一种计算全区域长期风资源序列的方法和装置与流程

1.本技术涉及风力发电技术领域，具体涉及一种计算全区域长期风资源序列的方法和装置。


背景技术：

2.随着风电行业的发展，越来越多的风电场被投资、建设。风资源决定了风电场的发电量，发电量决定了项目的效益，效益决定了项目的风险和成败。因此，风资源评估是风电场开发和建设的重要环节。
3.风电场的风资源评估往往根据场内测风塔一整年的观测数据，结合附近具有代表性气象站(参考气象站)的多年观测资料，订正出一套可以反映风场长期平均水平的代表性数据进行风资源分析。而当地气象站应具备以下条件才可作为参考气象站：具有30年以上规范的测风记录；距离风场比较近；同期观测结果相关性较好；地形条件相似。因此，通常的风资源评估工作需要具备两个前提：风电场内至少一整年的测风数据；风电场附近的参考气象站。
4.相关技术中，风资源评估需要在目标风电场场址内竖立测风塔，而设立测风塔的费用一般在数十万元，还需一年以上的观测期，成本过高，时间过长。由于风电场场址一般距离城镇较远，而气象站大多数位于城镇近郊，两者之间的地理位置距离较远，地表环境也有一定程度的差别，导致气象站数据和风电场内的测风数据的相关性受到削弱。特别是在地形起伏较大、气象站点分布相对稀少的地区，风电场的测风数据与气象站的观测数据之间的相关系数都较小。我国幅员辽阔，潜在风电场较多，而购买参考气象站的多年观测资料进一步增加了风资源评估的经济成本。
5.总而言之，风电场的风资源评估工作往往伴随着较高的经济和时间成本，结合参考气象站长期数据订正后的评估结果也往往存在较大的不确定性。


技术实现要素：

6.为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本技术提供一种计算全区域长期风资源序列的方法和装置。
7.根据本技术实施例的第一方面，提供一种计算全区域长期风资源序列的方法，包括：
8.生成用于cfd计算的目标区域的地形图；
9.获取目标区域内若干测风点的长期数据；
10.根据长期数据和地形图，对目标区域进行cfd模拟计算，得到多个结果点的风资源数据；其中，结果点的个数大于测风点的个数；
11.根据cfd模拟计算的结果，通过统计学威布尔分布生成指定位置的长期风资源序列。
12.进一步地，所述生成用于cfd计算的目标区域的地形图，包括：
13.获取目标区域的地形图，以及与目标区域相邻的所有区域的地形图；
14.将多个地形图进行拼接，生成用于cfd计算的地形图。
15.进一步地，所述目标区域的地形图为：分辨率(1/3600)
°×
(1/3600)
°
、尺寸1
°×1°
的srtm地形图；
16.相应地，所述将多个地形图进行拼接，包括：
17.将hgt格式的srtm地形图转换为map格式的地形图；
18.将转换后的九块map格式的地形图拼接成尺寸为3
°×3°
的地形图。
19.进一步地，所述获取目标区域内若干测风点的长期数据，包括：
20.获取目标区域内若干测风点的基于merra
‑
2的长期数据；所述长期数据包括风向数据和风速数据；
21.其中，所述测风点的个数为五个；一个测风点位于目标区域的中心点，其余四个测风点均匀分布在目标区域的边界内侧。
22.进一步地，所述目标区域的西北角、西南角、东北角、东南角、中心点的坐标分别为(ulx,uly)、(llx,lly)、(urx,ury)、(lrx,lry)、(cx,cy)；
23.相应地，五个测风点的坐标分别为(ulx d,uly
‑
d)、(llx d,lly d)、(urx
‑
d,ury
‑
d)、(lrx
‑
d,lry d)、(cx,cy)。
24.进一步地，所述方法还包括：
25.获取目标区域内测风塔的实测数据；
26.将所述实测数据进行过滤、拟合处理；
27.根据处理后的数据截取一整年的风资源数据。
28.进一步地，所述对目标区域进行cfd模拟计算，包括：
29.将长期数据和地形图输入wt软件进行模拟计算；或者，
30.将长期数据、一整年的风资源数据和地形图输入wt软件进行模拟计算。
31.进一步地，所述通过统计学威布尔分布生成指定位置的长期风资源序列，包括：
32.在目标区域内指定任意一个选定点p，其坐标为(x,y)；
33.从所有的测风点和结果点中，选取一个代表点pr，其坐标为(xr,yr)；代表点pr为与选定点p之间距离最近的一个点；
34.如果代表点pr为测风点，则直接从长期数据中提取该测风点的长期风资源序列；
35.如果代表点pr为结果点，则通过统计学威布尔分布生成该结果点的长期风资源序列。
