精细化风能资源评估

呼津华2016年07月精细化风能资源评估北京风宜科技有限公司风宜科技主要内容1.边界层内风能资源基础知识简介2.IEC标准风况3.测风数据分析4.风电项目风能资源精细化评估的关注点风宜科技1.1大气边界层概述大气边界层：是大气与下垫面在小于一天的时间尺度上相互作用的层次，基本特征表现为大气边界层内气象要素存在明显的日变化。大气边界层的厚度（h）差异很大，不稳定时（如晴天午后）可达1～2km；而稳定时（如夜间地面强烈冷却时）可能只有100m的量级。风宜科技1.1大气边界层概述大气边界层结构的昼夜演变示意图风宜科技1.1大气边界层概述实测全边界层风廓线（实测－虚线；理论－实线)（a)中性（b)稳定源自：吴祖常、李大山，全边界层风速廓线规律风宜科技1.1大气边界层概述不稳定大气实测边界层风廓线（a）全边界层（b）近地层源自：吴祖常、李大山，全边界层风速廓线规律风宜科技1.2近地层的风切变近地层（摩擦层和惯性层的统称）近地层内的风速变化的观测和研究已经比较成熟，并得到了广泛的实践应用。通常认为近地层内动量通量、热量通量、水汽通量和风向随高度变化较小。近地层内最明显的即是风切变：风速随高度的变化。风切变是现代风电技术的基础理论之一。现有研究表明，就小范围的局地而言，地形、地表粗糙度、摩擦速度、大气稳定性是决定近地层风廓线的四种主要因子。风宜科技1.2近地层的风切变00*－lnzdzkuu11zzuuu为z高度处的水平风速；k即卡门常数，常值为0.4；u*为摩擦速度；D0为零平面位移，常略去。z0为风速为0的高度（也称下垫面的粗糙度）。动力学基础理论上完整的精度较高的中性风廓线u为z高度处的水平风速，u1为z1高度处的风速，α为风切变指数。更方便实用，可用于中性，也可用于非中性，且常用到近地层以上。严格而言α应与高度有关，是经验性的表述，尚不能在流体力学中表达。对数风廓线指数风廓线风宜科技1.2近地层的风切变典型下垫面的粗糙度地表覆盖粗糙度（m）冰面10－5～10-4平静的海10-4雪面10-3短草（3cm）10-2长草（60cm）0.05城镇郊区0.4城市、森林1大城市中心、丘陵区1～3摘自：赵鸣，《大气边界层动力学》实际模式中，每个网格点赋予一个地面粗糙度值——有效地面粗糙度风宜科技1.3全边界层的风切变大量研究表明，近地层一般约80～100余米高，随着生产、生活的发展进步，现代高耸建筑工程技术已延伸到近地层之上的Ekman层。目前常把200～300米以下的气层称作塔层。风电工程技术也已延伸到塔层高度。在近地层以上的塔层内，除地形、地表粗糙度、摩擦速度、大气稳定性这四个影响因子外，地转偏向力、大气斜压性、水平风剪切这三种因素的对风廓线的影响增大。考虑较大山体（相对高差300米以上）的影响，简单以近地层对数律描述风廓线，已不再适应工程发展的要求。由于影响因子增加，塔层内的风切变更加复杂。风宜科技1.3全边界层的风切变LMO为Monin-Obukhov长度，是表示大气稳定度的；h为边界层顶高；d为与夹卷层有关的经验系数（有取为0.8的）；LMBL是Ekman层中的一种混合长度（一般地认为在Ekman层中是常数）。风宜科技1.3全边界层的风切变丹麦Høvsøre测风塔2004-3-15～2005-11-2410、40、60、80、100、120和160m高度实测风结果（30°～90°扇区）与公式拟合From:Sven-ErikGryningetal.,Ontheextensionofthewindprofileoverhomogeneousterrainbeyondthesurfaceboundarylayer风宜科技1.3全边界层的风切变德国Hamburg电视塔50、110、175和250m高度及附近一12m高的测风塔2003年一整年的实测风结果（225°～330°扇区）与公式拟合From:S-EGryningetal.,Thewindprofileupto300metersoverflatterrain,TheScienceofMakingTorquefromWind风宜科技1.4大气边界层湍流湍流可以想象成是涡旋的不规则运动组成。