【《WindSim软件仿真风资源评估的案例分析》5900字】

综述WindSim软件仿真风资源评估的案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u19408WindSim软件仿真风资源评估的案例分析 158791WindSim软件仿真 153581.1WindSim软件介绍 1161191.2WindSim软件仿真模拟分析 5200941.2.1新建工程 5191261.2.2地形模块 668091.2.3风场模块 7200951.2.4对象模块 9134531.2.5结果模块 11306781.2.6风资源模块 1275681.2.7发电量模块 13117282WindSim仿真报告分析 15184902.1本课题的工程概述 15269292.2场址风数据 161532.3风场布局和风机 17109182.4数值模拟 19322852.4.1数字地形模型 19265092.4.2地形模块的3D模型 22137442.4.3模拟 23189772.6发电量 27301272.7发电量误差分析 291WindSim软件仿真第三章完成了高度粗糙度地形图的输出和测风数据的预处理，本章将介绍如何将第二、三章所得数据数据导入WindSim软件进行仿真操作，并介绍参数设置。1.1WindSim软件介绍本论文使用的软件版本为WindSim10EV教育版，其主页面上方有八个功能菜单，如表格5-1所示。表格5-1WindSim主界面菜单英文中译Layouts布局菜单Modules模型菜单3DVisualisation3D可视化窗口Tools工具菜单Export输出菜单Settings设置菜单Help帮助菜单本论文主要使用的为Modules菜单，Tools菜单以及Export菜单，本课题将着重介绍Modules，3DVisualisation，Tools和Export菜单，分别如表格5-2，表格5-3，表格5-4，表格5-5所示。表格5-2Modules菜单详情英文中译Terrain地形WindField风场Objects对象Results结果WindResources风资源Energy能量表格5-33DVisualisation菜单详情英文中译Generate3Dwindvisualisationfile(.vtf)生成VTF格式的三维风力可视化文件Open3Dwindvisualisationfile(.vtf)打开VTF格式的三维风力可视化文件Download3Dsamples下载3D示例Downloadskytextures下载天空纹理表格5-4Tools菜单详情英文中译Viewterrainmodel(.gws)查看系统中GWS格式的地形模型Importterrainmodel(.gws)导入系统中GWS格式的地形模型Convertterrainmodel转换地形模型Importdrivingdata导入中尺度数据Findforestparameters查找林参数Convertclimatologydata转换测风数据Terraineditor地形编辑器Viewclimatologydata(.wws)查看测风数据(WWS格式)Lossesanduncertainties损失和不确定性Createpowercurve创建PWS格式功率曲线Exportobjects导出对象(OWS格式)Importobjects导入对象(OWS格式)Advancedconversion高级转换Flowmodelvalidator流模型验证器Forecasting风功率预测Powerline电线MCP(MeasureCorrelatePredict)测量相关预测Reanalysisdatadownloader再分析数据下载工具Queue队列模型Parkoptimizer优化程序Remotesensingcorrectiontool遥感校正工具表格5-5Export菜单详情英中译Exportclimatologydata(.tab)导出TAB格式测风数据Exportobjects(.ows)导出对象(OWS格式)ExporttoGoogleEarth(.kml)导出到谷歌地球软件(KML格式)ExportWordreport导出Word报表ExportHTMLreport导出HTML报表Exportverticalprofiles导出垂直纵断面ExportWindPROflowresfile导出WindPROflowres文件ExportOpenWindWRBfile导出PoenWindWRB文件ExportLookupTables导出查找表1.2WindSim软件仿真模拟分析1.2.1新建工程打开“File”文件菜单，点击“NewProject(新建工程)”，输入工程文件的储存位置，将工程命名为beihuqu，并导入上一章中得到的北湖区地区GWS格式高度粗糙度地形数据“bhq_grid.gws”，如图1.1所示。图1.1新建WindSim工程1.2.2地形模块运行地形模块(Terrain)。建立流场模型的第一步是生成考察区域的三维模型。此项工作在地形模块中完成。但是在此之前首先必须取得该三维模型的基础数据，也就是含有地形高度和粗糙度数据的GWS格式的二维数据文件。