NB T 10387-2020 海上风电场风能资源小尺度数值模拟技术规程.pdf

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1、 ICS 27.180 P 61 中华人民共和国能源行业标准 NB/T 10387-2020 海上风电场风能资源小尺度数值模拟 技术规程 Technical Specification for Small-Scale Numerical Simulation of Wind Energy Resource for Offshore Wind Power Projects 2020-10-23 发布 2021-02-01 实施 国 家 能 源 局 发布 中华人民共和国能源行业标准 海上风电场风能资源小尺度数值模拟 技术规程 Technical Specification for Small-Sc

2、ale Numerical Simulation of Wind Energy Resource for Offshore Wind Power Projects NB/T 10387-2020 主编部门：水电水利规划设计总院 批准部门： 国 家 能 源 局 施行日期： 2021 年 2 月 1 日 中国 水利水电 出版社 2021 北京 II 国 家 能 源 局 公 告 2020 年第 5 号 国家能源局批准水电工 程生态流量实时监测系统技术规范等 502 项能源行业标准（附件 1）、 Series Parameters for Horizontal Hydraulic Hoist（ Cyl

3、inder）等 35 项能源行业标准英文版 （附件 2） ， 现予以发布。 附件 ： 1.行业标准目录 2.行业标准英文版目录 国家能源局 2020 年 10 月 23 日 附件 1： 行业标准目录 序号 标准编号 标准名称 代替标 准 采标号 批准日期 实施日期 3 NB/T 10387-2020 海上风电场 风能资源 小尺度数值模拟 技术 规程 2020-10-23 2021-02-01 III 前 言 根据 国家能源局 关于下达 2016 年能源领域行业标准制（修） 订计划的通知（ 国能科技 2016 238 号）的要求，规程编制组经 广泛调查研究，认真总结实践经验，并在广泛征求意见的基

4、础上，制 定本规程。 本规 程的主要技术内容是 ： 基本规定、 基础资料 、 模型与参数 、 数值模拟、 模拟 成果与验证 、 不确定性分析。 本规程由国家能源局负责管理，由水电水利规划设计总院提出并 负责日常管理，由能源行业风电标准化 技术 委员会风电场规划设计分 技术委员会负责具体技术内容的解释。执行过程中如有意见或建议， 请寄送水电水利规划设计总院（地址：北京市西城区六铺炕北小街 2 号，邮编： 100120）。 本规程主编单位： 中国电建集团 西北勘测设计研究院有限公司 水电水利规划设计总院 福建省新能海上风电研发中心有限公司 本规程参编单位： 上海勘测设计研究院有限公司 中国电建集团

5、中南勘测设计研究院有限公司 中国气象局风能太阳能资源中心 广东省风力发电有限公司 远景能源有限公司 福建永福电力设计股份有限公司 IV 中电投电力工程有限公司 本规程主要起草人员： 彭怀午 袁红亮 吉超盈 刘 玮 董德兰 黄洁 亭 吴海涛 王 磊 彭 明 周荣卫 袁逸博 苗沐露 刘东海 金阳坤 李 鑫 杨永辉 本规程主要审查人员： 谢宏文 田启明 尚雄斌 田景奎 郭 辰 许 昌 朱学敏 胡 威 贺小兵 吕宙安 宋 军 付 斌 王 俊 郭伟钊 陆艳艳 温 鹏 王 川 刘 超 李仕胜 V 目 次 1 总则 . 1 2 术语 . 2 3 基本规定 . 3 4 基础资料 . 4 5 模型与参数 . 5

6、 5.1 一般规定 . 5 5.2 线性 流体力学 模型 . 5 5.3 非线性流体力学模型 . 5 5.4 尾流模型 . 6 6 数值模拟 . 7 7 模拟 成果与验证 . 8 8 不确定性分析 . 9 本规程用词说明 . 10 引用标准名录 . 11 附： 条文说明 . 12 VI Contents 1 General Provisions . 1 2 Terms . 2 3 Basic Requirements . 3 4 Basic Data . 4 5 Models and Parameters . 5 5.1 General Requirements . 5 5.2 Linear

7、Fluid Dynamics Model . 5 5.3 Nonlinear Fluid Dynamics Model . 5 5.4 Wake Model . 6 6 Numerical Simulation . 7 7 Simulation Results and Verification . 8 8 Uncertainty Analysis . 9 Explanation of Wording in This Specification . 10 List of Quoted Standards . 11 Addition: Explanation of Provisions . 12

