一种近海风电场风能计算方法与流程

本发明属于海上风电场风资源
技术领域：
，具体涉及一种近海风电场风能计算方法。
背景技术：
：风电是一种可再生的清洁能源，中国风能资源丰富，可开发利用的风资源14亿kW，其中陆上6亿kW、海上8亿kW。海上风资源比陆上更为稳定、风速更高，易于规模化发展，且受环境问题制约小，我国东部沿海地区风资源丰富，接近用电负荷中心，并网条件好，海上风电发展前景广阔。国家能源局十三五海上风电发展规划海上装机容量目标为1000万kW，海上风电将迎来高速发展时期。海面粗糙度是海上风能影响的主要因素，海面粗糙度又称为海面空气动力学粗糙长度，其概念是从陆面上对数风廓线理论中的粗糙度延伸应用到海面而得来的，定义为风速等于零的高度。海上风电快速发展对海上风资源预测评估提出更高的要求，准确设置海面粗糙度值对提高风能计算评估准确性非常重要，国内外对海面粗糙度做了大量研究，但是海面粗糙度模型在微尺度海上风电场风能计算中使用较少。目前海上风能资源计算评估中还没有充分考虑粗糙度的变化，粗糙度取为同一值，影响了风能计算的准确性，造成风能计算误差。技术实现要素：本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种近海风电场风能计算方法，提供一种简化近海区域的海面粗糙度模型，能够由点及面推算出近海风电场中不同水深处的海面粗糙长度，准确的反应海上不同区域粗糙度变化情况，更好地体现出近海风电场不同区域风能分布的差异性。为解决上述技术问题，本发明提供了一种近海风电场风能计算方法，其特征是，包括以下步骤：步骤一，利用高风速条件下一年的风速测量数据计算陆地粗糙度，计算公式为：其中，z1为陆地粗糙度，σu为一年测量数据中风速的标准偏差，cu是常数为2.2，d是常数为0.4，z为测风高度，Uz为高度z处风速；高风速是指风速Uz≥6m/s，步骤二，建立浅水条件下海面粗糙度计算模型为：其中，z0为海面粗糙度；A为常数；C10为海面10m高度处的阻力系数，取常数0.0013；U10为10m高度处的风速；u10为深水条件下的10m高度处的风速；g为重力加速度；h为海水深度；k为波浪波数；其中深水指水深大于半个波浪波长，浅水是指水深小于半个波长，其中波浪波数k的计算公式为：Lp为波浪波长，Tp为谱峰周期，为平均周期；步骤三，利用已知定点海面10m高度处的风速求解此定点处的海面粗糙度：其中，K为冯卡门常数，取值为0.35，U10为10m高度处风速；利用海上10m高度一年风速测量数据，带入本步骤公式中，计算出10m高度处的年平均海面粗糙度；步骤四，由已知点10m高度处的海面粗糙度和水深h，可解得参数A，则海面粗糙度模型简化为仅关于水深h的海面粗糙度函数；步骤五，由陆地粗糙度和海面粗糙度公式可知风电场中任一高度处的粗糙度，利用WAsP对近海风电场风能计算评估。进一步的，测量数据采用高风速条件下的采集频率为10分钟的1年风速测量数据。与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明提出的计算近海风电场海面粗糙度的新方法能够较准确的反应海上不同区域粗糙度变化情况，更好地体现出近海风电场不同区域风能分布的差异性，计算得到的风速和风能更可靠，可对近海风电场微观选址、短期风功率预测等有一定的指导意义，在工程中有很好的应用前景。附图说明图1为近海风电场风能计算流程图。图2为按照海水等深线划分粗糙度线。图3为计算近海风电场中风力发电机机位分布示意图。图4为测风塔M1处风速的WAsP计算结果与测量值对比图。图5为E列机组发电量的WAsP计算结果与测量值对比图。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。如图1所示，本发明的一种近海风电场风能计算方法，其特征是，包括以下步骤：步骤一，利用高风速条件下一年的风速测量数据计算陆地粗糙度，计算公式(1)为：其中，z1为陆地粗糙度，σu为一年测量数据中风速的标准偏差，cu是常数为2.2，d是常数为0.4，z为测风高度，Uz为高度z处风速；其中测量数据采用高风速(Uz≥6m/s)条件下的采集频率为10分钟的1年风速测量数据，利用标准差法计算求解陆地粗糙度。步骤二，建立浅水条件下海面粗糙度计算模型为：其中，z0为海面粗糙度；A为常数；C10为海面10m高度处的阻力系数，取常数0.0013；U10为10m高度处的风速；u10为深水条件下的10m高度处的风速；g为重力加速度；h为海水深度；k为波浪波数。浅水是指水深小于半个波长，即h≤0.5Lp时定义为浅水。浅水条件下无因次的海面粗糙度长度z0/Hs不仅与波龄的平方有关，同时受水深和波长影响。所以浅水下粗糙度公式可表示为：式中，A为常数；u*为摩擦速度；cp为波速；Lp为波长；h为水深，是指海床相对国家85高程的高度。根据波浪守恒定律可知浅水条件下，波浪的周期T不随水深变化，所以波浪平均周期可取为定值(根据海洋波浪观测站测量得到)，根据观测站的测量得出的经验值有谱峰周期Tp和平均周期的关系为：已知浅水条件下波浪波长Lp，波速cp计算公式为：摩擦速度u*可以利用海面上10m高度处风速推算：式中，C10为海面10m高度处的阻力系数取常数0.0013；U10为10m高度处的风速。将式(6)～(9)带入公式(5)中，化简得：深水指水深大于半个波浪波长，浅水是指水深小于半个波长，当波浪由深水传入浅水，由于海底摩擦作用，波浪有效波高、相速及波长等要素减小，波龄也随之减小，海面粗糙度长度相应增大，海面变得更粗糙。