基于地形的风电场建模方案

有了地表粗糙度和尾流的建模，就可以结合风电场地形，对风电场所在地的数值天气预报进行降维操作，将NWP网格的风场参数转化为风电场风电机组位置轮毂高度处的风速和风向，进行风电功率预测。

传统的建模方式是以现场测量数据为基础，利用统计方法进行分析，这种方式得到的结果很精确，但这种方法的基础是长期具有代表性的现场观测数据，需要耗费大量的人力、物力和时间。随着计算机仿真技术的不断发展，计算机数值模拟逐步得到重视。

数值模拟方法近年来得到了迅速发展，国外基于模拟方法也开发了许多较为成熟的风能资源评估系统。丹麦Risoe国家实验室开发了WAsP 软件 （Wind Atlas Analysis and Application Program），它是目前国内外多数风电工程设计所使用的软件。该商业软件作为目前最成熟的风能资源评估技术在全世界范围得到了广泛的认可，超过100个国家的用户使用WAsP 进行风能资源评估、风电机组定位、风电场设计等风电开发相关工作。WAsP软件的功能主要包括：

（1）输入测风站点连续系列的风速风向原始数据、气象站的地形地貌、障碍物，从而绘制区域风图谱。

（2）根据区域风图谱、风电场的地形地貌、风机的定位以及风机的动力曲线，估算整个风电场的年净发电量。WAsP 软件采用的是一个标准的线性模型，对于地形简单、起伏变化较小的研究区域，WAsP 可以获得精确的符合实际风况的计算结果；但在复杂山地风电场中，由于在计算分析获取区域风图谱中存在模型适用误差，基于得到的区域风谱图再进行站点的风况模拟、发电量预测和风电场区域风资源评估时会产生一定的不确定性。这是基于WAsP进行风场建模的一个重要问题。

大量的工程实践证明，基于线性模型的WAsP 软件不适用于复杂地形风场。而采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）的方法可以充分地模拟大气边界层中的湍流在复杂地形中产生的撞击和分离等流动现象，因此成为了复杂地形风电场风资源评估的发展方向。计算流体力学是在经典流体力学和数值计算方法的基础之上产生的，它具备理论性与实践性的双重特点。随着计算机应用技术的发展，CFD 方法现今已经成为解决各种流体流动与传热问题的强有力工具。CFD 模型已经成功应用于换热器内流动、飞行器的绕流等多种流体工程中，在对时效性要求不高的风资源评估中也得到了初步的应用。(www.xing528.com)

使用CFD 方法对风电场地形建模的步骤如下：

（1）根据给定风电场及其周围区域的地形高程和粗糙度数据建立风电场地形模型，根据风电场范围和实际地形特征等因素选定计算区域并确定模型的网格划分方案，建立风电场实地模型。在实际计算中，要根据风电场的周边条件以及计算机的内存来确定计算区域的大小及计算网格的数量。在水平方向上，采用局部网格加密方案，所选取的计算区域应以风电场为中心，计算网格加密区域至少应沿着风电场边界向外扩展3～5倍风轮直径，加密区域距离计算域边界至少要预留3～5km。在垂直方向上，近地面处网格较为稠密，距离地面越高处网格越稀疏，地面以上100m 高度的范围内，要包含7～10层网格，且第一层网格的高度不能过低，对于复杂地形而言，模型总高度应为地形相对高差的5倍左右。在计算流体力学中，计算网格的生成过程其实质就是计算域的离散过程。网格是CFD 模型的几何表达式，也是对实际问题进行模拟与分析的载体，生成网格的质量对CFD 方法的计算精度和计算效率有着重要的影响。目前，计算网格主要分为结构网格和非结构网格两大类。结构网格在空间上比较规范，其网格节点之间的邻接是有序而规则的，除了边界节点以外，内部的网格节点都有相同的邻接网格数；而非结构网格节点之间的邻接是无序的、不规则的，每个网格节点都可以有不同的邻接网格数。单元是构成网格的最基本元素。在结构网格中，常用的二维网格单元是四边形单元，常用的三维网格单元是六面体单元；在非结构网格中，常用的二维网格单元有三角形单元和四边形单元，常用的三维网格单元有四面体、五面体和六面体单元等。在本文中，对已建立的流场计算区域划分空间网格，所采用的网格以六面体结构网格为主。

（2）以速度和风向表征风电场的来流风况条件，对风电场内可能出现的风况范围进行离散，选定湍流模型等流场计算方案后，分别以各离散风况为边界条件对不同风况下的风电场流场进行数值模拟。利用CFD 方法进行的流场计算是针对有限区域的，也即针对风电场及其周边区域，因此需要在有限区域的边界上给定边界条件。然而，边界条件的给定并不是任意的，它需要满足数学上、物理上的合理性，并且要尽可能地减少对区域内点数值解的精确度和稳定性的影响。边界条件是指在求解区域的边界上所有求解变量或其导数随时间和地点的变化规律。边界条件是使CFD 问题有定解的必要条件，对于任何一个CFD 问题，都需要给定边界条件。边界条件有许多不同的分类方法，但从边界的物理性质来看，在CFD 模拟的过程中，基本的边界条件主要有四部分，分别是：①流动进口边界条件；②流动出口边界条件；③壁面边界条件；④给定压力边界条件。给定边界条件后，就可据此求解Navier-Stokes方程，对风电场流场进行数值模拟，进而获得不同来流条件的风电场稳态空间流场分布。实际的气流是湍流，需针对湍流采用不同的模拟方法，常用的模拟方法有雷诺平均法和大涡模拟法两种。其中雷诺平均法采用标准k-ε 模型将小尺度脉动等效为黏性；大涡模拟法则采用Smagorinsky亚格子模型，通过求解非稳态的N-S 方程后进行时间平均来得到平均流场。雷诺平均法计算量较少，其精度也较为一般；大涡模拟法耗时较长，其结果也相对来说更接近真实情况，适用于要求较高的情况。用户可以根据实际需求和硬件条件来选择。

（3）从获得的不同来流条件下的稳态流场分布中提取出风速预测所需的全部流场特性数据，考虑风电机组之间的尾流影响后计算出不同风电机组处的风速衰减，最终建立不同风电场来流风况条件下的测风塔及各台风电机组轮毂高度的风速、风向数据库。