一種基於雙測風塔數據的既有風電場粗糙度值確定方法與流程
2023-10-10 14:15:44
本發明涉及一種基於雙測風塔數據的既有風電場粗糙度值確定方法，屬於平坦地形風電場風能評估領域。
背景技術：
：我國沿海地區大多具有地形平坦、風能資源較豐富、交通便利、施工條件好等優勢，是理想的風電場建設區域。但隨著我國風電行業的迅速發展，沿海地區可利用的土地資源越來越有限，擬規劃風電場周邊存在既有風電場的現象越來越突出。早期的沿海風電場開發中，擬規劃風電場附近的既有風電場大多也處於規劃或準備建設階段，此時，風機尚未投產運行，既有風電場的存在不會對周邊區域風速產生影響，其粗糙度值設置標準可根據自身地形地貌特點參考相應的粗糙度長度數值確定表，比如《風電場工程技術手冊》中平坦地形粗糙度等級及對應的粗糙度長度數值表。然而近年來，既有風電場處於建成投產階段的情況增多，此時，投產後的既有風電場相當於原有地貌上新興的障礙物，其會造成下遊區域風速出現一定程度突然減小，而後逐漸恢復的現象。但是有關投產後既有風電場區域的粗糙度取值標準在現有的粗糙度長度數值確定表中並未給出，依靠查表的方式已不適用，而且到目前為止，針對此方面的研究也幾乎沒有。眾所周知，能否準確模擬風電場風能資源分布規律是影響風電場發電量估算和選址工作的可靠性以及整個項目經濟效益的一個重要因素，尤其是對於投資較大的大型風電場，如何確定周邊既有風電場區域粗糙度值提高整個場區風能資源模擬結果的準確性顯得尤為重要。隨著近年來我國沿海風電的迅速發展，此問題更加突出，急需得到解決。技術實現要素：本發明所要解決的技術問題是克服現有技術的缺陷，提供一種基於雙測風塔數據的既有風電場粗糙度值確定方法，以兩測風塔測風數據為基礎條件展開計算，確定既有風電場粗糙度值。為解決上述技術問題，本發明提供一種基於雙測風塔數據的既有風電場粗糙度值確定方法，包括以下步驟，1)，在既有風電場或其臨近區域內收集兩座測風塔的測風數據；所述測風數據包括兩座測風塔在既有風電場投產前同一測風年和投產後同一測風年內風速和風向數據；2)，進行數據分組；3)，對每組數據分別進行檢驗和處理；4)，初繪粗糙度線；根據投產前階段既有風電場及其臨近區域的地形特點及分布劃分為若干個局部區域，並繪製相應的粗糙度線，粗糙度線範圍距離研究區域邊界L米及以上；所述研究區域是指需要評估風資源分布規律的區域；5)，採用「雙塔法」確定各局部區域粗糙度值；6)，判斷既有風電場是否投產，若否，粗糙度值確定完畢，若是，進入步驟7)；7)，細化既有風電場粗糙度線；8)，建立既有風電場投產後階段粗糙度值計算表達式；9)，採用「雙塔法」確定既有風電場區域粗糙度值。前述的步驟2)中，根據既有風電場投產前同一測風年和投產後同一測風年兩個時段將每座測風塔測風數據分為兩組，總共得到四組數據。前述的步驟3)中，數據檢驗和處理是指對每組測風數據分別進行統計分析，剔除缺測和無效測風數據後，分別計算每組測風數據有效完整率是否大於K％，若滿足要求，則測風數據檢驗合格，否則對不滿足要求的那組數據中的缺測和無效測風數據進行插補修正，然後重新檢驗直至全部四組測風數據有效完整率均大於K％；所述有效完整率的計算公式如下：其中，S表示應測數目，即測量期間小時數，S0表示缺測數目，即沒有記錄到的小時平均值數目，S1表示無效數據數目，即確認為不合理的小時平均值數目；所述插補修正的方法為：對於長時段缺測和無效測風數據，根據同塔相鄰高度間的風切變或相關關係或者是鄰塔相同高度間的相關關係進行相關插補替換；對於零星缺測和無效數據，採用相同高度相鄰同時段數據直接進行插補替換；風向明顯異常的，採用同塔相鄰高度風向直接替換；若某時段該塔各層風向均無效，則採用鄰塔相同高度風向替代。前述的K＝90。前述的L＝3000。