一种海上风能短时预报波浪效应修正方法及系统

1.一种海上风能短时预报波浪效应修正方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、基于气象数据生成风电场三维风场初始场以及海气界面的波浪谱特征参数；S2、基于风电场三维风场初始场对风机进行初始化，得到风机参数和风机指示函数；S3、基于风机参数和风机指示函数，计算得到风机格点推力；S4、基于风电场三维风场初始场和波浪谱特征参数，计算得到总移动面拖曳力；S5、基于风电场三维风场初始场、风机格点推力以及总移动面拖曳力，计算得到短时风能数据；S6、基于预设格式输出短时风能数据。 2.如权利要求1所述的一种海上风能短时预报波浪效应修正方法，其特征在于，步骤S1的具体过程为：S11、获取气象数据，气象数据包括风场数据、风能数据和波浪数据；S12、基于风场数据模拟得到风电场三维风场初始场，风电场三维风场初始场再基于气象数据、模拟区域大小以及模拟区域的相应格距生成网格化时间序列作为风能数值进行模拟；S13、根据波浪数据获得相速度，生成海气界面的波浪谱特征参数，相速度的计算公式为：c p ＝(c px ,c py )，式中，x为水平横坐标；y为水平纵坐标；t为时间；c px 为x方向相速度；c py 为y方向相速度；η为波高； 代表波高水平梯度量级的平方；c p 为相速度。 3.如权利要求2所述的一种海上风能短时预报波浪效应修正方法，其特征在于，步骤S2的具体过程为：S21、基于风电场三维风场初始场对风机进行初始化，得到风机参数；其中，所述风机参数包括风机位置坐标(x wt ,y wt )、风机推力系数C T 、风机制动盘直径D、风机制动盘厚度s、风机制动盘轴线高度H以及风机朝向θ wt ；S22、根据风机参数，计算得到风机指示函数；其中，风机指示函数包括归一化指示函数和风机平滑指示函数；归一化指示函数的计算公式为：式中，I wt (x,y,z)为归一化风机指示函数；H(t')为赫维赛德函数； 为风机制动盘轴向局地坐标；s为风机制动盘厚度；D为风机制动盘直径； 为以风机制动盘轴线为中心的径向距离；V为风机制动盘的空间体积；其中，赫维赛德函数的计算公式为：式中，H(t')为赫维赛德函数；t'为函数自变量；其中，风机制动盘坐标的计算公式为：式中， 为风机制动盘轴向局地坐标； 为风机制动盘展向局地坐标； 为风机制动盘垂向局地坐标；z为垂直坐标；θ wt 为风机朝向；x wt 为风机位置的横坐标；y wt 为风机位置的纵坐标；其中，以风机制动盘轴线为中心的径向距离的计算公式为：式中， 为以风机制动盘轴线为中心的径向距离； 为风机制动盘轴向局地坐标； 为风机制动盘展向局地坐标；其中，风机制动盘的空间体积的计算公式为：V＝πsD 2 /4，式中，V为风机制动盘的空间体积；s为风机制动盘厚度；D为风机制动盘直径；风机平滑指示函数的计算公式为：Rn wt (x,y,z)＝∫∫∫G(x-x')G(y-y')(z-z')I wt (x',y',z')dx'dy'dz'，式中，Rn wt (x,y,z)为风机平滑指示函数；G(t')为积分高斯核函数；x',y'与z'为积分自变量；其中，积分高斯核函数的计算公式为：式中，G(t')为积分高斯核函数；Δ g 为滤波宽度；a为可调系数；Δx为x方向格距；Δy为y方向格距；Δz为z方向格距。 4.如权利要求3所述的一种海上风能短时预报波浪效应修正方法，其特征在于，步骤S3的具体过程为：S31、根据风机位置坐标、当前风速和风机平滑指示函数，计算风机空间平均风速(u d ,v d )，风机空间平均风速的计算公式为：u d ＝∫∫∫Rn wt (x,y,z)u(x,y,z)dxdydz，v d ＝∫∫∫Rn wt (x,y,z)v(x,y,z)dxdydz，式中，u d 为风机空间平均风速x方向分量；u(x,y,z)为风场风速x方向分量；v d 为风机空间平均风速y方向分量；v(x,y,z)为风场风速y方向分量；将风机空间平均风速(u d ,v d )与前一时刻风机时空平均风速 做e指数时间滤波平均，计算得到当前风机时空平均风速 当前风机时空平均风速的计算公式为：式中， 为当前风机时空平均风速x方向分量；Δt为纳维叶-斯托克斯方程的时间积分步长；τ为可调松弛时间尺度； 为前一时刻风机时空平均风速x方向分量； 为当前风机时空平均风速y方向分量； 