既有風電場區(qū)域粗糙度值設置方法研究

文 | 彭秀芳，項雯，王磊

既有風電場區(qū)域粗糙度值設置方法研究

文 | 彭秀芳，項雯，王磊

我國沿海地區(qū)大多具有地形平坦、風能資源較豐富、施工便利等優(yōu)勢，是理想的風電場建設區(qū)域。但隨著我國風電行業(yè)的迅速發(fā)展，沿海地區(qū)可利用的土地資源越來越有限，擬規(guī)劃風電場周邊存在既有風電場的現(xiàn)象越來越突出。對于投產(chǎn)前階段的既有風電場，其粗糙度值設置標準可參考平坦地形粗糙度等級及對應的粗糙度表。對于投產(chǎn)后階段的既有風電場，其相當于原有地貌上新出現(xiàn)的障礙物，會造成下游區(qū)域風速突然減小，隨后逐漸恢復的現(xiàn)象，然而到目前為止，有關其粗糙度值如何設置這一問題的研究幾乎沒有。因此，為提高今后在既有風電場存在條件下其臨近風電場發(fā)電量估算和選址工作的可靠性，現(xiàn)階段對既有風電場區(qū)域粗糙度值設置方法展開研究，進而準確模擬出既有風電場及其臨近區(qū)域風能資源分布規(guī)律是工作的當務之急，研究結(jié)果可為今后既有風電場區(qū)域粗糙度值如何設置問題提供相應的解決思路。

本文基于一定研究條件，分別闡述了投產(chǎn)前后既有風電場區(qū)域粗糙度值設置方法——“雙塔法”的計算原理，并結(jié)合某一工程實例驗證了本文提出的設置方法的可操作性和合理性。

研究條件

為簡化研究過程，本文在以下條件基礎上展開研究：

1.在既有風電場或其臨近區(qū)域內(nèi)選取2座測風塔，其測風數(shù)據(jù)需同時滿足在既有風電場投產(chǎn)前同一測風年和投產(chǎn)后同一測風年內(nèi)有效數(shù)據(jù)完整率均大于90%的要求。

2.假定在條件1中選取的投產(chǎn)前后兩個測風年時段內(nèi)，既有風電場臨近區(qū)域地形地貌未有改變。

3.考慮到大多數(shù)情況下，擬規(guī)劃風電場輪轂高度（即場區(qū)需模擬的高度）與既有風電場輪轂高度相差一般不超過既有風電場內(nèi)機組的葉輪半徑，因此，對于兩者高差超過葉輪半徑的情況本文暫不予研究。

4.假定影響投產(chǎn)后既有風電場區(qū)域粗糙度值的主要因素為機組輪轂高度、葉輪直徑以及機組間平均距離，其他因素暫不考慮。

一種新的粗糙度設置方法——“雙塔法”原理

“雙塔法”顧名思義就是以2座符合要求的測風塔測風數(shù)據(jù)為基礎，對既有風電場區(qū)域粗糙度值進行計算和設置，進而模擬出滿足一定誤差要求的整個研究區(qū)域的風資源分布規(guī)律。

“雙塔法”原理為：

（1）對既有風電場運行前時段內(nèi)選取的兩座測風塔同期數(shù)據(jù)分別進行分析和處理，得到兩塔在模擬高度處的風速風向數(shù)據(jù)，并確定輸入點和校驗點。

（2）根據(jù)運行前時段既有風電場及其鄰近區(qū)域的地形地貌特點及分布劃分若干個局部區(qū)域，并繪制相應的粗糙度線，根據(jù)《地形粗糙度線范圍對風電場計算的影響》一文中的研究成果，本次繪制的粗糙度線范圍距離研究區(qū)域邊界3000m及以上。

（3）根據(jù)運行前時段既有風電場及其鄰近區(qū)域的地形地貌特點在表1中規(guī)定的取值范圍內(nèi)初步確定各局部區(qū)域粗糙度值，同時將粗糙度值賦予給相應的粗糙度線。

