基于中微尺度耦合模式的風(fēng)電場風(fēng)資源評估方法研究

應(yīng) 有， 申新賀， 姜婷婷， 陳廣宇， 陳 晨

（1.浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司， 浙江 杭州 310012； 2.浙江省風(fēng)力發(fā)電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310012）

0 引言

風(fēng)資源評估是風(fēng)電場開發(fā)的核心環(huán)節(jié)，對風(fēng)電場效益及風(fēng)電場投資的成敗起著重要的作用，因此， 對風(fēng)電場的風(fēng)資源特性進(jìn)行準(zhǔn)確評估，是當(dāng)今風(fēng)電工程領(lǐng)域不可忽視的問題。 隨著我國風(fēng)力發(fā)電的上網(wǎng)電價(jià)逐年下調(diào)，風(fēng)電場的盈虧幾乎觸及平衡點(diǎn)，對風(fēng)資源評估方法的精確性提出了更為苛刻的要求。

風(fēng)資源評估可以分為宏觀和微觀兩個(gè)尺度。宏觀尺度的評估是指在一個(gè)較大的區(qū)域范圍內(nèi)，采用中尺度氣象模式（Weather Research Forecast，WRF）對宏觀大氣流動進(jìn)行模擬，以獲得該區(qū)域風(fēng)資源的時(shí)空分布特性[1]。 中尺度模式對于分析宏觀的風(fēng)資源分布有很好的指導(dǎo)作用[2]，[3]，然而其空間分辨率較大（1 km 量級），無法求解大氣邊界層與風(fēng)電場甚至風(fēng)力機(jī)間的相互作用，無法精確評估風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)資源狀況。 微觀尺度的評估是指在風(fēng)電場范圍內(nèi)，采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法獲得風(fēng)電場內(nèi)部區(qū)域的流動問題和風(fēng)資源狀況。 學(xué)者對微尺度風(fēng)資源評估方法開展了深入的研究，在湍流計(jì)算、尾跡流動計(jì)算、復(fù)雜地形計(jì)算等方面均提出了較為成熟的方法和模型[4]～[6]。 CFD 方法的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)10 m 量級的分辨率， 精確評估各風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)資源狀況，然而其計(jì)算入流邊界條件時(shí)大多采用假設(shè)的入流風(fēng)廓線模型， 無法考慮大范圍大氣環(huán)流對風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)流的影響， 因而無法評估真實(shí)大氣邊界入流條件下風(fēng)電場的流動及運(yùn)行特性， 導(dǎo)致相關(guān)研究成果在工程應(yīng)用上存在局限。因此，必須將中尺度評估與微尺度評估相結(jié)合， 才能實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場風(fēng)資源的精準(zhǔn)評估。

風(fēng)電場中微尺度耦合數(shù)值模擬主要有3 種模式。 第一種是在中尺度框架下結(jié)合微尺度模型進(jìn)行降尺度計(jì)算。 方艷瑩[7]將WRF 與CFD 軟件Meteodyn WT 相結(jié)合， 開展了海島地區(qū)的風(fēng)資源評估研究。何曉鳳[8]將MM5 與CFD 軟件相結(jié)合開展了復(fù)雜地形的風(fēng)能資源評估研究。該模式中，中尺度模擬結(jié)果向微尺度模型提供虛擬測風(fēng)數(shù)據(jù)，實(shí)際上并未改善微尺度模型的入流邊界條件，因此并非真正意義上的耦合。 第二種模式是將中尺度模式與大渦模擬方法進(jìn)行嵌套耦合。 Talbot C[9]利用WRF-LES 將模式水平分辨率由10 km 降至50 m。 Liu Y[10]通過六層嵌套對某實(shí)際風(fēng)電場開展了大渦模擬對于風(fēng)電場模擬結(jié)果的影響研究。 限于大渦模擬方法龐大的計(jì)算量， 該模式不能采用較精細(xì)的計(jì)算網(wǎng)格， 限制了其在風(fēng)電工程領(lǐng)域的發(fā)展。 第三種模式是將中尺度模式與基于RANS（Reynolds-Averaged Navier-Stokes Equations）方法的CFD 模型進(jìn)行嵌套耦合， 利用中尺度模式為CFD 方法提供真實(shí)邊界條件，從而實(shí)現(xiàn)對風(fēng)場的精細(xì)化模擬。 Virk[11]和程雪玲[12]的研究結(jié)果表明，中尺度模式與微尺度CFD 模型的耦合模式具有較好的發(fā)展前景，然而，現(xiàn)有的研究成果較少，特別是針對嵌套耦合模式、入流邊界條件構(gòu)建方式以及上述方法在實(shí)際風(fēng)電場中的驗(yàn)證和應(yīng)用的研究還不夠深入。

