袁紅亮，王 炎，陳 彬，宋俊博

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

在碳達(dá)峰碳中和的背景下，風(fēng)電作為新能源產(chǎn)業(yè)中的重要一環(huán)，對(duì)實(shí)現(xiàn)“30·60”戰(zhàn)略目標(biāo)將發(fā)揮重要的作用。風(fēng)能資源評(píng)估在風(fēng)電開發(fā)過程中起著關(guān)鍵的作用，隨著風(fēng)電開發(fā)建設(shè)的進(jìn)度逐漸加快，各種風(fēng)能資源評(píng)估軟件應(yīng)運(yùn)而生，軟件根據(jù)用戶輸入的地形、大氣熱穩(wěn)定度、粗糙度等參數(shù)進(jìn)行邊界條件的生成，繼而進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)流場(chǎng)模擬[1]。其中，大氣熱穩(wěn)定度在風(fēng)能資源評(píng)估中是非常重要的參數(shù)，不同的大氣熱穩(wěn)定度代表不同的大氣層結(jié)特性，其取值不同會(huì)導(dǎo)致不同的流場(chǎng)模擬結(jié)果，繼而影響風(fēng)能資源評(píng)估的準(zhǔn)確性。為了研究大氣熱穩(wěn)定度對(duì)風(fēng)能資源評(píng)估的影響，多位學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)研究。Gualtieri詳細(xì)分析了荷蘭Cabauw地區(qū)10、20、40、80 m測(cè)風(fēng)塔的大氣熱穩(wěn)定性與風(fēng)切變指數(shù)的時(shí)間變化關(guān)系[2]。研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于對(duì)數(shù)定律，冪定在不穩(wěn)定和中性層結(jié)條件下給出更接近實(shí)際的風(fēng)廓線[3-5]。然而，目前基于Meteodyn WT軟件進(jìn)行大氣熱穩(wěn)定度的設(shè)置及其影響研究較少。在實(shí)際工程計(jì)算中，風(fēng)電場(chǎng)大氣熱穩(wěn)定度應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行取值。一般情況下，工程師都采用軟件默認(rèn)的值，這種大氣熱穩(wěn)定度取值方法雖然簡(jiǎn)便，但無法反映場(chǎng)風(fēng)電工程的真實(shí)情況，也無法保證計(jì)算的精確性。

本文以某風(fēng)電場(chǎng)工程為例，研究Meteodyn WT軟件中不同大氣熱穩(wěn)定度取值對(duì)風(fēng)速、風(fēng)切變指數(shù)及風(fēng)廓線的影響，提出大氣熱穩(wěn)定度取值的相關(guān)方法及建議，為風(fēng)電工程中合理地對(duì)大氣熱穩(wěn)定度進(jìn)行取值提供參考。

1 Meteodyn WT軟件和大氣熱穩(wěn)定度簡(jiǎn)介

Meteodyn WT軟件是法國(guó)美迪公司專門為解決大氣邊界層問題而設(shè)計(jì)的軟件，采用計(jì)算流體力學(xué)的方法(CFD)進(jìn)行空間風(fēng)流模擬，在限定邊界條件下，數(shù)值求解三維雷諾平均納維—斯托克斯(RANS)方程，并應(yīng)用適合的湍流模型對(duì)目標(biāo)區(qū)域的風(fēng)流特性參數(shù)進(jìn)行求解計(jì)算[6-7]，得到整個(gè)場(chǎng)區(qū)的風(fēng)流情況，可用于風(fēng)能資源評(píng)估與發(fā)電量計(jì)算。該軟件減少了復(fù)雜地形條件下計(jì)算的不確定性，因此對(duì)于復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能資源評(píng)估具有較好的適用性[8]，同時(shí)也適用于平坦地形風(fēng)電場(chǎng)。