8、1 1 总 则 1.0.1 为规范海上 风电场 风能资源小尺度数值模拟，促进海上风能资 源的 高效 开发利用，制定本规程。 1.0.2 本规程适用于海上风电场风能资源 小尺度数值模拟 。 1.0.3 海上风电场风能资源小尺度数值模拟 ， 除应 符合 本规程外，尚 应符合国家现行有关标准 的 规定。 2 2 术 语 2.0.1 风能资源 小尺度 数值模拟 small-scale numerical simulation of wind energy resource 利用计算机进行的 有限元 网格水平 间 距 为 1 m1000 m 的 风场 流 体力学模型 数值 模拟计算。 2.0.2 线性

9、流体力学 模型 linear fluid dynamics model 基于求解线性化流体力学方程的数学模型 。 2.0.3 非线性流体力学模型 nonlinear fluid dynamics model 基于数值计算方法求解 非线性 流体力学方程的数学模型 。 3 3 基本规定 3.0.1 海上 风电场 风能资源小尺度数值模拟计算时 ， 对于 受陆地 、海 岛 、 其他风电场、 建（构）筑物 影响的风电场， 应 采用 非线性流体力 学模型 。 3.0.2 对于未受周边因素影响的风电场， 海上风电场风能资源小尺度 数值模拟 宜 采用 线性 流体力学 模型 。 3.0.3 海上风电场风能资源小

10、尺度数值模拟 采用 非线性流体力学模型 时，迭代计算应满足收敛要求 。 4 4 基础资料 4.0.1 海上风电场风能资源小尺度 数值 模拟 应收集现场 测风数据 ，测 风数据应 符合 国家 现 行 标准 风电场风能资源测量方法 GB/T 18709 和海上风电场 工程 风能资源测量及海洋水文观测规范 NB/T 31029 的规定。 4.0.2 海上风电场风能资源小 尺度数值模拟应收集地形图， 当 风电场 边界 内 及其外延 10 km范围内 有 陆地或 海岛 时 ， 地形图收集范围应将 其包含在内 ， 比例尺宜为 1:2 000 1:10 000。 4.0.3 海上风电场风能资源小尺度 数值

11、模拟 应 收集风电场边界内及其 外延 10 km 范围内 海面 粗糙度 资料 。 4.0.4 海上风电场风能资源小尺度 数值 模拟 宜收集现场 观测 的两 个及 以上高度 层 的 温度数据。 4.0.5 海上风电场风能资源小尺度 数值 模拟 应 主要 收集风电机组轮毂 高度、 叶轮 直径、 轮毂高度处 空气密度 下 的 动态功率曲线、推力系数 曲线 资料 。 4.0.6 海上风电场风 能资源小尺度 数值 模拟 宜 主要 收集周边风电场机 位坐标 、 轮毂高度、 叶轮 直径、轮毂高度处空气密度下的动态功率曲 线、推力系数曲线 资料 。 4.0.7 海上风电场风能资源小尺度 数值 模拟 宜收集周边

12、气象站多年月 平均风速数据及 现场 测风同期 的 逐小时风速风向数据。 4.0.8 海上风电场风能资源小尺度 数值 模拟 宜收集与 现场 测风同期的 不少于一个完整年的中尺度数据，数据 宜 包括风速、风向、气温、气 压数据，时间 间隔 不宜大于 1 h，水平 网格间距 宜为 1 km 3 km。 5 5 模型与参数 5.1 一般规定 5.1.1 海上风电场风能资源小尺度数 值模拟 计算时应 设置 大气稳定 度， 大气稳定度宜根据收集到的 现场 数据 进行分类 。 5.1.2 现场 测风数据处理应 符合 现行国家标准 风电场风能资源评估 方法 GB/T 18710 的 规定 。 5.1.3 海上

13、风电场风能资源小尺度数值模拟 计算 应考虑周边风电场的 影响。 5.1.4 海上风电场风能资源小尺度数值模拟 计算区域 宜 为风电场边界 向外扩展不小于 5 km 的范围。 5.1.5 海上风电场风能资源小尺度数值模拟 计算扇区 不 宜 小于 16 个。 5.2 线性 流体力学 模型 海上风电场风能资源小尺度数值模拟 计算区域内有限元 网格水 平 间距不 宜 大 于 100 m。 5.3 非线性流体力学模型 5.3.1 当目标风电场附近存在陆地、海岛、其他风电场 、建（构）筑 物 时， 海上风电场风能资源小尺度数值模拟 应在对应方向上将计算区 域再外扩 5 km。 5.3.2 海上风电场风能资

