[整理]WASP应用

[整理]WASP应用 <<风电场规划与设计>>课程设计资料 河海大学新能源系 2011/12/31 WAsP 应用 1 WAsP简介 为充分合理地使用风能，对于购买风力发电机组建设风电场的用户而言，首先要了解当地的风能资源状况，然后根据预计产生的经济效益来决定当地是否适合建设风电场、购买风力发电机组是否可行及选择合适的风力发电机组规格(如合适的起动风速、额定风速及功率 曲线等性能参数)，以期最大限度的利用当地的风能资源。没有风能资源分析评估，或者错误的分析当地风能资源，风能利用率和经济效益就不会达到预期的目的，甚至可能造成重大经济损失。在此，介绍一种目前国际上应用最广的风能资源分析软件――风图谱分析及运用程序WAsP(Wind Atlas Analysis and Application Programs)。WAsP 是由丹麦国家实验室风能运用开发部开发出来的风能资源分析处理软件，主要用于对某地风能资源进行评估，正确的选择风电场场址。 主要特点是:当对某地区风资源进行分析时，考虑该地区不同的地形表面粗糙度WAsP的 的影响以及由附近建筑物或其它障碍物所引起的屏蔽因素，同时还考虑了山丘和复杂场地所引起的风的变化情况，通过修正受各因素影响的风数据来反映某一地区的真实风资源情况(风速风向频率、主风向来源、平均风速、有效风能密度、潜在风能量等)，从而达到科学正确地选择风电场场址、风电机组选型目的。另外它还可以根据某一地区风资源情况推算出另一点的风资源，这对那些地处偏远又无气象资料记录的地区是非常有用的。 WAsP是一个高度集成化软件，它有以下特点: 1)风观察数据的统计分析; 2)风功率密度分布图的生成; 3)风气候评估; 4)风力发电机组年发电量计算; 5)风电场年发电量计算。 2 WAsP的输入数据 1)气象数据输入 应提供 3 年以上的统计资料，最少 1 年，由当地气象台、站提供。可以是时间序列数据或直方图数据表。主要为风速(m/s)、风向(?)每小时(或 3h)统计值、当地 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 气压、温度或海拔。WAsP 将向风数据归类划分到 0?,360?内的 12 个风向扇区内(每一扇区为 30?，0?,30?为第一扇区，一次类推)，采用国际上通用的比恩统计法(“bin”)将风速数据归类划分到相应扇区 0,17m/s 的风速段(每一风速段为 1bin，0,1m/s 为第一风速段，依此类推)。根据需要，也可以将风向扇区划分为 16 个。 2)地表面粗糙度数据输入 地表面粗糙度是指风随高度为对数变化时平均风速为零处的高度。依地形条件，粗糙度依不同地形层次可以分为若干个等级，在一定距离内，地表面越复杂，或粗糙度变化层次越多，则粗糙度越大，对风的影响就越大。反之，地表面越简单，或粗糙度变化层次越少，则粗糙度越小，对风的影响就越小。现场实际勘察的范围在 2km,50km 之间，地形越复杂，勘察范围就越广;简单地形勘察范围可在 20km 内进行。在勘察无法进行的情况下，需要提供详细描述本地区的地图来确定粗糙度及其等级值。 3)地面障碍物数据输入 地面障碍物如建筑物、防风带等对风速、风向产生的衰减影响与障碍物到测风点的距离以及障碍物和测风点的高度有密切关系;另外，还与障碍物的孔隙度有一定关系。为便于计算，一般将障碍物视为具有一定的长度、宽度和高度的矩形物来考虑。计算中要考虑:障碍物到场地某参考点(可以是测风点，也可以是风力发电机组安装地址，取决于计算内容)的距离及方位;障碍物相对场地参考点的高度;障碍物的宽度;障碍物的空隙度等。障碍物(如建筑物、墙壁等)实度越大，则空隙度就越大;反之，障碍物(如防风带等)实度越小，则空隙度就越小。障碍物输入数据要经现场实际堪察后才能确定，或提供一定比例的可以明确描述障碍物特征的地图来确定。 