針對這一現(xiàn)狀， 本文基于中尺度WRF 模式和微尺度CFD 模型，研究兩種方法的耦合模式和入流邊界條件的構(gòu)建方式，建立基于中微尺度耦合模式的風(fēng)電場風(fēng)資源評估技術(shù)。 同時(shí)，通過某復(fù)雜地形風(fēng)電場，結(jié)合多測風(fēng)塔互推的驗(yàn)證方式，對中微尺度耦合風(fēng)資源評估技術(shù)進(jìn)行分析和驗(yàn)證，以期為風(fēng)力發(fā)電評估提供參考。

1 中尺度和微尺度風(fēng)資源評估方法介紹

1.1 基于WRF 模式的中尺度數(shù)值模擬方法

本文中尺度模式內(nèi)核采用WRF 計(jì)算模型。WRF 是一個(gè)被廣泛使用的氣象模型，可以在絕大多數(shù)的并行計(jì)算機(jī)上使用，并且可以實(shí)現(xiàn)靈活的內(nèi)存劃分和支配。 目前，有兩個(gè)不同的WRF 求解器模型，用于科學(xué)研究的WRF-ARW 模型和用于業(yè)務(wù)的WRF-NMM 模型。 本文選擇使用WRFARW 模型，因?yàn)閺臄?shù)值模擬計(jì)算層面來講，該模型已經(jīng)被廣泛地驗(yàn)證了其有效性，而WRF-NMM模型則在某些方面還存在著爭議 （尤其是在Arakawa 分類中使用E 類型網(wǎng)格計(jì)算的時(shí)候）。

1.2 基于CFD 方法的微尺度風(fēng)資源評估方法

微尺度CFD 風(fēng)資源評估計(jì)算方法將現(xiàn)場測風(fēng)數(shù)據(jù)和CFD 仿真計(jì)算相結(jié)合評估風(fēng)電場風(fēng)況，進(jìn)而評估發(fā)電量。

通常按風(fēng)向等角度劃分為至少12 個(gè)入流風(fēng)向進(jìn)行CFD 仿真計(jì)算。CFD 仿真采用運(yùn)達(dá)股份基于開源OpenFOAM 軟件自主研發(fā)的風(fēng)電場流動仿真分析軟件。 采用雷諾平均方程和修正的k-ε兩方程湍流模型求解風(fēng)電場大氣邊界層流動，采用SIMPLE 算法求解輸運(yùn)方程， 采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對風(fēng)電場計(jì)算域進(jìn)行離散化。 在大氣邊界層中的表面邊界層中， 計(jì)算模擬區(qū)域的入口風(fēng)廓線呈對數(shù)律形式， 而在上邊界層中則由Ekman 法則定義。對于底層網(wǎng)格，地表摩擦力的影響通過在動量方程中引入吸收項(xiàng)來實(shí)現(xiàn)。

原始測風(fēng)數(shù)據(jù)通常來源于風(fēng)電場內(nèi)的測風(fēng)塔， 測風(fēng)時(shí)長在1 a 以上。 根據(jù)流場雷諾相似原則，結(jié)合由CFD 仿真得到的測風(fēng)塔與風(fēng)力機(jī)的風(fēng)況相關(guān)關(guān)系以及測風(fēng)數(shù)據(jù)， 計(jì)算風(fēng)力機(jī)輪轂高度處的風(fēng)況信息。

風(fēng)力機(jī)發(fā)電量AEP 根據(jù)風(fēng)力機(jī)輪轂高度處的風(fēng)速、風(fēng)速分布頻率和動態(tài)功率曲線計(jì)算得到。

式中：P[uh（t）]為動態(tài)功率曲線；T 為1 a 或多年的10 min 或60 min 間隔時(shí)間序列；uh（t）為每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的輪轂高度處的風(fēng)速。

2 基于中微尺度耦合模式的風(fēng)資源評估技術(shù)