前述的步驟5)中，採用「雙塔法」確定各局部區域粗糙度值的過程為：(5-1)提取投產前階段兩測風塔在模擬高度處的數據計算文件；(5-2)在兩測風塔中選定一塔作為計算輸入點，另一塔作為校驗點；(5-3)根據平坦地形粗糙度等級及對應的粗糙度長度數值表確定各局部區域粗糙度取值範圍；(5-4)在步驟(5-3)的取值範圍內選取下限值作為各局部區域粗糙度值；(5-5)對步驟4)的各粗糙度線進行賦值；(5-6)採用風資源評估軟體模擬計算校驗點處計算風速；(5-7)根據公式ε＝|Δv1/v1|×100％＝|(v1′-v1)/v1|×100％計算校驗點處風速誤差，其中，ε表示投產前階段校驗點在模擬高度處的風速誤差，Δv1表示投產前階段檢驗點在模擬高度處計算風速與實測風速的差值，v1′表示投產前階段校驗點在模擬高度處的計算風速，v1表示投產前階段校驗點在模擬高度處的實測風速；(5-8)驗證ε是否不超過m％，若不超過，則粗糙度值確定完畢，若超過，在步驟(5-3)確定的取值範圍內重新調整粗糙度值然後重複步驟(5-5)～(5-8)直至ε不超過m％。前述的m＝0.5。前述的步驟7)中，根據既有風電場內風機輪轂高度H、葉輪直徑D以及風機間平均距離L的變化情況將既有風電場區域細分為若干個小區域，並繪製相應的粗糙度線。前述的步驟8)中，建立既有風電場投產後階段其粗糙度值計算表達式，過程如下：以風機擋風面積相等為原則將運行中的風機等效成正方形障礙物，等效後，障礙物與障礙物之間的空隙為一定值，定義A為等效後障礙物與障礙物之間的平均空隙量，定義B為等效後的正方形邊長，則：B=π(D2)2=D2π---(3)]]>A＝L-B(4)則：既有風電場投產後階段其粗糙度值為：z02=kH+B/2A=kH+πD/4L-πD/2---(5)]]>其中，z02為既有風電場投產後階段其粗糙度值，k表示為比例係數，其中，H和D根據場區內機型確定，L根據既有風電場呈塊狀還是帶狀分布分為兩種表達形式：當既有風電場呈塊狀風電場時，L=(dr+dc)/2---(1)]]>當既有風電場呈帶狀風電場時，L=df---(2)]]>其中，表示塊狀風電場中風機行間距平均值，表示塊狀風電場中風機列間距平均值，表示帶狀風電場中各風機間距的平均值。前述的步驟9)中，採用「雙塔法」確定既有風電場區域粗糙度值的關鍵在於比例係數k的確定，具體計算過程為：(9-1)假定在同一研究過程中，k為一定值；(9-2)提取投產後階段兩測風塔在模擬高度處的數據計算文件；(9-3)令i＝0，選定k0、Δk和n值，其中，i表示迭代次數，k0表示比例係數k的初值，Δk表示k的遞增量，n表示迭代次數上限值；(9-4)將ki值代入建立的表達式(5)中計算既有風電場投產後階段其粗糙度值；(9-5)對步驟7)的既有風電場區域粗糙度線進行重新賦值；(9-6)採用風資源評估軟體模擬計算校驗點處計算風速；(9-7)根據x＝v2′-v2計算校驗點處風速差值，其中，x表示投產後階段校驗點在模擬高度處計算風速與實測風速的差值，v2′表示投產後階段校驗點在模擬高度處的計算風速，v2表示投產後階段校驗點在模擬高度處的實測風速；(9-8)驗證x是否等於Δv1，若否，令i＝i+1，進入步驟(9-9)，若是，進入步驟(9-13)；(9-9)判斷i是否大於n，若否，令ki＝ki-1+Δk，重複步驟(9-4)～(9-8)，若是，令i＝i-1，進入步驟(9-10)；(9-10)整理計算結果(x0,k0),(x1,k1),…,(xn,kn)；(9-11)以x為橫軸，k為縱軸在直角坐標系中繪製散點，採用最小二乘法擬合散點數據得到相關方程k＝f(x)；(9-12)將x＝Δv1帶入方程k＝f(x)計算最終k值，(9-13)根據最終所得k值帶入公式(5)確定既有風電場投產後階段其粗糙度值。本發明所達到的有益效果：1)本發明不僅填補了現階段既有風電場區域粗糙度值確定方法問題的空白，還在一定程度上大大提高了既有風電場及其臨近區域風資源分布規律模擬結果的準確性，為後續既有風電場臨近場區發電量估算和選址工作奠定基礎；2)本發明方法以兩測風塔測風數據為基礎條件展開計算，實施過程簡便，思路獨特新穎，而且提出的計算公式對前期資料的需求相對比較基本，容易獲取，這給實際工程中前期資料的準備工作帶來了較大便利，在一定程度上能夠縮短資料收集時間，降低工作難度，貼合工程實際情況的同時能夠充分調動工程師的設計經驗；3)本發明方法經過我國沿海幾個典型風電工程的應用證明，計算可操作性強，風能資源分布規律的模擬結果準確合理，為今後在既有風電場存在條件下其臨近風電場的風能資源評估工作的開展提供了極大幫助。