趙 鷹，唐 荊

(1.上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200025；2.上海電氣風(fēng)電集團(tuán)股份有限公司，上海 200025)

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，氣候也在不斷變化，生態(tài)環(huán)境保護(hù)逐漸被人們所重視。自2020年9月份提出“30·60目標(biāo)”后，中國(guó)開(kāi)始大力推動(dòng)以二氧化碳為主的溫室氣體減排措施，努力實(shí)現(xiàn)二氧化碳排放力爭(zhēng)2030年前達(dá)到峰值，力爭(zhēng)2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。因此，必須著力調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展可再生能源，以實(shí)現(xiàn)改善環(huán)境、技能減排及地區(qū)電力的可持續(xù)發(fā)展。在過(guò)去的30年中，風(fēng)電在調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、改善生態(tài)環(huán)境、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面都起著不可磨滅的作用[1-2]。

2020年10月14日～10月16日北京國(guó)際風(fēng)能大會(huì)(CWP 2020)在北京召開(kāi)，四百余家風(fēng)能企業(yè)的代表一致通過(guò)并聯(lián)合發(fā)布了《風(fēng)能北京宣言》。為實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，在“十四五”規(guī)劃中，須為風(fēng)電設(shè)定與碳中和國(guó)家戰(zhàn)略相適應(yīng)的發(fā)展空間：保證年均新增裝機(jī)5 000萬(wàn)千瓦以上。2025年后，中國(guó)風(fēng)電年均新增裝機(jī)容量應(yīng)不低于6 000萬(wàn)千瓦，到2030年至少達(dá)到8億千瓦，到2060年至少達(dá)到30億千瓦。

為達(dá)到《風(fēng)能北京宣言》的目標(biāo)，在“十四五”期間及以后的發(fā)展規(guī)劃中，風(fēng)電必將不斷提高其裝機(jī)容量，隨之而來(lái)的是大規(guī)模地開(kāi)發(fā)利用，也勢(shì)必會(huì)提升整個(gè)行業(yè)的技術(shù)水平及建設(shè)水平[3-4]。在風(fēng)電項(xiàng)目的實(shí)施中勢(shì)必會(huì)涉及到項(xiàng)目收益率的問(wèn)題，一個(gè)風(fēng)電項(xiàng)目的收益率決定了項(xiàng)目是否可行。平價(jià)時(shí)代的到來(lái)也對(duì)項(xiàng)目的前期開(kāi)發(fā)、中期設(shè)計(jì)及后期實(shí)施提出了更高質(zhì)量的要求[5]。在風(fēng)電場(chǎng)的前期開(kāi)發(fā)及中期設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)能資源分布的準(zhǔn)確評(píng)估顯得尤為重要，其準(zhǔn)確與否直接決定了風(fēng)電場(chǎng)能否安全運(yùn)行以及能否獲得較高的收益[6]。

1 仿真模擬

伴隨著整個(gè)風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展，地形平坦的平原地區(qū)已不能滿足項(xiàng)目開(kāi)發(fā)者的需求。目前，已開(kāi)發(fā)了越來(lái)越多的平地高塔筒風(fēng)電場(chǎng)、丘陵風(fēng)電場(chǎng)及山地風(fēng)電場(chǎng)，后者的復(fù)雜地形對(duì)研究人員的經(jīng)驗(yàn)及專業(yè)能力提出了更高的要求。

由于風(fēng)電場(chǎng)流場(chǎng)動(dòng)力規(guī)律較為復(fù)雜，而且實(shí)驗(yàn)受成本、時(shí)間等的限制，運(yùn)用于工程項(xiàng)目幾無(wú)可能。因此，基于CFD理論的風(fēng)電場(chǎng)模擬技術(shù)已被廣泛采用[7]，成為了風(fēng)資源從業(yè)者及研究人員了解項(xiàng)目所在地流場(chǎng)情況、深入分析項(xiàng)目地流場(chǎng)內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律、進(jìn)行風(fēng)機(jī)位置優(yōu)化排布、提高項(xiàng)目效益的重要工具。然而，風(fēng)電場(chǎng)所在地模型的建立需要風(fēng)資源從業(yè)者及研究人員對(duì)流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)有一定的直觀概念，只有充分理解風(fēng)電場(chǎng)小范圍內(nèi)地形變化對(duì)場(chǎng)區(qū)流場(chǎng)的影響規(guī)律，才能更為準(zhǔn)確、高效地建立實(shí)用、優(yōu)質(zhì)的數(shù)值模型，完善流場(chǎng)計(jì)算，使模型計(jì)算結(jié)果更為切實(shí)[8]。