2.1 中微尺度耦合風(fēng)資源評估計(jì)算流程

基于中微尺度耦合模式的風(fēng)資源評估技術(shù)的計(jì)算流程如圖1 所示。

圖1 基于中微尺度耦合模式的風(fēng)資源評估技術(shù)計(jì)算流程Fig.1 Wind resource assessment process based on meso-microscale coupling model

基于中尺度WRF 模式和微尺度CFD 方法，建立基于中微尺度耦合模式的風(fēng)資源評估技術(shù)的原理如下。

①以氣象再分析數(shù)據(jù)作為背景場， 采用中尺度WRF 數(shù)值模擬技術(shù)對包含風(fēng)電場區(qū)域的大范圍區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，獲得水平分辨率為1～3 km 的中尺度氣象分析數(shù)據(jù)， 本文主要采用EC 再分析數(shù)據(jù)源。

②基于中尺度模擬結(jié)果提取微尺度建模計(jì)算邊界附近的風(fēng)速廓線信息，為微尺度CFD 模型提供更真實(shí)準(zhǔn)確的入流邊界條件。

③驅(qū)動CFD 模型進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)而進(jìn)行風(fēng)電場風(fēng)資源評估。

2.2 入流邊界條件的構(gòu)建方式

從中尺度模擬結(jié)果中提取微尺度建模計(jì)算邊界附近的風(fēng)速廓線，并構(gòu)建入流邊界條件。

①提取中尺度模擬結(jié)果。 針對不同風(fēng)向的微尺度計(jì)算，計(jì)算區(qū)域的入口被分割多段，應(yīng)用不同的風(fēng)速廓線， 在每一段中沿著風(fēng)向在計(jì)算域邊界上游6 km～下游2 km 內(nèi)選取中尺度點(diǎn)，如圖2 所示。

圖2 微尺度計(jì)算提取中尺度風(fēng)廓線示意圖Fig.2 Schematic diagram of mesoscale wind profile extraction

②基于中尺度模擬結(jié)果構(gòu)建風(fēng)速廓線。 基于中尺度模擬提供的不同位置、 不同高度的風(fēng)速信息，對上述多段位置對應(yīng)的入口風(fēng)廓線進(jìn)行計(jì)算。在每一個(gè)高度內(nèi)， 一點(diǎn)處的速度由不同方向插值得到， 平均風(fēng)速由這些點(diǎn)與段之間的距離加權(quán)計(jì)算得到。

③構(gòu)建入流邊界條件。 對每一條廓線進(jìn)行歸一化處理， 然后通過不同段之間的插值計(jì)算得到每一個(gè)微尺度計(jì)算網(wǎng)格的風(fēng)速， 從而構(gòu)建入流邊界條件。

3 風(fēng)電場實(shí)例驗(yàn)證及分析

本文針對河南省某大范圍復(fù)雜山地風(fēng)電場，分別采用傳統(tǒng)微尺度風(fēng)資源評估方法和中微尺度耦合方法進(jìn)行了風(fēng)資源評估， 并采用多測風(fēng)塔互推的驗(yàn)證方式， 驗(yàn)證中微尺度耦合技術(shù)的精確性和可靠性。

3.1 風(fēng)電場概況

風(fēng)電場示意圖如圖3 所示。 選擇風(fēng)電場范圍內(nèi)的6 個(gè)測風(fēng)塔作為驗(yàn)證測風(fēng)塔，分別是1181#，1524#，1525#，1526#，1527#和7768#，測風(fēng)塔的測風(fēng)時(shí)間均在1 a 以上。

圖3 風(fēng)電場示意圖Fig.3 Diagram of the wind farm

3.2 計(jì)算參數(shù)設(shè)置

中尺度WRF 模擬采用三層嵌套網(wǎng)格技術(shù)，網(wǎng)格分辨率和網(wǎng)格格點(diǎn)數(shù)如表1 所示。

表1 WRF 計(jì)算網(wǎng)格方案Table 1 The grid scheme of WRF

計(jì)算時(shí)須要特別關(guān)注大氣邊界層（ABL）和近地層（SL）的參數(shù)化方案，根據(jù)眾多研究成果[13]，確定了最優(yōu)參數(shù)化方案，其中，近地層的參數(shù)化方案采用Monin-Obukhov 方案[14]，大氣邊界層則采用YSU 方案[15]，其他參數(shù)化方案選擇如表2 所示。