选择地形(Terrain)模块，点击“Projection(投影)”，将其设置为“6_DEGREE_ZONES北京1954”，打开Projectionsystem(投影系统)，我们在这里将其选择设置为“GAUSS_KRUEGER_6_DEGREE_ZONES”，北湖区风电场的大致经度范围在东经108度至东经114度，所以我们将Zone设置为19；在右侧Properties(属性)窗口中将Maximumnumberofcells(最大网格数)设为5000，z方向上的网格数设置为10；为了增加精确性，这里将制定网格加密区域，根据风机的范围进行网格加密，并分别输入风电场大致区域的X、Y坐标；其他属性不用更改，然后点击右侧“start”，开始运行地形模块。表5-6地形模块属性窗口英文中译参数设置Terrainextension地形范围Coordinatesystem坐标系Global(全局)X-rangeX-范围19622688;19728226Projection投影6_DEGREE_ZONESBEIJING_19540Y-rangeY-范围2797011.5;2892811.5Projectionsystem投影系统6_DEGREE_ZONESDatum基准面BEIJING_1954Zone区域21Roughness粗糙度Roughnessheight粗糙度高度Readfromgrid.gwsNumericalmodel数值模型Automaticgridding自动划分网格NoneRefinementtype网格加密类型指定网格加密区域Heightaboveterrain模型在地形之上AutomaticRefinementarea,Y-range网格加密区域，Y-范围2822941.5;2850881.5Refinementarea,X-range网格加密区域，X-范围19667868;19693048Horizontalgriding水平网格生成最大网格单元数Heightdistributionfactor高度分布因子0.1Ratioadditivelengthtoresolution水平扩展比率0.5Maximumnumberofcells最大网格数5000NumberofcellsinZdirectionZ方向上的网格数量10Orthogonalize3-Dgrid正交化三维网格NoneSmoothing平滑Smoothingtype平滑类型Nosmoothing(不执行地形平滑)Forest森林Forest森林Disregardforest1.2.3风场模块在生成了三维模型后，就可以开始风场模块的仿真分析。湍流模型将使用标准k-epsilon模型。由于风场模块基于非线性的雷诺平均方程，所以要通过迭代计算来求解。由假设的初始条件开始，逐步迭代，直到最终得到收敛结果。风场模块属性设置如表格5-7所示，运行风场模块。表5-7风场模块属性设置英文中译参数设置Sectorinputtype扇区角度均匀分布UniformdistributionofthesectoranglesHeightofboundarylayer边界层高度500Numberofsectors扇区的数量12Numberofsectors扇区的数量12Speedaboveboundarylayerheight边界层高度以上的风速10Usepreviousrunasinput使用上一次运行结果作为输入NoneBoundaryconditionattop顶部边界条件FixedpressurePhysicalmodels物理模型Potentialtemperature是否考虑位温DisregardtemperatureTurbulencemodel湍流模型Standardk-epsilonCakculationoarameters计算参数Numberofiterations迭代次数100Numberofsimultaneoussectors同时运行的扇区数量1Solver求解器GCVConvergencecriteria收敛标准0.005Convergencewizard收敛向导NoneConvergencemonitoring收敛性检测Coordinatesystem坐标系GlobalSpotvalueXpositon检测点的X坐标19675456SpotvalueYposition检测点的Y坐标2844914SpotvalueZposition检测点的Z坐标80Fieldvaluetomonitor检测流场变量SpeedscalarXYZOutput输出NoneHeightofreducedwinddatabase输出简化数据库的高度300Runinbatchmode批处理模型运行None报告中风场的模拟计算参数和进程结果如图1.3所示，当图中最后一列显示为D时表示结果发散，显示C时表示结果收敛。如图可知计算结果后缀全都为(C)，表示经过了100次迭代后结果全部收敛。得到了收敛结果，不需要再采用嵌套计算的方式增加计算的收敛程度，可以继续运行。1.2.4对象模块在对象模块中我们需要先导入风电机组数据以及我们第二章得到的北湖区测风塔数据“bhq.cefengtashuju”，风机的功率我们通过调查北湖区风电场的实际情况决定，北湖区风电场一期工程由22台3MW的风电机组组成，该机型风轮叶片长71.5米，机舱重112吨，轮毂高度为80米。