雙重嵌套模擬風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速分布的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速分布的模擬方法，具體涉及一種采用雙重嵌套的方式 模擬風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速分布的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國(guó)國(guó)土面積幅員遼闊、風(fēng)能資源極為豐富。隨著風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)逐步成熟、制造 成本持續(xù)下降，我國(guó)也迎來了風(fēng)電大規(guī)模開發(fā)建設(shè)的高速發(fā)展時(shí)期。近年來，隨著金風(fēng)科技 等低風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組的問世，使得風(fēng)能資源欠豐富的地區(qū)也具備了開發(fā)的可能性，風(fēng)電項(xiàng)目 的投資熱點(diǎn)也從傳統(tǒng)的"三北"地區(qū)擴(kuò)展到了新興的南方地區(qū)。
[0003] 而南方地區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)多位于山地地帶，具有一定的復(fù)雜性，海拔高程落差大、地形 崎嶇、地貌多變、局地氣候明顯，以上特點(diǎn)導(dǎo)致風(fēng)能資源在空間分布上具有極強(qiáng)的不均勻 性，即使空間距離僅數(shù)十米的兩個(gè)點(diǎn)位也可能存在較大的風(fēng)速差異。
[0004] 針對(duì)山地風(fēng)電場(chǎng)具有特殊的復(fù)雜性，風(fēng)能領(lǐng)域引入了計(jì)算流體力學(xué)方法進(jìn)行風(fēng)場(chǎng) 模擬，其步驟大致如下：1)在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)設(shè)立一個(gè)或多個(gè)測(cè)風(fēng)塔，獲得至少一個(gè)完整年的測(cè) 風(fēng)數(shù)據(jù)；2)利用附近氣象站的多年長(zhǎng)期數(shù)據(jù)，將測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)訂正到代表年水平；3)利用計(jì)算 流體力學(xué)軟件載入訂正后的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)、及海拔高程、地表粗糙度等資料作為邊界條件，建立 起數(shù)十米分辨率的三維計(jì)算網(wǎng)格，通過求解Navier-Stokes方程，計(jì)算出風(fēng)電內(nèi)空間任一 點(diǎn)的風(fēng)流數(shù)據(jù)，進(jìn)而繪制出風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速分布圖。
[0005] 上述技術(shù)的不足之處在于：1)設(shè)立測(cè)風(fēng)塔的費(fèi)用在數(shù)十萬(wàn)元，還需一年以上的觀 測(cè)期，成本過高，時(shí)間過長(zhǎng)；2)需購(gòu)買氣象站多年長(zhǎng)期數(shù)據(jù)，并對(duì)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)開展訂正，耗費(fèi) 大量人力財(cái)力；3)場(chǎng)址的海拔高程、地表粗糙度等資料需要現(xiàn)場(chǎng)踏勘、儀器測(cè)繪、計(jì)算機(jī)處 理等，過程繁瑣、效率低、費(fèi)用高。總之，現(xiàn)有技術(shù)的過程繁瑣、成本高、時(shí)間長(zhǎng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種不需要建設(shè)實(shí)體測(cè)風(fēng)塔及現(xiàn)場(chǎng)采集相關(guān)數(shù)據(jù)，充分利 用現(xiàn)有數(shù)據(jù)，投入少，過程簡(jiǎn)單的雙重嵌套模擬風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速分布的方法。
[0007] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種雙重嵌套模擬風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速分布的方法，包括以 下步驟：
[0008] 步驟一，建立虛擬測(cè)風(fēng)塔：在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)選擇在場(chǎng)址內(nèi)選取處點(diǎn)位，作為虛擬測(cè)風(fēng)塔 的位置，并定義大地坐標(biāo)為[xo, Y0];