Meteodyn WT軟件中的大氣熱穩(wěn)定度通過Obukhov長(zhǎng)度來定義，該長(zhǎng)度可以反映機(jī)械性湍流與熱力效應(yīng)產(chǎn)生的浮力湍流之間的相對(duì)主導(dǎo)性。Meteodyn WT軟件的CFD計(jì)算中共有 10 個(gè)不同的大氣熱穩(wěn)定度等級(jí)可以選擇。大氣熱穩(wěn)定度等級(jí)從 0(非常不穩(wěn)定)至 9(強(qiáng)穩(wěn)定)穩(wěn)定度逐漸提高。表1列出了不同熱穩(wěn)定度等級(jí)下對(duì)應(yīng)的 Obukhov 長(zhǎng)度。

Meteodyn WT軟件中大氣熱穩(wěn)定度對(duì)入口風(fēng)廓線的影響見圖1 。從圖1中可以看出，大氣越穩(wěn)定，入口風(fēng)切變?cè)酱?；同時(shí)場(chǎng)區(qū)內(nèi)的風(fēng)切變也越大。

圖1 不同的熱穩(wěn)定度條件下的入口風(fēng)廓線

2 算例概況

本文選取的某風(fēng)電場(chǎng)為我國(guó)中原地區(qū)平坦風(fēng)電場(chǎng)，地表主要為農(nóng)田和村莊。風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)共有3座測(cè)風(fēng)塔，分別為01、02、03號(hào)。3座測(cè)風(fēng)塔高度均為100 m高，風(fēng)速觀測(cè)高度均為100(1)、100(2)、80、60、40、10 m，風(fēng)向觀測(cè)高度均為100、80、10 m。風(fēng)電場(chǎng)的主風(fēng)向以北風(fēng)、南風(fēng)和南西南風(fēng)為主。測(cè)風(fēng)塔位置如圖2所示。

圖2 某風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔位置

為了比較不同大氣熱穩(wěn)定度取值下測(cè)風(fēng)塔互相推算模擬的準(zhǔn)確性，本文選取3座測(cè)風(fēng)塔同期時(shí)段為2016年1月1日至2016年12月31日的100 m高度測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)。

3 計(jì)算方案

選用實(shí)測(cè)1∶2000 數(shù)字化地形圖，通過 Meteodyn WT 軟件對(duì)真實(shí)地形建模。在3座測(cè)風(fēng)塔代表年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、功率曲線、粗糙度等其它輸入?yún)?shù)確定的前提下，大氣熱穩(wěn)定度是影響風(fēng)能資源評(píng)估的關(guān)鍵因素。本文研究方法是在保證其它參數(shù)一致的情況下，改變Meteodyn WT軟件中大氣熱穩(wěn)定度的取值，以此分析大氣熱穩(wěn)定度對(duì)風(fēng)速、風(fēng)切變指數(shù)及風(fēng)廓線的影響。具體步奏如下：

第1步,初始建模。根據(jù)實(shí)測(cè)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)和場(chǎng)區(qū)實(shí)測(cè)1∶2000地形圖，利用 Meteodyn WT 軟件模擬場(chǎng)區(qū)內(nèi)的風(fēng)能資源分布情況。初始模型定向計(jì)算相關(guān)參數(shù)設(shè)置為：最小水平分辨率為60 m，最小垂直分辨率為5 m，熱穩(wěn)定度等級(jí)初步選擇2(中性)，粗糙度直接引用Meteodyn WT軟件內(nèi)置的地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，風(fēng)向扇區(qū)間隔為 22.5°。按照上述參數(shù)設(shè)置進(jìn)行CFD定向計(jì)算直至收斂。

