风电场年发电量计算方法建模与分析.pdf

引用本文：袁飞。风电场年发电量计算方法建模与分析J.节能，2 0 2 3，42(11)：10-13.10?电力行业节能节能ENERGYCONSERVATIONNO.112023风电场年发电量计算方法建模与分析袁飞（国电联合动力技术有限公司，北京10 0 0 39）摘要：发电量评估是风电场设计过程中至关重要的环节，准确评估风电场发电量可以有效降低投资建设风险。从风资源数据建模和发电量计算建模两方面研究和建立发电量综合计算模型，并将模型结果与WindFarmer和WAsP商业软件进行对比分析。结果表明：各机位尾流后平均风速和发电量相对误差分别在0.6%和1.6%以内，偏差在合理范围内，验证了模型的有效性关键词：风机；风电场；发电量；尾流模型中图分类号：TM614文献标志码：A文章编号：10 0 4-7 948（2 0 2 3）11-0 0 10-0 4doi:10.3969/j.issn.1004-7948.2023.11.003引言风电场发电量计算的主要输入资料包括测风数据、地形图、地表粗糙度、风机坐标和功率曲线等，发电量评估主要分为风资源计算和发电量综合计算两个部分。风资源计算基于地形图和粗糙度地图，采用特定风流模型计算得到兴趣区域的“风加速因子”，建立风机点与测风点的关联性；发电量综合计算基于上述关联性，将测风点风速外推到风机点，并计算各风机点尾流影响后风速，利用风机功率曲线计算发电量。主要的风电场发电量评估软件有WAsP、M e t e o d y n W T、W i n d Si m、W i n d Fa r me r 和WindPRO等。其中，WAsP软件采用线性模型作为风流模型，其风资源计算结果适用于简单地形评估；MeteodynWT和WindSim软件采用计算流体力学方法(CFD)进行风资源计算，适用于复杂地形评估2-3；WindFarmer和WindPRO软件不自带风流模型，采用其他软件风资源计算结果进行发电量综合计算。风资源计算是发电量评估的基础环节，前人对风流模型开展了广泛研究，不同风流模型对地形的适用性各不相同4，但针对发电量综合计算的研究尚少，综合计算结果受空气密度5、功率曲线模型6 、尾流模型7 等多种因素影响，是复杂的数学建模过程，目前尚未形成统一的综合计算标准，有必要针对该方面开展探讨与研究，以建立快速准确的综合计算模型。文中立足风能工程领域需求，从风资源数据建模和发电量计算建模两方面分析发电量综合计算，并将建立的风电场年发电量计算模型与WindFarmer和WAsP商业软件进行对比分析，验证模型的有效性。1风资源数据建模1.1测风点数据建模为了掌握风电场风资源情况，在建设前期，需要在场址范围内设立一个或多个测风塔进行测风，测风塔一般在多个高度设置风速或风向仪，以便了解地面至风机轮毂高度及以上范围的风速、风切变、湍流等风资源情况。进行发电量评估时，测风点的时间序列数据一般转换为tab格式文件进行存储和计算，tab文件示例如图1所示，格式说明如表1所示。tab文件提供具有风速和风向分区内的发生频率Meteorological Mast InformationY9012110.7411.649.458.4113.9512.368.584.275.09%3.674.687.1713.018.669.277.244.774.629.0915.6011.22 12.957.3215.5727.6211.7722.3625.8011.879.7013.7526.7524.32 27.4516.27 14.32328.5.337.75 68.286.3.1533.2820.32 35.7062.4238.5.369.3934.9725.72465.21100.0289.8389.4146.2430.1748.78108.7876.3293.2254.4966.03592.33101.00108.56106.6180.6261.7255.88141.3391.66105.1385.819.5.206112.00127.15104.13159.57113.4966.3486.92122.60111.11130.50124.0398.127119.62134.01140.38173.611.33.6872.96107.54 132.41148.5120.15105.7399.978109.16112.27124.47105.701.33.95123.44 105.10 119.481.30.19118.59 100.04109.52993.04 91.6807.68113.17125.49114.98136.1496.75119.34108.75119.56106.601072.66 