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风资源评估系统搭建方法研究?*
马文通1, 2，刘青海2，李凯2，王帅2 （1. 国家气象中心， 北京 100081； 2. 上海电气风电设备有限公司， 上海 200241）
摘 要：复杂地形和低风速风电场风资源评估过程中，在缺少实测数据的情况下寻找风资源丰富的
开发区域，对提高风电场的盈利能力具有重要的现实意义。本文针对风电场开发前期有效数据匮乏的情况，在传统风资源评估系统的基础上，引入大气模式进行大范围计算获得中尺度计算结果，同时引入陆地卫星遥感资料处理技术，获得大范围高精度的地表粗糙度信息，结合计算流体动力学技术对中尺度数据进行降尺度，建立大气模式和计算流体动力学技术双核心的风资源评估系统。本文所建立的先进风资源评估系统可以满足复杂地形和低风速风电场风资源评估的工程需要，从而拓宽了风资源评估的途径。
关键词：风资源评估；卫星遥感；大气模式；计算流体动力学
Method Research on Wind Resource Assessment System Structure
Ma Wentong1, 2, Liu Qinghai2, Li Kai2, Wang Shuai2
（1. National Meteorological Center, Beijing 100081, China; 2. Shanghai Electric Wind-power Equipment Co.,
Ltd., Shanghai 200241, China）
Abstract: In complex terrain, low wind speed region or lack of measured wind data, how to find rich wind
resource region is very important for increasing profit of wind farm. For the lack of valid wind data in the early development of wind farm, based on traditional wind resource assessment system, we introduce atmospheric model to do mesoscale simulation on large scale region, and then integrate with high resolution terrain and roughness data based on the processing technique of remote sensing to do CFD downscaling simulation, build the double-core system of wind resource assessment with atmospheric model and CFD. The advanced wind resource assessment system we built will satisfy the demands of wind power projects development in complex terrain and in low wind speed region; it also widen the method of wind resource assessment.
Keywords: wind resource assessment; Remote Sensing (RS); atmospheric model; Computational
Fluid
Dynamics (CFD)
0引言
随着大规模集中开发风电场的进程，项目开发权的竞争日益激烈，而不断增加的限电、“弃风”， 基金项目：上海市青年科技启明星资助项目(12QB1401500)
也使得这些地方风电场的效益大打折扣，内陆省份风电场的优势渐渐凸显[1]。风电场开发的热点逐渐由风电大基地转向山区或低风速风电场，运输道路改扩建导致山区风电场的初投资增加，低风速风电场的运营收益较低，造成山区和低风速风电场投资风险上升。1996年起，以放开同业拆借利率为起始点，我国开始利率市场化改革，2013年7月20日起全面放开金融机构贷款利率管制。随着利率市场化的进一步深入，我国风电场投资贷款利率有望与风电场投资的财务风险指标挂钩，风电场开发的形势对风资源评估的精度提出了更高的要求。
风资源评估的传统流程是首先依靠地面气象站多年观测或现场踏勘进行宏观选址，风场位置确定后树塔测风筛选具备开发价值的风电场；通过关联测风数据与气象站同期观测数据，对风电场进行微观选址，最终确定布机方案。传统风资源评估流程在宏观选址和测风塔选址过程中存在主观性强，气象站与测风塔之间的相关性差，微观选址中的粗糙度设置粗犷，风资源评估历时较长且投资较大的问题。
随着计算机技术的迅速发展，通过结合大气动力学理论和数值计算的发展成果，中尺度模式模拟系统在世界范围广为使用[2-15]，在一些发达国家已进入实时运行阶段[16-24]。通过在风资源评估技术中引入大气模式和卫星遥感技术，建立起先进结构的风资源评估系统，可以有效地解决传统风资源评估过程中的主观性和高投入等问题。
1风资源评估业务简介
