提升轮毂高度与否、选取什么高度的轮毂完全取决于风切变指数

复杂地形风电场风切变指数计算方法及系统

技术领域

本发明属于风能资源利用技术领域，具体涉及复杂地形风电场风切变指数计算方法及系统。

背景技术

随着经济社会的快速发展，新能源发电在电力系统中的地位显著提升，装机容量逐年增长，尤其是风电和太阳能。

从风电发展看，年均风速相对较高，轮毂高度多在80m高度左右，风电的装机主力向中东部地区转移，开发区域年均风速相对较低，风电场所处地形越来越复杂，风场以低风速为主，风资源相对较差会影响项目整体收益水平，需要提高风资源的利用效率，大叶片、高轮毂的高效能风机应运而生。

提升轮毂高度与否、选取什么高度的轮毂完全取决于风切变指数。风切变指数表征风速随高度的变化程度，其值大表示风能随高度增加的快，风速梯度大；其值小表示风能随高度增加的慢，风速梯度小。由于地形与大气层稳定度等因素的影响，风速随高度变化的程度不同，因此风切变指数的大小也各异。受测风塔安装位置及周边环境的影响，风切变的计算结果会出现较大和负风切变的“假象”，根据测风仪器安装高度测得的风速采用公式计算出风切变指数的方法相对笼统，未能考虑到特殊情况下风切变指数的计算和选取。现有的研究中有提出考虑多种情况下的风切变指数计算方法，但是未能给出如何选取和判定的结论，多是为了对特殊情况下的风切变指数的分布特性做出分析。风切变指数是非常重要的风资源参数，在估算风力发电机组发电量时，需要推算出轮毂高度的风况，风切变指数的准确与否直接影响了推算风机轮毂高度的风况，进而影响到风力发电机组的选型和发电量的估算，最终影响到风电场经济效益的评估。

发明内容

本发明是为了解决目前针对大风切变和负风切变出现时，因未考虑测风塔地理位置、周边环境等特殊情况对其产生的影响，只采用传统方法选取的风切变指数不能反映实际情况，代表不了测风塔表征区域范围内平均风切变指数情况的问题，提供一种复杂地形风电场风切变指数计算方法及系统。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种复杂地形风电场风切变指数计算方法，包括以下步骤：

获取测风塔实测各高度风速，根据风电场风能资源评估方法初步计算两层高度之间风切变指数和综合风切变指数；

判断综合风切变指数是否大于阈值，两层高度之间风切变指数是否出现负值，若计算出的风切变指数小于阈值并且也没有出现负值，则直接选取综合风切变指数推算轮毂高度处风能资源；若判断综合风切变指数大于阈值或者两层高度之间风切变指数出现负值，则进入下一步；

分月份计算风切变指数，分析风切变指数月变化规律，绘制风切变指数、气温、风速月变化曲线；绘制风切变指数风向分布图，分析风切变指数受地形影响情况；统计部分高度、部分风速段风切变指数，分析有效风速和有效高度范围内风切变指数情况；