微尺度CFD 計(jì)算模型的高度為1 km。 CFD計(jì)算時(shí)，按風(fēng)向等角度劃分了12 個(gè)入流風(fēng)向進(jìn)行計(jì) 算，分 別0，30，60，90，120，150，180，210，240，270，300°和330°。

3.3 入流邊界條件對比與分析

在中微尺度耦合計(jì)算中， 根據(jù)中尺度模擬結(jié)果構(gòu)建微尺度計(jì)算邊界處的入流風(fēng)速廓線， 并與傳統(tǒng)大氣對數(shù)風(fēng)廓線模型進(jìn)行對比。 針對不同風(fēng)向，分別提取風(fēng)廓線；針對特定風(fēng)向，微尺度計(jì)算區(qū)域的入口按照水平間隔3 km 被分割成多段，每段提取一個(gè)入流風(fēng)廓線。 以主風(fēng)向D150 為例，共提取8 段入流風(fēng)廓線，基于30 m 高度的風(fēng)速進(jìn)行歸一化，并與傳統(tǒng)大氣對數(shù)風(fēng)廓線進(jìn)行對比，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 D150 風(fēng)向的入流風(fēng)廓線與傳統(tǒng)對數(shù)風(fēng)廓線對比Fig.4 The vertical profile comparison of WRF and tradational log-law method at direction 150

不同風(fēng)向下，基于30 m 高度的風(fēng)速進(jìn)行歸一化， 取各風(fēng)向下的第1 段風(fēng)廓線并與傳統(tǒng)大氣對數(shù)風(fēng)廓線進(jìn)行對比，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同風(fēng)向下的入流風(fēng)廓線與傳統(tǒng)對數(shù)風(fēng)廓線對比Fig.5 The vertical profile comparison of WRF and tradational log-law method at different direction

由圖4，5 可知：不同風(fēng)向下，入流風(fēng)廓線存在較大差異；同一風(fēng)向、不同水平位置處，入流風(fēng)廓線也存在差異，差異幅度相對較小；由于受到大氣和地形的影響，大氣風(fēng)廓線存在較大變化，并不能由統(tǒng)一的風(fēng)廓線模型進(jìn)行描述。

3.4 風(fēng)資源評估結(jié)果對比與分析

首先，采用微尺度CFD 風(fēng)資源評估方法在中性熱穩(wěn)定度下進(jìn)行風(fēng)資源計(jì)算， 并根據(jù)計(jì)算結(jié)果和實(shí)際測風(fēng)數(shù)據(jù)計(jì)算風(fēng)速評估誤差，結(jié)果見表3。表3 中，第一行數(shù)據(jù)代表由測風(fēng)塔1181 外推至其他各測風(fēng)塔， 通過評估結(jié)果和實(shí)際測風(fēng)結(jié)果計(jì)算出風(fēng)速誤差，以此類推。 整體平均誤差為3.89%。

采用中微尺度耦合風(fēng)資源評估方法對該風(fēng)電場進(jìn)行風(fēng)資源評估。 各測風(fēng)塔互推的風(fēng)速誤差如表4 所示，整體平均誤差為2.82%。

表3 微尺度CFD 風(fēng)資源評估方法的風(fēng)速評估誤差Table 3 Error of the CFD wind resource assessment method %

表4 中微尺度耦合風(fēng)資源評估方法的風(fēng)速評估誤差Table 4 Error of the meso-microscale coupling model %

續(xù)表4

實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果表明， 相比于傳統(tǒng)微尺度CFD 風(fēng)資源評估方法，中微尺度耦合方法降低了風(fēng)速評估誤差，能夠改善微尺度CFD 模擬的入流邊界條件。

4 結(jié)論

本文基于中尺度WRF 數(shù)值模擬方法和微尺度CFD 數(shù)值模擬方法，研究了中尺度和微尺度的耦合原理， 構(gòu)建了從中尺度模擬結(jié)果中提取微尺度建模計(jì)算邊界附近的風(fēng)速廓線的方法， 最終建立了基于中微尺度耦合模式的風(fēng)電場風(fēng)資源評估方法。在復(fù)雜地形風(fēng)電場中，采用多測風(fēng)塔互推的驗(yàn)證方式， 對中微尺度耦合風(fēng)資源評估方法進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。結(jié)果表明，中尺度模擬結(jié)果可以有效地對微尺度CFD 模型的邊界條件進(jìn)行校正，使邊界條件更接近實(shí)際情況， 從而提高風(fēng)資源評估的準(zhǔn)確性。