覆冰影響的南方山地風電場風資源評估方法

陳標，何建軍，舒忠虎，羅金，楊凱鈞，姜楠楠

(1.國家能源集團龍源江永風力發電有限公司，湖南 長沙 410000；2.長沙理工大學能源與動力工程學院，湖南 長沙 410114)

0 引言

風能是一種清潔、可再生的能源，是當前最具開發前景的能源之一[1]。在風電場初步規劃階段需要進行當地的風資源評估，目的是確定風電場裝機容量以及機組選型，使發電量最大的同時風機所受載荷最小。風資源評估對風電場最終產能有很大影響，測風數據10%的誤差可能導致風電場年產能30%左右的誤差[2]；而風電機組葉片結冰將會影響葉片的氣動性能，降低風電機組的發電功率，進而影響風電場的年發電量，對風資源預測結果產生影響。

當前國內外的風資源評估方法主要有基于測風塔觀測數據建立不同的數學模型，有效地將氣象站和測風塔的觀測數據轉化為風能、風功率等風能資源評估參數的數理統計評估方法，以及利用計算機模擬技術結合測風塔觀測數據、中尺度數據實現對近地層風能資源進行分析的數值模擬評估方法[3]。Tobias Klaas[4]采用激光雷達對復雜山地進行風資源評估；Giovanni Gualtieri[5]對意大利南部四個山地的風資源做了分析，繪制出風玫瑰圖并得出威布爾概率分布函數。這些風資源模擬都沒有考慮結冰情況，對模擬結果會產生一定影響。我國南方山地地區冬季會出現雨凇和霧凇的現象，葉片表面極易覆冰，且由于空氣溫度與濕度的不同，覆冰程度也不同，鄧磊等[6]研究了覆冰對南山風電場XE82 風電機組氣動性能、發電功率的影響，證明風力機翼型的升力降低、阻力增加，風能捕獲能力下降，嚴重影響年發電量。

常用的風能資源分析軟件有WAsP、WindSim、Meteodyn WT 等[7]。WAsP 是由丹麥國家實驗室風能應用開發部開發的風能資源分析處理軟件。在以平坦地形為主的“三北” 地區，WAsP 軟件能較好地模擬出風電場區域的風能資源分布，較為準確地反應出該地區的風能資源情況，但隨著我國風電場的開發逐步向南方山地擴展，地形條件也越來越復雜，使用WAsP 軟件進行山地風電場風能資源評估有一定的局限性[8]。通常在山地風電場內，地形斜面發生較大改變時，會發生流體的分離，在這些情況下，可能會造成錯誤的計算結果，導致評估過程出現較大的偏差。

挪威WindSim 公司開發的WindSim 軟件是一個以計算流體力學(CFD) 為核心的風資源評估系統軟件[9]，其不僅在簡單地貌可得到準確結果，更擅長于起伏、丘陵、山地等復雜地形，是一款功能強大、廣泛應用的CFD 風資源評估軟件[10]。Byrkjkdal 等[11]研究發現輕微的覆冰情況會影響1%的發電量，嚴重的覆冰影響更大，所以在進行風資源評估時，考慮覆冰情況是非常有必要的。針對我國南方山地地區地形復雜且風速相對低、受夏季風影響大、冬季覆冰情況嚴重[12]的情況，以湖南某山地為例，利用WindSim 在復雜地形上進行風資源評估的優勢，模擬該地區的風資源分布情況，在此基礎上，對其進行微觀選址和有覆冰與無覆冰條件下的經濟效益分析，探索考慮結冰條件的南方山地風資源評估方法。

1 研究方法

數值計算特定場址氣候條件下的風速和風向，在此基礎上確定每個風機的最優微觀選址位置。風電場的氣候條件一般通過現場測量得出，也可以通過氣象模擬得到，這兩種方式獲得的氣候數據都可以直接與WindSim 接口。WindSim 采用了模塊化的方法來完成微觀選址的過程，這些模塊必須按照正確的順序運行，WindSim 模塊包括地形、風場、對象、結果、風資源以及能量，通過6 個模塊的操作得出每臺風機的發電量和尾流損失，并生成風力發電場模擬報告。