第2步，模型檢驗(yàn)。采用03號(hào)測(cè)風(fēng)塔作為參考塔對(duì)初始模型進(jìn)行檢驗(yàn)。根據(jù)03號(hào)測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合計(jì)算，將Meteodyn WT 綜合計(jì)算結(jié)果發(fā)送至 Windographer FMV，對(duì)03號(hào)測(cè)風(fēng)塔位置處的模擬風(fēng)廓線和實(shí)測(cè)風(fēng)廓線進(jìn)行對(duì)比分析，以檢驗(yàn)初始模型對(duì)實(shí)際風(fēng)場(chǎng)的擬合是否符合。初始建模得到的參考塔模擬風(fēng)廓線與實(shí)測(cè)風(fēng)廓線的對(duì)比見圖3?？梢钥闯?，風(fēng)廓線模擬效果并不好。另外，根據(jù)參考塔全風(fēng)向平均實(shí)測(cè)風(fēng)切變指數(shù)為0.362，而初始模型模擬的全風(fēng)向平均風(fēng)切變指數(shù)為0.160，該初始模型經(jīng)檢驗(yàn)明顯與實(shí)際風(fēng)場(chǎng)有較大偏差。

圖3 初始模型中 03號(hào)模擬風(fēng)廓線與實(shí)測(cè)風(fēng)廓線對(duì)比大氣熱穩(wěn)定度

第3步，模型校正。針對(duì)初始模型與實(shí)際風(fēng)場(chǎng)不符的情況，可以考慮調(diào)整的影響風(fēng)廓線及風(fēng)切變的參數(shù)有：地形精度、地表粗糙度、森林模型、大氣熱穩(wěn)定度。本文在保證地形精度、地表粗糙度、森林模型等其它參數(shù)與風(fēng)場(chǎng)實(shí)際相符的條件下，只調(diào)整大氣熱穩(wěn)定度的取值，以此分析大氣熱穩(wěn)定度的影響。

在此提出風(fēng)切變校正法對(duì)大氣熱穩(wěn)定度進(jìn)行調(diào)整，以使校正后的模擬結(jié)果更接近風(fēng)場(chǎng)實(shí)際。大氣熱穩(wěn)定度的風(fēng)切變校正法參考塔位置處的全風(fēng)向平均模擬風(fēng)切變指數(shù)、模擬風(fēng)廓線與實(shí)測(cè)值不符時(shí)，改變大氣熱穩(wěn)定度的取值重新進(jìn)行模型綜合計(jì)算，直至模擬風(fēng)切變指數(shù)與實(shí)測(cè)風(fēng)切變指數(shù)接近，誤差較小(根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)誤差絕對(duì)值小于0.04)；且模擬風(fēng)廓線與實(shí)測(cè)風(fēng)廓線較為相符，則認(rèn)為該取值對(duì)應(yīng)的大氣熱穩(wěn)定度為最終值，能最大程度反應(yīng)風(fēng)場(chǎng)實(shí)際。

針對(duì)算例，本文初擬8種計(jì)算方案，對(duì)模型進(jìn)行校正，采用風(fēng)切變校正法來確定算例中大氣熱穩(wěn)定度的取值。具體計(jì)算方案見表2。

表2 大氣熱穩(wěn)定度計(jì)算方案

4 計(jì)算結(jié)果

將算例風(fēng)場(chǎng)內(nèi)的其中一座測(cè)風(fēng)塔作為參考塔，利用其100 m高度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其它2座測(cè)風(fēng)塔位置處100 m高度的風(fēng)速、風(fēng)切變指數(shù)和風(fēng)廓線進(jìn)行模擬，然后與實(shí)測(cè)風(fēng)速、實(shí)測(cè)風(fēng)切變指數(shù)(不考慮10 m高度)、風(fēng)廓線進(jìn)行對(duì)比，對(duì)3座測(cè)風(fēng)塔模擬的風(fēng)速、風(fēng)切變指數(shù)誤差取絕對(duì)值后進(jìn)行平均，得到8種計(jì)算方案的模擬誤差結(jié)果見表3、圖4～5。

