基于CFD数值模拟和本征正交分解的风场重建

摘要

能源是二十一世纪人类生存和发展的重要物质基础，随着全球经济的迅猛发展，对电力的需求越来越高。随着煤、石油等化石能源的不断耗尽，风力发电逐渐成为目前最具潜力的新能源之一，并且在未来的能源系统中地位会不断上升。我国风电装机容量持续高速增长，绝对值居于世界第一位，但风电在全国能源结构中的占比仍然较低。这很大程度上是由于风自身的随机性波动性导致的。大规模的风电并网会给电力系统的稳定运行带来冲击，这就需要准确有效的风力发电功率预测，保证电力系统调度部门及时调整调度计划，从而提高风电穿透功率极限。传统的统计预测模型基于历史数据，无法对罕见天气状态做出准确预测，而物理模型由于其建模的复杂性，计算能力限制其本身的发展。因此，建立一个根据实时气象数据对风场信息进行快速短期预测的模型是十分必要的。
　　本文提出了一种基于CFD数值模拟和本征正交分解算法的快速重建风电场风速分布的方法，以实现短期风力预测。利用CFD数值模拟，获取风场不同边界条件下的风场分布信息，通过利用本征正交分解(POD)方法，基于少量的传感器数据对大范围的风场风速分布进行迅速重构，实现对更大范围风场的短期预测。
　　论文主体包括CFD数值模拟部分和实验部分。
　　数值模拟部分利用三维山体模型和实际地形模型验证本征正交分解(POD)重构风场风速分布的有效性。利用CFD数值模拟方法得到模型周围在不同边界条件下的风速分布作为本征正交分解(POD)的原始数据组，通过本征正交分解(POD)方法对高维度原始数据进行压缩处理，得到对原始数据最优近似描述，即低维度的POD基函数。利用POD基函数以及风场内部的实时数据，可以迅速重建风场的风速分布。
　　为了进一步验证POD重建风场的有效性，论文实验部分介绍了风洞实验。实验环境更加接近实际风场测量环境，通过实验数据和模拟数据的结合对比，完成对风场重构方法准确性和有效性进行验证。
　　本文提出的基于CFD数值模拟和本征正交分解的风场重建方法将大量的计算时间安排在了预测之前，实现了风场风速的实时重建，在更大区域范围内，实现风场短期预测，并且回避了统计预测方法的不确定性和物理预测计算量很大计算时间过长的问题。

目录

声明

摘要

1．1 课题研究背景及意义

1．2 常见风能预测方法

1．2．1 持续性预测模型

1．2．2 统计预测模型

1．2．3 物理预测模型

1．3 国内外发展现状

1．4 本文章节安排

第2章 本征正交分解

2．1 本征正交分解简介

2．2 本征正交分解经典算法

2．3 本征正交分解重构算法

第3章 三维模型风场数值模拟研究

3．1 数值模拟工具简介

3．2 风场数值模拟的基本方法和理论

3．2．1 连续性方程介绍

3．2．2 动量守恒定律介绍

3．2．3 湍流模型

3．3 山体模型风场数值模拟

3．3．1 山体模型的选取

3．3．2 计算域的选取

3．3．3 模拟风场的网格划分

3．3．4 求解参数设置

3．3．5 计算数据处理

第4章 数值模拟计算结果与分析

4．1 入口风速11．7m／s的风场重构结果分析

4．1．1 POD基数量对重构结果的影响

4．1．2 传感器数量对重构结果的影响

4．1．3 随机测量位置对重构结果的影响

4．1．4 测量噪音对重构结果的影响

4．2 不在样本风速范围内的风场重建

4．3 本章小结

第5章 实际地形风场数值模拟

5．1 地形数据来源及转换

5．1．1 ASTER GDEM数据简介

5．1．2 坐标转换

5．2 GAMBIT建模

5．2．1 Journal文件编辑

5．3 数值模拟实验方案

5．4 实际地形模拟结果

5．5 本章小结

第6章 风洞实验与结果分析

6．1 风洞情况介绍

6．1．1 风机介绍

6．1．2 风速测速仪器

6．1．3 无纸记录仪

6．1．4 实验模型

6．2 实验步骤

6．2．1 实验部分

6．2．2 模拟部分

6．3 实验结果与数据分析

6．4 本章小结

第7章 全文总结与后续工作展望

7．1 全文总结

7．2 后期工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