36.进一步地，所述通过统计学威布尔分布生成该结果点的长期风资源序列，包括：
37.以0.01m/s为速度区间，列出0.005m/s至40.005m/s的风速值v
psec
；
38.计算该结果点每个扇区每个风速值所对应的风频f(v
psec
)：
[0039][0040]
计算得到每个扇区每个风速值每年所对应的小时数n
psecv
：
[0041]
n
psecv
＝n
a
·
f
psec
·
f(v
psec
)；
[0042]
根据小时数n
psecv
计算每年每个扇区每个风速值对应的整小时数；
[0043]
根据目标区域中心测风点的长期序列，确定结果点的风向数据；
[0044]
重复上述步骤，获得指定年数的风速序列，以及对应的风向、整小时数。
[0045]
根据本技术实施例的第二方面，提供一种计算全区域长期风资源序列的装置，包括：
[0046]
地形生成模块，用于生成用于cfd计算的目标区域的地形图；
[0047]
数据获取模块，用于获取目标区域内若干测风点的长期数据；
[0048]
模拟计算模块，用于根据长期数据和地形图，对目标区域进行cfd模拟计算，得到多个结果点的风资源数据；其中，结果点的个数大于测风点的个数；
[0049]
序列生成模块，用于根据cfd模拟计算的结果，通过统计学威布尔分布生成指定位置的长期风资源序列。
[0050]
本技术的实施例提供的技术方案具备以下有益效果：
[0051]
本技术的方案利用cfd(计算流体力学)技术和统计学原理，通过少量的长期风资源数据生成全区域的长期风资源序列，从而有效地降低了风电场风资源评估的经济和时间成本。
[0052]
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。
附图说明
[0053]
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。
[0054]
图1是本发明一种计算全区域长期风资源序列的方法的流程图。
[0055]
图2是根据一示例性实施例示出的一种计算全区域长期风资源序列的数据流程图。
[0056]
图3是根据一示例性实施例示出的一种srtm地形图的示意图。
[0057]
图4是根据一示例性实施例示出的wt软件的计算结果示意图。
具体实施方式
[0058]
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的方法和装置的例子。
[0059]
图1是根据一示例性实施例示出的一种计算全区域长期风资源序列的方法的流程图。该方法可以包括以下步骤：
[0060]
步骤s1：生成用于cfd计算的目标区域的地形图；
[0061]
步骤s2：获取目标区域内若干测风点的长期数据；
[0062]
步骤s3：根据长期数据和地形图，对目标区域进行cfd模拟计算，得到多个结果点的风资源数据；其中，结果点的个数大于测风点的个数；
[0063]
步骤s4：根据cfd模拟计算的结果，通过统计学威布尔分布生成指定位置的长期风资源序列。
[0064]
本技术的方案利用计算流体力学技术和统计学原理，通过少量基于的merra
‑
2的长期风资源数据(和已有的测风塔数据)生成全区域的长期风资源序列，从而有效地降低了风电场风资源评估的经济和时间成本。在风电场场址内无测风塔的情况下，截取该长期序列1整年的数据可用作测风数据；在测风塔附近无参考气象站时，结合该长期序列可对测风数据进行代表年订正。
[0065]
应当理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
[0066]
如图2所示，下面结合具体的应用场景，对本技术的方案进行拓展说明。
[0067]
1、将分辨率约30m即(1/3600)
°×
(1/3600)
°
、尺寸1
°×1°
、*.hgt格式的srtm地形图转化为*.map格式的地形文件。srtm(shuttle radar topography mission，即航天飞机雷达地形测绘使命)是对全球进行地形测绘的产品，其数据主要是由美国航空航天局(nasa)和国防部国家测绘局(nima)联合测量的。srtm的数据用16位的数值表示高程数值，最大的正高程为9000m，负高程在海平面以下12000m。如图3所示，灰色正方形为一块srtm地形图所包含的区域(目标区域)，需将该地形图和与其相邻的8块srtm地形图均转化为*.map格式的地形图。
[0068]
2、将步骤1所需的9块*.map格式地形图拼接成图3所示的尺寸为3
°×3°
的地形图，生成用于计算流体力学软件meteodyn wt(简称wt)的地形图。