附圖說明圖1為本發明基於雙測風塔數據的既有風電場粗糙度值確定方法的流程圖；圖2為各局部區域粗糙度值確定方法的流程圖；圖3為既有風電場投產後階段粗糙度值確定方法的流程圖。具體實施方式下面結合附圖對本發明作進一步描述。以下實施例僅用於更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此來限制本發明的保護範圍。如圖1所示，本發明的基於雙測風塔數據的既有風電場粗糙度值確定方法，包括以下步驟：步驟1，在既有風電場或其臨近區域內收集雙測風塔數據。測風數據包括兩座測風塔在既有風電場投產前同一測風年和投產後同一測風年內風速和風向數據。步驟2，進行數據分組。根據既有風電場投產前同一測風年和投產後同一測風年兩個時段將每座測風塔測風數據分為兩組，總共得到四組數據。步驟3，對每組數據分別進行檢驗和處理。數據檢驗和處理是指對每組測風數據分別進行統計分析，剔除缺測和無效測風數據後，分別計算每組測風數據有效完整率是否大於K％，若滿足要求，則測風數據檢驗合格，否則對不滿足要求的那組測風數據中的缺測和無效測風數據進行插補修正，然後重新檢驗直至全部四組測風數據有效完整率均大於K％，其中K最優取值為90。有效完整率的計算公式如下：其中，S表示應測數目，即測量期間小時數，S0表示缺測數目，即沒有記錄到的小時平均值數目，S1表示無效數據數目，即確認為不合理的小時平均值數目。「插補修正」的方法為：(1)對於長時段缺測和無效測風數據，根據同塔相鄰高度間的風切變或相關關係或者是鄰塔相同高度間的相關關係進行相關插補替換；其他時段零星缺測和無效數據，採用相同高度相鄰同時段數據直接進行插補替換。(2)風向明顯異常的，採用同塔相鄰高度風向直接替換；若某時段該塔各層風向均無效，則採用鄰塔相同高度風向替代。步驟4，初繪粗糙度線。根據投產前階段既有風電場及其臨近區域的地形特點及分布劃分為若干個局部區域，並繪製相應的粗糙度線，粗糙度線範圍距離研究區域邊界L米及以上，其中L最優取值為3000。研究區域指需要評估風資源分布規律的區域。步驟5，採用「雙塔法」確定各局部區域粗糙度值，如圖2所示，具體過程如下：(1)提取投產前階段兩測風塔在模擬高度處的數據計算文件；(2)在兩測風塔中選定一塔作為計算輸入點，另一塔作為校驗點；(3)根據平坦地形粗糙度等級及對應的粗糙度長度數值表確定各局部區域粗糙度取值範圍，其中平坦地形粗糙度等級及對應的粗糙度長度數值表見表1；表1平坦地形粗糙度等級及對應的粗糙度長度數值表粗糙度z0/m地形特點1.0城市、森林0.5市郊0.3掩體地帶0.2多樹木或灌木0.1封閉狀態農田0.05開闊狀態農田0.03具有較少建築物、樹木等以及機場區域0.01機場跑道區域、被割的草地0.005開闊地(光滑)0.001雪地(光滑)0.0003沙土地(光滑)0.0001水域(湖、河流入海口、開闊的海)(4)在取值範圍內選取下限值作為各局部區域粗糙度值；(5)對步驟4的各粗糙度線進行賦值，即以步驟(4)確定的各局部區域粗糙度值為條件對步驟4的各粗糙度線兩側或包圍區域內、外分別賦予粗糙度值；(6)採用風資源評估軟體模擬計算校驗點處計算風速；(7)根據公式ε＝|Δv1/v1|×100％＝|(v1′-v1)/v1|×100％計算校驗點處風速誤差，其中，ε表示投產前階段校驗點在模擬高度處的風速誤差，Δv1表示投產前階段檢驗點在模擬高度處計算風速與實測風速的差值，v1′表示投產前階段校驗點在模擬高度處的計算風速，v1表示投產前階段校驗點在模擬高度處的實測風速；(8)驗證ε是否不超過m％，若不超過，則粗糙度值確定完畢，若超過，在步驟(3)確定的取值範圍內重新調整粗糙度值然後重複步驟(5)～(8)直至ε不超過m％，其中m最優取值為0.5。步驟6，判斷既有風電場是否投產，若否，粗糙度值確定完畢，若是，進入步驟7。步驟7，細化既有風電場粗糙度線。根據既有風電場內風機輪轂高度H、葉輪直徑D以及風機間平均距離L的變化情況將既有風電場區域細分為若干個小區域(若H、D和L在整個既有風電場區域內均無變化，則不需細分)，並繪製相應的粗糙度線。步驟8，建立既有風電場投產後階段其粗糙度值計算表達式。假定在投產前後兩個測風年時段內，既有風電場臨近區域地形地貌未有改變，且影響投產後階段既有風電場區域粗糙度值的主要因素為風機輪轂高度H、葉輪直徑D以及風機間平均距離L，其他因素暫不考慮。鑑於在(H-D/2，H+D/2)的模擬高度範圍內，運行中的風機類似於一個圓形的障礙物，此時，障礙物與障礙物之間的空隙是隨著高度變化而變化的，為簡化計算考慮，本次以風機擋風面積相等為原則將圓形等效成正方形，等效後，障礙物與障礙物之間的空隙為一定值，在此，定義A為等效後障礙物與障礙物(即各風機)之間的平均空隙量，定義B為等效後的正方形邊長。假設既有風電場投產後階段其粗糙度值為z02，根據上述假定條件可知z02是與H、D和L有關的函數，其中H和D根據場區內機型可直接確定，L根據既有風電場呈塊狀還是帶狀分布分為兩種表達形式：(1)當既有風電場呈塊狀風電場時，L=(dr+dc)/2---(1)]]>(2)當既有風電場呈帶狀風電場時，L=df---(2)]]>其中，表示塊狀風電場中風機行間距平均值，表示塊狀風電場中風機列間距平均值，表示帶狀風電場中各風機間距的平均值。等效後的正方形邊長B為：B=π(D2)2=D2π---(3)]]>風機間的平均空隙量A為：A＝L-B(4)可以想像當風機輪轂高度H和等效後的邊長B越大，即既有風電場高度(H+B/2)越高，粗糙度值z02相應越大；當風機間的平均空隙量A越大，即場區內風機越稀疏，z02相應越小，因此可以假設：z02=kH+B/2A=kH+πD/4L-πD/2---(5)]]>其中，k表示為比例係數。將H、D和L值代入推導的公式(5)中建立投產後階段既有風電場區域粗糙度值表達式，此時，該表達式中僅有未知量k，只要k值確定，既有風電場粗糙度值即可確定。步驟9，採用「雙塔法」確定既有風電場區域粗糙度值，如圖3所示，具體過程如下：(1)假定在同一研究過程中，k近似看成一定值；(2)提取投產後階段兩測風塔在模擬高度處的數據計算文件；(3)令i＝0，選定k0、Δk和n值，其中，i表示迭代次數，k0表示比例係數k的初值，Δk表示k的遞增量，n表示迭代次數上限值；(4)將ki值代入建立的表達式(5)中計算既有風電場粗糙度值；(5)對步驟7的既有風電場區域粗糙度線進行重新賦值，即以步驟(4)確定的粗糙度值為條件對既有風電場粗糙度線包圍區域內、外重新賦予粗糙度值；(6)採用風資源評估軟體模擬計算校驗點處計算風速；(7)根據x＝v2′-v2計算校驗點處風速差值，其中，x表示投產後階段校驗點在模擬高度處計算風速與實測風速的差值，v2′表示投產後階段校驗點在模擬高度處的計算風速，v2表示投產後階段校驗點在模擬高度處的實測風速；(8)驗證x是否等於Δv1，若否，令i＝i+1，進入步驟(9)，若是，進入步驟(13)；(9)判斷i是否大於n，若否，令ki＝ki-1+Δk，重複步驟(4)～(8)，若是，令i＝i-1，進入步驟(10)；(10)整理計算結果(x0,k0),(x1,k1),…,(xn,kn)；(11)以x為橫軸，k為縱軸在直角坐標系中繪製散點，採用最小二乘法擬合散點數據得到相關方程k＝f(x)；(12)將x＝Δv1帶入方程k＝f(x)計算最終k值，(13)根據最終所得k值帶入公式(5)確定既有風電場粗糙度值。上述提出的方法不僅填補了現階段既有風電場區域粗糙度值確定方法問題的空白，還在一定程度上大大提高了既有風電場及其臨近區域風資源分布規律模擬結果的準確性，為後續既有風電場臨近場區發電量估算和選址工作奠定基礎，而且以兩測風塔測風數據為基礎條件展開計算，實施過程簡便，思路獨特新穎，提出的計算公式對前期資料的需求也相對比較基本，容易獲取，這給實際工程中前期資料的準備工作帶來了較大便利，在一定程度上能夠縮短資料收集時間，降低工作難度，貼合工程實際情況的同時能夠充分調動工程師的設計經驗，經過我國沿海幾個典型風電工程的應用證明，計算可操作性強，風能資源分布規律的模擬結果準確合理，為今後在既有風電場存在條件下其臨近風電場的風能資源評估工作的開展提供了極大幫助。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本
技術領域：
的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發明的保護範圍。當前第1頁1 2 3