WRF模式不同陆面过程方案模拟兰州新区低空气象场特征

利用WRF模式中3种陆面过程(Noah、RUC和SLAB)参数化方案对兰州新区2014年1月近地面温度场和风场进行了模拟,与兰州新区测风塔和区域气象站观测资料进行对比,研究了不同陆面过程参数化方案模拟低空气象场特征的差异.结果表明,3种陆面过程参数化方案都能较好地模拟兰州新区冬季温度场和风场特征,温度场模拟效果优于风场.3种方案对土壤湿度的不同处理,影响到感热通量、潜热通量和土壤热通量的分布,使得3种方案对近地面温度的模拟产生差异.统计分析结果表明,WRF模式陆面过程参数化方案为SLAB时模拟的兰州新区冬季近地面温度场和风场与观测结果最为接近.由于受温度模拟结果的影响,SLAB方案对大气稳定度的模拟效果最好,对兰州新区冬季近地面风场的模拟结果最稳定.     

不同陆面方案对珠三角春季晴天边界层特征模拟效果的影响

选用WRF中尺度模式下5种陆面参数化方案(Noah、SLAB、RUC、Pleim-Xiu和SSi B),并结合目前最新陆地覆盖产品Globcover2009,对珠三角地区春季天气个例(2014年04月27日14:00至29日14:00)的大气边界层结构进行模拟试验,同时选取研究区域内18个地面气象站及1个探空站同期实测资料与10 m风速、2 m气温、风温廓线模拟结果进行比较。结果表明:1相比采用USGS土地利用数据,Globcover2009与当前实际地表类型分布情况更相符,通过更新下垫面资料能够有效提高近地面风速和温度的模拟精度;2各陆面方案均基本能够模拟出近地面气象要素的日变化特征,受沿海低平地形影响,各陆面方案下风速被高估的现象均比较明显,而气温则被不同程度低估。其中,SLAB方案模拟10m风速效果最佳,Noah方案模拟2 m温度效果略优,SSi B方案整体模拟效果偏差;3 Noah、SLAB、RUC和Pleim-Xiu方案模拟风温廓线走势基本一致且符合实况,而SSi B方案得到的边界层结构特征不够明显,主要原因是近地面垂直层设置过于稀疏。     

陆面资料精度对东莞地区WRF模拟结果的影响

为建立东莞地区空气质量模拟的气象场,基于WRF模式耦合Noah陆面过程,使用不同空间精度(3 s、30 s、120 s)的陆面资料,分析对东莞地区夏季气象场模拟结果的影响差异.结果表明:WRF模型提高陆面资料精度后,东莞地区近地面气温的模拟精度均有发生变化,白天的最高温度时间为下午16:00,最低温度时间为早上6:00.白天气温模拟值高于气象观测值(过大评估),而晚上地面气温处于过小评估.白天夜晚气温模拟效果产生差异原因是,建筑物外表对辐射的截留,白天热岛较强,地面2m高度处热岛范围扩大,同时建筑物的存在使得城市湍流动能扩大,导致模拟区温度升高;而傍晚到早上东莞地区地面风速较大平均值大于4.5 m/s以上,风向属于内陆风主要为北风和东北风,都促进地面温度快速下降,导致晚间地面气温过小评估.陆面资料对地面风速模拟的误差影响较大,提高陆面精度(30 s→3 s)后,模拟风速误差改善明显,但模拟风速值还是大于观测值处过大评估.因此,为提高东莞地区WRF模型气象场模拟效果,后期还需进一步研究多因子协同作用对WRF模拟效果的影响.     

基于数值模式的风场时空变化特征的统计分析

统计分析风场时空变化的特征,掌握其变化规律,可以提高风场预报的准确性。利用WRF模式对大气状态进行模拟,优化配置物理过程参数化方案,采用多层嵌套、双向反馈。以2 h为时间间隔的风场状态变化作为统计的风差样本,重点关注超过规定阈值大小的显著风差样本的分布,将风差样本标注在地图上,制作显著风差样本图。统计了显著风差样本数量在一天中的累积分布、风差样本的大小在垂直方向的分布,以及风场状态在各个高度层之间的差别。选择银川河东机场区域作为WRF模拟区域,对该区域一年的风差样本进行统计分析。结果表明:复杂地形条件下,不同区域风场变化的剧烈程度有很大的差别,但由同一因素引起的显著风差样本的变化趋势是一致的;风场时空变化的剧烈程度随着高度的增加而减弱。     