[0069]
此处的“拼接”在操作上并无特别之处，但该操作对于模拟计算的准确性有如下意义：为避免因目标点位距离地形边界过近而造成cfd计算的误差增加，需将目标区域地形图与其周边的8块地形图进行拼接操作。这样，将拼接后的地形图的边界作为cfd模拟的计算边界，其距离目标地形图的边界较远，可以较大程度地排除因计算边界距离目标点位过近而造成的计算误差。
[0070]
3、通过3tier公司官网(www.3tier.com)下载图3目标区域内5个蓝色圆点(测风点)位置在所需高度h处的长期风资源(风速风向)数据，该数据基于merra
‑
2(the modern
‑
era retrospective analysis for research and applications,version 2，即针对研究和应用的现代回顾性分析第2版)数据，merra
‑
2是nasa全球模拟和同化办公室(gmao)制作的现代卫星时代的最新大气再分析数据。目标区域中，中心测风点与目标区域中心重合，其余4个测风点与目标区域边界的距离均为d[m]。在1980西安坐标系下，目标区域的西北角、西南角、东北角、东南角和中心点的坐标分别为a1(ulx,uly)、(llx,lly)、a2(urx,ury)、a3(lrx,lry)以及a0(cx,cy)，五个测风点坐标分别为b1(ulx d,uly
‑
d)、b2(llx d,lly d)、b3(urx
‑
d,ury
‑
d)、b4(lrx
‑
d,lry d)以及a0(cx,cy)。
[0071]
4、通过测风数据处理软件windographer将步骤3中下载的测风点长期数据导出为meteodyn wt软件计算所需的*.tim文件。
[0072]
如有目标区域中的测风塔实测数据，可将其导入到windographer软件中进行相关处理。比如，剔除不合理数据，以及对因霜冻、覆冰等原因导致缺测的风速和风向数据进行
拟合补全处理等。之后，截取一整年的风资源数据，并通过windographer软件导出为*.tim文件。
[0073]
5、将步骤2创建的地形图和步骤4得到的风资源数据*.tim文件输入到wt软件中，进行绘图操作，绘图区域为图3和图4所示的虚线所包围的区域。
[0074]
wt软件的绘图设置如下：西南角和东北角的坐标分别为(llx
‑
d,lly
‑
d)和(urx d,ury d)，绘图步长设置为d，高度设置为h。定向计算设置如下：最小水平分辨率为25，最小垂直分辨率为4，水平扩展系数为1.1，最大迭代次数为25，热稳定度等级为2，步长角度为22.5。完成16个扇区的定向计算后，进行综合计算。
[0075]
6、wt软件的计算结果为图4所示的绘图区域内各结果点位置在高度h处的风资源数据，结果点的水平空间分辨率为d。
[0076]
7、在目标区域内选定一点p(选定点)，其坐标为(x,y)；如图4所示，黑色方点为目标区域内的一个选定点。规定该目标区域中任意结果点或测风点pn的坐标为(xn,yn)，则点pn与选定点p的距离dn可由公式得到。目标区域中最小的dn值所对应的结果点或测风点即为该选定点的代表结果点pr，坐标为(xr,yr)。选定点p的长期风资源序列由代表结果点pr的长期风资源数据来代表。若代表结果点为某一测风点，则该选定点的长期风资源序列即为步骤3中该测风点基于merra
‑
2的长期风资源序列；当代表结果点为某一结果点时，则可由下面的步骤计算得到该结果点的长期风资源数据。
[0077]
8、wt的计算结果储存在*.rsf格式的文件中，包括一整年各结果点的总体威布尔参数a
p
、k
p
，各结果点各扇区的风频f
psec
以及威布尔参数a
psec
、k
psec
等。以0.01m/s为速度区间，列出0.005m/s至40.005m/s的风速值v
psec
，通过以下公式计算该代表结果点每个扇区每个风速值所对应的风频f(v
psec
)：
[0078][0079]
9、通过以下公式计算得到每个扇区每个风速值每年所对应的小时数n
psecv
：
[0080]
n
psecv
＝n
a
·
f
psec
·
f(v
psec
)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0081]
其中，n
a
为每年的小时数，非闰年的n
a
为8760h，闰年的n
a
为8784h。
[0082]
10、将每个扇区的每个风速值v
psec
对应的小时数n
psecv
进行向下取整，整数部分求和得m，其小数部分从大到小排列，前(n
a
‑