計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，以下簡(jiǎn)稱為CFD)技術(shù)在流場(chǎng)模擬中發(fā)揮了重要的作用，其伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)值計(jì)算技術(shù)而發(fā)展。CFD技術(shù)的基本思想是：把原先時(shí)間域及空間域連續(xù)的物理量的場(chǎng)，采用有限個(gè)離散點(diǎn)變量值的集合來(lái)代替，通過(guò)一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，再求解代數(shù)方程組獲得場(chǎng)變量的近似值[9]。用數(shù)值方法通過(guò)求解Euler方程和N-S方程模擬流場(chǎng)是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的重要內(nèi)容之一[10]，其中Euler方程組描述無(wú)粘流動(dòng)，N-S方程組描述粘性流動(dòng)。常用的CFD方法是求解湍流模型封閉的雷諾平均N-S方程，即RANS方法[11]。

目前，行業(yè)內(nèi)使用較多的軟件主要有WAsP及WT兩款軟件，且針對(duì)不同的地形情況有不同的運(yùn)用。首先是采用線性模型計(jì)算方法的WAsP軟件，該軟件對(duì)于湍流模擬較差，不適用于復(fù)雜地形的流場(chǎng)模擬，在以大平地形為主的西北、內(nèi)蒙地區(qū)，WAsP軟件能夠較好地進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域風(fēng)資源模擬，較為準(zhǔn)確地體現(xiàn)出場(chǎng)區(qū)風(fēng)資源情況；而作為復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)常用的Meteodyn WT軟件，其通過(guò)求解全部的N-S方程，可以得到整個(gè)場(chǎng)區(qū)的流體流動(dòng)情況，盡量減少?gòu)?fù)雜場(chǎng)區(qū)風(fēng)資源評(píng)估的不確定性，同時(shí)也可以通過(guò)綜合計(jì)算場(chǎng)區(qū)內(nèi)多個(gè)測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)來(lái)提高風(fēng)資源評(píng)估的準(zhǔn)確性[12]。而作為風(fēng)資源從業(yè)者及研究人員，對(duì)于現(xiàn)有軟件的特性、復(fù)雜地形或特殊地形風(fēng)流流動(dòng)特性需較為熟悉，才能高效地運(yùn)用原始輸入數(shù)據(jù)或者有針對(duì)性地收集原始資料，從而建立更為準(zhǔn)確的模型進(jìn)行模擬計(jì)算，以達(dá)到更加準(zhǔn)確地評(píng)估局部復(fù)雜地形下風(fēng)資源的目的[12-13]。

2 工程項(xiàng)目概況

本文基于實(shí)際工程遇到的特殊地形情況，結(jié)合2個(gè)工程實(shí)例，進(jìn)行復(fù)雜地形下軟件建模對(duì)比計(jì)算，從而分析模型建立及原始輸入資料對(duì)于流場(chǎng)模擬的影響。由于是局部復(fù)雜地形下的流場(chǎng)模擬，因此選取目前行業(yè)內(nèi)較為常用且認(rèn)可度較高的WT軟件進(jìn)行建模處理。

工程項(xiàng)目一：場(chǎng)區(qū)南北長(zhǎng)約6 km，東西長(zhǎng)約7 km，場(chǎng)區(qū)主要為高原山坡坡腳區(qū)域，場(chǎng)區(qū)南側(cè)緊挨著汛期的河道，海拔為2 750～2 860 m，場(chǎng)區(qū)內(nèi)無(wú)斷崖，場(chǎng)址周邊地勢(shì)較為連續(xù)，場(chǎng)區(qū)南北兩側(cè)為山區(qū)，場(chǎng)區(qū)東北角處存在一處測(cè)風(fēng)塔，測(cè)風(fēng)塔70 m高度處平均風(fēng)速為5.96 m/s，主風(fēng)向?yàn)镋及ESE，布置17臺(tái)3.0 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