风资源评估业务主要分为宏观选址、微观选址两大部分。宏观选址即风电场场址的选择，是在一个较大的地区内，通过对风能资源和其它建设条件的分析和比较，确定风电场的建设地点、开发价值、开发策略以及开发步骤的过程。宏观选址在项目经营战略层面决定了企业是否能够通过开发风电场盈利。微观选址即风电机组机型和安装位置的选择，是通过对若干布机方案的技术经济比选，在保证风电机组安全的前提下，在风电场的投资和运营成本与年发电量收益之间找到最优平衡点。在风资源评估业务中，必须以测风、风资源计算、机位优化布置和技术经济评价等基础工作为技术支撑。
在风电场开发前期的风资源普查工作中，由于尚未树立测风塔，单纯依靠人工现场踏勘的原始方法来寻找适合开发的区域存在工作量大、耗时长、可靠性低的问题；而地面气象站通常只有10m高度的风速观测资料，对风电场开发前期的宏观选址缺乏代表性。基于大气模式及CFD降尺度技术的先进结构风资源评估系统可以在无地面风资源观测数据的情况下，进行高精度大范围的风资源评估，主要技术步骤如下：
（1）利用全球环流的再分析数据，采用中尺度大气模式，对所评估的区域进行中尺度计算，获得分辨率在1km—5km范围的中尺度计算结果。中尺度计算结果代表分辨率范围内的风资源的平均水平，一方面可以满足在县或市一级范围内的风电场宏观选址评估需要，另一方面可以为后续的CFD
降尺度计算提供数据支持；
（2）在中尺度风资源计算风资源图谱的基础上，确定适当的虚拟测风塔（中尺度计算结果点）作为控制点，采用CFD（Computational Fluid Dynamics）技术对宏观选址后拟定的开发区域进行降尺度计算，结合卫星遥感数据确定地表粗糙度，并根据地形崎岖度的不同获得分辨率在20m—100m范围的风资源图谱。高分辨率的风资源评估结果可以为后续确定风场具体范围、规划装机容量和选定测风塔位置提供数据支持；
（3）在CFD降尺度得到的高分辨率风图谱的基础上，初选合适的风电机组型号并在拟开发区域内进行模拟布机，以指定的年可利用小时数为目标，确定风场的具体范围、规划装机容量，并对初步估算的发电量进行不确定性评估。为开发商与政府签订开发协议提供开发容量和开发进度的技术依据，并为开发商的风电项目投资财务、风险分析提供发电量和发电量不确定性方面的数据支持；
（4）在完成宏观选址确定开发区域后，以CFD降尺度得到的高分辨风图谱为基础，优化测风塔位置，提高测风塔的代表范围。
（5）测风3—6个月后，通过关联大气模式的中尺度计算得到的风速时间序列和实测的风速时间序列，倒推出树立测风塔之前若干月或若干年前测风塔位置的风速、风向、气温、大气压等风资源参数时间序列，为加快可研编制进度和项目执行决策速度提供数据支持。
（6）测风满一年后，通过关联中尺度数据与实测数据，得到具备多年代表性的风资源数据，结合卫星遥感数据确定的地表粗糙度和大气模式导出的大气稳定度，利用CFD软件最终计算得到风电场的风图谱，并进行优化布机和产能测算，完成微观选址工作。
基于卫星遥感、中尺度大气模式和CFD技术的风资源评估系统可以解决在风电场开发前期无地面观测数据情况下的风资源评估任务，有利于提高开发商宏观选址的成功率。在具备短期的地面观测数据的情况下，可以通过关联推算历史风资源时间序列，有效缩短风电场风资源勘测的测风时间，加快风电场前期的工作进度。基于卫星遥感、中尺度大气模式和CFD技术的风资源评估系统适用于需要快速并且大范围风电开发的前期技术支持工作。
2风资源评估系统的结构
2.1传统风资源评估流程
传统的风资源评估流程如图 1所示，以测风塔测风数据为基础，将测风塔测风数据与气象站多年观测数据进行MCP（Measure Correlate Predict测量关联与预测）得到代表年风速和50年一遇最大风速，或者直接采用测风塔测风数据，输入到近地层风资源评估软件中进行计算，得到微观风图谱，并进行优化布机后完成风电场容量和产能的测算。
风图谱地面气象站MCPCFD优化布机测风塔容量，机位，产能
图 1 传统结构的风资源评估系统
商业化的近地层风资源评估软件及代码主要包括WAsP、Ms-Micro、Meteodyn WT、WindSim、Star CD和Phoenics，其中WAsP和Ms-Micro适用于简单地形[25]，CFD内核的WT、WindSim和Star CD等软件能够满足复杂地形的计算要求。随着我国山区风电场的开发，CFD内核的近地层风资源评估软件逐渐成为主流。商业化的优化布机和产能测算软件主要包括WindFarmer、WindPRO和openWind。以CFD技术为核心的传统风资源评估系统能够满足微观选址的基本业务需求，适用于具备测风塔实测数据的小面积风资源评估工作。对于宏观选址或在缺少测风数据的情况下，需要引入以中尺度大气模式和CFD技术为双核心的先进结构风资源评估系统。
2.2先进风资源评估流程
先进的风资源评估流程如图2所示，主要包括全球大气环流再分析数据的获取、中尺度区域大气模式的计算和基于CFD技术的微观降尺度计算。将全球气象观测资料同化后，进行GCM（General Circulation Model全球环流模式）分析，得到几十或者几百公里分辨率的再分析数据。采用中尺度大气模式将再分析数据进行降尺度得到分辨率为公里级的中尺度数据，条件允许的情况下可利用测风塔实测数据对中尺度数据进行MOS（Model Output Statistics模型输出统计）。将中尺度数据、MOS后的中尺度数据或测风数据输入CFD软件中进行降尺度计算，得到百米以下分辨率的风资源图谱，并进行优化布机，完成风电场容量和产能的测算。先进风资源评估系统穿插利用CFD和大气模式两个技术核心，以模型输出指导测风塔和风电机组选址，同时以实测数据对模型进行校正。