（4）將輸入點在模擬高度處的風速風向數(shù)據(jù)文件以及步驟（3）得到的地形圖文件載入到風資源評估軟件——WAsP中進行計算，由此得到校驗點在模擬高度處的計算風速。

（5）驗證校驗點的計算風速與實測風速之間的誤差ε是否滿足規(guī)定的要求，即ε≤0.5%，ε的表達式如式（1）所示。

式中，Δv1——運行前時段校驗點在模擬高度處計算風速與實測風速的差值；

一、投產(chǎn)前階段

將距離既有風電場較遠的測風塔定為計算輸入點，另一座較近或在內(nèi)的測風塔定為計算校驗點。對于平坦地形，《風電場工程技術手冊》中將粗糙度按照不同地形特點進行劃分，詳見表1。

根據(jù)投產(chǎn)前既有風電場及其臨近區(qū)域不同地形分布畫出粗糙度線（粗糙度線范圍距離風電場邊界3000m及以上），在表1中規(guī)定的取值范圍內(nèi)選取粗糙度值并對粗糙度線賦予相應的值。由于表1中這種定義使得粗糙度的取值存在一定不確定性，為準確模擬場區(qū)風能資源，現(xiàn)通過選定的2個測風塔同期（投產(chǎn)前）數(shù)據(jù)對粗糙度值進行調(diào)整，即以模擬高度處輸入點的實測數(shù)據(jù)為基礎，采用WAsP軟件為風資源評估手段，對既有風電場及其臨近區(qū)域的粗糙度值按所在規(guī)定范圍內(nèi)進行取值調(diào)整，直到模擬高度處校驗點的計算風速與實測風速之間的誤差不超過0.5%誤差ε推求見公式（1）。

二、投產(chǎn)后階段

以投產(chǎn)前階段最終確定的地形圖文件為基礎，對既有風電場區(qū)域粗糙度進行重新賦值，進而得到新的地形圖文件，為后續(xù)進行風能資源模擬工作奠定基礎。下面對采用“雙塔法”計算投產(chǎn)后既有風電場區(qū)域粗糙度值的原理和過程展開論述。

（一）模型的簡化

假設既有風電場內(nèi)機組的輪轂高度為H，葉輪直徑為D，機組間平均間距為L。鑒于在（H－D/2，H＋D/2）的模擬高度范圍內(nèi)，運行中的機組類似于一個圓形的障礙物，可見，障礙物與障礙物之間的空隙是隨著高度變化而變化的，為簡化計算考慮，本次以機組擋風面積相等為原則將圓形等效成正方形，簡化后模型見圖1，圖中，A定義為簡化后機組與機組間的平均空隙量，B為等效后的正方形邊長。

（二）計算式的建立

設投產(chǎn)后既有風電場區(qū)域粗糙度值為z02，根據(jù)假定的研究條件可知z02是與H、 D和L有關的函數(shù)，即：

式中：H、 D——根據(jù)場內(nèi)機型可直接確定；L——根據(jù)既有風電場呈塊狀還是帶狀分布分為兩種表達形式：

根據(jù)圖1所示的簡化模型可知：

可以想象當機組輪轂高度H和等效后的邊長B越大，即既有風電場總高（H＋B/2）越高，粗糙度值z02相應越大；當機組間的平均空隙量A越大，即場區(qū)內(nèi)機組越稀疏，z02相應越小，因此可以假設：

表1 平坦地形粗糙度劃分表

圖1 模型的簡化

式中：k——比例系數(shù)。

可見，只要確定比例系數(shù)k并結(jié)合式（3）－（6）即可求出投產(chǎn)后既有風電場區(qū)域粗糙度值z02。下面對k如何確定作詳細描述。

（三）比例系數(shù)k的確定方法

假定在同一研究過程中，k近似看成一定值。由于本階段是以投產(chǎn)前階段最終確定的地形圖文件為基礎展開的研究，此時模擬出的風能資源分布已存在一定誤差，為保證對既有風電場粗糙度重新賦值后得到的投產(chǎn)后階段場區(qū)風能資源分布不再產(chǎn)生新的誤差，在此規(guī)定k的最終取值需使得校驗點處計算風速與實測風速之間的差值滿足下式要求：