为前一时刻风机时空平均风速y方向分量；S32、计算风机制动盘总推力，风机制动盘总推力的计算公式为：式中，F wt 为风机制动盘总推力；D为风机制动盘直径；ρ为空气密度；C T 为风机推力系数；S33、将风机制动盘总推力分配到风电场三维风场初始场中的各个模拟区域，计算风机格点推力f wt ＝(f x (x,y,z),f y (x,y,z))，风机格点推力的计算公式为：f x (x,y,z)＝F wt R wt cos(θ wt )，f y (x,y,z)＝F wt R wt sin(θ wt )，式中，f x (x,y,z)为风机格点推力x方向分量；F wt 为风机制动盘总推力；θ wt 为风机朝向；f y (x,y,z)为风机格点推力y方向分量。 5.如权利要求4所述的一种海上风能短时预报波浪效应修正方法，其特征在于，步骤S4的具体过程为：S41、在风电场三维风场初始场中，取高度为2.5Δz处风场(u,v)，在2Δ尺度上进行低通滤波，获得海气界面过滤风场 其中， S42、获取波浪谱特征参数中波浪的欧拉速度场、次网格有效波高、波高和波相速度；S43、根据海气界面过滤风场、欧拉速度场和次网格有效波高，计算波浪相对于大气的切向摩擦力，计算公式为：式中，τ eqw 为波浪相对于大气的切向摩擦力； 为τ eqw 的x方向分量； 为与次网格有效波高η rms 相关的壁面模型摩擦因子；u w 为波浪速度x方向分量； 为海气界面过滤风场x方向分量； 为海气界面过滤风场y方向分量； 为τ eqw 的y方向分量；v w 为波浪速度y方向分量；S44、根据海气界面过滤风场、波高和波相速度，计算波浪相对于大气的形状应力，计算公式为：式中，τ wpm 为波浪相对于大气的形状应力； 为τ wpm 的x方向分量； 为海气界面过滤风场；c p 为波相速度； 为波高梯度方向； 为x方向单位向量； 为τ wpm 的y方向分量； 为y方向单位向量；c px 为x方向波相速；c py 为y方向波相速；S45、将波浪相对于大气的切向摩擦力和波浪相对于大气的形状应力求和，计算总移动面拖曳力，计算公式为：τ MOSD ＝τ eqw +τ wpm ，式中，τ MOSD 为总移动面拖曳力；τ eqw 为波浪相对于大气的切向摩擦力；τ wpm 为波浪相对于大气的形状应力。 6.如权利要求5所述的一种海上风能短时预报波浪效应修正方法，其特征在于，步骤S5的具体过程为：S51、获取风电场三维风场初始场的背景气压场；S52、根据纳维叶-斯托克斯方程对背景气压场、风机格点推力和总移动面拖曳力，计算短时风电场风速：式中，u c 为短时风电场风速；p为扰动气压场；p b 为背景气压场；Ω为地球自转角速度；f wt 为风机拖曳力；S53、根据当前风机时空平均风速、风机制动盘直径和风能利用函数，计算风机单机短时风功率，计算公式为：式中，P wt 为风机单机短时风功率；C wt 为风能利用函数；D为风机制动盘直径；S54、将短时风电场风速和风机单机短时风功率作为短时风能数据。 7.一种海上风能短时预报波浪效应修正系统，其特征在于，用于实现如权利要求1-6任一项所述的海上风能短时预报波浪效应修正方法，所述海上风能短时预报波浪效应修正系统包括气象数据初始化模块、风机参数初始化模块、风机拖曳力模块、波浪拖曳力模块、数值计算模块、数据输出模块，其中：所述气象数据初始化模块，用于基于气象数据生成风电场三维风场初始场以及海气界面的波浪谱特征参数；所述风机参数初始化模块，用于基于风电场三维风场初始场对风机进行初始化，得到风机参数和风机指示函数；所述风机拖曳力模块，用于基于风机参数和风机指示函数，计算得到风机格点推力；所述波浪拖曳力模块，用于基于风电场三维风场初始场和波浪谱特征参数，计算得到总移动面拖曳力；所述数值计算模块，用于基于风电场三维风场初始场、风机格点推力以及总移动面拖曳力，计算得到短时风能数据；所述数据输出模块，用于基于预设格式输出短时风能数据。 8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-6任一项所述的海上风能短时预报波浪效应修正方法。 9.一种计算机设备，其特征在于，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-6任一项所述的海上风能短时预报波浪效应修正方法。