[0009] 步驟二，獲取第一重嵌套的MERRA再分析氣象數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)覆蓋了全球的陸地 區(qū)域以及離岸50km以內(nèi)的近海區(qū)域，水平方向上網(wǎng)格劃分為2/3經(jīng)度X 1/2煒度（約 70kmX50km)，垂直方向上分為72層。選取步驟一建立的虛擬測(cè)風(fēng)塔位置所在的網(wǎng)格的四 角格點(diǎn)位置，大地坐標(biāo)分別為[XI，Yl]、[X2, Y2]、[X3, Y3]、[X4, Y4]，與虛擬測(cè)風(fēng)塔的水平 距離分別為SI、S2、S3、S4的MERRA數(shù)據(jù)，獲取地面50-100m之間高度的最近20年以上的風(fēng) 速風(fēng)向序列，一共得到4組MERRA再分析氣象數(shù)據(jù)：[U1、D1]、[U2、D2]、[U3、D3]、[U4、D4]， 其中U為風(fēng)速、D為風(fēng)向；
[0010] 步驟三，獲取第一重嵌套的ASTER⑶EM海拔高程數(shù)據(jù)；獲取以下范圍的ASTER GDEM海拔高程數(shù)據(jù)：中心為步驟一建立的虛擬測(cè)風(fēng)塔位置所在的網(wǎng)格的幾何中心位置，大 地坐標(biāo)為[X5, Y5]，邊長(zhǎng)為80- 120km之間的正方形；
[0011] 步驟四，獲取GlobeLand30地表覆蓋數(shù)據(jù)，制作第一重嵌套的30m分辨率地表粗 糙度數(shù)據(jù)；獲取的GlobeLand30地表覆蓋數(shù)據(jù)范圍為：中心為步驟一建立的虛擬測(cè)風(fēng)塔 位置所在的網(wǎng)格的幾何中心，大地坐標(biāo)[X5, Y5]，邊長(zhǎng)為80- 120km之間的正方形，利用 GlobeLand30地表覆蓋分類與地表粗糙度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將獲取的GlobeLand30地表覆蓋數(shù) 據(jù)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)化為30m分辨率地表粗糙度數(shù)據(jù)；
[0012] 步驟五，開展第一重嵌套，模擬步驟一的虛擬測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)速風(fēng)向序列，采用計(jì)算流 體力學(xué)軟件Meteodyn WT (簡(jiǎn)稱"WT"），載入步驟二的4組MERRA再分析氣象數(shù)據(jù)，步驟三 的ASTER GDEM海拔高程數(shù)據(jù)，以及步驟四的30m分辨率地表粗糙度數(shù)據(jù)作為邊界條件，計(jì) 算網(wǎng)格設(shè)置如下：最小水平分辨率為lkm，最小垂直分辨率為20m，水平擴(kuò)展系數(shù)為1. 1，垂 直擴(kuò)展系數(shù)為1.2,垂直參數(shù)為0.7,完成16風(fēng)向扇區(qū)的定向計(jì)算后，經(jīng)由4組MERRA數(shù)據(jù) 地面50m高度的最近30年的風(fēng)速風(fēng)向序列：[U1、D1]、[U2、D2]、[U3、D3]、[U4、D4]，分別外 推模擬，得到4組虛擬測(cè)風(fēng)塔70-100m高度的同期風(fēng)速風(fēng)向序列：[U10、DIO]、[U20、D20]、 [U30、D30]、[U40、D40];按下列公式計(jì)算加權(quán)平均后的虛擬測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)速風(fēng)向序列[U0、 DO]，即為所需數(shù)據(jù)：
[0015] 步驟六，獲取第二重嵌套的ASTER⑶EM海拔高程數(shù)據(jù)及30m分辨率地表粗糙度數(shù) 據(jù)：按步驟三、四的方法獲取風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址范圍的ASTER⑶EM海拔高程數(shù)據(jù)，GlobeLand30地 表覆蓋數(shù)據(jù)，制作出30m分辨率地表粗糙度數(shù)據(jù)；
[0016] 步驟七，開展第二重嵌套，模擬風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速分布：采用WT軟件載入步驟六的虛擬 測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)速風(fēng)向序列，以及步驟六的ASTER GDEM海拔高程數(shù)據(jù)，30m分辨率地表粗糙度 數(shù)據(jù)作為邊界條件，計(jì)算網(wǎng)格設(shè)置如下：最小水平分辨率為30m，最小垂直分辨率為4m，水 平擴(kuò)展系數(shù)為1. 1，垂直擴(kuò)展系數(shù)為1. 2,垂直參數(shù)為0. 7 ;完成16風(fēng)向扇區(qū)的定向計(jì)算后， 經(jīng)由虛擬測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)速風(fēng)向序列[U0、D0]，外推模擬得到風(fēng)電內(nèi)空間任一點(diǎn)的風(fēng)流數(shù)據(jù)，進(jìn) 而繪制出風(fēng)電場(chǎng)30-100m分辨率風(fēng)速分布圖，完成雙重嵌套風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速分布的模擬。
[0017] 虛擬測(cè)風(fēng)塔選址為風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)場(chǎng)址中心附近、地形條件和地貌類型與場(chǎng)址50%以上 地區(qū)相似的一處點(diǎn)位，塔高為70-100m。