m)项赋值1，剩余项赋值0。将得到的整数部分和小数部分相加，得到每年每个扇区每个风速值对应的整小时数。
[0083]
11、列出每年所有扇区风速和对应的整小时数，按照风速的降序进行排列。
[0084]
12、求出每个目标区域中心点的merra
‑
2长期风速平均值以及中心点的merra
‑
2的年平均风速值可得比例r
a
：
[0085][0086]
将由步骤11得到的每个风速值与每年的r
a
相乘，得到每年的风速值及其对应的整小时数。需要说明的是，步骤12的目的不是改变步骤11的顺序。步骤11的结果只包含1年的风速数据，而步骤12是把这1年的风速数据通过比例ra折算成长期(例如40年)的风速数据。
如果merra
‑
2的风速为40年，则步骤12折算后的时长也是40年。
[0087]
13、将目标区域中心测风点每年的merra
‑
2长期序列按照风速值进行降序排列，将得到的时间列和风向列均与步骤12得到的每年的风速列进行对应，得到该代表结果点每年的按照风速值降序排列的时间列、风速列、风向列。
[0088]
需要说明的是，“merra
‑
2长期序列”和所求点位的“长期序列”都只包含三列数据，顺序为“整小时时间列”、“风速列”、“风向列”。其中，时间列为每小时的数据，格式为“yyyy/mm/dd hh:mm:ss”，mm和ss均为00；比如可以是：“1980/1/1 0:00:00”“1980/1/1 1:00:00”等。
[0089]
14、重复步骤13，并合并结果，得到40年的风速风向序列，将其按照时间列的升序排列，得到最终的该代表结果点的长期风资源序列，该结果即可代表所选指定点的长期风资源情况。结果点的长期风资源序列，只包含“时间列”、“风速列”、“风向列”这三列数据，不包含其它数据。
[0090]
本技术的实施例还提供一种计算全区域长期风资源序列的装置，包括：
[0091]
地形生成模块，用于生成用于cfd计算的目标区域的地形图；
[0092]
数据获取模块，用于获取目标区域内若干测风点的长期数据；
[0093]
模拟计算模块，用于根据长期数据和地形图，对目标区域进行cfd模拟计算，得到多个结果点的风资源数据；其中，结果点的个数大于测风点的个数；
[0094]
序列生成模块，用于根据cfd模拟计算的结果，通过统计学威布尔分布生成指定位置的长期风资源序列。
[0095]
关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体步骤已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处不再详细阐述说明。上述装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
[0096]
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
[0097]
需要说明的是，在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
[0098]
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本技术的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本技术的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
[0099]
应当理解，本技术的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场
可编程门阵列(fpga)等。
[0100]
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
[0101]
此外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
[0102]
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
[0103]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0104]
尽管上面已经示出和描述了本技术的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本技术的限制，本领域的普通技术人员在本技术的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。