年平均风速7.35m/s，主风向S，NW。

二、中尺度大区域数字化地图处理

选用Global Mapper绘制并导出大区域中尺度数字化地图，如图8所示。由于该区域面积较大，范围直径约100公里，选取等高线每50m一根。在满足分析精度基础上避免地图文件过大。小区域微观选址计算时一般为等高线每1m－2m一根。

使用WAsP MAP处理粗糙度。根据区域卫星地图拍摄以及实地勘察等情况，合理绘制地图的粗糙度，如图9所示。

图6 测风塔威布尔分布

图7 测风塔风向玫瑰图

图8 Global Mapper处理大区域数字地图

三、导入计算软件，设定参数

本案例中笔者采用WAsP软件进行风能资源仿真分析。如果有条件，建议最好选用Meteodyn WT和Windsim等CFD流体仿真计算软件，能较好地保证计算的精确度和流场模拟，但计算时间很长，对计算机硬件要求很高。而且Meteodyn WT等软件可导入多个测风塔数据，可更全面更精细地评估区域风能资源。导入计算软件处理如图10所示。

在WAsP计算中设定中尺度区域风能资源网格精度为500m－1000m，以保证计算的有效性和精确度。小区域微观选址风能资源网格精度一般为20m－50m。

图9 区域地图粗糙度处理

图10 导入计算软件处理

四、处理并分析仿真计算结果

通过软件的计算处理，得出了该区域的风速和风功率密度分布图如图11和图12所示。

五、小结

图11 中尺度区域风速分布图

图12 中尺度区域风功率密度分布图

通过分析该区域的风速和风功率密度分布图，了解可开发的风能资源地区，例如：该区域东北面山地有较大范围的风能资源较丰富区（平均风功率密度达300 W/m2－500W/m2），西南面也有两块风能资源较丰富区。与附近相关测风塔测风数据比较，发现该计算结果有较大程度的可靠性。但还可进一步验证和提高计算的精确度。

由于只能采用WAsP线性软件计算，且WAsP只能采用一根测风塔数据，计算局限性较大，若采用Meteodyn WT等CFD仿真计算软件，且输入多个测风塔数据，仿真计算的精度会更好。

此外还可根据区域风能资源分布状况，判断出适用于该区域典型及特殊风能资源条件的相适应风电机组机型。

结语

风能资源仿真分析技术可以对大区域、中尺度区域风能资源进行仿真分析，模拟该地区风能资源状况，判断可开发的风能资源地区，合理设置测风塔，优选相适应的风电机组类型，在风电场前期开发中起到积极的作用。

建议在仿真计算中尽量采用精细的地图数据，导入多个测风塔数据，应用Meteodyn WT和Windsim等CFD流体仿真计算软件，虽然计算时间较长，但能较好地保证计算的精确度，能更全面地评估区域风能资源。

中尺度大区域风能资源仿真分析计算对计算机配置要求较高，推荐配置8核（16核）CPU，16G内存，4.0HZ主频，500G硬盘。

风能资源仿真分析技术只是在计算机上仿真模拟该地区风能资源状况，并不能完全代替在场区内设立测风塔。在选取风能资源条件合适的区域后，需要进一步在场区内设立测风塔取得详尽的风能资源数据，为风电场风电机组布置、发电量计算等微观选址工作，以及风电场开发工作取得原始风能资源数据。

（作者单位：浙江运达风电股份有限公司）

摄影：宋永新