1、大型风电机组面临的复杂风环境挑战2023.4.2国家气候中心朱朱 蓉蓉1.认识大型风电机组面临的复杂风环境2.重新建立风能资源评估技术体系主要内容十三五国家重点研发计划风能项目十三五国家重点研发计划风能项目“风力发电复杂风资源特性研究及其应用与验证“风力发电复杂风资源特性研究及其应用与验证”(2018YFB1501100)挑战：现有风资源评估理论不再适用300m250m200m150m100m50m0m近地层Ekman下层风能利用高度超过了近地层，近地层经典相似理论中湍流通量为常数的假设不再成立，风速廓线不能再用简单的指数率描述；在复杂地形条件下，中尺度局地环流作用凸显，仅仅采用CFD流场计算

2、不能满足大型风电机组的等效风功率计算精度要求。21锡林浩特冬季早8:00雷达探空指数函数67895020025030005003000230240风向风速2020年2月6日14时 四川西昌激光雷达观测1.认识大型风电机组所处的复杂风环境 采用2014-2018年数据；每日两次，北京时间08时和20时；球载电子探空仪升速5-6m/s；0-300m高度范围内50-60组数据；水平飘移不超过500m。全国无线电雷达秒级探空观测全国120个探空分布（蓝色圆点）1.认识大型风电机组所处的复杂风环境6090024027

3、0300330360024681012高度（m）风速（m/s）海南三沙内蒙古锡林浩特河北张家口四川西昌缓坡平坦山地山谷风廓线的两层式分布特征明显60036002468 10 12高度（m）风速（m/s）1区-青海格尔木1区-青海沱沱河1区-西藏那曲60036002468 10 12高度（m）风速（m/s）2区-新疆塔城2区-内蒙古额济纳旗2区-内蒙古二连浩特2区-内蒙古锡林浩特2区-内蒙古海拉尔60036002468 10 12高度（m）风速（m/s）3区-新疆哈密3区-甘肃敦煌3区-甘肃酒泉6003600

4、2468 10 12高度（m）风速（m/s）4区-甘肃张掖4区内蒙古巴彦诺尔公4区内蒙古乌拉特中旗4区-陕西延安4区-河北张家口60036002468 10 12高度（m）风速（m/s）5区-黑龙江嫩江5区-黑龙江齐齐哈尔5区-内蒙古通辽5区-内蒙古赤峰5区-吉林延吉60036002468 10 12高度（m）风速（m/s）6区-河北乐亭6区-山东章丘6区-山东荣成6区-江苏射阳6区-安徽阜阳60036002468 10 12高度（m）风速（m/s）8区-四川西昌8区-贵州威宁8区-贵州贵阳8区-云南丽江8区-云南昆明60120

5、002468 10 12高度（m）风速（m/s）9区-广东河源9区-广东阳江9区-广西北海9区-海南三亚9区-海南三沙0306090024027030033036067891011高度/m风速/m/s0404幂指数拟合0306090024027030033036067891011高度/m风速/m/s0000幂指数拟合0306090024027030033036067891011高度/m风速/m/s0808幂指数拟合0306090024027030033036067891011高度/m风

6、速/m/s1212幂指数拟合00时04时08时12时锡林浩特国家气候观象台0306090024027030033036067891011高度/m风速/m/s1616幂指数拟合0306090024027030033036067891011高度/m风速/m/s2020幂指数拟合16时20时Galion激光雷达探测的2020年6-8月锡林浩特平均风廓线虚线：采用虚线：采用30m30m，50m50m，70m70m，100m100m高度高度的的风速进行风速进行幂指数拟合。幂指数拟合。对于平坦地形，不稳定大气层结条件下风廓线指数律仍然有效；稳定大气层结条件下风廓

7、线呈两层分布形态，可以采用log+Ekman两层模式计算(Emeis，2013)。平均风能环境指数分布(2014-2016)9km*9km高度高度10-300m 3111()2nWEi iiIVn=1-tbtVVV风能环境指数 描述风能可利用垂直空间内总体风功率密度风能环境指数的数值越大，说明在风能可利用空间内的总体风功率密度越大，风能资源越丰富；反之，亦然。500300350024681012高度（m）风速（m/s）内蒙古通辽内蒙古赤峰内蒙古二连浩特72721691699494典型复杂地形风资源特性观测实验研究高程（米）高：8642低：-378西藏措美山西忻州四川西昌审

8、图号：GS(2016)1550号0500 km南海诸岛山西神池西藏措美四川西昌02500300035004000450050005500600065007000007080海拔高度/m水平距离/km西藏措美四川西昌山西神池Windcube V2激光雷达，瑞典AQ510声雷达，测风塔，气象站典型复杂地形风资源特性观测实验研究局地风场表征风速：采用一个完整年的测风数据；逐一求取每日平均风速；对于每个观测日，逐一用小时平均风速u减去当日平均风速u，得到可以体现日变化的逐小时风速距平值u；逐小时求取u的气候平均值。-4-3-2-1012340 1 2 3 4