14、源小尺度数值模拟 计算区域内有限元网格水 6 平间距 不宜大于 50 m，其他区域网格 水平间距不 宜大于 200 m；海平 面到叶轮叶尖顶端的垂直范围内，网格垂直 间距 不宜大于 15 m，网 格 层数 不宜少于 20 层 。 5.3.3 海上风电场风能资源小尺度数值模拟 的扇区数量应根据对应计 算区域的实际风向频率 分布情况进行调整 ， 宜对 主导 风向 方向 进行扇 区加密计算。 5.3.4 海上风电场风能资源小尺度数值模拟 在 现场 测风位置、 风电机 组 拟布置点、地形与粗糙度突变位置等处 宜 进行网格加密 计算 。 5.3.5 海上风电场风能资源小尺度数值模拟 计算参数 宜根据大气

15、稳定 度 分类 进行设置 。 5.3.6 海上风电场风能资源小尺度数值模拟 应 采用适用于大气边界层 的湍流 模型 。 5.3.7 海上风电场风能资源小尺度数值模拟的 湍流结果 宜 采用 现场测 风 数据进行 校正 。 5.4 尾流模型 5.4.1 海上风电场 尾流计算应采用计入尾流叠加效应的 尾流 模型 。 5.4.2 海上风电场 尾流 衰减 宜 考虑 现场 粗糙度 、大气稳定度、湍流强 度等因素 。 7 6 数值模拟 6.0.1 海上风电场风能资源小尺度数值模拟 宜采用计算 区域 内 的 现场 测风 数据。 6.0.2 对 陆地、海岛、其他风电场、建（构）筑物 距离在 20 km 以内 的

16、海上风电场， 风能资源小尺度数值模拟 宜 采用中尺度数据和小尺度 数值模拟耦合计算 。 6.0.3 海上风电场风能资源小尺度数值模拟采用的 中尺度数据应符合 下列规定： 1 拟选风电机组叶轮扫风范围内，中尺度数据的垂直 网格 层数 不 宜 少于 5 层 。 2 中尺度数据的覆盖范围 不应 小 于小尺度 数值 模拟 计算区域。 3 中尺度风速风向数据精度 宜满足年平均风速相对误差 不 大于 8%，模拟的主导风向和次主导风向与实测一致，且风向频率绝对偏 差 不大于 5%。 6.0.4 海上风电场风能资源 耦合计算宜将中尺度数据作为中尺度网格 范围内平均结果 进行 小尺度 数值模拟 。 6.0.5

17、海上风电场风能资源 耦合计算可采用小尺度 数值模拟 边界内的 中尺度数据作为虚拟测风塔 进行小尺度数值模拟 。 6.0.6 当 小尺度 数值 模拟 计算区域内有现场测风数据 时， 海上风电场 风能资源耦合计算宜先将现场测风 数据统一订正为 代表年风速 数据 ， 再 采用 最优插 值法 修正中尺度数据。 8 7 模拟 成果与验证 7.0.1 海上风电场风能资源小尺度数值模拟 输出成果应 主要 包括 场址 区域的 风速、 风向 频率 、 威布尔参数、 风功率密度、 风切变 指数 、湍 流强度、 入流角 以及 风资源图谱 。 7.0.2 海上风电场风能资源小尺度数值模拟 输出 的 现场测风位置处 风

18、 切变 指数 应与 现场测风数据计算的 风切变 指数 进行 对比 验证。 7.0.3 当计算区域 内 有多个测风塔时， 海上风电场风能资源小尺度数 值模拟 应对风速、风向 频率 、风功率密度、风切变 指数 以及 湍流强度 等 进行交叉验证。 9 8 不确定性分析 8.0.1 海上风电场风能资源小尺度数值模拟 应 进行风能资源的不确定 性分析。 8.0.2 海上风电场风能资源小尺度数值模拟 不确定性因素 宜 分为 下列 两类： 1 输入参数的不确定性，包括场址 风能 资源测量的不确定性 、 代 表年订正的不确定性 。 2 数值模型的不确定性 ， 包括垂直外推的不确定性、 水平 模拟 的 不确定性

19、。 8.0.3 海上风电场风能资源小尺度数值模拟 的不确定 度 宜 按下式计 算： （ 8.0.3） 式中： 联合不确定度 ； 不确定度因素的 数量 ； 敏感因子 ； 单个因素的不确定度 。 8.0.4 海上风电场风能资源小尺度数值模拟的 不确定 度 计算 宜 对各类 不确定性因素进行分析， 并在发电量计算中予以考虑。 10 本规程用词说明 1 为便于在执行本 规程 条文时区别对待，对要求严格程度不同的 用词说明如下： 1）表示很严格，非这样做不可的： 正面词采用 “ 必须 ” ，反面词采用 “ 严禁 ” 。 2）表示严格，在正常情况下均应这样做 的： 正面词采用 “ 应 ” ，反面词采用 “

20、不应 ”或 “ 不得 ” 。 3）表示允许稍有选择，在条件许可时首先应这样做的： 正面词采用 “ 宜 ” ，反面词采用 “ 不宜 ” 。 4）表示有选择，在一定条件下可以这样做的，采用 “可 ”。 2 条文中指定应按其他有关标准执行的写法为 “ 应符合 的规 定 ” 或 “ 应按 执行 ” 。 11 引用标准名 录 风电场风能资源测量方法 GB/T 18709 风电场风能资源评估方法 GB/T 18710 海上风电场 工程 风能资源测量及海洋水文观测规范 NB/T 31029 12 中华人民共和国能源行业标准 海上风电场风能资源小尺度数值模拟技术规程 NB/T 10387-2020 条 文 说

21、 明 13 制 定 说 明 海上风电场风能资源小尺度数值模拟技术规程 NB/T 10387- 2020，经国家能源局 2020 年 10 月 23 日以第 5 号公告批准发布。 本规程制定过程中，编制组 在 广泛调查 、 深入研究 的 基础上，总 结了 近年来海上 风电场 风能 资源小尺度数值模拟技术的实践经验 ， 并 向 有关单位征求了意见。 为方便广大设计、施工、科研、学校等单 位有关人员在使用本规 程时能正确理解和执行条文规定，海上风电场风能资源小尺度数值 模拟技术规程编制组按章、节、条顺序编制了本规程的条文说明， 对条文规定的目的、依据以及执行中 需要 注意的有关事项进行了说 明。但是

22、，本条文说明不具备与规程正文同等的法律效力，仅供使用 者作为理解和把握规程规定的参考。 14 目 次 3 基本规定 . 15 4 基础资料 . 16 5 模型与参数 . 17 5.1 一般 规定 17 5.3 非线性 流体 力学 模型 17 5.4 尾流 模型 17 6 数值模拟 . 19 7 模拟成果与验证 . 21 8 不确定性分析 . 22 15 3 基本规定 3.0.1 当风电场周围有陆地、其他风电场、建（构）筑物时，如陆地、 海岛、其他风电场、建（构）筑物与目标风电场的距离 是 其高度的 50 倍 以内 ，则认为其对目标风电场 有 影响。 16 4 基础资料 4.0.3 海面粗糙度是

23、影响海上 风电场风能资源 风能评估的一个重要参 数 。 与陆 面 粗糙度不同 ，海面粗糙度 主要取决于实时波浪的大小， 而 风与波浪之间的互相作用又受到风速、水深、离岸距离、大气稳定等 因素的影响。 17 5 模型与参数 5.1 一般规定 5.1.1 大气稳定度是 非线性流体力学模型 中 的 一个重要参数，为准确 对现 场大气稳定度进行分类， 需要 收集计算大气 稳定度所需的实测数 据， 包括 辐射强度、湿度以及不同高度的温度， 另外 还 需要 收集最近 气象站对云量和太阳位置的观测 数据 。可 以 利用基于理查森数的计算 和帕斯奎尔 特纳法对大气稳定度进行分类 。 5.1.2 对固定测风塔、

24、激光雷达测风仪、声雷达测风仪、超声波测风 仪 的 安装情况、周边环境情况、测量 仪器情况 需要 进行简要评价，原 始数据检验需 符合现行国家标准风电场风能资源评估方法 GB/T 18710 的规定。 多塔检验要保证测风数据时段同期，且不同测风塔的 有效数据完整率相差不超过 2%； 相同高度有两套风速计的测风数据 需要 进行塔影分析及修正，修正方法按照取大值处理 ； 考虑到海上测 风数据获取的来源有限， 以 及测风数据受到气候影响因素较大，各测 风数据相互检验时允许存在一定的误差， 需要 进行趋势性检验。 5.1.3 大规模的风电场影响了小区域的风况特征，在计算模型中 要 合 理考虑 周边 风电

25、场的影响 。 5.3 非 线性流体力学模型 5.3.1 计 算区域 需要 包括风电场边界附近地形与粗糙度变化明显的区 域， 计算区域边界与 风电场边界 的距离 需要 大于 5 km；当目标风电 18 场附近 （ 距离目标 风电场 15 km 范围内 ） 存在其他风电场、海岛，要 考虑这些外界因素可能对目标 风电场 造成 的 影响，在对应方向上将计 算区域外扩。尽量将其他风电场 、 海岛包含在计算范围内，或部分包 含在计算范围内。 5.3.5 一般海上区域的大气稳定度情况与陆上 有较大区别，理论上的 中性大气条件已经不适用于海上区域的计算，故 需要 根据实测大气稳 定度调整相关的计算参数设 置

