一种基于大气稳定度的风资源评估方法

在风资源评估过程中,平均风速、风切变指数、风功率密度等是必须测量的特性参数,这些参数的测量均受地形地貌、大气稳定度、测风时间、测风设备的影响。在目前的风资源评估中,大气稳定度的影响基本都被忽略,因此,影响了风资源评估的准确性,甚至会带来选址的决策性失误。文章研究了大气稳定度对风资源特性的影响,并以美国某地4年的测风数据为例,研究大气稳定度对风切变指数,风能玫瑰图,风功率密度等的影响,建立了考虑大气稳定度的轮毂高度风速外推模型,解决了目前风资源评估中外推轮毂高度风速时由于使用整个风电场的平均风切变指数而带来风资源评估误差的问题。算例结果表明,该模型结构简单,外推结果精度高,具有较强的工程实用价值。     

典型风电场地形大气稳定度对风机出力的影响

[目的]分析了大气稳定度对风机出力的影响,为提高计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）风能资源模拟精度提供技术参考。[方法]选取立于平坦和复杂山地两类典型地形上的两座测风塔不同高度的风速、气温、气压等观测数据,使用莫宁-奥布霍夫长度法分别计算两座测风塔所在区域的大气稳定度,参照Irwin大气稳定分类标准对稳定度计算结果分类,再根据分类结果进行两座测风塔轮毂高度处出力分析。[结果]结果表明：在近地面层,复杂山地大气热效应造成的表层垂直混合作用更为明显,造成的大气不稳定性较为强烈,但垂直混合作用不充分;复杂山地大气稳定度对风机出力的影响大于平坦地形,其不确定性更强。[结论]在进行CFD风电场流体建模时需要考虑大气稳定度的影响,特别是超低风速复杂山地场址条件下,大气稳定度的评估对风机选型及发电量仿真精度尤为重要。     

风电场运行对局地边界层气象因素影响

以5 MW风力机组成的风电场为研究对象,采用湍流理论和大气流动特征,分析不同下垫面情况下风电场运行时局地边界层气象因素的变化过程,利用UDF函数编译风电场入口边界条件及不同的地表粗糙度,并利用风洞试验验证模型计算的正确性。研究表明,风电场的存在会减小边界层大气能量并增加湍流动能,具体结果表明:风电场下游风速减小,且风速随着地表粗糙度的增大逐渐降低,速度恢复率逐渐降低;湍动能随着地表粗糙度的增大空间非均匀分布特性更加明显;温度沿垂直方向略微降低,且随着地表粗糙度的增大影响程度加深;同时随着风电场装机规模的不断扩大,其影响范围及程度也增大。     

沿海地带大气热稳定性判定模型及其在风切变的应用研究

文章基于某沿海测风塔的实测风数据,分析比较了不同大气热稳定度判定参数及分类标准对沿海地带风切变系数计算的适用性,并采用合适的大气热稳定度分类方法对该地区的大气热稳定度进行分类,计算不同大气热稳定度等级下的风切变系数,外推高层风速,并与该测风塔的实测高层风速进行对比分析。分析结果表明:推算小风速时误差较大;风切变系数的日变化与大气热稳定性的日变化存在着高度的相关性;相比于其他判定模型,使用基于梯度理查森数的模型能得到更具有鲁棒性的风廓线特性;相比于传统的不分类推算方法,按照不同热稳定性下的风切变系数外推可得到更准确的高层风速。     

大气稳定度对内陆低风速风电场发电量影响研究

基于Monin-Obukhov相似理论,推导得出风速和Monin-Obukhov(M-O)长度之间的表达式,根据M-O长度与大气稳定度的关系,建立低风速区域不同大气稳定度下的风速区间。据此,使用Meteodyn WT软件对白天不同风速区间的大气稳定度进行划分并定向计算,将计算结果与均采用中性大气稳定度对比,结果发现:低风速区域,大气稳定度对内陆风电场的发电量具有一定影响,需考虑折减系数,发电量折减系数随白天低于中性大气强风阈值的实测风速比例增加而变大。     

考虑风资源特征的海上风电场功率输出精细建模研究

大型海上风电场功率输出会受到多种复杂环境因素的影响。为了研究海上风电场的功率输出特性,建立了考虑海面粗糙度、大气稳定度、尾流效应等因素的海上风电场风资源模型,并对风电机组中的风力机、齿轮箱、发电机、变流器等部件进行精细建模。然后,结合上述模型和集电线路建立了整个风电场的仿真模型,分析了大气稳定度和海、陆风对风电场功率输出的影响。分析结果表明:大气稳定度对风电场功率输出影响较大;海、陆风对风电场功率输出的影响主要体现在机组间的尾流差异。     

