2021年10月17日-20日，2021北京國際風(fēng)能大會暨展覽會（CWP 2021）在北京新國展隆重召開。作為全球風(fēng)電行業(yè)年度最大的盛會之一，這場由百余名演講嘉賓和數(shù)千名國內(nèi)外參會代表共同參與的風(fēng)能盛會，再次登陸北京。

　　

　　本屆大會以“碳中和——風(fēng)電發(fā)展的新機(jī)遇”為主題，歷時四天，包括開幕式、主旨發(fā)言、高峰對話、創(chuàng)新劇場以及關(guān)于“國際成熟風(fēng)電市場發(fā)展動態(tài)及投資機(jī)會”“國際新興風(fēng)電市場發(fā)展動態(tài)及投資機(jī)會”“風(fēng)電設(shè)備智能運(yùn)維論壇”“碳達(dá)峰碳中和加速能源轉(zhuǎn)型”等不同主題的15個分論壇。能見App全程直播本次大會。

　　

　　在19日下午召開的風(fēng)資源精細(xì)化評估論壇上，中國船舶集團(tuán)海裝風(fēng)電股份有限公司整體方案經(jīng)理劉靜發(fā)表了題為《基于WRF與CFD結(jié)合的數(shù)值模擬研究》的主題演講。

　　

　　劉靜：各位風(fēng)電行業(yè)朋友們大家下午好，我是中國海裝劉靜，今天我所分享內(nèi)容是“基于WRF和CFD相結(jié)合的主枝模擬研究”。我分為兩個部分，第一個是WRF模擬，第二個是CFD模擬部分。

　　

　　首先看第一個部分，在座很大一部分都是風(fēng)資源工程師，我們經(jīng)常思考發(fā)電量不確定性究竟有哪些方面，我總結(jié)了三個方面，第一大氣環(huán)境不確定性，包括像風(fēng)測量以及風(fēng)未來年級變化。第二機(jī)組不確定性，它的可靠性等等。第三，模型仿真不確定性，也是我今天分享的內(nèi)容。

　　

　　自然界的風(fēng)是多尺度的，從中尺度到微尺度都會影響到風(fēng)資源評估，微尺度本身不能提供指定范圍內(nèi)氣象背景場，中尺度由于分辨率限制沒有變化細(xì)化到每一臺機(jī)位點(diǎn)的風(fēng)流要素，我們將它們兩者進(jìn)行結(jié)合，增加發(fā)電量模擬一個準(zhǔn)確性。

　　

　　技術(shù)路線是通過全球尺度一個再分析數(shù)據(jù)，通過我們的中尺度WRF模式，再降到中尺度，再通過CFD模擬選擇最新版WT再降到微尺度。

　　

　　跟大家簡單介紹一下WRF模式，由美國研發(fā)的數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)，它主要流程用地形數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，通過WPS前處理，再通過粗編輯制作最后驅(qū)動我們的計算，計算之后的結(jié)果可以提取出來做WRF再分析。

　　

　　此次模擬的風(fēng)電場位于廣東南雄，也是一個復(fù)雜山地，有五個測風(fēng)塔，我們采用三層嵌套方式，做到一公里×一公里的精度，采用了最適應(yīng)的參數(shù)化方案。我們都知道風(fēng)電場建在大氣邊界層以內(nèi)的，難點(diǎn)就是大氣邊界層以內(nèi)的邊界參數(shù)和方案，我們?nèi)绾螠?zhǔn)確描述它的一個風(fēng)波動，也就是湍流，做了兩種技術(shù)方案。第一，加密垂直邊界層的垂直分辨率，我們可以看到下面兩張圖，黑色是觀測，紅色通過加密之后的，它比不加密更加準(zhǔn)確的描述出風(fēng)波動的風(fēng)流情況。第二嘗試采用更細(xì)化的邊界層參數(shù)化方案，能夠提高湍流描述能力。

　　