表3 各方案風(fēng)速、風(fēng)切變指數(shù)模擬誤差表

由上述模擬誤差圖表可以看出：

(1) 隨著大氣熱穩(wěn)定度的增大，模擬的風(fēng)速誤差不斷增大，其中最大值為1.420%，最小值為1.080%。

(2) 風(fēng)切變指數(shù)模擬誤差在熱穩(wěn)定度為8時(shí)最小。之后隨著熱穩(wěn)定度的減小，風(fēng)切變指數(shù)模擬誤差增大。

圖5 不同大氣熱穩(wěn)定度風(fēng)切變指數(shù)模擬誤差

(3) 熱穩(wěn)定為2時(shí)，模擬的100 m高度風(fēng)速誤差相對(duì)最小，但風(fēng)切變指數(shù)模擬誤差較大，風(fēng)廓線擬合較差，說明此時(shí)模型只在100 m高度的平面上具有一定的精度，在垂直方向上與實(shí)際風(fēng)場(chǎng)相差較大，風(fēng)廓線擬合效果較差。

(4) 綜合上述成果，采用風(fēng)切變校正法，綜合考慮風(fēng)速、風(fēng)切變指數(shù)模擬誤差結(jié)果，算例中大氣熱穩(wěn)定度取值應(yīng)為8。

各測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)速、風(fēng)切變指數(shù)模結(jié)果見表4和表5?？梢钥闯觯L(fēng)速模擬的誤差在0.00%～2.23%之間，誤差絕對(duì)值平均為1.32%，模擬結(jié)果精度較高，誤差較??；風(fēng)切變指數(shù)模擬誤差絕對(duì)值在0.001～0.035，風(fēng)切變誤差最小。

表4 大氣熱穩(wěn)定度取8時(shí)各測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速模擬結(jié)果

表5 大氣熱穩(wěn)定度取8時(shí)各測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速模擬結(jié)果

03號(hào)測(cè)風(fēng)塔風(fēng)廓線模擬結(jié)果見圖6?？梢钥闯?，風(fēng)廓線擬合結(jié)果較初始模型(圖3)有了很大改善，由此可認(rèn)為經(jīng)風(fēng)切變校正法校正后的模型與實(shí)際風(fēng)場(chǎng)符合。

圖6 03號(hào)測(cè)風(fēng)塔的模擬風(fēng)廓線與實(shí)測(cè)風(fēng)廓線對(duì)比(大氣熱穩(wěn)定度取8)

5 結(jié) 論

通過對(duì)Meteodyn WT中大氣熱穩(wěn)定度取不同值對(duì)算例的模擬結(jié)果進(jìn)行分析，評(píng)估了大氣熱穩(wěn)定度對(duì)風(fēng)速、風(fēng)切變指數(shù)、風(fēng)廓線的影響。并提出了風(fēng)切變校正法，用來確定大氣熱穩(wěn)定度的最終取值，形成結(jié)論如下：

(1) 算例中，當(dāng)熱穩(wěn)定度為8時(shí)(非常穩(wěn)定)，風(fēng)速模擬的誤差在0.00%～2.23%，誤差絕對(duì)值平均為1.32%，模擬結(jié)果精度較高；風(fēng)切變指數(shù)模擬誤差絕對(duì)值在0.001～0.035，風(fēng)切變誤差最小。且風(fēng)廓線擬合較好，模型與實(shí)際風(fēng)場(chǎng)較為符合。

(2) 中原地區(qū)的平坦風(fēng)電場(chǎng)，地表主要為農(nóng)田和村莊的條件下，隨著大氣熱穩(wěn)定度的增大，模擬的風(fēng)速誤差不斷增大，但模擬的風(fēng)切變指數(shù)誤差不斷減小。

(3) 實(shí)際工程中，可采用風(fēng)切變校正法對(duì)大氣熱穩(wěn)定度進(jìn)行調(diào)整，可使校正后的模擬結(jié)果誤差更小。

(4) 大氣熱穩(wěn)定度的最終取值，應(yīng)結(jié)合風(fēng)切變校正法和風(fēng)廓線模擬的符合度綜合確定。