基于分析结果，计算各月综合风切变指数α

m

、16风向风切变指数α

D

、去掉部分高度后风切变指数α

h

和指定风速范围内风切变指数α

v

；结合测风塔所处地理位置和气候条件因素，选取适宜的风切变指数用于计算轮毂高度处风能资源。

作为本发明的进一步改进，所述分析风切变指数月变化规律具体是：

由各月平均风速拟合得到的12个月的综合风切变指数；选取与年均风速和年均气温相对应或最接近的月份所在的作为风切变指数取值；

分析风切变指数受地形影响情况具体为：

分多个风向计算各风向上各高度的综合风切变指数，绘制风切变指数分布玫瑰图；选取主导风向上所对应的综合风切变指数作为该方法下风切变指数的取值。

作为本发明的进一步改进，分析有效风速和有效高度范围内风切变情况具体为：

对于测风塔低层高度或者出现负风切变现象的高度层，去掉低层高度或去掉出现负风切的高度层，计算综合风切变指数；

对于出现风切变较高的地形复杂的低风速风电场，风速威布尔分布集中在3m/s～7m/s之间，选取各高度层3m/s～20m/s风速段计算综合风切变指数。

作为本发明的进一步改进，所述两层高度之间风切变指数计算的方法如下：

式中，v

1

为h

1

高度对应的平均风速，v

2

为h

2

高度对应的平均风速。

作为本发明的进一步改进，选取适宜的风切变指数用于计算轮毂高度处风能资源具体包括：

计算各月综合风切变指数α

m

、16风向风切变指数α

D

、去掉部分高度后风切变指数α

h

和指定风速范围内风切变指数α

v

之间的标准偏差σ

i

，求得σ

i

的最小值，选取与σ

i

最小值对应的α

i

为风切变指数。

作为本发明的进一步改进，综合风切变指数大于阈值时，计算各月综合风切变指数α

m

、16风向风切变指数α

D

、去掉部分高度后风切变指数α

h

和指定风速范围内风切变指数α

v

之间的标准差值σ，计算方法如下：

式中α

i

为α

m

、α

D

、α

h

和α

v

，选取标准差的最小值

对应的α

i

作为综合风切变数值较大时最终选用的风切变指数。

作为本发明的进一步改进，两层高度之间风切变指数出现负风切变现象时，计算各月综合风切变指数α

m

、16风向风切变指数α

D

、去掉部分高度后风切变指数α

h

和指定风速范围内风切变指数α

v

之间的标准差值σ

*

，计算方法如下：

式中α

i*

为α

m

、α

D

、和α

v

，选取标准差的最小值

对应的α

i*

作为两层高度出现负风切变时最终选用的风切变指数。

一种复杂地形风电场风切变指数计算系统，包括：

初步计算模块，用于获取测风塔实测各高度风速，根据风电场风能资源评估方法初步计算两层高度之间风切变指数和综合风切变指数；

判断模块，用于判断综合风切变指数是否大于阈值，两层高度之间风切变指数是否出现负值，若计算出的风切变指数小于阈值并且也没有出现负值，则直接选取综合风切变指数推算轮毂高度处风能资源；若判断综合风切变指数大于阈值或者两层高度之间风切变指数出现负值，则进入下一步；

分析模块，用于分月份计算风切变指数，分析风切变指数月变化规律，绘制风切变指数、气温、风速月变化曲线；绘制风切变指数风向分布图，分析风切变指数受地形影响情况；统计部分高度、部分风速段风切变指数，分析有效风速和有效高度范围内风切变情况；

计算选取模块，用于基于分析结果，计算各月综合风切变指数α

m

、16风向风切变指数α

D

、去掉部分高度后风切变指数α

h

和指定风速范围内风切变指数α

v

；结合测风塔所处地理位置和气候条件因素，选取适宜的风切变指数用于计算轮毂高度处风能资源。

一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述复杂地形风电场风切变指数计算方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述复杂地形风电场风切变指数计算方法的步骤。

本发明的有益效果体现在：

本发明基于综合风切变指数和两层高度之间风切变指数计算方法，对风切变大于阈值和负风切变出现的情况，考虑地形气候等影响因素采用多种方法进一步计算各情况下的风切变指数，与综合风切变指数相比，给出选取哪一种计算结果下的风切变指数的结论。相比目前仅采用笼统的风切变指数计算方法或分情况进一步计算风切变指数但无最终结论的方法，本发明定量定性化给出了各种方法的结果取值和最终风切变取值结果，取值结果剔除了特殊条件影响因素，反应全场平均水平，实现了复杂地形风电场风切变指数的全面计算。建立了对复杂地形风电场风切变指数定量化计算方法，具有重要的应用价值。基于本发明建立的复杂地形风电场风切变指数计算方法，可以对非一般条件下的风切变进行分析计算，得到能够反映测风塔代表区域范围内情况的风切变指数。基于该选定的风切变指数，在低风速风电场对高轮毂的选取具有重要的指导意义。