大气边界层中湍流的时空尺度变化巨大：最大的涡旋尺度相当于边界层的厚度，直径100m—3000m；最小的涡旋量级只几毫米。大涡包络小涡，小涡中还有更小的涡。大涡的能量传给小涡，小涡传给更小的涡，直到被分子粘性耗散掉。风宜科技1.4大气边界层湍流关于湍流的两句名言：WernerKarlHeisenberg（量子力学的主要创始人）我要带两个问题去问上帝,一个是量子力学,一个是湍流，估计第一个问题上帝是有答案的。气象学家洛伦兹的“蝴蝶效应”“一只亚马逊热带雨林中的蝴蝶偶尔扇动几下翅膀,可能引起美国德克萨斯两周后的一场龙卷风。”在一个动力系统中，初始条件微小的变化能带动整个系统的长期巨大连锁反应。风宜科技1.4大气边界层湍流风宜科技1.4大气边界层湍流风宜科技1.5大气边界层基本方程组及求解连续方程状态方程动量方程热量方程水汽方程风宜科技1.5大气边界层基本方程组及求解使用不同的湍流模型，闭合大气边界层基本方程组并求解l总体平均N－S方程的求解单方程湍流模型双方程湍流模型雷诺应力模型（RSM）l大涡模拟（LES）l直接数值模拟（DNS）风宜科技主要内容1.边界层内风能资源基础知识简介2.IEC标准风况3.测风数据分析4.风电场区域的风能资源数值模拟5.风电项目风能资源精细化评估的关注点风宜科技2.1IEC标准中的部分定义风宜科技2.1IEC标准中的部分定义风宜科技2.2IEC标准的机组类型风宜科技2.3IEC标准的风况2.3.1入流角平均流线与水平面的夹角≤8º，且不随高度变化。风宜科技2.3IEC标准的风况风宜科技2.3IEC标准的风况风宜科技2.3IEC标准的风况风宜科技2.3IEC标准的风况风宜科技2.3IEC标准的风况风宜科技2.3IEC标准的风况风宜科技2.3IEC标准的风况风宜科技2.3IEC标准的风况风宜科技2.4IEC标准的其它环境条件l气温l湿度l空气密度l太阳辐射l雨，雹，雪，冰l化学活性物质l盐度l闪电l地震风宜科技2.5IEC标准的机位点适应性评估2.5.1场址地形复杂性场址地形复杂性评估时，地表网格分辨率不能大于1.5Zhub或100米。地形复杂性指数：ic如大于15%风能来自不符合表4标准的复杂扇区，为复杂地形ic=1；如少于5%的风能来自复杂扇区，为均一地形ic＝0；0与1之间，地形复杂性指数为线性变化。风宜科技2.5IEC标准的机位点适应性评估风宜科技2.5IEC标准的机位点适应性评估2.5.3评估相邻机组的尾流影响（见附件D）l上风向的单个、多个尾流对发电量的影响；l尾流影响后的有效湍流强度2.5.4评估其它环境条件正常和极端气温范围；冰，雹，雪；湿度；雷电；太阳辐射；化学活性物质；盐度2.5.5评估地震影响l475年一遇的地表加速度和反应谱l地震载荷需考虑叠加于正常运行载荷或紧急停机载荷风宜科技2.5IEC标准的机位点适应性评估2.5.6评估电网条件影响l正常电压和范围，在指定的电压范围和持续期内保持连接或不连接；l正常频率、范围和变率，在指定的频率范围和持续期内保持连接或不连接；l电压不平衡，对称或不对称故障的负相序电压百分数；l接地方式；接地故障检测和保护方式；l年均断网次数；自动重合闸的周期；需要的无功补偿计划；l故障电流和持续时间；风机端相相短路或相地短路阻抗；l电网背景谐波电压畸变；如有频率相同，电力线载波信号的存在；l穿越故障要求的配置文件；功率因数控制要求；l爬坡率要求；其它电网兼容性要求。2.5.7评估土壤条件风宜科技2.5IEC标准的机位点适应性评估风宜科技2.5IEC标准的机位点适应性评估风宜科技2.5IEC标准的机位点适应性评估2.5.9参考场址具体条件，通过载荷计算评估结构完整性l复杂地形缺少现场数据时，横向、竖向湍流标准差分别等于径向湍流标准差的1.0和0.7倍；l尾流影响下的疲劳和极限载荷，均应使用附件D所述湍流标准差，且关注不同材料所适用的Wöhler曲线指数m。