72.7266.6758.1768.34116.36111.7575.79 97.64 70.4391.91 92.5511.62.0247.72 54.1821.5077.75100.05104.4448.156.3.6054.8974.0177.431267.69 46.74 34.0423.3167.1185.7387.3628.0937.0442.4776.45 84.8613167.6932.0.333.8420.373.5.0668.1954.5515.1626.5612.9543.5139.781442.0027.7813.49 12.6826.6051.5627.275.3516.468.8037.8225.721530.6613.735.847.0213.6423.5511.091.345.613.1113.8320.681615.068.503.424.3011.73 16.164.211.504.665.2916.71172.849.972.822.9410.2311.240.440.374.141.636.10181.426.054.632.722.8711.24005.180.816.36190.893.925.240.911.913.54001.042.857.69202.842.783.420.45(0.965.5401.551.6.31.06图1tab文件示例表1tab文件格式说明行内容1测风点信息：名字、风速、风功率密度。2测风点的X和Y坐标、高度/m3扇区数量、风速尺度参数、风向位移因子（）4每个风向扇区的发生频率/%5风速区间上限为1m/s，后续为各扇区出现相对数量。6风速区间上限为2 m/s，后续为各扇区出现相对数量。7n与第5和6 行相同，风速区间为(3 n)m/s。注：各扇区内样本数总和为10 0 0。作者简介：袁飞（198 9一），男，硕士，工程师，研究方向为风能资源评估与风电场尾流模拟。基金项目：联合动力北京技术开发分公司科技项目“风电场多维度后评价体系技术研究”（项目编号：JSKF-2022-01）收稿日期：2 0 2 3-0 6-2 5NO.112023节能ENERGYCONSERVATION11电力行业节能由图1和表1可知，当风向处于第六扇区，风速介于78m/s时，风速频率为12 3.44=10 0 0 12.36%=1.53%。1.2风资源网格建模风电场发电量计算过程中，还需要获得场址范围内的风资源网格(wrg)文件，该类文件一般通过WAsP、MeteodynWT和WindSim等风电商业流场模拟软件获得。wrg文件可以是覆盖场址范围的网格数据文件，也可以是针对每个机位点的数据点文件。覆盖某个项目区域的wrg文件（仅展示5个扇区）如图2 所示。wrg文件格式说明如表2 所示。图2 全图共有32 0 行、150 列数据，网格间距为50 m，风资源网格点高度为90 m，共分12 个扇区。3201508600)4.679502GridPoint8600469790.08.672.279470.466212107902211168219494801998473213139882373GridPoint86504.69790.08.672:279470.4662121079022111682194948019984213139882374GridPoint87004.69790.08.673.279470.466212107911682194948019984213139882375GridPoint8.7504.69790.08.672:279470.4662121079022116821949480159847321313988237GridPoint8.800469790.08.672279470.466212107902211168219494801998421313988237GridPoint8.8504697090.08.672.279470.4662121079022111682194948019984213139882378GridPoint8.900469790.08.672:279470.466212107902211168219494 