中船海装袁令:大基地风电场跨尺度风资源评估技术研究及应用

能见App 2023年10月17日 22283

2023年10月16日-19日,2023北京国际风能大会暨展览会(CWP2023)在北京如约召开。作为全球风电行业年度最大的盛会之一,这场由百余名演讲嘉宾和数千名国内外参会代表共同参与的风能盛会,再次登陆北京,聚焦中国能源革命的未来。

本届大会以“构筑全球稳定供应链 共建能源转型新未来”为主题,将历时四天,包括开幕式、主旨发言、高峰对话、创新剧场以及关于“全球风电产业布局及供应链安全”“双碳时代下的风电技术发展前景”“国际风电市场发展动态及投资机会”“风电机组可靠性论坛”等不同主题的21个分论坛。能见App全程直播本次大会。

10月17日上午,中船海装袁令在“风资源技术论坛上”发表了题目为《大基地风电场跨尺度风资源评估技术研究及应用》的主旨发言。

以下为演讲全文:

各位同仁,大家上午好!我是来自中船海装的袁令,和大家汇报一下《大基地风电场跨尺度风资源评估技术研究及应用》。刚刚胡老师讲的报告非常精彩,我作为一个新人学习到很多,我们今天做的工作也是和大家汇报交流。

汇报四个方面:背景及意义、跨尺度风资源评估技术、推广应用、结论及展望。

背景及意义,从2020年开始国家在双碳目标背景下大力来推动大基地风光建设。以建设多能互补的清洁能源基地,主要是以沙漠、荒滩地区风电和光伏建设,现在库布齐地区已经开始建设,也有指导文件出台。

建设大基地时要形成立体绿色生态系统的建设,外防内治融合发展,不仅要保障沙漠地区能源安全的可靠性,还要针对效益推动产业的融合发展做一些工作。

建好大基地要了解大基地,风光大基地主要是在风资源和土地资源、光照资源比较丰富,而且在这个地方地广人稀,地势也比较平坦,适合大基地和光伏的开发。

评估存在的问题与难点,主要有三大方面:一是范围大,测风数据比较少,不仅是业主的测风塔和气象站数量少;二是运用大数据中尺度的数据误差大,通过数值模拟和中值数据比较,误差范围可以在1米每秒以上,在大基地用中尺度数据做风资源评估有很大的误差,也是胡老师所说的失败案例;三是风电场大基地建设的过程当中,风场是一个挨着一个的建,但是风场之间相互影响有没有考虑?在以前的大机电当中已经发现一些问题。大基地建设过后,它对当地小气候环境的影响有没有考虑?

通过CFD建模所做的风资源评估,因为CFD属于小区域风流模拟,真正大区域能不能把握住?这也是一个问题。通过大尺度的角度来分析这些问题,现在风机的设计排布是否合理?我们提出技术解决方案。

主要是技术方案和内容这就是降尺度的过程,主要是把从全球和区域宏观再到风场级、风机级的流程,主要是针对一个区域到风场级别的技术,最后CFD风机之间的相互影响,后面我们在其他场合做一些汇报。

现在主要是针对前面,全球区域气候模式出来的结果就是中尺度数据,我们通过中尺度天气预报模式和方案,把准确度提高。通过现有测风塔的数据,哪怕是周围比较少的测风数据和气象站数据,可以把它融合到里面去,同化到里面去。

在资源评估尚未准确的情况下,怎么样考虑风场之间的相互影响?这也是设计开发时需要考虑的问题,所以针对流程提供完整的技术方案。

首先是中值的预报模式,更多是关注气象要素的模拟和精度提高,以前更多是降水和有温度。但是我们模拟降水和温度的优势,借鉴到风资源模拟当中,地形对于地表风的影响会特别大,特别是一些复杂的地形,所以我们在原始模型当中添加地形的作用对模型进行优化,提高模拟的精度。我们模拟本身的系统设计,降到1公里到3公里的精度即可。

针对1公里和小时级的模拟数据,怎么样把它做到风场设计当中需要获取的数据集?通过模拟的结果,再加上深度学习的技术方案,把它数据集弥补到高时空分辨率的数据集,可以达到小时级。

模拟时更多是模拟一个完整年和一个季节的数据,但是我们要考虑到长时间验证,需要不同年份的数据集,可以通过深度学习拓展到几十年的数据集,只是要模拟一个时间段可以通过方案拓展。