工程項(xiàng)目二：場(chǎng)區(qū)南北長(zhǎng)約2.5 km，東西長(zhǎng)約2.0 km，場(chǎng)區(qū)主要為高原山坡坡腳區(qū)域，海拔為3 400～3 700 m，場(chǎng)區(qū)內(nèi)無(wú)斷崖，場(chǎng)址周邊地勢(shì)較為連續(xù)，但上風(fēng)向有較多山峰，場(chǎng)區(qū)下風(fēng)向2.5 km處存在一處測(cè)風(fēng)塔，測(cè)風(fēng)塔90 m高度處平均風(fēng)速為6.08 m/s，主風(fēng)向?yàn)镹W及NNW，布置4臺(tái)3.0 MW及4臺(tái)2.0 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

下文中通過(guò)對(duì)比兩個(gè)工程實(shí)例在實(shí)際建模計(jì)算中的結(jié)果，分析局部地形對(duì)于風(fēng)流流場(chǎng)的影響。

3 建模計(jì)算分析

工程項(xiàng)目一場(chǎng)區(qū)位置及周邊情況如下圖1所示。

圖1 工程項(xiàng)目一場(chǎng)區(qū)位置及周邊情況Fig.1 The location and surrounding conditions of the project one

工程項(xiàng)目一場(chǎng)區(qū)位于汛期河道北側(cè)，地勢(shì)從北向南逐漸降低，機(jī)位點(diǎn)之間的最大高差在50 m左右，整個(gè)場(chǎng)區(qū)存在一定的坡度。項(xiàng)目初期，開(kāi)發(fā)方提供了場(chǎng)區(qū)地形圖、2#測(cè)風(fēng)塔原始數(shù)據(jù)、20臺(tái)機(jī)位點(diǎn)坐標(biāo)、風(fēng)力機(jī)組動(dòng)態(tài)功率曲線等建模計(jì)算的原始資料。其機(jī)位布置圖如圖2。

圖2 工程項(xiàng)目一風(fēng)電機(jī)組布置圖Fig.2 Wind turbine location layout of the project one

經(jīng)內(nèi)業(yè)分析及現(xiàn)場(chǎng)踏勘，并結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)及流場(chǎng)流動(dòng)特性，可以初步判斷該工程項(xiàng)目的流場(chǎng)流動(dòng)具有其特殊性。從整個(gè)場(chǎng)區(qū)來(lái)看，靠近汛期河道區(qū)域的機(jī)位點(diǎn)處由于地形影響具有一定的加速效應(yīng)[14-15]。為了使模型更加切合實(shí)際，收集到更為靠近汛期河道的1#測(cè)風(fēng)塔的原始數(shù)據(jù)。該河道區(qū)域風(fēng)速更高，通過(guò)其綜合建模計(jì)算后，使計(jì)算結(jié)果更加切合實(shí)際流場(chǎng)流動(dòng)特性，避免單純通過(guò)2#測(cè)風(fēng)塔進(jìn)行建模計(jì)算引起的誤差，造成項(xiàng)目在進(jìn)行備選機(jī)位點(diǎn)選擇時(shí)誤判，從而影響項(xiàng)目整體收益。兩個(gè)模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表1和圖3所示。

圖3 不同模型計(jì)算結(jié)果結(jié)果Fig.3 Calculation results of different models

表1 發(fā)電量對(duì)比Table 1 Comparison of power generation

從以上對(duì)比結(jié)果可以看出，單個(gè)測(cè)風(fēng)塔由于所處位置無(wú)加速效應(yīng)，風(fēng)速較低，會(huì)使整場(chǎng)模擬結(jié)果偏低，此外，單個(gè)機(jī)位點(diǎn)兩者模擬結(jié)果具有較大的差別，單個(gè)測(cè)風(fēng)塔對(duì)于河道沿線，尤其是場(chǎng)區(qū)西南側(cè)的模擬結(jié)果較差，使用單個(gè)測(cè)風(fēng)塔模擬，勢(shì)必會(huì)造成誤判。