下面是对象模块中进行风电场布局的主要操作选项，如表4.7所示。表5-7对象模块操作选项英文中译Addcaimatologyfromfile从系统文件夹导入测风塔数据Selectmode选择一个模型Addtransferredclimatologymode添加一个新的测风塔模型Addturbinemode添加一个新的风机模型Removeall删除所有写入的模型Removeselectedobject删除目前选中的模型先选择对象模块中界面上方的“ParkLayouts(风电场布局)”，点击“Addcaimatologyfromfile(从文件中添加测风塔数据)”选择并导入第二章中得到的北湖区风电场的测风塔数据“bhq.cefengtashuju”文件，然后点击“Addturbinemode(添加风机模型)”逐一导入风机的位置，如表4-8所示为导入对象模块的属性窗口中的测风塔数据及设置，表4-9为导入的22台风电机组的坐标信息。表5-8对象模块测风塔数据英文中文翻译参数设置Objecttype对象的类型测风塔Name对象的名称bhq_cefengshujuReliability是否可靠1Visualisationfile可视化文件Climatology_80Climatilogyfile(.wws)测风塔数据文件(.wws/.tws)bhq.cefengtashujuRotationspeed转速25NumberofSectors扇区数量12NumberofBins模块数50Coordinatesystem坐标系全局坐标XpositionX坐标19687498YpositionY坐标2823986Zposition地面以上高度80Noisecalculation噪声计算不考虑Terraincomplexitycalculation地形复杂程度计算True表5-9导入的风机排布信息风机序号XpositionYpositionZposition风机119683382.02823521.00.0风机219683644.02823581.00.0风机319683871.02823791.00.0风机419684347.02824157.00.0风机519684610.02823982.00.0风机619684909.02823987.00.0风机719685281.02823863.00.0风机819685702.02823962.00.0风机919685942.02824087.00.0风机1019686280.02824204.00.0风机1119685994.02823622.00.0风机1219686308.02823532.00.0风机1319686689.02823610.00.0风机1419686933.02823530.00.0风机1519687193.02823694.00.0风机1619687498.02823851.00.0风机1719687848.02823942.00.0风机1819685092.02824892.00.0风机1919684704.02825183.00.0风机2019684427.02825418.00.0风机2119685884.02825089.00.0风机2219685444.02825104.00.01.2.5结果模块在结果模块中我们可以选择不同的变量，有速度标量X，速度标量Y，速度标量Z，速度标量Z，湍流强度，速度矢量XYZ，速度矢量XY，湍流动能(KE)，湍流耗散率，湍流频率，相对压力，相对方向标量，入流角等，本课题模拟了上述16种变量的结果。归一化类型有非归一化、根据测风塔数据归一化、根据标量归一化，归一化的作用是提升模拟出的模型的精度，其原理是将表达式的量纲消除，以加速表达式的迭代；本课题不用归一化来处理数据，因为在该模块生成的结果皆为单变量、单个扇区的数据示意图；图例即为最大与最小值的范围，本课题将最大和最小值均设为零，结果模块将给出全部的范围；结果模块中速度标量XYZ的属性参数设置如表4-10所示。表5-10结果模块速度标量XYZ属性参数设置英文中文翻译参数设置Normalisationvariable归一化变量速度标量XYZNormalisationtype归一化类型非归一化Heights高度50Planes平面Legend图例0：01.2.6风资源模块风资源模块中，高度为设定生成的显示结果的高度，需要比风场模块中设置的输出高度小；Windsim中可用的尾流模型有三种，分别为：基于动量损失理论的“Jensen”尾流模型；由湍流边界层方程和相似性假设推导得出的“Larsen”尾流模型；引入了依赖湍流的尾流扩展率的尾流模型。本课题根据北湖区风电场的实际情况，以及第二章中的尾流模型分析，选择“Jensen”尾流模型，在“Sectorinterpoation”中选择“Wakemodel2”。风机位置的粗糙度高度设置为通过第三章得到的高度粗糙度地形文件“bhq_grid.gws”文件导入；环境湍流强度设置为默认值，从风场的风数据库文件获取；空气密度默认设置为无修正。