通过一种验证方案,把现有的数据集和观测数据同步到上面,进而提高整个数据的模拟精度。

在WRF当中要添加模块进去,考虑到现有原始模式当中,风机只是表面,后期加入到风机的特性和风能风速的影响,我们把这种影响给添加到风电模块当中优化方案,进而提高它带来的影响。

推广方面,主要是为了打造技术的普世性选择四个区域,一是是新疆区域,在规划和建设当中有参考的目标,二是在蒙东区域有实际运行的区域,可以拿它前期的投标运行建设方案进行验证,三是甘肃酒泉考虑到风场和尾流之间的相互影响,这是非常好的研究区域。四是库布齐和腾格里区域,有新的项目进行开发应用,主要是做推广应用。

针对新疆区域的项目,可以把空间模拟到200米的区域,可以看到误差通过周围测风塔独立的验证,把它误差降到5%以内,当然有一些误差也有高于5%的,也是可以理解的。

可以看到模拟结果也有很大的误差,但还是以模拟和观测实际为准。在实际应用的过程当中,后面也会有实际的运行数据和更多的测风塔做参考来不断的验证。

蒙东区域可以针对技术做出结果,误差可以控制在3%-5%以内,如果有更多的数据能做更多的验证,当然模拟和真实数据也存在很大的误差,不管是从蒙东或者新疆区域都有很大的误差,我们在做风资源评估时,尽量用数字模拟和测风塔做评估。因为数字模拟可以看到整个空间区域上,到底是有怎么样的变化?可以实际的观察到,而且空间的分辨率是200米,可以为评判做科学的理论支撑。

腾格里大基地都在建设规划当中的区域,左边是两个区域单独拿来做分析,相当于是投标前的规划应用。通过模拟可以把风资源的误差降到3%,哪怕是月份上也可以做到这样的结果,而且在一致性值上可以看到是很好的结果,所有风资源的精度都是以100米高度作为参考进行表征。

库布齐也做了相同的工作,在区域内的空间分布可以看的非常清楚,而且100米的高度大概是7.2米,通过小数测风塔的验证,也在低于5%以内,所以针对这项技术并没有说要做到非常好,但就是为了控制投标和运营风险,进而把误差控制在5%以内。

甘肃酒泉区域更多是研究风场,大尺度尾流相互影响的结果。首先要用技术来研究区域,我们要用数字模拟区域的风资源到底是怎么样的,因为这个区域是2010年左右开始规划大基地,模拟的时候中间用测风塔做了验证,不管是从风速、风向都有很好的结果,还有风切都是有可控的结果。

原来要研究安北大基地的尾流影响,首先来看甘肃酒泉大基地的建设情况,酒泉基地是千瓦级的,主要是分为两期建设,现在已经建设完成投入运行当中。

我们要研究这个地方,首先要看风到底是怎么形成的,这个地方非常的典型刚好处在峡谷中,而且基本上处于东西方向,因为新疆主要是西风,刚好有一个口吹东风,所以这个地方的风向非常特别,夏天吹西风,冬天吹东风,这个地方刚好是东西方向的风向。

只要中间有风电场运行的时候,受到东西方向的影响,所以在研究排布大基地要考虑到周围的影响,所以针对这个区域做简单的研究。

我们模拟风电场大基地的情况,当时用软件和方案耦合,左边是对大气温度场的影响(PPT),有风电场建设和没有风电场建设,温度场有0.3-0.7度的影响。比如说白天上层空气比较冷,下层比较热,风机会造成上下流的影响,这样引起地表的降温。因为这种会影响发电量和运行,晚上就是相反的结果。

右边可以看到风电场有风机和没有风机的变化情况,大概是0.8-0.5米的差异,所以建风电场可以看到风流周边对它的影响。

统一做的结果,可以看到一期2021年建设完,对二期建设没有任何的影响,但是二期建设好之后整个大区域有风速的损失,大概是1米每秒左右。所以我们在规划大基地时,一定要考虑大气对环境的影响。

结论及展望,刚刚提到技术把误差控制在5%以内,风电场大基地的影响提供参考的方案。展望是通过模式不断的进行优化,后面在小区域之间风机排布之间也有相互的影响。

在海上通过数字模式,像卫星遥感+大气和陆海风的作用,进行精细化的评估,可以提供误差的参考范围。

这就是我们做的工作,请大家批评指正。

(根据演讲速记整理,未经演讲人审核)