一种风电场粗糙度和摩擦速度的计算方法、装置及介质与流程

本发明涉及风电场气象预报，并且更具体地，涉及一种风电场粗糙度和摩擦速度的计算方法、装置及介质。

背景技术：

1、风电场的粗糙度和摩擦速度对风资源预估和风电功率预测尤为重要，粗糙度用于预测风电场风速垂直廓线，摩擦速度用于计算风场和湍流特性。因此，如何精准的计算风电场粗糙度和摩擦速度，直接影响着风电场风速的预报准确率以及风力发电效率。对风电场而言，尤其复杂地形地貌条件下风电场的粗糙度和摩擦速度的精准计算则非常复杂。首先，风电场下垫面类型的多样性以及地形在小范围内的剧烈变化，无法获得满足要求的精细的地形地貌数据，为准确描述粗糙度等带来巨大挑战。其次，季节的变化也会对粗糙度等产生显著影响，即粗糙度等的计算不仅要在空间上准确，还要反应时间上的变化，当前计算模型均无法兼顾时空需求。最后，大气边界层和风电场之间的相互作用，以及风电场内部的风电机组之间的相互作用均对粗糙度和摩擦速度有重要影响，但其机理尚未完全厘清，无法准确描述它们之间的相互作用。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种风电场粗糙度和摩擦速度的计算方法、装置及介质。

2、根据本发明的一个方面，提供了一种风电场粗糙度和摩擦速度的计算方法，包括：

3、根据预先建立的风切变指数计算模型以及多个观测高度的实测风速数据，计算风电场多个观测高度的风切变指数值；

4、根据风电场多个观测高度的风切变指数值以及预设边界层大气稳定性分类条件，筛选符合中性稳定状态下的实测风速数据集合；

5、根据对数律风轮廓模型以及实测风速数据集合，构建含有每个观测高度的以风电场粗糙度和摩擦速度为未知数的对数方程组；

6、采用高斯消元法对对数方程组进行求解，获取风电场的风电场粗糙度以及摩擦速度。

7、可选地，风切变指数计算模型为：

8、

9、其中，z1和z2代表不同的观测高度，u(z1)和u(z2)分别为z1和z2高度处观测的风速，α为根据两个观测高度的风速数据计算的风切变指数。

10、可选地，预设边界层大气稳定性分类条件：α≥0.3为强稳定、0.2≤α<0.3为稳定、0.1≤α<0.2为中性稳定、0.0≤α<0.1为对流以及α<0.0为强对流。

11、可选地，对数律风轮廓模型为：

12、

13、其中，u(z)是在高度z处的风速，u*是地表摩擦速度，z是离地面的高度，z0是粗糙度。

14、可选地，采用高斯消元法对对数方程组进行求解，获取风电场的风电场粗糙度以及摩擦速度，包括：

15、通过变量替换将对数方程组转换为线性方程组；

16、采用高斯消元法对线性方程组进行求解，获取风电场的风电场粗糙度以及摩擦速度。

17、根据本发明的另一个方面，提供了一种风电场粗糙度和摩擦速度的计算装置，包括：

18、计算模块，用于根据预先建立的风切变指数计算模型以及多个观测高度的实测风速数据，计算风电场多个观测高度的风切变指数值；

19、筛选模块，用于根据风电场多个观测高度的风切变指数值以及预设边界层大气稳定性分类条件，筛选符合中性稳定状态下的实测风速数据集合；

20、构建模块，用于根据对数律风轮廓模型以及实测风速数据集合，构建含有每个观测高度的以风电场粗糙度和摩擦速度为未知数的对数方程组；

21、求解模块，用于采用高斯消元法对对数方程组进行求解，获取风电场的风电场粗糙度以及摩擦速度。

22、根据本发明的又一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序用于执行本发明上述任一方面所述的方法。

23、根据本发明的又一个方面，提供了一种电子设备，所述电子设备包括：处理器；用于存储所述处理器可执行指令的存储器；所述处理器，用于从所述存储器中读取所述可执行指令，并执行所述指令以实现本发明上述任一方面所述的方法。

24、从而，本发明基于风电场多个高度的实际风速观测数据，首先考虑了风电场边界层大气稳定性的判别，得到中性稳定状态下的风速观测；进而结合中性稳定状态下的对数风廓线理论，构建以粗糙度和摩擦速度为未知数的方程组；最后通过变量替代和高斯消元法，实现风电场的粗糙度和摩擦速度的快速求解。本发明采用风电场实测风速，结合大气稳定度和边界层风廓线等相关理论，构建风电场粗糙度及摩擦速度的计算模型，不但可以完美解决当前面临的所有计算难题，更加符合实际情况，而且模型理论性更强、计算量更小、计算精度更高，有效提升风电场风能资源的预估和风电功率预测的水平，为风电的高效消纳提供保障，显著提升风电场经济效益。

技术特征：

1.一种风电场粗糙度和摩擦速度的计算方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述风切变指数计算模型为：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设边界层大气稳定性分类条件：α≥0.3为强稳定、0.2≤α<0.3为稳定、0.1≤α<0.2为中性稳定、0.0≤α<0.1为对流以及α<0.0为强对流。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对数律风轮廓模型为：

5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，采用高斯消元法对所述对数方程组进行求解，获取所述风电场的风电场粗糙度以及摩擦速度，包括：

6.一种风电场粗糙度和摩擦速度的计算装置，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述风切变指数计算模型为：

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述预设边界层大气稳定性分类条件：αβ≥0.3为强稳定、0.2≤α<0.3为稳定、0.1≤α<0.2为中性稳定、0.0≤α<0.1为对流以及α<0.0为强对流。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述对数律风轮廓模型为：

10.根据权利要求6或9所述的装置，其特征在于，求解模块，包括：

11.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序用于执行上述权利要求1-5任一所述的方法。

12.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：

技术总结本发明公开了一种风电场粗糙度和摩擦速度的计算方法、装置及介质。其中，方法包括：根据预先建立的风切变指数计算模型以及多个观测高度的实测风速数据，计算风电场多个观测高度的风切变指数值；根据风电场多个观测高度的风切变指数值以及预设边界层大气稳定性分类条件，筛选符合中性稳定状态下的实测风速数据集合；根据对数律风轮廓模型以及实测风速数据集合，构建含有每个观测高度的以风电场粗糙度和摩擦速度为未知数的对数方程组；采用高斯消元法对对数方程组进行求解，获取风电场的风电场粗糙度以及摩擦速度。技术研发人员：靳双龙,刘晓琳,王勃,李庆,宋宗朋,潘林林,车建峰,马振强,张艾虎,王铮,王钊,滑申冰,赵艳青,姜文玲,王姝,柴荣繁,丁禹,陈帅,宫婷,杨耘博,韩振永,兰玥,李红莉受保护的技术使用者：中国电力科学研究院有限公司技术研发日：技术公布日：2024/9/26