采用“雙塔法”推求k的過程為：首先對k賦予一較小的初值k0并結(jié)合式（3）－（6）求出相應的粗糙度值，在投產(chǎn)前階段得到的地形圖文件基礎上，對既有風電場區(qū)域粗糙度線重新賦值得到新的地形圖文件，以投產(chǎn)后模擬高度處輸入點的實測數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用WAsP軟件進行相關計算，得到模擬高度處校驗點的計算風速再以逐級增大k值，并采用上述同樣的方法計算出與各級ki相對應的計算風速然后結(jié)合式（8）得到到此階段可以得到一系列散點數(shù)據(jù)以x為橫軸，k為縱軸，采用最小二乘法擬合散點數(shù)據(jù)，得到相關方程k＝f（x），最后將代入擬合的方程中即可求出最終的k值。

實例分析

一、工程概況

位于擬規(guī)劃風電場北偏東方向存在一既有風電場，其中，既有風電場按場內(nèi)機組輪轂高度、葉輪直徑和平均間距的不同細分為3個局部區(qū)域；既有風電場以外區(qū)域按照地形特點及分布分為5個局部區(qū)域，各局部區(qū)域編號及位置關系如圖2所示，其中，編號①－③為既有風電場區(qū)域，編號④為擬規(guī)劃風電場區(qū)域，其他編號為臨近區(qū)域。

整個研究區(qū)域地形平坦，投產(chǎn)前階段各局部區(qū)域詳細的地形特點參見表2。

擬規(guī)劃風電場（區(qū)域④）機組輪轂高度初定為90m（即本工程需模擬的高度為90m），場內(nèi)中部區(qū)域有一座編號為1#的測風塔，該塔具體位置見圖2，其主要信息見表3。

既有區(qū)域①呈塊狀分布，場內(nèi)機組輪轂高度為100m，葉輪直徑110m，機組行間距平均值約為1000m，列間距平均值約為700m。

圖2 各局部區(qū)域編號及位置關系圖

表2 各局部區(qū)域地形特點

表3 1#和2#測風塔的主要信息

既有區(qū)域②呈帶狀分布，場內(nèi)機組輪轂高度為100m，葉輪直徑110m，各機組間距的平均值約為350m。

既有區(qū)域③呈塊狀分布，場址最東邊有一座編號為2#的測風塔，該塔具體位置見圖2，其主要信息見表3，場內(nèi)機組輪轂高度為100m，葉輪直徑115m，機組行間距平均值約為700m，列間距平均值約為600m。

由表3可知，本次計算依據(jù)的1#和2#測風塔測風數(shù)據(jù)均滿足研究條件中第1點的要求。

二、投產(chǎn)前粗糙度值的設置結(jié)果

在此定義1#測風塔為輸入點，2#測風塔為校驗點。

根據(jù)表1和表2內(nèi)容可知，區(qū)域①－④粗糙度值規(guī)定范圍為0.05m－0.1m，區(qū)域⑤粗糙度值規(guī)定范圍為0.01m－0.05m，區(qū)域⑥粗糙度值規(guī)定范圍為0.1m－0.2m，區(qū)域⑦粗糙度值規(guī)定范圍為0.2m－0.3m，區(qū)域⑧粗糙度值規(guī)定范圍為0.5m－1.0m。

最初狀態(tài)下：區(qū)域①－④粗糙度值為0.06m，區(qū)域⑤粗糙度值為0.04m，區(qū)域⑥粗糙度值為0.1m，區(qū)域⑦粗糙度值0.2m，區(qū)域⑧粗糙度值為0.6m。該狀態(tài)下校驗點90m模擬高度的計算風速見表4。