風機的載荷受風切變、入流角和湍流風場等特征的影響。由于風場模擬采用三維模型，風場的所有這些特性都可以計算出來，因此對于某種類型的風機，采用數值計算的方法就可以檢驗風場產生的載荷是否在風機可接受的范圍之內。

1.1 地形模擬方法

建立流場模型的第一步是生成考察區域的三維模型，這涉及到選擇需要模擬的橫向和縱向范圍，該范圍通過包含海拔和粗糙度信息的gws 格式的數字化地形文件創建，運行地形模塊生成如圖1 所示的報告，表1 為數字地形模型數據，表2 為grid.gws 中的數據，以密集的地形模型點的坐標x、y、z表達地面形態。從圖1 (a) 中可以看出，山脈海拔約為570 m，最高處分別在幾個區域內出現，圖中顏色過渡穩定，可以判斷出其山脈坡度相對平緩。最初范圍的粗糙度為0.1，山脊位置粗糙度為0.5，所以圖1 (b) 對數粗糙度顯示為負值。從圖1 (c) 中可以看出，該地區山脈走勢相對和緩，坡度不大，整體坡度在2°～4°，個別地方坡度較大，最大值達到13.6°。二階導數表示的是坡度的變化程度，從圖中可以看出整體值大部分在－0.000 1～0.000 1，最小值和最大值只出現在個別地方。圖1 (d) 說明了坡度的變化程度不大，從另一方面證明了該山地走勢平緩。從圖1 (e) 可以看到，深色部分較少，說明山脈的較高處不多。采用貼體坐標(BFC) 生成網格，顯示了地面層的分辨率。圖1 (f) 網格沿地面最高點向上延展到1 724.0 m，網格由模型頂部往地面逐漸加密。示意圖左右兩邊顯示地形最高和最低處網格垂直分布的狀況。能獲得模擬結果的節點在單元格中間位置，以圓點表示。

圖1 數字地形模型

表1 數字地形模型數據

表2 grid.gws 中數據

對已生成的3D 模型的水平區域進行可視化，而當前已生成3D 模型的區域在整個區域等高線地形圖中的位置通過一個灰色的邊框標示出來。從grid.gws 中提取的數字地形模型，以矩形框標記。

1.2 風場特性分析方法

在地形模塊生成3D 模型后可以在風場中進行CFD 模擬，風場通過求解雷諾平均Navier－Stokes(RANS) 方程來確定，湍流閉合使用雙方程湍流模型。由于該方程是非線性的，所以要通過迭代計算來求解。由假設的初始條件開始，逐步迭代，直到最終得到收斂結果。通過檢查速度分量(U1，V1，W1)、湍流動能 (KE) 和湍流損耗率(EP) 或湍流頻率(OMEG) 的點值和殘差數值來評估風場模擬的收斂性，所有變量均根據右邊的min值和max 值按比例縮放。通過屬性欄設置一個收斂標準，當殘差值小于設定的收斂標準時模擬自動停止。如果在設定的迭代次數之后仍未達到收斂標準則顯示為“－”；如果計算結果是發散則顯示為“D”。

1.2.1 點值圖

點值圖能夠反應圖中參數的分布范圍、數量特征和密度變化，圖2 為不同扇區的點值圖。默認的點值位于地形中央、地面層(nx/2，ny/2，1) 的地方，其中nx和ny是在x和y方向上的單元格的數量。

圖2 扇區點值圖

定點值位置能夠設定在水平面的任何地方，這樣可以監測那些點的發展情況，如測風塔和風電機組所在的位置。本文僅選取正北、正南、正東、正西4 個方向的風流波動情況展示出來。由圖2 可知，U1、V1、W1、KE、EP、OMEG的點值都趨于穩定，說明四個方向的風流狀況穩定發展，適合設立風電機組。

1.2.2 殘差值

殘差分析就是通過殘差所提供的信息，分析出數據的可靠性、周期性或其他干擾。所謂殘差值是指觀測值與預測值(擬合值) 之間的差，即是實際觀察值與回歸估計值的差。

從圖3 可以看出，4 個正方向的殘差值都最終趨于0，說明模擬結果正確，觀測值與預測值相吻合，且風流趨于穩定。

圖3 扇區殘差值圖

2 微觀選址和效益分析方法

2.1 風電場布局及風功率曲線

使用對象模塊在風電場中布置風機和測風塔的位置，在工具箱將測風數據添加到項目中，激活得到如圖4 所示的風機和測風塔分布圖。

圖4 包含對象的數字定型模型

從氣象監測站所收集的測風數據被用于進行風資源的校驗和發電量的計算。在提供歸一化的加速比等數據時，也可使用測風數據作為參考點數據，見表3，x、y、z為地形模型點的坐標。