台风过境风电场的CFD数值模拟方法研究

以台风烟花过境沿海陆上风电场期间,风电场内特别是风电机组位置的风速、风向和湍流强度的微尺度分布及其随时间的变化为研究对象,基于中尺度WRF模式的模拟结果建立CFD计算域的边界条件,建立台风大气边界层风速、风向廓线参数化模型,以及考虑中尺度热带气旋和台风边界层内卷效应的风场CFD计算模型。算例结果表明,所建立的台风大气边界层风场CFD计算模型可反映台风大气涡旋在风电场微尺度范围的流动特性,风电机组轮毂点的计算风速和实测的机舱风速符合较好,表明所研究的方法可进一步应用于台风影响地区风电场内风电机组台风风险的精细化评估,开展考虑台风风险的微观选址优化等。     

考虑地形因素的风电场动态同调分群方法研究

针对传统风电场动态等值方法因不考虑复杂地形影响而出现的等值精度偏低的问题,文章提出了一种基于双馈风电机组同调判别的风电场动态分群方法。首先,分析了地形因素对风电场输入风速及风电机组动态特性的影响,其中包括风速分布的影响、尾流效应的影响、机组不规则排布造成的集电线路阻抗影响等;然后,通过分析双馈风电机组多阶模型的特征量对其主导模式的影响作用,提出了以机组转子电流作为观测量进行同调性判别,并根据风电场内各台机组的转子电流动态受扰轨线相似度,利用层级聚类算法完成对场内机组的分群聚类。仿真结果验证了文章所提出方法的有效性。     

两种不同风切变指数计算方法在风速垂直外推中的对比分析

文章在全面分析风切变影响因素的基础上,通过两种常用的风切变指数计算方法垂直外推某一特定高度的时序风速和计算年发电量,并与实际情况进行对比分析,以此判断两种方法的优劣.结果 表明:风切变指数受动力和热力因素综合影响,随时间和空间的改变而动态变化;应用时序风切变法垂直外推的风速,其频率分布和对应发电量的偏差都较小,明显优于...     

基于FCM-等值风速模型的风功率日前预测

由于风速的随机性、间歇性,以及风电场内各机组风速、功率的分散性,给风功率预测带来了较大难度。在计算风速线性相关的权值基础上,提出了改进模糊C均值聚类算法（fuzzy c-means,FCM）的风速模型,建立了风电场等值风速与改进FCM风速的关系函数。以某风电场实测数据进行验证,结果表明：所提风电功率预测方法算法简单;该方法预测精度提高了71.35%。在该风电场不同日周期下,验证了所提预测方法的有效性和普适性。     

基于PWMM的三参数Weibull分布参数外推方法的研究

为提高低风速区分散式风电项目的风资源评估精度,降低测风成本,在对三参数Weibull分布参数估计和外推的研究基础上,提出基于概率加权矩法(PWMM)的三参数Weibull分布参数垂直外推方法。利用较低高度处风速统计的概率加权矩,经垂直外推得到平坦地形、较高高度处风速Weibull分布的参数,进而得到Weibull分布函数和风功率密度。算例分析表明:基于PWMM的三参数Weibull分布参数垂直外推法在平坦地形不同测风点处有一定的适用性外推较高高度处风速Weibull分布的参数,可有效体现平坦地形低风速区的风速分布特征,提高风功率密度评测精度。     

WEPAS和WAsP在复杂地形条件下的适应性

利用WEPAS和WAsP软件分别计算了南澳风电场的发电量,在充分考虑岛屿型复杂地形地貌条件下对2个软件的计算结果进行对比分析,研究表明,对于地形复杂的南澳风电场,WEPAS和WAsP软件发电量计算结果与实际发电量差值分别为-15.18%和28.02%。其中,WEPAS软件计算的风电场风速和风功率密度上下限偏差较小,结果比较平滑;WAsP软件计算结果比实际值偏高,但是单台风机平均风速和发电量计算结果与实际风况变化趋势比较一致。对上述结论的可能原因进行分析,初步显示2种软件的风场风况计算模式在复杂地形条件下存在较大的不足,风场诊断模式不能较好地模拟复杂地形条件下大气边界层风廓线的实际流动状况。因此,需要改进模式,研发出适用于大气边界层流动计算的风廓线模型、湍流模型和地表函数模型。     

基于混合Copula优化算法的风速预测方法研究

针对风电场中各风电机组风速之间存在的复杂时空相关性问题,提出一种基于混合Copula优化算法的风电场风速预测方法。该方法首先分析单一Copula函数拟合优度检验,选取合适Copula函数进行组合;其次,构建混合Copula函数模型对风电场内多风电机组风速相关性进行分析;最后应用最大期望（EM）算法求解模型相关系数并完成风速预测。结合优化算法,改进Copula函数能很好地解决风速相关性问题,为获取准确风速预测值奠定基础。以中国某地区风电场风电机组实测风速数据为例对所提方法进行验证,实验结果表明该模型可在准确分析风速相关性的基础上提高风速预测准确性。     