附图说明

图1本发明复杂地形风电场风切变指数计算方法流程图；

图2为本发明实施例中综合风切变幂定律拟合示意图；

图3为本发明实施例中，根据测风塔最高观测层月均风速、月均气温和计算出的月综合风切变指数绘制的相关关系图；

图4为本发明实施例中，根据测风塔最高观测层实测风速和风向绘制的风切变指数16风向分布图。

图5为本发明优选实施例复杂地形风电场风切变指数计算系统结构示意图；

图6为本发明优选实施例电子设备结构示意图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下风切变指数，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

如图1所示，本发明提供一种复杂地形风电场风切变指数计算方法，所述方法步骤如下：

获取测风塔实测各高度风速，根据风电场风能资源评估方法初步计算两层高度之间风切变指数和综合风切变指数；

判断综合风切变指数是否大于阈值，两层高度之间风切变指数是否出现负值，若计算出的风切变指数小于阈值并且也没有出现负值，则直接选取综合风切变指数推算轮毂高度处风能资源；若判断综合风切变指数大于阈值或者两层高度之间风切变指数出现负值，则进入下一步；

分月份计算风切变指数，分析风切变指数月变化规律，绘制风切变指数、气温、风速月变化曲线；绘制风切变指数风向分布图，分析风切变指数受地形影响情况；统计部分高度、部分风速段风切变指数，分析有效风速和有效高度范围内风切变情况；

基于分析结果，计算各月综合风切变指数α

m

、16风向风切变指数α

D

、去掉部分高度后风切变指数α

h

和指定风速范围内风切变指数α

v

；结合测风塔所处地理位置和气候条件因素，选取适宜的风切变指数用于计算轮毂高度处风能资源。

其中，基于测风塔各高度实测风速，根据风电场风能资源评估方法(GB/T18710–2002)中风切变指数计算方法，计算测风塔综合风切变指数和各层高度之间风切变指数，用来判定测风塔风切变指数情况；

作为优选实施例，判断风切变指数是否较大或者出现负风切变，若是满足两者之一，计算各月综合风切变指数α

m

、16风向风切变指数α

D

、去掉部分高度后风切变指数α

h

和指定风速范围内风切变指数α

v

；分风切变指数大于0.14和负风切变两种情况，计算综合风切变指数α与α

m

、α

D

、α

v

和α

h

之间的标准偏差σ

i

，求得σ

i

的最小值，与σ

i

最小值对应的α

i

为选取使用的风切变指数。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示，本发明基于所述实施流程，具体实施步骤如下：

获取测风塔实测各高度风速、风向和气温数据，根据风电场风能资源评估方法(GB/T18710–2002)中的方法，计算两层高度之间风切变指数和综合风切变指数α。

进行初步计算，分析测风塔各高度年均风速，采用两层高度之间风切变指数计算公式和幂定律拟合得到综合风切变指数的方法分别计算风切变指数；如图2所示为综合风切变幂定律拟合示意图。

判断综合风切变指数是否大于0.14(此依据出自GB/T18710–2002)，两层高度之间风切变指数是否出现负值，若计算出的风切变指数小于0.14并且也没有出现负值，则直接选取综合风切变指数推算轮毂高度处风能资源，若出现两种情况之一，则进入下一步骤，采用多种方法对风切变指数进一步计算分析。

分月统计各月平均风速，由各月平均风速拟合得到的12个月的综合风切变指数，定义其为α

m

，绘制各月风切变指数和对应的各月平均风速、气温相关关系图，如图3所示，一般的，风速和气温相对较小的月份，风切变指数相对较高，风切变指数随温度和风速的波动性较大，反映出测风塔所在地大气不稳定性较高或下垫面季节变化明显，反之则说明测风塔所在地大气稳定性较好。选取与年均风速和年均气温相对应或最接近的月份所在的α

m

作为该方法下风切变指数取值。

分16风向计算各风向上各高度的综合风切变指数，定义其为α

D

，绘制风切变指数16风向分布图，如图4所示，一般的，在主导风向和主风能风向上风切变指数相对较低，在风向频率占比较低的风向上风切变指数相对较高，反映出风切变指数受地形影响的情况，对于测风塔受周边地形遮挡明显的情况，风切变指数16风向分布图能直观将这一现象反映出来。选取主导风向上所对应的α