表5-11风资源模块属性窗口英文中译参数Heights高度50Wakemodel尾流模型Wakemodel2Sectorinterpolation扇区插值TrueAmbientTurbulence环境湍流强度winddataNumberofsub-sectors尾流子扇区30Influencerange影响范围1:50Multiplewakesmodel多尾流模型根据平方和决定Airdensitycorrection空气密度修正NoneDistanceweighting距离权重1Legend图例0；0ExporttoASCIIformat导出ASCII格式文件NoneExporttoWAspformat导出WAsP格式文件NoneWindspeed风速NoneWindspeedst.dev风速标准偏差None1.2.7发电量模块发电量模块将对所有导入的风机进行计算，模拟计算出每台风电机组的年发电量等数据。空气密度修正选择默认值不修正，当风机所在位置的空气密度和功率曲线所对应的空气密度相等时，不对后者做修正。尾流模型参照风资源模块，选择“Jensen”尾流模型.其他属性基本按照默认设置，表5-10为发电量模块的属性窗口参数设置，运行模块。表5-10发电量模块属性窗口Sectorinterpolation扇区插补TrueMethodfordensitycorrection密度修正方法Pitch-regulatedWECSAirdensity

correction空气密度修正NocorrectionNumberofsub-sectors尾流分布子扇区30Influencerange影响范围1:50Wakemodel尾流模型Wakemodel2AmbientTurbulence环境湍流强度ReadfromwinddatabaseDistanceweighting距离权重1Multiplewakesmodel多尾流模型BasedonsunofsquaresActivateREWScalculations激活REWS计算NoneHeightsreferenceproductions参考发电量高度80Exportpowerhistory导出功率时间序列NoneManualweighting手动设置权重NoneExportverticalprofiles导出垂直风廓线文件NoneIECclassificationIEC分级NoneExportrotorprofiles导出叶轮分布文件NoneExportturbineassessment导出风电机组评估文件None

2WindSim仿真报告分析2.1本课题的工程概述这些数据由数值流体模型计算获得，并且针对当地的风气象数据进行了加权平均。这里所指的当地风气象数据应代表了场址区域的长期风数据，其既可能是场址区域的测风数据，也可能是再分析数据。在本项目中使用的风气象数据如下表所示：表6-1关键气象数据特性测风塔名称bhq_cefengtashuju测风塔名称bhq_cefengtashuju测量高度(m)80.00代表时段01/01/201508:10-31/12/201516:00平均风速(m/s)2.81在计算中，我们使用了上述的气象数据来评估风电场的年发电量AEP，满负载小时数和功率因子。风电场的平均风速由场址内每个风机点位轮毂高度的无尾流风速计算获得。发电量值并未考虑除尾流损失以外的任何损耗。扣除尾流损耗后的发电量值以“扣除尾流后发电量”表征。表6-2风电场发电量风机型号ws2000风机数量22轮毂高度(m)80.0理论发电量(GWh/y)153.2容量(MW)44.0容量系数(%)39.4尾流损失(%)0.9满负荷小时数(hours)3451.3潜在发电量(GWh/y)151.9平均风速(m/s)7.02.2场址风数据给出按风速区间和风向扇区统计的平均风速分布情况，原风速数据以1m/s为单元的风速区间进行统计。在风玫瑰图中，风速超过16m/s的数据均统计在超16m/s风速区间。将来流风向均分为12个扇区，第一个扇区中心为正北。频率分布按Weibull分布进行拟合。图2.1和图2.2分别为风玫瑰图和全扇区频率分布以及Weibull拟合。图2.1风玫瑰图图2.2全扇区频率分布以及Weibull拟合2.3风场布局和风机该风场由22台风机组成。布局示意见图2.3，风机坐标见表6-3。风机功率曲线和推力系数如图图2.4所示。图2.3风场布局表6-3风机名称，类型和坐标风机名称风机型号 轮毂高度(m)东西坐标南北坐标zTurbine1ws200080.019683382.02823521.01163.0Turbine2ws200080.019683644.02823581.01169.8Turbine3ws200080.019683871.02823791.01179.5Turbine4ws200080.019684347.02824157.01194.3Turbine5ws200080.019684610.02823982.01182.1Turbine6ws200080.019684909.02823987.01182.3Turbine7ws200080.019685281.02823863.01174.0Turbine8ws200080.019685702.02823962.01171.7Turbine9ws200080.019686280.02824204.01171.2Turbine10ws200080.019686