9、 5 6 7 8 9 512223局地风场表征风速/（m/s）北京时西藏措美四川西昌山西神池大、中起伏山地：存在局地中尺度环流；小起伏山地：局地中尺度环流不明显。西藏措美哲古高原试验风电场区2022年2月15-18日声雷达观测0568 10 12 14 16 18 20 22 02468 10 12 14 16 18 20 22 02468 10 12 14 16 18 20 22 02468 10 12 14 16 18 20 22风速/(m/s)18日15日17日16日090054002468 10 1

10、2 14 16 18 20 22 02468 10 12 14 16 18 20 22 02468 10 12 14 16 18 20 22 02468 10 12 14 16 18 20 22风向风向18日15日16日17日0204060800468022高度/m风速/(m/s)15日19时15日21时15日23时16日00时02040608000180270360高度/m风向/度15日12时15日13时15日15时15日17时15日18时02040608001

11、80200220090180270360高度/m风向/度15日19时15日21时15日23时16日00时0204060800468022高度/m风速/(m/s)15日12时15日13时15日15时15日17时15日18时-25-20-15-10-5050 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22地面温度/北京时雷达位置1号点2号点3号点15日16日17日风速150m风向地面温度四川西昌复杂地

12、形风特性观测实验（2020年1月31日-2月3日个例分析）02468 2 4 6 8 022 0 2 4 6 8 022 0 2 4 6 8 022 0 2 4 6 8 022风速/(m/s)北京时31日1日2日3日609002402703000 2 4 6 8 022 0 2 4 6 8 022 0 2 4 6 8 022 0 2 4 6 8 022风向/度北京时31日1日2

13、日3日4060800026028030024680高度/m风速/(m/s)1日12时1日15时1日16时1日22时2日0时2日6时4060800026028030060900240270高度/m风向/度1日12时1日15时1日16时1日22时2日0时2日6时4060800026028030024680高度/m风速/(m/s)2日21时2日22时3日0时3日4时3日6时3日8时406080100120

14、022024026028030060900240270高度/m风向/度2日21时2日22时3日0时3日4时3日6时3日8时激光雷达150m 风速150m 风向风速风向风速风向02500300035004000007080海拔高度/m水平距离/km天气背景风场四川西昌4000450050005500600065007000007080海拔高度/m水平距离/km西藏措美天气尺度背景风场+多尺度局地中尺度或加强、或削弱，复杂流场冬季850hPa近30年平均风场冬季500hPa近30年平均风场

15、天气尺度背景风场中尺度局地环流影响大型风电机组扫风范围内风速垂直分布的四大因素天气背景风场局地中尺度环流地形动力强迫地表摩擦和热力春0500300234567高度/m风速/(m/s)不稳定中性稳定2.重新建立评估技术体系中微尺度耦合的数值模拟评估方法中尺度+CFD中尺度数值模拟作用：天气背景和局地大气环流；CFD模拟计算作用：降尺度。02500300035004000007080海拔高度/m水平距离/km天气背景风场中尺度中尺度+CFD 数值模拟数值模拟天气背景风场天气背景风场局地大气环流局地大气环流地形动力强迫地形动力强迫地表

16、摩擦和地表摩擦和热力作用热力作用平坦地形平坦地形小小起伏孤立起伏孤立山体山体连续的中、小连续的中、小起伏山体起伏山体连续的大、中连续的大、中起伏山脉起伏山脉天气背景风场天气背景风场天气背景风场天气背景风场天气背景风场天气背景风场地表摩擦和地表摩擦和热力作用热力作用地表摩擦和地表摩擦和热力作用热力作用地表摩擦和地表摩擦和热力作用热力作用地形动力强迫地形动力强迫局地大气环流局地大气环流中尺度中尺度+CFD 数值模拟数值模拟影响因素风电场地形评估方法风廓线解析算法风廓线解析算法CFD数值模拟数值模拟风廓线解析算法风廓线解析算法CFD数值模拟数值模拟宽谷、盆地宽谷、盆地海海陆、湖陆陆、湖陆天气背景风场天气背景风场地表摩擦和地表摩擦和热力作用热力作用局地大气环流局地大气环流中尺度中尺度+CFD 数值模拟数值模拟地形动力强迫地形动力强迫2.重新建立评估技术体系2.重新建立评估技术体系风能环境指数9个风环境区的典型地形风能资源评估方法3.总结1.大型风电机组的叶片扫风范围内，上、下层大气稳定度或风向会有所不同。2.采用风能环境指数可以描述风能可利用垂直空间内总体风功率密度。风能环境指数的数值越大，说明在风能可利用空间内的总体风功率密度越大，风能资源越丰富；反之，亦然。3.除了平坦地形和小起伏孤立山体地形以外，都需要采用中尺度与CFD耦合的方式进行风能资源数值模拟评估。