浅水下有效波高可采用Tucker方案计算：式中，HS0为深水条件下有效波高；k为波浪波数。深水条件下有效波高可以由谱函数计算可得：式中，u10为深水条件下10m高度处的风速。将式(11)(12)带入浅水下粗糙度公式(10)，化简可得到浅水条件下海面粗糙度计算模型：其中波数k：由式(2)可知，浅水条件下海面粗糙度与水深有关，水深h越小，海面粗糙度z0越大。步骤三，海上测风塔M1测得10m高度处的风速，利用已知定点海面10m高度处的风速求解此定点处的海面粗糙度，计算公式(4)为：其中，K为冯卡门常数，取值为0.35，U10为测风塔测得10m高度处风速；利用海上测风塔测得的10m高度处一年风速测量数据，带入本步骤公式中，计算出10m高度处的年平均海面粗糙度；步骤四，利用步骤三中求解出已知点水深处的海面粗糙度和海上测风塔位置处的水深h，带入步骤二中海面粗糙度模型中，解得参数A，再将A带入步骤二中海面粗糙度模型中，可以将模型简化为仅关于水深h的海面粗糙度函数，由此模型可以推算出其它水深下的海面粗糙度。步骤五，将陆地粗糙度和海面粗糙度导入map地形图中，再将map地形图导入WAsP软件计算近海风电场风资源分布以及风电机组发电量情况。由以上陆地粗糙度和海面粗糙度公式可知风电场中任一高度处的粗糙度，通过软件MapEditor将粗糙度参数导入风电场map地形图中，可以准确的反应海上不同区域粗糙度变化情况，更好地体现出近海风电场不同区域风能分布的差异性，WAsP软件是现有技术中进行风资源分析的软件，再将map地形图导入WAsP软件，WAsP软件据此参数进行风资源分布以及风电机发电量预估。下面通过某近海风电场实际数据对模型进行验证：某近海风电场机位分布情况如图3，各列机组排布方向为22°，D列机组一共有7台，M1是一座海上测风塔，M2是海岸堤上的一座测风塔，两者距离21km，测风塔数据样本为间隔10min，本发明利用测风塔M110m高度风速推算测风塔处的海面粗糙度，并计算得出不同水深下的海面粗糙度，不同水深下粗糙度线见图2，最后通过M2测风数据计算风电场风能。利用陆上测风塔M2测量数据通过公式(2)计算得到陆上粗糙度80mm；测风塔M1测得在10m高度平均风速为5.9m/s，利用公式(4)求得该点处的年平均粗糙度为0.5mm。假设风场范围内10m高度变化小，u10和U10取定值6m/s；平均周期由海洋潮位测站观测得到，取为3.7s；M1处水深5m，带入公式(2)、(3)求得此时常数A值为0.083，再带入公式(3)，此时海面粗糙度模型简化为仅关于水深h的变化函数，然后由点及面，推算出其它水深下的粗糙度，海水等深线如图2所示，粗糙度划分见表1。表1：粗糙度划分表传统预测海上风资源常采用单一粗糙度，与实际情况不符合。为了对比新模型风能评估准确性，本发明利用传统经验模型作对比，其粗糙度设置按照陆上粗糙度取80mm，近岸区(0m≤h≤3m)粗糙度取1mm，离岸区(h＞3m)海面粗糙度粗糙取0.2mm。通过软件MapEditor将上述流程求解得到的粗糙度编辑进入map地形图文件中，通过WAsP软件利用测风塔M2的测风数据计算近海风电场风资源分布以及风电机组发电量情况。测风塔M1不同高度风速测量值与模拟值对比见图4，本发明中新模型的高层风速更加接近测量值，测量值和新模型模拟结果中高层的风速随高度变化小，风切变较小。测风塔M1在80m高度风速和风功率密度计算结果见表2，轮毂高度80m处年平均风速为6.95m/s，本发明的新模型在M1点80m高度计算风速为6.82m/s，风速误差为1.87％，传统模型计算风速6.68m/s，风速误差为3.88％；新模型风功率密度计算误差为1.33％，经验模型计算误差为5.59％，可以看出本发明新模型中风速和风功率密度与测量值更加吻合。表2：计算值与测量值对比实测值新模型经验模型风速m/s6.956.826.68风速误差％—1.873.88风功率密度w/㎡376371355风功率密度误差％—1.335.59E列7台风力发电机组发电量对比见图5，第一台机组综合折减系数取0.25，其余机组综合折减系数按照风电场实际运行过程当中机组停机率等比例换算。由图5可知第四台机组发电量偏低这是由于第四台机组停机率较高，其余机组发电量随着离岸距离减小而减小，新模型中各机组发电量与测量值更加接近。两种模型7号机组发电量计算结果与测量值误差较小，随着风力机离岸距离增加经验模型计算结果误差逐渐增大，可见本发明中的新模型较好的反应近海风电场风力机输出功率变化规律，模拟出近海风电场轮毂高度处风能分布情况，所以本发明中的新模型更好的反映出了近海风电场海面粗糙度变化，验证了新模型的可靠性。本发明提出的计算近海风电场海面粗糙度的新方法能够较准确的反应海上不同区域粗糙度变化情况，更好地体现出近海风电场不同区域风能分布的差异性，计算得到的风速和风能更可靠，可对近海风电场微观选址、短期风功率预测等有一定的指导意义，在工程中有很好的应用前景。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
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的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。当前第1页1 2 3