280.02824204.01171.2Turbine11ws200080.019685994.02823622.01158.3Turbine12ws200080.019686308.02823532.01162.9Turbine13ws200080.019686689.02823610.01172.5Turbine14ws200080.019686933.02823530.01162.1Turbine15ws200080.019687193.02823694.01152.4Turbine16ws200080.019687498.02823851.01132.6Turbine17ws200080.019687848.02823942.01119.1Turbine18ws200080.019685092.02824892.01191.5Turbine19ws200080.019684704.02825183.01183.3Turbine20ws200080.019684427.02825418.01164.0Turbine21ws200080.019685884.02825089.01182.0Turbine22ws200080.019685444.02825104.01187.6图2.4风机功率曲线和推力系数2.4数值模拟数值风数据库由CFD模拟创建，用于将实测风况从观测点迁移至风机点位的轮毂高度。本章节将描述数值模型的建立，模拟以及验证。2.4.1数字地形模型在如表6-4和图2.5所示的计算区域中建立一个包含海拔高程和粗糙度数据的数字地形模型。坐标系统为GaussKrueger，报告中提到的所有坐标均采用该坐标系统。注意地形高程和粗糙度的分辨率可能不一样。unknown和unknown，seeappendix2fordetails，分别为所使用的在线高程数据和粗糙度数据源。表6-4数字图形模型的坐标，范围和分辨率最小(m)最大(m)范围(m)地形数据分辨率(m)东西(m)19622688.019728000.0105312.084.1南北(m)2797011.52892811.595804.093.4场区的复杂程度取决于地形中的海拔和粗糙度的变化情况。我们用地形的坡度来表现北湖区地形的复杂程度，如图所示，坡度示意图中的单位为米。地形高度十一粗(b)粗糙度的示意图(c)坡度的示意图(d)粗糙度对数的示意图图2.5二维场示意图

2.4.2地形模块的3D模型三维模型由许多拥有从数字模型中生成的不同分辨率的网格形成，网格越密集表示地形越复杂越粗糙。如图2.6所示。图2.6水平网格分辨率和垂直网格分辨率的示意图表6-5网格尺寸以及网格数目垂直方向上南北方向上东西方向上总和网格数目1021234830海拔最高和最低的位置z方向前10个网格点的分布情况如表2.6所示。表6-6海拔最高和最低的位置z方向前10个网格点的分布情况地形最高点(m)地形最低点(m)141.6057.42182.30229.53410.10512.44729.00918.051139.101434.461640.302061.572232.602811.482912.103672.093690.704647.4104552.405737.52.4.3模拟数字模型代表着进行雷诺平均的Navier-Stokes方程数值求解的计算域。为了在每一个扇区都获得3D风场，一共需要进行12次模拟。每个扇区达到收敛标准时所消耗的模拟时间和迭代步数见表2.8。如果达到收敛标准，在“状态”列（"Status"）将显示“C”，表示当前找到的解为我们所定义的问题的解。如果数值计算过程无法找到解，则“状态”列将显示为发散“D”；如果已经运行至设定的迭代步数仍未能找到收敛的解，则显示为“-”。表6-7求解器设置边界层高度(m)500.0边界层以上的风速(m/s)10.0顶部边界条件fixpres.势温No湍流模型Standard求解器GCV最大迭代次数100表6-8模拟时间，迭代步数和收敛状态扇区迭代步数模拟时间状态扇区迭代步数模拟时间状态0007100:00:19收敛1807000:00:19收敛0307100:00:19收敛2107000:00:19收敛0607200:00:19收敛2407100:00:21收敛0907200:00:19收敛2707100:00:19收敛1207200:00:19收敛3007100:00:19收敛1507100:00:20收敛3307100:00:19收敛如图2.7所示为不同扇区点值和残差值的比较，左边为残差值，右边为点值。030060090120150210240270300330图2.7各扇区的点值2.6发电量表格6-9为风场基本特征模拟结果，表6-10为风电场发电量模拟结果。表6-11为单台风机的年发电量模拟结果。表6-9风场基本特征模拟结果风机型号ws2000风机数量22轮毂高度(m)80.0理论发电量(GWh/y)153.2容量(MW)44.0容量系数(%)39.4潜在发电量(GWh/y)151.9平均风速(m/s)7.0满负荷小时数(hours)3451.3尾流损失(%)0.9表6-10风电场发电量模拟结果潜在发电量(GWh/y)151.856理论发电量(GWh/y)153.165尾流损失(GWh/y)1.309尾流损失(%)