80199847321313988237GridPoint89504.69790.08.672.279470.4662121079022111682194948019984732131398823710GridPoint9.000469790.08.673279470.466212102902211168219494801998421313988237GridPoint9.0504.69790.08.672279470.46621210790221116821949480199842131398823712GridPoint9100469790.08.672:279470.4662121079022111682194948019984211398823713GridPoint0.1504697090.08.672:27470.466.2121079022111682104948019984732131.398823714GridPoint9.200469790.08.672:279470.4662121079022111682194948019984732131398823715GridPoin9.250469790.08.672.279470.4662121079022111682194948019984732131398823719GridPoinu93004.69790.08.672:279470.4662121079022111682194948019984213139882371GridPoint9.350469790.08.672.279470.46621210790221116821949480199842131398823718GridPoint9.4004.69790.08.672:279470.4602110790221116821949480190842131398823719GridPoint94504.69200.08.673279470.46621210790221116821949480199842131398823720GridPoint9.5004697090.08.672279470.46621210790221116821049480190842131398823721GridPoint9.5504.69790.08.672:279470.46621210790211168219494 801998472131398823722GridPoint9.6004.69790.08.673279470.4662121079022111682194948019984732131398823723GridPoint9.6504.69790.08.672.279470.466.21210790221116821949480199842131398823724GridPoint9700469790.08.672279470.46621210790221116821949480199842131398823725GridPoint9.7504.69790.08.673279470.46621210790221116821049480199842131.398823720GridPoint9.8004.607090.08.672:279470.4662121079021116821949480199842131398823727GridPoint9.050469790.08.672:279470.4662121079022111682194948019984732132398823728GridPoint9.9004.69790.08.672:279470.4662121079021116821049480199842131398823729GridPoint9.9504.69790.08.672.279470.4662121079022111682194948019984732131398823730GridPoint.0.0004697090.08.672.279470.4662121079022111682194948019984732131398823731GridPoint00504.697090.08.672.279470.466 2121079022111682194948019984732131398823732GridPoint01004.69700.08.672.279470.46621210790221116821949480199847321313988237图2覆盖某个项目区域的wrg文件（仅展示5个扇区）表2 wrg文件格式说明行列宽度内容166绘图网格行数7136绘图网格列数1142612网格的最小X坐标/m273912网格的最小Y坐标/m40466绘图网格步长11010网格点标签(=GridPoint)112010绘图网格点的X坐标/m213010绘图网格点的Y坐标/m31388绘图网格点的Z坐标/m39435绘图网格点的H坐标/m44485全风向平均WeibullA参数2n49545全风向平均Weibullk参数556915能量密度/(W/m)70723扇区数量73764扇区1上的对应风频(0.1)/%77804扇区1 上的 A参数(0.1)/(m/s)81855扇区1上的k参数(0.0 1)869813与7 3 8 5排列顺序相同，但对应为扇区2 的数据1.3功率曲线修正除了风机推力系数、轮毂高度、叶片直径和额定功率，功率曲线是风机的最主要特性。