D

作为该方法下风切变指数的取值。

对于测风塔低层高度如10m风速显著较低或者出现负风切变现象的高度层，考虑其受到下垫面条件影响显著所致，去掉低层高度或去掉出现负风切变的高度层，计算综合风切变指数，定义其为α

h

，此数值为唯一值。

对于出现风切变指数较高的地形复杂的低风速风电场风切变指数，一般风速范围集中在3m/s～7m/s之间，根据此类风电场风机的切入切出风速，选取各高度层3m/s～20m/s风速段计算综合风切变指数，定义其为α

v

，此数值为唯一值。

基于步骤二的分析结果，结合测风塔所处地理位置和气候条件因素，选取适宜的风切变指数作为计算轮毂高度处风能资源的依据，从而相对能贴合实际反映风速垂向变化情况，提高发电量计算的准确度。

引入判定条件并采用多种方法进行分析的具体过程为：

(1)判断步骤一中计算出的综合风切变指数α是否大于0.14或者两层高度之间是否有负风切变指数，若满足条件之一，则需要对其进行深入分析；

(2)分12个月计算每个月各高度的综合风切变指数，定义其为α

m

，绘制α

m

与对应各月风速、气温的月变化图，分析风切变指数受气温和风速的影响规律；分16风向计算每一风向上综合风切变指数，定义其为α

D

，绘制α

D

的风向分布图；去掉受地面影响明显的10m高度或者出现负风切变的高度，计算其余高度的综合风切变指数，定义其为α

h

；选取3m/s～20m/s之间风速段，计算各高度综合风切变指数，定义其为α

v

；

(3)选取与年均气温和年均风速数值最接近的月份所对应的α

m

作为此方法选取出来的风切变指数，选取主导风向上对应的α

D

作为此方法选取出来的风切变指数；

判断风切变指数是否较大或者出现负风切变，若是满足两者之一，计算各月综合风切变指数α

m

、16风向风切变指数α

D

、去掉部分高度后风切变指数α

h

和指定风速范围内风切变指数α

v

；

对于计算出的综合风切变指数α大于0.14的情况，计算α

m

、α

D

、α

h

和α

v

与综合风切变指数α的标准差值σ，计算方法如下：

式中α

i

为α

m

、α

D

、α

h

和α

v

，选取标准差的最小值

对应的α

i

作为综合风切变数值较大时最终选用的风切变指数。此时选取出来的风切变指数为考虑地形、气温等特殊条件影响最小的风切变指数数值。

分风切变指数大于0.14和负风切变两种情况，计算综合风切变指数α与α

m

、α

D

、α

v

和α

h

之间的标准偏差σ

i

，求得σ

i

的最小值，与σ

i

最小值对应的α

i

为选取使用的风切变指数。

对于两层高度之间出现负风切变现象时，计算α

m

、α

D

、α

v

和α

h

之间的标准差值σ

*

，计算方法如下：

式中α

i*

为α

m

、α

D

、和α

v

，选取标准差的最小值

对应的α

i*

作为两层高度出现负风切变时最终选用的风切变指数。

对于综合风切变指数α既大于0.14又出现负风切变的现象，以考虑负风切变的情况为主，采用(2)中的方法选取最终风切变指数数值。

实施例

以甘肃陇东环县某一测风塔实测数据为例，测风塔80m高年均风速为5.4m/s，直接计算出的综合风切变指数为0.16，计算与年平均气温和风速接近的10月份的α

m

值为0.18，主导风向NW对应的α

D

为0.11，去除10m高度后的α

h

为0.17，3m/s～20m/s风速段对应的α

v

为0.13，与综合风切变指数标准差值最小的为α

D

，即0.11，则选取该数值进行轮毂高度处风能要素的推算依据。该测风塔位于山顶，风向频率占比最小的东南一侧地形陡峭下切，且5km范围内有比其海拔高的山体遮挡，测风塔所处位置受地形影响明显故综合风切变指数较高，但考虑测风塔位置的特殊性，其综合风切变指数未能剔除地形因素的影响，采用本专利中的方法则有效的避免了这一因素的影响，相对能反应高层风速变化情况。