4)复杂地形数据输入 复杂地形对风的影响可以由高灵敏度的“上升式”极坐标表示并 输入。该输入坐标网可以是直角坐标或极坐标，或者是等高线地图，他们之间可进行转换。 5)计算系数输入 除上述 4 项输入数据外，在 WAsP 计算分析过程中还要输入各种计算系数，如换算系数、补偿系数、场地参考坐标等，由 WAsP 运行人员按要求根据实际情况确定。 6)各种型号风力发电机组标准功率曲线数据输入 风力发电机组标准功率曲线是 WAsP 估算各种型号风力发电机组年发电量所需要的数据。 3 WAsP的输出数据 1)拟合威布尔分布的参数值; 2)平均风速; 3)0,17m/s 风速段风向、风速频率图; 4)输入数据、障碍物、山形对某一给定点风速、风向的影响程度; 5)给定点风频图; 6)给定点平均风速; 7)给定点风功率密度; 8)风向玫瑰图; 9) 风能玫瑰图; 10)给定点风力发电机组年发电量; 11) 风电场年总发电量。 由此可知，WAsP 可以充分估算出某一给定点的风能资源情况，对风电场选址及风力发电机组排列有重要指导意义。但是，该软件是以特定的数学模型为基础的，因此，在复杂地形的风电场进行选址时，应尽可能地多安装测风仪，以实际测量的风数据作为风力发电机组微观选址时的主要依据。尽管如此，该软件仍是进行风能资源评估及风电场选址的有利工具，被各国尤其是欧洲国家普遍采用。 4 基于WAsP软件的风能分析及应用方法 基于WAsP软件的风能分析以及风电场优化的详细步骤描述如下: 4.1原始资料准备 (1)风电场区域地形图文件(map文件)的制作:一般为1:10000或更高精度的电子版CAD地形图，可以是测绘局出版的地形图，也可以是实测地形图，不管是dwg格式还是dxf格式，都需用WAsP软件附带的认叭WAsP MAP Editor软件处理成map格式; (2)粗糙度的定义(数字化粗糙度变化线的方法):当用WAsP Map Edito软件处理成map格式地形图的过程中，需添加粗糙度线，或将具有地形等高线属性的多义线增加粗糙度属性，使该多义线同时具有等高线和粗糙度线的属性; (3)风频表文件(tab文件)的生成:一般用NRG测风仪测得的风资源数据(需3个以上整年的数据，至少1个整年)可以利用处理软件导成Excel工作表，可以将其中最接近风机轮毅高度的测风层的风速、风向、风速的方差和风向的方差按每小时的统计数据提取出存为txt格式文件，利用WAsP软件附带的OWC Wizard软件将该txt格式文件分析处理成含有12 个风向扇区特征值的tab文件，即为WAsP软件所需的风频表文件; (4)风机功率曲线文件(pow或wtg文件)的准备:风机功率曲线文件的准备与风电机组的选型息息相关，当我们选择了某种单机容量的机型后，一般风机制造商都会提供该机型在切入风速与切出风速之间对应各个风速时的功率和推力系数Ct，由对应数据表可以利用WAsP软件附带的WAsP Turbine Editor软件制作pow或wtg格式的风机功率曲线文件，该功率曲线文件根据不同风电场和风机制造商的实际情况，可以是标准空气密度状态下的数据文件(此时计算风电场年上网电量时还需进行空气密度的修正)，也可以是风电场实际空气密度下的功率数据文件(此时计算风电场年上网电量时不需进行空气密度的修正); 4.2 WAsP软件中模拟风场的建立 (1)建立WAsP工作区(workspace)，这时一个新的WAsP工程(projeet)自动地加入到该工作区中; (2)添加风电场当地通用的风资源信息 (wind atlas)的子层，其下再添加测风塔(met.station)子层，并输入测风塔的位置、高度; (3)在 Project层下载入风电场区域地形图文件(map文件) (4)在met.statfon子层下载入风频表文件(tab文件)，并定义粗糙度(利用地形图读入的信息计算)、障碍物信息; (5)通过还原计算，求出每个扇区地表固有的风况数据，得到风图谱或风玫瑰; (6)在 