表3 測風對象

當風速小于風力發電機滿發功率的最低風速時，葉片的槳矩調整為最大限度吸收風能的角度，并保持不變。當風速達到和超過滿發功率時，通過變換槳矩角度減少風能的吸收，從而實現功率的平滑輸出。當空氣密度為1.225 kg/m3，ws2000 風機功率和推力系數計算結果如圖5 所示。

圖5 不同風速區間的風功率和推力系數曲線

2.2 葉尖前緣覆冰對風功率計算的影響

風功率是影響風電機組發電量的重要參數，風功率的計算公式為式(1):

式中，ρ為空氣密度，1.225 kg/m3；A為風輪掃風面積；v為來流風速；CP為風能利用系數。

研究發現風能利用系數會隨著風機葉尖覆冰厚度的增加而降低，當葉尖前緣覆冰厚度為10 mm、48 mm 和86 mm 時，最大風能利用系數分別降低了3.9%、38.1%和51.5%[12]。如圖6 所示是葉尖覆冰情況下覆冰厚度與風功率的關系曲線。

圖6 不同覆冰厚度下風功率與速度的關系

當存在覆冰狀況時，風機的功率曲線整體呈下降的趨勢，且隨著風速的增加，輸出功率降低程度變大；隨冰層厚度的增加，輸出功率降低程度變大，甚至出現停機的現象，所以在風資源評估中應充分考慮風電機組風能利用系數降低的問題。

2.3 年發電量估算

計算發電量，首先通過風速頻率分布的數學模型擬合實際的風頻分布，然后與風電機組的實際輸出功率函數積分，公式(2) 為風電機組的理論發電量AEP的計算公式:

式中，t為發電時間；vi、v0為切入、切出風速；v為風速；f(v) 為風速概率分布密度函數；P(v)為風電機組的功率曲線函數。

結冰期發電量AEPi計算公式為:

式中，ni為不同覆冰厚度對應的覆冰天數；αi為不同覆冰厚度對應的功率系數。

根據風頻的不同，采用公式(2) 在WindSim中計算得出輪轂高度為80 m、額定功率為2 MW 的ws2000 風機年發電量，見表4。

表4 基于風頻分布的年發電量計算結果

從模擬計算結果可以初步確定擬建的風電場在理想狀況下的年發電量為56.585 2 GW·h。覆冰后年發電量AEPM計算如公式(4) 所示:

式中，n為覆冰天數。該風電場位于南方高山地區，根據此處測風數據及氣候環境可知，每年平均有結冰影響天數約為52 天，平均覆冰厚度分別為10 mm、48 mm 和86 mm，則覆冰后年發電量情況如圖7 所示。

圖7 年發電量與覆冰厚度的關系

由圖7 可知，覆冰會對風電機組年發電量造成一定影響，隨著覆冰嚴重程度的增加，發電量減少得越多，在平均覆冰厚度為10 mm、48 mm 和86 mm 時，發電量分別減少5.8%、13.5% 和16.5%，所以在風資源評估中應充分考慮風電機組覆冰情況。

3 結論

本文采用Windsim 軟件對南方某山地風資源狀況進行評估，地形模擬結果顯示該山脈海拔在570 m左右，走勢相對緩和，且坡度不大；風場特性分析表明風流穩定，風能資源相對較好，此處適合建風電場；考慮結冰情況對風功率及發電量的影響，在風資源評估中應充分考慮風電機組風能利用系數降低的問題。本文利用計算流體力學的方法模擬了流場流動情況，可較好地解決南方山地風電場由于山地地形復雜、地勢險峻、地表粗糙度大、風速相對低、冬季覆冰等特征下風資源的評估問題，為南方山地風電場風能資源評估和風電場設計建設提供數據分析和基礎研究。