　　除了通過以上兩種方案之外，還會通過一些中尺度天氣系統(tǒng)來驗證模式準(zhǔn)確性，我這邊采用了降水和臺風(fēng)方式驗證，首先先看一下降水，由于降水產(chǎn)生，也是伴隨著天氣系統(tǒng)生成發(fā)展，沉著消亡的，我們可以通過形勢場預(yù)報判斷WRF是否準(zhǔn)確。2017年6月4號降水是地壓槽東移南亞的過程，隨著時間的推移，因為我們左側(cè)是實側(cè)，右邊是模擬的，我們做這么一個對比。雖然時間的推移，它的低壓槽東移南亞的，模擬和實測來看速度和準(zhǔn)確性強(qiáng)度都還是趨勢一致。

　　

　　這次降水量一個預(yù)報也是趨勢比較一致，4號達(dá)到了峰值，7號降水趨于0的過程，雖然說降水量可能還是有一定差距，但是趨勢來說還是不錯的。

　　

　　再看另外一個降水形式，它由于我們東亞大槽逐漸加深的過程，情況跟上面的一個情況基本上是一個類似的，它的東亞大槽逐漸向東邊移動，并且加強(qiáng)的過程，產(chǎn)生了此次暴雨過程。這次降水量是在8號達(dá)到最大值。

　　

　　接下來看一下臺風(fēng)，可能大家都知道廣東有很多臺風(fēng)，這次臺風(fēng)我們用了2018年9月份的臺風(fēng)，它左側(cè)是實測，右側(cè)是WRF模擬的情況，臺風(fēng)位于南雄東南方向沿海的，隨著時間的推移是往西北方向平移，低壓渦旋也是非常明顯的。

　　

　　9月17號暖心結(jié)構(gòu)已經(jīng)消失了，它的臺風(fēng)已經(jīng)登錄了，并且逐漸消散的過程，可以看到從實測對比來看WRF這次模擬還是比較準(zhǔn)確的。

　　

　　再看風(fēng)速和風(fēng)向比對，除了天氣系統(tǒng)我們常用風(fēng)速和風(fēng)向驗證，左邊是平均風(fēng)速，右邊是平均風(fēng)向，因為我們風(fēng)電場有5個測風(fēng)塔，就這個來看，它的風(fēng)速和風(fēng)向趨勢都是一致的，會有一些細(xì)小差距，但是差距不是很大。

　　

　　我們知道中尺度它由于分辨率限制，它地形刻劃并不是這么準(zhǔn)確，所以我們進(jìn)近層模擬并不是很準(zhǔn)，我們通過美德最新版6.3嘗試把地形刻劃加進(jìn)去，我們采用兩種模式，第一種點(diǎn)模式，第二區(qū)域單元模式，點(diǎn)模式類似于虛擬測風(fēng)塔形式，單元模式將我們中尺度網(wǎng)格內(nèi)所有風(fēng)加速因子加權(quán)到一個風(fēng)加速因子，這次我們采用區(qū)域單元模式。

　　

　　通過與CFD結(jié)合，在五個測風(fēng)塔位置來看，與中尺度相結(jié)合不同高度，它的結(jié)果是不一樣的，五個測風(fēng)塔隨著高度一個增加，風(fēng)速是逐漸減小的，平均風(fēng)速誤差絕對值先減少，達(dá)到一個最低值，然后再增加的，尤其注意的是，這兩個1505和1507在500米情況下都還沒有達(dá)到一個最佳擬合高度，風(fēng)速跟實測風(fēng)速都還有差距，所以我們進(jìn)一步往上面進(jìn)行模擬了，這個測風(fēng)塔1507在600米左右達(dá)到了比較好的結(jié)果，它的平均風(fēng)速誤差跟實測比較接近，而1505在650米左右。

　　

　　基于剛剛計算的規(guī)律我們引入一個量叫做地形復(fù)雜度，以測風(fēng)塔為中心，在中尺度單元網(wǎng)格范圍內(nèi)采用一公里×一公里的，提取微尺度WT網(wǎng)格點(diǎn)高層一個標(biāo)準(zhǔn)偏差，我們作為地形復(fù)雜度，來描述每個測風(fēng)塔位置它的地形復(fù)雜度，這張圖，橫坐標(biāo)是地形復(fù)雜度，縱坐標(biāo)是中尺度最佳的擬合高度，除了1505之外，其他四個塔都是呈線性相關(guān)的，越復(fù)雜的地形，它的最佳中尺度擬合高度應(yīng)該是越高的。