如图5所示，本发明的另一目的在于提出一种复杂地形风电场风切变指数计算系统，包括：

初步计算模块，用于获取测风塔实测各高度风速，根据风电场风能资源评估方法初步计算两层高度之间风切变指数和综合风切变指数；

判断模块，用于判断综合风切变指数是否大于阈值，两层高度之间风切变指数是否出现负值，若计算出的风切变指数小于阈值并且也没有出现负值，则直接选取综合风切变指数推算轮毂高度处风能资源；若判断综合风切变指数大于阈值或者两层高度之间风切变指数出现负值，则进入下一步；

分析模块，用于分月份计算风切变指数，分析风切变指数月变化规律，绘制风切变指数、气温、风速月变化曲线；绘制风切变指数风向分布图，分析风切变指数受地形影响情况；统计部分高度、部分风速段风切变指数，分析有效风速和有效高度范围内风切变情况；

计算选取模块，用于基于分析结果，计算各月综合风切变指数α

m

、16风向风切变指数α

D

、去掉部分高度后风切变指数α

h

和指定风速范围内风切变指数α

v

；结合测风塔所处地理位置和气候条件因素，选取适宜的风切变指数用于计算轮毂高度处风能资源。

如图6所示，本发明第三个目的是提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述复杂地形风电场风切变指数计算方法的步骤。

所述复杂地形风电场风切变指数计算方法包括以下步骤：

获取测风塔实测各高度风速，根据风电场风能资源评估方法初步计算两层高度之间风切变指数和综合风切变指数；

判断综合风切变指数是否大于阈值，两层高度之间风切变指数是否出现负值，若计算出的风切变指数小于阈值并且也没有出现负值，则直接选取综合风切变指数推算轮毂高度处风能资源；若判断综合风切变指数大于阈值或者两层高度之间风切变指数出现负值，则进入下一步；

分月份计算风切变指数，分析风切变指数月变化规律，绘制风切变指数、气温、风速月变化曲线；绘制风切变指数风向分布图，分析风切变指数受地形影响情况；统计部分高度、部分风速段风切变指数，分析有效风速和有效高度范围内风切变情况；

基于分析结果，计算各月综合风切变指数α

m

、16风向风切变指数α

D

、去掉部分高度后风切变指数α

h

和指定风速范围内风切变指数α

v

；结合测风塔所处地理位置和气候条件因素，选取适宜的风切变指数用于计算轮毂高度处风能资源。

本发明第四个目的是提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述复杂地形风电场风切变指数计算方法的步骤。

所述复杂地形风电场风切变指数计算方法包括以下步骤：

获取测风塔实测各高度风速，根据风电场风能资源评估方法初步计算两层高度之间风切变指数和综合风切变指数；

判断综合风切变指数是否大于阈值，两层高度之间风切变指数是否出现负值，若计算出的风切变指数小于阈值并且也没有出现负值，则直接选取综合风切变指数推算轮毂高度处风能资源；若判断综合风切变指数大于阈值或者两层高度之间风切变指数出现负值，则进入下一步；

分月份计算风切变指数，分析风切变指数月变化规律，绘制风切变指数、气温、风速月变化曲线；绘制风切变指数风向分布图，分析风切变指数受地形影响情况；统计部分高度、部分风速段风切变指数，分析有效风速和有效高度范围内风切变情况；

基于分析结果，计算各月综合风切变指数α

m

、16风向风切变指数α

D

、去掉部分高度后风切变指数α

h

和指定风速范围内风切变指数α

v

；结合测风塔所处地理位置和气候条件因素，选取适宜的风切变指数用于计算轮毂高度处风能资源。

本发明考虑风切变指数受到下垫面环境、地形、温度、风速大小和风向的影响，在计算风切变指数时，提出多种方法计算结果进行比较选取，对风切变指数较大和负风切变出现的现象尤为适用。本发明基于分风速段、分月份、分风向和高度筛选的方法分别计算特殊条件下的测风塔风切变指数，对各方法计算结果进行对比分析，选取合理的计算结果推算轮毂高度处风能资源，力争真实反映风速垂向变化情况，提高发电量计算结果的准确度。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。