26、。 5.3.7 在流场计算时，由于初始边界条件都与真实初始边界 条件 存在 差异， 需 要用 现场 测 风 数据对最终计算的湍流信息进行修正，因此 需 要 使用清洗干净且有湍流代表性的 测 风 塔数据对最终的湍流结果进 行合理的湍流校正 。 校正 方法：对于多个测风塔 的风电场，可以通过测 风 塔湍流的交 叉检验来验证湍流结果是否合适。例如，某 风电场 存在 A、 B 两个测 风 塔，通过 A 塔来预报 B 塔的湍流等级与 B 塔实测湍流等级是否一 致；反之亦然。 5.4 尾流模型 5.4.1 对于 风电机组 间距在 3 倍叶轮直径 或以内的风电场， 解析尾流 模型或其他适用范围在 3 倍叶

27、轮直径以上的尾流模型 不适用 。 尾流叠 加 效应 是指风电场中风电机组在某个风向上会受到其他上风向上多 台风电机组的尾流综合影响，常用 的 工程经验计算方法有最大尾流 法、 均方根法 、线性叠加法 等 。 19 6 数值模拟 6.0.2 进行海上风电场 小尺度数值模拟 计算时，如果小尺度 数值 模拟 计算区域离岸较近，复杂海岸线海陆交界和附近陆地或岛屿的地形会 对 小尺度 数值 模拟 计算区域 内的风场产生影响，但 小尺度 数值 模拟 计 算区域 有限，无法在小尺度 数值 模拟 计算时考虑到这些复杂的情况， 因而 需要 引入中尺度数据提升小尺度 数值 模拟 计算结果的精度。一般 在实际操作时

28、 ，认为离岸 20 km 以外风场不会受到海陆交界的影响。 6.0.4 采用小尺度 模型 模拟区域内所有中尺度气象数据 时 ， 将 每一个 中尺度网格上的气象数据作为该中尺度网格范围 内 的平均 结果，接入 小尺度 模型 ，进行降尺度计算，细化小尺度 模型 对应的网格 。 6.0.6 最优插值法是一种基于最小方差估计理论的资料同化方法， 可 以 用来将测风塔风速资料的有效信息融合到中尺度风速的修正之中。 (6-1) 式中： 修正后的中尺度风速 ； 修正前 的 中尺度风速 ； 中尺度误差矩阵 ； 中尺度到观测点的对应矩阵 ； 观测点风速 ； 20 观测的误差矩阵， 设为对角线为 0.1 的对角矩

29、阵 。 为局地化的误差矩阵，对于其第 i 行第 j 列元素 ， 可以 按下 式 计算： (6-2) (6-3) 式 中 ： 归一化距离 ； 第 i、 j 个中尺度点的距离 ； 影响半径，建议取 300 km。 21 7 模拟 成果与验证 7.0.3 数值模拟 涉及初始边界条件选取、嵌套方式设定、过程参数调 试等，模拟过程受诸多因素影响， 其模拟结果 需要 经过模拟区域附近 实测数据检验。 22 8 不确定性分析 8.0.1 风能资源评估是一个不确定的过程，并且涉及的因素很多，从 风速测量误差到风的本身物理变化都会造成这种不确定性。海上风电 场风能资源评估结果 需要 进行不确定性 分析，判断风能

30、资源评估结果 的可靠性。 8.0.2 海上风电场风能资源测量的不确定性因素包括测量仪器的精 度、测量的干扰和测量数据的质量。海上风电场风能资源代表年订正 的不确定性因素包括现场测风数据的时间长度、参证数 据的一致性、 风频分布。海上风电场风能资源垂直外推的不确定性因素 包括计算区 域内的风速外推到轮毂高度处风速以及轮毂高度处风速对等效 叶轮 平面风速的代表性。 8.0.3 参考 ISO/IEC 指南 98-3 并假定服从正态分布， 如 表 8-1 中所示 ， 在不同 置信概率 下 ， 风能资源小尺度数值模拟 的 扩展 不确定度 可以 通 过 （ 8.0.3）式中计算的 不确定度乘以表中所给包含因子求出。 表 8-1 扩展不确定度 置信概率 （ %） 包含因子 68.27 1 90 1.645 95 1.96 95.45 2 99 2.576 99.73 3