基于Park-Gauss模型考虑大气稳定性对布局优化的影响

基于Park模型尾流区线性膨胀假设和径向风速呈高斯分布假设,提出一种新的修正型的工程尾流模型Park-Gauss模型,采用小生境遗传算法,并考虑大气稳定性对风电场布局优化的影响。结果表明:对常风速单风向风电场微观选址布局优化结果是风力机组主要布置在垂直风向的第1排和最后1排;大气边界层稳定性对风电场微观选址布局优化影响显著,在大气边界层不稳定状态下,风电场安装机组总数最多、发电总量及风电场利用效率最高,中性状态和稳定状态依次次之。     

基于热稳定度风向标准差法的风速外推模型研究

针对风能评估中外推轮毂高度处风速的问题,分析了高层风切变指数特性,建立了基于风向标准差法的风速外推模型。该模型首先剔除小于3 m/s的低风速数据及大于25 m/s的高风速数据,再利用风向标准差法对该地区风资源进行热稳定度分类,计算相应的风切变指数,并进行轮毂高度处风速推算。计算结果表明,相对于没有进行数据筛选的计算模型,推算精度提高了5.46%,加强了风能评估的准确性,对风电场的风资源评估具有一定的指导意义。     

中国风能开发利用的风环境区划

基于大气边界层气象和气候学理论分析以及中尺度数值模拟,采用秒级探空气象资料和典型地形激光雷达观测资料,依据风能利用高度内总体风能资源开发潜力,划分出9个风环境区。年平均风能环境指数最高的风环境区是北方通风廊道,其次是东北平原,最低的是青藏高原下游地区。发现在稳定大气条件下,风能利用高度内的平均风速垂直变化呈两层分布形态,下层平均风速随高度的增速比上层大2～5倍。下层风速的垂直变化取决于地表特征,上层则受上游大地形造成的局地环流影响,由此形成不同风环境区风能资源特性的差异。最后给出构建不同地形条件下平均风廓线计算方法的建议。结论可为中国风能资源评估理论拓展与数值模拟、风电场选址和适用复杂地形条件的风电机组设计提供科学支撑。     

基于物理原理的风电场短期风速预测研究

对符合功率预测要求的短期风速预测进行研究,提出了基于物理原理的预测方法,该方法以数值天气预报(Numerical-Weather-Prediction,NWP)风速为输入数据,采用粗糙度变化模型与地形变化模型反映风电场局地效应对大气边界层风的影响;通过与不同风况下的实测风速进行比较,表明预测结果基本能满足预测精度的要求,但预测准确性会随风速变化剧烈程度的增强而有所降低;根据误差分析,NWP风速的准确性是影响预测结果的最主要因素。     

基于CFD和NCPSO的复杂地形风电场微观选址优化

针对复杂地形条件下风电场微观选址技术难度大的问题,提出一种基于数值计算结果和高效优化方法的微观选址优化算法。将测风数据按风向等分成12个扇区,并利用平均风速和CFD对复杂地形的每个扇区进行数值模拟,得到风电场各扇区的风资源分布,提取轮毂高度处的风速和风向分布。优化中风力机的尾流影响采用Jensen尾流模型,风电场风能计算中风速按照威布尔分布处理,并考虑每个扇区风速的大小、概率密度。目标函数为整个风电场的输出功率倒数的对数,自变量为风力机在给定风电场中的位置坐标,约束条件为地形边界和风力机之间的最小距离,优化算法采用该文提出的改进小生境粒子群算法(NCPSO),优化风力机组微观选址的最优解。该文提出优化算法得到的结果与基于高度的经验布置方法(EX-TH)、基于风能密度的经验布置方法(EX-PH)以及普通粒子群算法(PSO)进行比较,证明在复杂地形条件下所提出方法的可靠性与有效性,并可应用于工程实践。     

基于优化CFD模型的风电场风速数值模拟

为了提高风资源普查的精度,更好地针对我国地形及风况,文章优化了现有风资源计算流体力学模型,并编写了相应计算模块。优化模型包括:(1)贴合复杂山地地形的网格化分器,可以对任意地形进行网格划分;(2)通过分析测风数据自动计算湍流模型系数;(3)增加温度运输方程,将大气边界层热稳定度耦合到动量方程和湍流模型中;(4)与实际大气边界层热稳定度分层效应一致的入口条件及壁面函数。为了验证优化后的风资源计算方法的精度,文章对一待开发风电场进行了风资源计算。计算结果显示,使用优化的模块可以更精确地计算风速,与优化前相比,可以将误差至少降低10%。     

风电工程中负切变现象的分析研究

针对风电工程中的负切变现象,分析了负切变现象形成的原因,结果表明,在下垫面粗糙度产生突变的过渡段区域、有明显隆升地形的区域,以及大气热稳定性变化大的区域容易产生负切变现象;结合潮间带海上风电场、复杂地形的山地风电场及温度变化剧烈区域的平原风电场的实际测风数据,分别分析了粗糙度、复杂地形、大气热稳定性对风切变特性的影响,...