风宜科技主要内容1.边界层内风能资源基础知识简介2.IEC标准风况3.测风数据分析4.风电项目风能资源精细化评估的关注点风宜科技3.1关于测风数据的检验和订正GB/T18709-2002《风电场风能资源测量方法》GB/T18710-2002《风电场风能资源评估方法》发改能源[2003]1403号《风电场风能资源测量和评估技术规定》发改能源[2004]865号《全国风能资源评价技术规定》QX/T74-2007《风电场气象观测及资料审核、订正技术规范》着重于检验，谨慎订正风宜科技3.2IEC标准对数据的要求l现场风参数可以是：（1）测得的0.2Vref～0.4Vref数据，及其外推数据；（2）由现场测量，当地气象站长期记录或当地标准计算得到。如使用现场测量数据，现场条件需与适合的当地气象站长期数据相关，除非能证明其为保守的。l现场测量期充分，至少获得6个月可靠的数据。风况季节变化显著的区域，测量期应充分包含季节性影响。l恰当的技术统计测量数据以决定径向湍流标准差，最好是用去趋势化的数据，地形或其它局部效应会影响湍流强度。l评估湍流强度时，应考虑风速仪特性、采样率、平均时距。风宜科技3.3长期相关性预测3.3.1参考数据的要求参考数据要能代表当地条件。l城镇化引起的长期数据持续地减小；l长期参考数据代表的气候条件与测量现场的气候条件差别：（1）二者是否有相同的气候条件，尤其是在海边、山区；（2）测量设施的变化，二者的差别；（3）测量高度的变化，二者的差别；（4）仪器的定期校准；（5）周围环境的变化（城镇化、半径5km范围内的新防风林、半径1km范围内的障碍物等）。风宜科技3.3长期相关性预测3.3.2相关性评价l并行数据的图形检查（弃用明显不合理的数据），如需要可以做时间迁移；l扇区匹配图表（识别风向死角并做订正），弃用风向无意义的小风速数据；l画出并检查分扇区的相关数字；l相关系数，或判别系数；3.3.3参考周期、样本平均时距l完整的、有代表性的参考周期；l气象测量标准采用10分钟参考数据，或1h、3h、6h；l如采用其它平均时距，需避免人为性的操控数据序列。风宜科技3.3长期相关性预测3.3.3相关性预测MCP方法理论上区分：l物理模型，如CFDl统计模型l经验模型l混合模型一种模式，如几种混合。风宜科技3.3长期相关性预测3.3.3相关性预测MCP方法l回归法：一次线性回归，高次多项式回归l矩阵法，不同风速段、不同风向的联合分布转换矩阵注意：缺测的风速段是否要插值或外推补齐l风指数法，多用于月平均风速的MCPlWeibull参数法3.3.4相关性预测结果的检验（1）均方根残差（2）用更新时段的数据检验，平均值，均方根残差值，偏度，峰度，相关系数风宜科技主要内容1.边界层内风能资源基础知识简介2.IEC标准风况3.测风数据分析4.风电项目风能资源精细化评估的关注点风宜科技•所在区域风资源成因分析•模拟计算区域范围选择•场址地理信息检查和分析•测风塔的准确定位和代表性范围•模型网格建立（水平和垂直分辨率，及网格扩展变化）•根据测风分析结果设立模型边界条件•模型迭代计算的收敛性检验•模型计算结果的交互检验•利用交互检验结果订正模拟结果•模拟形成的风资源图谱的分析10个风能资源模拟中的关键环节4.1风能资源模拟中的关键环节控制全面地有效地提高模拟结果的质量：l精细化l准确性l可靠性风宜科技4.2规范的现场考察全面的、规范的现场考察，是风资源技术的重要环节l首次初步考察测风塔详细信息，测风设备检查场址区域代表性位置周围场址区域内的主要植被和建筑分布场址区域内机组排布的主要限制性条件l微观选址各个机位点详细考察各机位点处风况与计算结果对比各机位点处建设施工条件l现场考察既需要丰富的经验，也需要科学规范现场记录、拍照、分析、总结风宜科技4.3精细化的各机位点风况l各机位