[0018] 本發(fā)明提供的雙重嵌套模擬風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速分布的方法，具有以下有益效果：
[0019] 1)直接使用MERRA再分析氣象數(shù)據(jù)，不需設(shè)立測(cè)風(fēng)塔，節(jié)約了數(shù)十萬(wàn)元的立塔成 本，節(jié)省了一年觀測(cè)時(shí)間；
[0020] 2)采用的MERRA再分析氣象數(shù)據(jù)為最近30年的長(zhǎng)期數(shù)據(jù)，不需購(gòu)買氣象站的多年 長(zhǎng)期數(shù)據(jù)，并進(jìn)行代表年訂正，節(jié)約了此環(huán)節(jié)的人力財(cái)力；
[0021] 3)直接使用ASTER⑶EM海拔高程數(shù)據(jù)、GlobeLand30地表覆蓋數(shù)據(jù)制作30m分辨 率地表粗糙度數(shù)據(jù)，不需現(xiàn)場(chǎng)踏勘、儀器測(cè)繪、計(jì)算機(jī)處理等獲取場(chǎng)址的海拔高程、地表粗 糙度資料，簡(jiǎn)化過程、提高效率、節(jié)省費(fèi)用。
【附圖說明】
[0022] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0023] 圖1為本發(fā)明方法的總流程圖；
[0024] 圖2為實(shí)施例中四角格點(diǎn)A、B、C、D和虛擬測(cè)風(fēng)塔Ml的位置；
[0025] 圖3為實(shí)施例中A、B、C、D四組MERRA數(shù)據(jù)的各年平均風(fēng)速；
[0026] 圖4為實(shí)施例中第一重嵌套的ASTER⑶EM海拔高程數(shù)據(jù)；
[0027] 圖5為實(shí)施例中第一重嵌套的30m分辨率地表粗糙度數(shù)據(jù)；
[0028] 圖6為實(shí)施例中第一重嵌套模擬得到的虛擬測(cè)風(fēng)塔Ml的的各年平均風(fēng)速；
[0029] 圖7為實(shí)施例中第二重嵌套的ASTER⑶EM海拔高程數(shù)據(jù)；
[0030] 圖8為實(shí)施例中第二重嵌套的30m分辨率地表粗糙度數(shù)據(jù)；
[0031] 圖9為實(shí)施例中第二重嵌套模擬得到的風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 本發(fā)明的工作過程如下：
[0033] 步驟一，建立虛擬測(cè)風(fēng)塔。在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)選擇在場(chǎng)址中心附近、地形條件和地貌類型 與場(chǎng)址50%以上地區(qū)相似的一處點(diǎn)位，作為虛擬測(cè)風(fēng)塔的位置，大地坐標(biāo)[X0, Y0]，塔高為 70-100m〇
[0034] 步驟二，獲取第一重嵌套的MERRA再分析氣象數(shù)據(jù)。MERRA(The Modern Era Retrospective-analysis for Research and Applications)再分析氣象數(shù)據(jù)是美國(guó)國(guó)家 航空航天局（NASA)戈達(dá)德地球觀測(cè)系統(tǒng)（GEOS)的資料同化系統(tǒng)（DAS)的產(chǎn)品之一。該數(shù) 據(jù)覆蓋了全球的陸地區(qū)域以及離岸50km以內(nèi)的近海區(qū)域，水平方向上網(wǎng)格劃分為2/3經(jīng) 度父1/2煒度（約701〇11\501〇11)，垂直方向上分為72層，從地面向上延伸至0.011^&。數(shù)據(jù) 的記錄起止時(shí)間為1979年至今，囊括每小時(shí)的風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓等氣象參數(shù)。。選取步 驟一建立的虛擬測(cè)風(fēng)塔位置所在的網(wǎng)格的四角格點(diǎn)位置（大地坐標(biāo)分別為[XI，Yl]、[X2， Y2]、[X3, Y3]、[X4, Y4]，與虛擬測(cè)風(fēng)塔的水平距離分別為Sl、S2、S3、S4的MERRA數(shù)據(jù)，獲 取地面50-100m之間高度的最近20年以上的風(fēng)速風(fēng)向序列，一共得到4組數(shù)據(jù)：[Ul、Dl]、 [U2、D2]、[U3、D3]、[U4、D4]，其中U為風(fēng)速、D為風(fēng)向。由于該數(shù)據(jù)為20年以上的長(zhǎng)期數(shù) 據(jù)，故不需進(jìn)行代表年訂正。
[0035] 步驟三，獲取第一重嵌套的ASTER⑶EM海拔高程數(shù)據(jù)。ASTER⑶EM(Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer Global Digital Elevation Model)海拔高程數(shù)據(jù)是美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA)與日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省（METI)共同制作 的全球數(shù)字海拔高程產(chǎn)品。ASTER GD