　　

　　看一下1505測風(fēng)塔為什么沒有明顯的趨勢，是因為1505測風(fēng)塔位置比較數(shù)，它處于山坡位置，并且周圍四周都是高山，它屬于洼地位置，我們分析它中尺度模擬的風(fēng)速情況不理想，所以導(dǎo)致我們需要更高的一個中尺度高度來進(jìn)行結(jié)合。

　　

　　除了不同的中尺度高度進(jìn)行結(jié)合之外，我們知道還可以通過不同的熱穩(wěn)定度，大氣穩(wěn)定度來改變我們的入口風(fēng)控線，在主風(fēng)向上，不同人穩(wěn)定下的風(fēng)加速因子的分布圖，不穩(wěn)定大氣條件下，它垂直湍流比較大，風(fēng)加速因子較小，我們可以驗證得到，改變大氣穩(wěn)定度是可以改變?nèi)肟陲L(fēng)控線的。

　　

　　基于以上的規(guī)律做了三種測試，第一種是用大氣穩(wěn)定度時間序列進(jìn)行結(jié)合，跟中尺度WRF結(jié)合，我們根據(jù)中尺度兩個高度層一個溫度差做一個溫度梯度進(jìn)行計算大氣穩(wěn)定度的時間序列，再結(jié)合微尺度進(jìn)行模擬。第二種方法，工程上經(jīng)常用的中性大氣穩(wěn)定度做一個模擬。第三種結(jié)合二者之間，取了一個折中，分散區(qū)的大氣穩(wěn)定度，每一個散區(qū)選用分布頻率最大的那一個。理應(yīng)我們做這三種嘗試，從理論上來說第一種，大氣穩(wěn)定度時間序列應(yīng)該是最準(zhǔn)確的，第二種才是分散區(qū)，最后才是中性，但是我們結(jié)合實際情況來看，它并沒有很大的趨勢，從風(fēng)速誤差和風(fēng)速相關(guān)性來看，跟我們所預(yù)想理論是有偏差的，它的相關(guān)性和誤差都是如此，沒有明確的趨勢，我們考慮它產(chǎn)生的原因，一是因為我們計算大氣穩(wěn)定度是基于兩個高度層溫度，溫度來源于中尺度WRF模擬出來的一個近地層的溫度，模擬準(zhǔn)確性不高。第二點(diǎn)，參考我們國家氣象局研究院對于穩(wěn)定度頻率統(tǒng)計結(jié)果來看，這個風(fēng)電場它是全年有55%時間是處于中性的，也有可能大部分時間是中性的，然后說它采用不同的去測試它的變化不大，當(dāng)然這兩種都有可能，所以說我們未來可能做的第一種多案例去驗證，僅采用這一個項目肯定得不了決定性因素。第二，提出更多的大氣穩(wěn)定度的方法，我們僅采用溫度梯度去做，可能也會存在一些誤差。

　　

　　最后我們通過WRF跟CFD結(jié)合采用不同的中尺度數(shù)據(jù)高度模擬之后得到的降尺度或者平均風(fēng)速誤差都是小于2%，因此可以得到以下四點(diǎn)結(jié)論。

　　

　　第一，中尺度數(shù)據(jù)高度對于平均誤差影響是比較明顯的，而風(fēng)速相關(guān)性和風(fēng)向相關(guān)性敏感性都比較低。第二，在采用最佳中尺度高度之后微尺度降尺度后的平均風(fēng)速誤差是能夠控制在2%以內(nèi)的。第三，通常情況下中尺度最佳高度隨著地形復(fù)雜度提高而提高，呈現(xiàn)一個正相關(guān)，所以說當(dāng)我們位置特殊的時候，最佳的中尺度高度應(yīng)該要特殊去關(guān)注，而不僅僅看我們一個地形復(fù)雜度。謝謝大家，我的分享到此結(jié)束！

　　

　　(根據(jù)速記整理，未經(jīng)本人審核)