WRF模式陆面过程和边界层方案对鄱阳湖湖效应降水模拟的影响

利用中尺度数值模式(水平分辨率1.67 km),按照4种常用边界层方案和5种常用陆面过程方案的线性组合构建了20组试验,对2015年8月13日02:00-09:00的鄱阳湖湖效应降水过程进行了模拟和分析.结果表明,鄱阳湖湖效应降水对边界层方案和陆面过程方案的选择较为敏感. 20组试验中T8(MYNN2边界层与Noah陆面)、T10(MYJ边界层与RUC陆面)、T11(QNSE边界层与RUC陆面)、T13(YSU边界层与Noah-MP陆面)和T16(MYNN2边界层与Noah-MP陆面)组合较好地模拟了此次鄱阳湖湖效应降水过程,模拟回波与实况回波的TS评分接近或超过0.4; T3(QNSE边界层与TD陆面)、T15(QNSE边界层与Noah-MP陆面)和T19(QNSE边界层与PX陆面)几乎没有模拟出湖效应降水的信号, TS评分小于0.03,其他试验模拟的湖效应降水过程明显偏弱或偏南. MYJ和MYNN2边界层方案, RUC和Noah-MP陆面过程方案能较好地模拟鄱阳湖湖效应降水的信号.对不同试验模拟结果的分析发现,模拟性能较好的试验(T10、T11和T13等)主要是因为成功地模拟出了有利于湖效应降水发展的感热、潜热通量和10 m风;模拟性能较差的试验(T19等)则未能模拟出有利的感热通量和10 m风(感热通量加热和10 m风辐合有利于激发边界层内的上升运动).     

中国及世界风资源变化研究进展

20世纪以来.随着能源需求成倍增长,风能资源因其安全、清洁、丰富的特性已成为世界上增长最快的能源方式.有关风能资源可持续利用的近地层风和风能资源变化研究也逐渐开展起来.20世纪观测事实研究表明,①全球高纬度地区风速呈增大趋势,而中低纬度地区风速呈减小趋势变化;②中国近50年来年平均风速呈明显的减小趋势变化;⑨中国区域城市化发展、测站迁址及测风仪器的变更都对中国年平均风速的长期变化产生了一定影响,但都不是近50年来中国年平均风速呈显著减小趋势的主因;大气环流的变化才是造成中国年平均风速呈显著减小趋势的最可能原因.与风和风能资源预估相关的研究表明,21世纪由于人为温室气体排放增加和全球变暖,中国年平均和冬季平均风速和风功率密度将可能减小,夏季平均风速和风功率密度的变化不确定性较大.目前,利用气候模式模拟和预估近地层风速方面的研究才刚刚开始.今后还需要做大量和长时间的研究试验,才能得到更可靠的结论.     

稳态冲击风作用下高层建筑风荷载特性试验研究

雷暴冲击风风场与大气边界层风场差异较大.为研究雷暴冲击风作用下高层建筑风荷载特性,采用静止型冲击射流装置模拟稳态雷暴冲击风风场,进行高层建筑刚性模型测压试验,讨论了不同径向位置处高层建筑局部和整体风荷载时域和频域特性.结果表明:建筑表面平均风压最大值出现的位置与径向风速峰值一致.同时,迎风面风压最大值出现在底部,明显不同于大气边界层风场中最大值靠近顶部位置的风压分布特性;径向层风荷载均值最大值出现在建筑中部,横风向和扭转向层风荷载均值为0.径向和横风向层风荷载谱沿高度不变,而扭转向层风荷载谱沿高度变化明显.     

雷暴冲击风作用下地面风压分布特征

提出了雷暴冲击风作用下地面风压分布的简便计算公式.以圆柱体计算流域模拟雷暴冲击风场,采用大涡模拟(LES)方法结合壁面射流模型对雷暴冲击风场进行了数值模拟,获得了雷暴冲击风从初始喷射到流场稳定的发展过程.射流前沿有一水平涡环,随着时间的推移而冲向地面,然后沿径向远离中心而去.分析得到了雷暴冲击风作用下地面的风压系数时程和时均风压系数,以及不同时刻的风速剖面.风速剖面与理论结果吻合良好,验证了方法的可靠性.仿真结果表明,雷暴冲击风场中心处压力系数最大,压力系数随着径向坐标的增大而减小,提出的公式能够很好地表达雷暴冲击风作用下地面处风压的分布特征.     

运动学效应对登陆台风近地面风场模拟的影响

以2016年超强台风"莫兰蒂"为例,采用天气研究与预报模型(WRF)耦合加利福利亚气象模型(CALMET)的方法,提出了适用于台风条件下的CALMET运动学效应改进方案(KETT)。结果表明,KETT方案可以成功消除CALMET原有运动学效应带来的风场模拟系统性误差,并且10 m高度风速和风向模拟误差比原有方案分别降低10.8%和5.4%。在石蛇山区域,与不采用运动学效应相比,KETT方案10 m高度风速和风向的模拟误差均降低12%以上,能够更准确地反映局地地形对台风近地面精细化风场的影响。     

CALPUFF在复杂地形条件下的近场大气扩散模拟研究

利用在湖南省丘陵河谷地区开展的高时空分辨率大气扩散综合实验资料,研究美国国家环保局(USEPA)推荐的导则模式CALPUFF(California Puff Model)在复杂地形条件下近场应用的适用性。采用不同时间分辨率的诊断风场和不同扩散参数计算方案,模拟不同气象条件下的近场地面浓度分布。通过与示踪实验实测采样浓度对比分析,得到:采用实测湍流廓线资料计算扩散参数能够较好地模拟近场浓度分布;将实测湍流速度标准差与稳定度参数的拟合关系替代CALPUFF默认的湍流参数化方案,能够改进默认相似性理论方案的模拟结果;风速较大、风向稳定时,模拟结果对风场的时间分辨率和扩散参数计算方案的敏感性较弱;风速较小、风向多变时,需采用逐10 min风场模拟地面浓度场分布,且实测湍流方案模拟结果相较于相似性理论方案模拟值偏大,并更接近实测值。总之,采用逐时风场和实测湍流方案,或逐10 min风场和修正后的相似性理论方案的CALPUFF模式能较好地模拟研究区域复杂地形的近场峰值浓度。     

含储能系统及风电的电力系统动态经济调度

风电的随机性和波动性给传统的调度带来困难,为此在模型中引入储能系统,分析了储能系统对含风电的电力系统经济调度的影响,尤其是对系统调峰的影响。将含风电和储能系统的经济调度描述为一个非线性优化问题,建立了一个风电场与储能系统相配合的清洁经济调度模型,其目标函数在传统火电机组运行费用的基础上兼顾了火电的排污成本,寻求经济和环保总成本的最优解,采用粒子群算法对该模型进行求解。通过6机系统算例分析,表明该模型能够有效地控制储能系统的出力;储能系统的引入可明显降低系统的运行费用,尤其是火电机组调峰的费用,且提高了风能利用率。     

双馈风力发电机组仿真装置研究

以某风电场2 MW风力发电机组为仿真对象,对风力发电机进行结构分析,并采用模块化建模方法分别建立风速模型、风机模型、传动模型、电机模型和控制模型,给出了相应的数学模型.在南京工程学院JSCC仿真支撑系统下,用Fortran语言编写了仿真算法并建立全范围风力发电机组仿真模型.根据该风电场典型工况进行模拟计算,模拟风速从8 m/s至20 m/s变化时风电机组系统的变化动态特性,模拟结果表明所建立仿真模型能够反应实际机组的动态特性,系统能够满足风电场运行人员培训及风电系统优化等要求.     

基于尾流效应的低风速地区风电场布局优化方法

为了减少低风速地区风电场尾流效应对其发电能力的影响,提出一种通过改变风机塔筒高度以提高风电场收益的布局优化方法。首先分析了塔筒高度与风电场年发电量的关系,进而优化风电场主风向上机组塔筒高度,以使轮毂海拔高度呈渐进式增加,实现风电场年发电量提升的同时尾流损失下降的优化目标。最后,使用Wasp10.0风资源评估软件建立风电场模型,与未使用优化方法的风电场进行仿真对比。仿真结果表明,随着主风向上前后排机组轮毂海拔高度差值的不断增加,风电场年发电量不断增加,验证了所提方法的有效性。     

风电场并网联络线的自适应电流保护研究

针对现有联络线源侧大多使用定值保护方案因而容易受风电特性影响而误动的现状,分析了风力发电机短路电流特性,得出了双馈型风力发电机的故障电流与电网故障发生时刻、故障类型、撬棒电路动作情况、故障后电压的跌落深度等密切相关的结论,并在此基础上提出了综合电流、电压信息的风电场联络线自适应速断保护原理与算法。该保护方法以某示范性分布式风电场并网进行DIgSILENT软件的仿真测试,结果验证了所提保护配置方案的自适应性和有效性。     

含风电的电力系统动态频率分析

研究了风电接入某实际电力系统对系统动态频率产生的影响。通过建立直驱式永磁同步风电机组动态模型和含风电的实际电力系统模型,对含风电的电力系统动态频率进行了仿真分析。研究了风速扰动对系统动态频率的影响、风电渗透率上升对系统频率调节能力的影响以及风机脱网故障对系统动态频率的影响。在风机增加了基于虚拟惯性的频率控制系统,研究了具有调频系统的风电机组对系统动态频率的影响。研究结果表明大规模风电场的风速扰动将导致系统频率出现显著波动;随着系统风电渗透率的增加,系统的调频能力将明显下降;风电场在故障下的风机脱网事故将对系统动态频率造成严重影响。增加频率控制系统使风电机组具备了一定的调频能力,有效地抑制了扰动情况下的系统频率波动。     

基于遗传算法的支持向量机短期风速预测

对风电场风速实现较准确的预测,可以有效减轻并网后风电场对电网的影响。支持向量机模型的预测精度在很大程度上依赖于模型参数的选择,为提高预测模型的泛化能力和预测精度,应用遗传算法选择支持向量机的模型参数,再根据选择的参数对小时风速进行预测。实验结果表明本文方法能够获得较高的风速预测精度。     

基于PSCAD的双馈风电机组低压穿越控制策略

随着风电机组装机容量的不断增加,风电场并网规范对风电机组的运行要求越来越严格,要求具有外部电网故障下不脱网运行（低压穿越）的能力.为了研究双馈风电机组（DFIG）在低压穿越控制策略的优化方面提供有效的动态仿真与分析平台,并克服Matlab/Simulink仿真环境下所建模型在动态性能方面存在的不足,采用PSCAD仿真软件建立了双馈风电系统的动态仿真模型.通过分析电网对称故障时DFIG的暂态特性,并对转子电流与定子磁链的关系分析得出涉及定子磁链动态过程的改进矢量控制方案,配合转子侧Crowbar保护电路,并对网侧变流器进行有功和无功功率的解耦控制,从而使得电网对称故障时转子过电流、直流母线电压和转矩剧烈波动的情况得到了解决.     

风电场风速和风电功率预报准确率评判方法

 对风电场风速和风电功率预报进行客观准确的评判,可以有效促进风电场风速和风电功率预报水平的提升,为减缓风电并网对电网的影响服务.本文在对风电场风速和风电功率预报准确率评判方法进行全面回顾的基础上,分析了常用数学预报准确率评判法、相对于风电场额定值的预报准确率评判法、等级预报准确率评判法和与风力发电特征紧密结合的风电场风速预报准确率评判法.同时还分析了这4类风电场风速和风电功率预报准确率评判方法的特质,及其与风力发电特征的结合程度和适用范围.     

基于实测数据分析的风电功率预测

由于风力发电所利用的近地风能具有波动性、间歇性、低能量密度等特点,对风电场的发电功率进行尽可能准确的预测是风电发展的关键.本文根据某风场的实测数据,采用了时间序列中的自回归移动平均模型(ARMA),对风电功率进行了实时预测;为进一步提高风电功率实时预测的精确性,本文提出了一种基于BP神经网络和ARMA组合模型的预测方法,并对上述实测数据采用该方法进行了实时预测.预测结果表明:组合模型的预测结果与单独的自回归移动平均模型相比,风电功率的实时预测的均方根误差和百分比误差分别减少了4.01%和3.25%,工程中可以采用该组合模型对风电功率进行预测.