工程項(xiàng)目二場(chǎng)區(qū)位置及周邊情況如圖4所示。

圖4 工程項(xiàng)目二場(chǎng)區(qū)位置及周邊情況Fig.4 The location and surrounding conditions of the project two

工程項(xiàng)目二場(chǎng)區(qū)位于南側(cè)山脈坡腳處，地勢(shì)從南向北逐漸降低，機(jī)位點(diǎn)之間的最大高差在30 m左右，整個(gè)場(chǎng)區(qū)較為平坦開(kāi)闊，類似于高原平地區(qū)域，無(wú)明顯流場(chǎng)加速效應(yīng)。項(xiàng)目初期，開(kāi)發(fā)方提供了場(chǎng)區(qū)地形圖、1#測(cè)風(fēng)塔原始數(shù)據(jù)、8臺(tái)機(jī)位點(diǎn)坐標(biāo)、風(fēng)力機(jī)組動(dòng)態(tài)功率曲線等建模計(jì)算的原始資料。其機(jī)位布置圖如圖5所示。

圖5 工程項(xiàng)目二風(fēng)電機(jī)組布置圖Fig.5 Wind turbine layout of the project two

根據(jù)項(xiàng)目已有資料分析，場(chǎng)區(qū)位置地形較為平坦，位于兩側(cè)山脈形成的較為寬闊的沖積平原上，項(xiàng)目場(chǎng)址區(qū)域的風(fēng)向主要為沿著山脈走向。此外，在項(xiàng)目場(chǎng)址區(qū)域的東北側(cè)還存在一條相對(duì)場(chǎng)區(qū)所在地而言狹窄一些的山谷，位于測(cè)風(fēng)塔西北偏北方向。因此，對(duì)于測(cè)風(fēng)塔所在位置的風(fēng)速和風(fēng)向都存在一定的影響，從而也造成了測(cè)風(fēng)塔與場(chǎng)址區(qū)域的風(fēng)速和風(fēng)向會(huì)有所不同。如果在建模計(jì)算時(shí)所選取的計(jì)算區(qū)域過(guò)小，不能囊括西北側(cè)及西北偏北側(cè)兩處地形的影響，勢(shì)必會(huì)造成計(jì)算結(jié)果偏高，從而對(duì)于項(xiàng)目收益造成偏高的估計(jì)，在后期運(yùn)行階段帶來(lái)一些損失。分別建立兩個(gè)不同計(jì)算范圍下的模型，對(duì)比計(jì)算結(jié)果如表2和圖6所示，分析兩者的計(jì)算結(jié)果，在相同的折減系數(shù)下，較小計(jì)算區(qū)域模型計(jì)算得出的利用時(shí)數(shù)相比較大計(jì)算區(qū)域模型計(jì)算結(jié)果要高估約8.2%。

表2 發(fā)電量對(duì)比Table 2 Comparison of power generation

圖6 不同模型計(jì)算結(jié)果Fig.6 Calculation results of different models

4 結(jié) 論

本文以具體工程項(xiàng)目為例，通過(guò)對(duì)比分析地形對(duì)局部流場(chǎng)分布的影響，以及造成的風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量差異，說(shuō)明了地形情況尤其是局部復(fù)雜或特殊地形對(duì)于風(fēng)資源分析的重要性。

(1)當(dāng)局部地形發(fā)生明顯變化時(shí)(例如開(kāi)闊地形出現(xiàn)收縮或者分叉等)，需考慮地形變化對(duì)于流場(chǎng)可能存在的影響，由于不同地形存在的加速、屏障效應(yīng)等影響，風(fēng)流流場(chǎng)中不同位置流速不再與地形高程呈現(xiàn)正相關(guān)，因此針對(duì)地形變化進(jìn)行定制化的風(fēng)資源分析以避免模擬失真。

(2)對(duì)于局部復(fù)雜地形，需綜合考慮地形、測(cè)風(fēng)塔、場(chǎng)址機(jī)位位置等多方面的因素，可通過(guò)改變模型計(jì)算區(qū)域大小、補(bǔ)充測(cè)風(fēng)資料、完善地形圖等方式，更為精確地建立流場(chǎng)計(jì)算模型、分析風(fēng)資源情況、計(jì)算場(chǎng)區(qū)發(fā)電量，進(jìn)而指導(dǎo)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。