projeet层下建立风电场 (windfarm)层; (7)在风电场 (windfarm)层下添加风机点 (Turbine site)进行风机布置，每个风机点均需输入风机位置、轮毅高度，也可以在软件中的map地形图中通过拖动风机移动至所需位置，进行首次布置时在满足风机最小间距的条件下应尽可能多的布置风机; (8)在风电场 (windfarm)层下添加风机功率曲线文件 (pow或wtg文件); 4.3 WAsP软件中发电量的计算 (l)通过点选单台风机点 (Turbinesite)进行计算(caleulate)，可以求出单台指定风机的年理论发电量、年净发电量; (2)通过点选风电场 (windfarm)进行计算(calculate)，还可计算整个风电场的年理论发电量、年净发电量和尾流损失等数据; 4.4 风电场的优化布置 (l)分析各个方向相邻的风机对本机的影响程度，据此通过调整风机布置间距、增减风机数量来调整风机布置方案，经反复迭代计算和比较，得到较理想的风电场装机和布置方案; (2)用额外的修正系数(如空气密度修正、线损及厂用电修正、功率曲线保证修正等)进行年净发电量的修正，得到风电场年上网电量、年等效满发小时数等指标; 5 WAsP应用实例 本节通过一个完整的风机选址操作来对WAsP软件进行说明。 5.1建立气象站 在WAsP中打开一个新工作空间。在这个工作空间中自动插入一个新工程，保存工作空间和工程，把它们都命名为Waspdale。 现在插入一个新的风图谱作为工程的子集(用右键单击工程，选择插入新的，然后选择风图谱)。从气象站中生成一个风图谱，插入了一个新的气象站结构成员，它是风图谱的子集。现在工作空间应该是这个样子: 选择气象站，使用从文件插入菜单插入一个观测风气候子集，在包含样本数据的文件夹中选择'Waspdale.tab'文件，这个文件夹在安装WAsP时就已生成。现在工作空间应该是这个样子: 可以通过点击鼠标右键选择重命名给风图谱或其它结构成员取一个新名字。这里称风图谱为'Waspdale'。 5.2站点描述 现在WAsP需要知道收集数据的站点情况。首先，引入一张地图作为工程的子集。使用工程中的从文件插入，然后选择矢量图，选择名为'Waspdale.map'的文件。现在需要确定气象站在地图中的位置。 气象站的定位: 1)气象站右键菜单中选择显示 2)在出现的对话框中设置位置为(34348，37233) 有时，风场测风杆周围会有障碍物，需要在WAsP中添加这些情况:插入一个描述障碍物的列表，使用气象站中的从文件插入命令增加一个障碍物列表。当出现选择文件的对话框时，选择'Airport.obs'文件。现在的工作空间看起来是这样: 5.3图谱计算 现在用WAsP生成一个风图谱。从风图谱右键菜单中选择计算风图谱命令。当计算完成后，显示在风图谱图标上的黄色小告警标志消失，这表示风图谱计算是最新的。注意:黄色小告警标志出现在下一个气象站，这意味着气象站本身预测需要更新。从气象站右键菜单中选择计算站点影响和气象站气候自我预测。也可以在工程右键菜单中选择为所有工程成员做可行性计算更新工程的所有计算。 选择风图谱右键菜单中的显示命令查看计算结果。风图谱如下图所示。这是一个站点独立的整个Waspdale地区风气候描述。 5.4风功率估计 1)建立一个风机站 现在需要在工作空间中增加一个风机站结构成员，插入一个新的风机站作为工程的子集。现在的工作空间看起来是这样: 右击风机位置图标选择重命名，给风机站提供一个名字。因为这个计划是在山顶上立一个风机，因此命名为'Hilltop'。 2)对风机站进行定位 首先，在地图上确定风机站的位置。因为地图和风机站在同一个工程中，WAsP会自动框定站点位于地图覆盖的区域，所以只需提供坐标即可。然而，因为风机站的位置还没有精确确定，所以坐标不需要很精确，可以使用不同的方法安放风机。 