最終狀態(tài)下：區(qū)域①－④粗糙度值為0.1m，區(qū)域⑤粗糙度值為0.03m，區(qū)域⑥粗糙度值為0.15m，區(qū)域⑦粗糙度值0.25m，區(qū)域⑧粗糙度值為0.8m。該狀態(tài)下校驗點90m模擬高度的計算風速見表4。

由表4可知，在規(guī)定的范圍內(nèi)增大區(qū)域①－④和⑥－⑧的粗糙度值，減小區(qū)域⑤的粗糙度值，可有效提高校驗點2#測風塔90m高度計算風速，風速誤差由最初的2.1%降為最終的0.49%，滿足誤差不超過0.5%的要求。可見，根據(jù)測風塔同期實測數(shù)據(jù)對粗糙度值進行調(diào)整，能夠有效降低通過查表方式設置粗糙度值的不確定性。

三、投產(chǎn)后粗糙度值的設置結(jié)果

由式（4）可得， 既有區(qū)域①和②的等效邊長B均為97.48m； 既有區(qū)域③的等效邊長B為101.91m。

表4 校驗點90m模擬高度計算結(jié)果

表5 不同k下相對應的風速差值計算結(jié)果

由式（3）和式（5）可得，既有區(qū)域①的平均空隙量A＝752.52m；既有區(qū)域②的平均空隙量A＝252.52m；既有區(qū)域③的平均空隙量A＝548.09m。

由式（6）可得，既有區(qū)域①的粗糙度值z02＝0.1977k；既有區(qū)域②的粗糙度值z02＝0.5890k；既有區(qū)域③的粗糙度值z02＝0.2754k。

在 此 令 初 值 k0＝ 5，Δk＝ 1，n＝ 14， 以逐級增大k值，并分別計算不同k下相對應的風速差值x，其計算結(jié)果見表5。

根據(jù)表5在直角坐標系中繪制散點數(shù)據(jù)（xi，ki），經(jīng)最小二乘法擬合后得到相關方程k＝－47.15x＋11.668，相關系數(shù)為0.9979，如圖3所示。

根據(jù)表4可知，投產(chǎn)前階段校驗點90m高度計算風速域?qū)崪y風速的差值Δv1＝－0.03m/s，由式（7）可得，投產(chǎn)后階段Δv2＝Δv1＝－0.03m/s，因此，將x＝－0.03代入上述擬合方程，最終得到k＝13。

此時，既有區(qū)域①的粗糙度值為2.57m，既有區(qū)域②的粗糙度值為7.66m，既有區(qū)域③的粗糙度值為3.58m，結(jié)合WAsP軟件計算后得到校驗點2#測風塔90m模擬高度的計算風速為4.61m/s，滿足式（7）＝－0.03＋4.64＝4.61m/s的要求。

可見，在實際工程中，采用本文提出的既有風電場區(qū)域粗糙度設置方法——“雙塔法”不僅具有一定的可操作性，而且在風能資源模擬結(jié)果方面準確性也較高。

圖3 差值x和k的相關關系圖

結(jié)論

既有風電場投產(chǎn)前階段其粗糙度設置標準可參考《風電場工程技術手冊》中平坦地形粗糙度等級及對應的粗糙度表，即本文的表1，然而這種定義使得粗糙度的取值存在一定的不確定性。而投產(chǎn)后階段其粗糙度設置標準在表1中并未給出，且目前針對此方面的研究也幾乎沒有。鑒于此，本文基于一定的研究和簡化條件，提出一種利用雙塔測風數(shù)據(jù)來設置既有風電場區(qū)域粗糙度值的新方法，并通過某一工程實例的具體應用驗證了此方法在計算既有風電場區(qū)域粗糙度值上的可操作性以及在研究區(qū)域內(nèi)風能資源模擬結(jié)果上的合理性和準確性。

因此，本文提出的方法設置既有風電場區(qū)域粗糙度值并引入到今后在既有風電場存在條件下其臨近風電場的風能資源評估工作中。

(作者單位：中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司)