发电量计算一般只输入一个固定空气密度下的功率曲线，但在复杂地形场址下，风机海拔落差较大，需要通过空气密度的立方根修正风速，再计算风机功率输出。一3Vcorrect(1)Po式中：Vcorect修正后的风速，m/s；Vi风机处的平均风速，m/s；p i-风机i处的空气密度，kg/m；Po-功率曲线对应的空气密度，kg/m。根据测风塔实测空气密度推算风机处空气密度时，一般情况下，海拔每升高1km，空气密度下降0.113kg/m2发电量计算建模2.1风速修正因子将测风点风速外推到风机位置时，需要引入“风速修正因子”，为特定风向扇区内，某一点预测风速与测风点风速的比值。一般采用wrg文件和测风点处的点wrg文件计算该比值。RpmlVpi(2)Vmi式中：Rpmi第i扇区内，测风点m到预测点p的风速修正因子；Vpi点p在第i扇区内的预测风速，m/s;Vmi测风点m在第i扇区内的风速，m/s。对于平坦地形，一般假设风速修正因子不随风速变化，且设定网格点处风向频率等于测风点处风向频率，其适用于大部分场址情况2.2尾流建模在特定风场情景下，计算下游某台风机i的功率输出时，需要同时计算上游多台风机对其尾流的影响。上游风机j对下游风机i的尾流影响计算模型如图3所示。上游风机j的坐标为(xiyi)，下游风机i的坐标为（xiyi)，在给定风向W下，上游风机j与下游风机i的轴向距离x,和径向距离r为：(x;-x.)+(yi-y)cos(3)ri=;-x,)+(yi-y,)sin(4)-6NO.112023电力行业节能节能ENERGYCONSERVATIONXi-XjO,=tan(5)yi-yj式中：一上游风机j的尾流与下游风机i的圆心径向距离，m；x j 上游风机j与下游风机i的轴向距离,m;w一风向。10,-0W1径向方向.)轴向方向（风向）图3上游风机对下游风机i的尾流影响计算模型Jensen模型假设尾流在风机下游呈线性扩展，且速度亏损是仅关于风机轴向距离的函数。在Jensen模型的尾流影响区域内，风速衰减呈轴对称分布，在尾流影响区域外，速度衰减为O。Je n s n e 尾流模型的速度衰减系数S（x）和尾流直径Dw为：2(6)Dw=Do+2kwx(7)式中：X-风机下游轴向距离，m；C一风机的推力系数；D上游风机的叶片直径，m；D w 一风机下游尾流影响区域的直径，m；k w 尾流衰减常数。对于Jensen模型，当下游风机完全位于尾流影响范围内，在下游距离x处的衰减风速即为该处平均衰减风速。若下游风机仅部分叶轮面位于尾流影响范围内，其平均风速衰减因子,8 为：Aoverlap,=0(x)(8)A.式中:(x)-Jensen尾流模型在风机下游轴向距离x处的尾流衰减因子；上游风机j在下游风机i处造成的平均风速衰减因子；Aovelap一上游风机尾流与下游风机的重叠面积，m；A 一一下游风机叶片扫风面积,m。在大型风电场中，下游风机同时受到多台上游风机尾流影响，对于风场特定位置处的某个风机i，坐标为X，处于上游风机(j=1,n)的尾流影响范围内。在计算风机i处的总尾流损失u,时，应分别计算上游风机（j=1,n)对风机i造成的尾流损失Suj，对n台风机的尾流进行整合和叠加计算，最终得到风机i处的总尾流损失uio文中采用应用最为广泛的平方和方法进行尾流叠加计算，风电机组i处的尾流影响后风速u（X)为：u(X)=ua-/2umy-(x)(9)=1式中u.风电场自由流风速；uin一上游风电机组的入流风速2.3理论发电量计算计算风电场年发电量时，根据以下步骤评估风机点处尾流后风速tab文件：根据风机点和测风点处wrg文件信息，由式(2)计算得到各扇区下风速修正因子；利用风速修正因子，对测风点处tab文件进行修正，得到风机点处自由流风速tab文件；利用2.2 节建立的尾流模型，根据风机排布情况，分不同风向扇区和风速段计算得到风机点处尾流影响后风速tab文件。理论发电量表示考虑尾流影响后的发电量，其不考虑停机、电气损耗、气候、弃风等因素造成的发电量损失。对于风场中的每台风机，根据其尾流影响后风速tab文件和功率曲线计算理论发电量Ek。NaMEk=8 766fuPuk(10)i=1j=1式中：N方向扇区数；N风速区间数；Jiu出现频率；Piuk风机k在扇区i和风速区间i上的输出功率。3模型验证与分析某海上风电场概况如图4所示。风电场安装2 5台4MW风机，叶片直径130 m，塔筒高度90 m。测风塔位于风场东侧10 km，实测年平均风速7.6 m/s，主风向为东南风和东北风。尾流衰减常数均取0.0 4。S13s18.si1?S19?S12S25S24S10S17S23S9S22S16S8?S15S7?S21S14S6S5S2?S20S4S1S3(a）机位分布风速/(m/s)NNNW19.2V23.0NNE15.3V19.2111.5V15.3NWNE17.7V11.5BV3.8WNW13.8V7.7ENEWE1.6%2.9%WSWESE4.2%5.5%SESW9.4%10.7%6.8%SSWSSE12.0%S8.1%(b)风玫瑰图图4某海上风电场概况NO.112023能ENERGYCONSERVATION12电力行业节能由于WAsP软件无法展示尾流后风速计算结果，仅比较本模型与WindFarmer尾流后风速计算结果，各机位尾流后平均风速对比如图5所示。本模型与WindFarmer结果较为接近，曲线变化趋势基本一致，本模型风速均大于WindFarmer模拟结果，各机位尾流后平均风速最大误差为0.0 4m/s，计算误差控制在0.6%以内。7.60o-模型R-WindFarmer;7.55(s/u)/单7.507.457.407.357.30S1S5S10S15S20S25风机编号（a）尾流后平均风速1.00.80.60.40.2S5S10S15S20S25风机编号(b）相对误差绝对值图5各机位尾流后平均风速对比各机位发电时长对比如图6 所示。39008-o-模型-WindFarmer3.850-WASP3.8004375037003.6503600S1S5S10S15S20S25风机编号(a）理论发电时长2.5模型vsWindFarmer-模型VSWAsP2.01.51.00.50S1S5S10S15S20S25风机编号（b）相对误差绝对值图6各机位发电时长对比由图6 可知，本模型与WindFarmer、W A s P计算结果较为接近，曲线变化趋势基本一致，各机位发电时长最大偏差为58.3h，计算误差控制在1.6%以内。综上所述，本模型模拟的年平均风速和年发电量结果与WindFarmer、W A s P商业软件结果较为接近，曲线变化趋势基本一致，偏差控制在合理范围内，验证了本模型的有效性进一步分析各模型计算偏差存在的原因：一是模型的尾流叠加方法不同，在WindFarmer和WAsP中，当风机同时受多个风机尾流影响时，仅选取其中最大尾流衰减进行计算，且修正Park模型重叠区域利用矩形代表，而本模型采用平方和方法进行尾流叠加，且尾流重叠区域为圆形；二是尾流的定义不同，修正Park模型采用相对于自由流风速u。的衰减，而本模型采用相对于上游风机入流风速uin,的衰减；三是三种模型选取的方向步长不同，主要体现在对风资源数据tab文件的内插算法上，内差方法不同导致最终发电量的计算值也不同4结语本模型模拟的尾流后平均风速和年发电量结果与WindFarmer、W A s P商业软件结果较为接近，曲线变化趋势基本一致，各机位平均风速和发电量相对误差分别控制在0.6%和1.6%以内，偏差在合理范围内，验证了本模型的有效性。本模型结果与WindFarmer、W A s P商业软件存在一定偏差，初步分析主要原因是不同软件的尾流叠加方法、尾流的定义和方向步长选取有所不同。参考文献1谢晶晶.基于WAsP软件复杂山地风电场风资源评估及风机布置优化研究D.长沙：中南大学，2 0 14.2】王美琳，罗勇，周荣卫.WindSim软件在复杂地形风电场风能资源评估中的应用.气象，2 0 10,36(2)：113-119.3】黄权开，卢成志，刘永生，等.基于WT与WindPRO的风场风能评估与微观选址J.人民长江,2 0 2 1,52(6)：8 8-94.4】张静，杨靖文，王先阳.风流模型在不同地形上的使用研究.水电与新能源，2 0 2 1,35(9)：2 2-2 5.5】吴天太.空气密度年变化情况对风电场发电量计算的影响 .太阳能,2 0 2 3(4):2 2-2 9.6】施晨，彭秀芳，项雯，等.风电场理论发电量快速估算模型研究.水力发电,2 0 2 3,49(3)：10 4-10 8.7】朱金奎，何国栋，吴伊雯，等。基于运行数据的风机尾流效应评估误差研究J.能源工程，2 0 2 3,43(2)：31-36.8 Gonzalez-Longatt F,Wall P,Terzija V.Wake effect in wind farmperformance:Steady-state and dynamic 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