从风机站右键菜单中选择在新空间视图中显示，出现地图窗口，风机站会在地图中间高亮显示。单击工具栏上的有标记的按钮，可缩小窗口查看整个地图。然后就可以在地图中拖动风机站把它放在任何地方，此时地图如下图所示: 3)制定功率曲线 为了预测风机的发电量，WAsP需要知道风机的发电量特性。从风机站右键菜单中选择从文件插入，然后在提示菜单中选择'Wecs1000.wtg'。 因为轮毂高度和默认的预测高度(10 m a.g.l.)不同，所以WAsP会给出选择: 按下OK键，改变预测高度为实际的轮毂高度，现在的工作空间看起来是这样: 打开功率曲线窗口(选择右键菜单的显示)查看风机的发电量特性: 4)预测风气候和年发电量AEP 从风机站右键菜单中选择计算站点影响、预测风气候和风机站的年发电量。和气象站一样，计算完成后在风机站图标上的黄色小告警标志消失。 打开风机站窗口查看结果。用鼠标右键单击风机站，选择显示，然后单击风标签或功率标签，如下图所示: 5.5风电场发电量估计 1)建立一个风电场 插入一个新风场作为工程的子集。现在的工作空间看起来是这样: 通过右击风场图标选择重命名给风场起个名字。因为计划是在山顶上建一个风场，所以称为'Crest'。接下来，需要在风场中插入风机站。 2)确定风机站的位置 首先，右击风场结构成员，选择插入新的，然后选择风机站，这样就生成了一个新的风机站。 然后，可以用下面介绍的简单方法在风场中增加更多的风机:用鼠标左键单击第一个风机站(在风机周围出现一个小环)，按住鼠标左键和键盘上的Ctrl键不放，直到拖动风机站到一个新的位置，松开鼠标左键。增加两个以上的风机后就在风场中产生了一个新的风机站，空间视图是这样: 3)指定风力发电机 为了预测风场产生的发电量，WAsP需要知道每台风机的发电量和推力曲线特性。如果风场中的风机都是同一类型，可以给所有的风机指定相同的功率曲线文件。从风场右键菜单中选择从文件插入，然后从提示对话框中选择'Wecs1000.wtg'文件。现在的工作空间看起来是这样: 如果风场中的风机类型不同，就必须为这些风机提供单独的风力发电机结构成员。 4)预测风场发电量 WAsP现在准备好预测风场的发电量。从风场右键菜单中选择计算数据和风场尾流损失。和气象站一样，计算完成后在风机站和风场图标上的黄色小告警标志消失。这时，可以打开风机站窗口查看结果。右击风机站，选择显示，然后单击不同的统计标签，可以看到不同的结果: 5.6绘制风资源地图 1)建立资源网格 为了绘制覆盖一个地区的风资源地图，需要在工作空间中增加一个资源栅格结构成员。 插入一个新的资源栅格作为工程的子集，现在的工作空间看起来是这样: 2)配置资源网格 首先，右击资源栅格结构成员选择显示，然后选择“空间视图”标签。点击窗口右上方的最大化图标可以最大化窗口。 然后，单击编辑资源栅格设置图标，打开资源栅格配置窗口，在地图和配置窗口中显示一个默认的资源栅格，如图所示。 如果觉得网格合适，按下OK按钮，资源网格准备好进行计算。 如果觉得不合适，有三种方法可以改变网格设置: 1.按住Ctrl键不放，鼠标左键放在地图上的资源栅格内，用拖动资源栅格到一个新位置; 2.按住Ctrl键不放，鼠标左键放在地图上的资源栅格外，用鼠标画出一个新的资源栅格; 3.给栅格节点和分辨率输入新值。 3)预测风资源 WAsP现在已经准备好预测覆盖所选地区的风资源情况。从资源栅格右键菜单中选择对所有选择的栅格进行计算，或按下空间视图中的计算图标。象计算其它结构成员一样，计算完成后在资源栅格图标上的黄色小告警标准消失。 现在可以打开一个资源栅格窗口查看结果。右击资源栅格，选择显示，然后单击空间视图标签: No date grid 表明边界或资源栅格的结点。在下拉菜单中可以选择不同的项目，就会直观得到不同的资源分布。例如，选择年发电量(AEP): 现在的资源网格窗口是这样: 在统计视图中可以看到资源栅格的一些简单统计数据: