一種風(fēng)電場(chǎng)功率外特性建模方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種風(fēng)電場(chǎng)功率外特性建模方法，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域內(nèi)測(cè)風(fēng)塔平均風(fēng)速，考慮風(fēng)機(jī)布置及風(fēng)向，利用尾流模型，計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各臺(tái)風(fēng)機(jī)輪轂高度處平均輸入風(fēng)速，建立風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)速空間分布；考慮風(fēng)機(jī)自身槳葉旋轉(zhuǎn)采樣以及風(fēng)機(jī)慣性，將輪轂高度處平均風(fēng)速轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)軸處等效風(fēng)速時(shí)間序列；考慮風(fēng)速在空間上的傳播，計(jì)算風(fēng)速?gòu)纳嫌螜C(jī)組到下游機(jī)組的時(shí)間延時(shí)，得到考慮時(shí)間延時(shí)的等效風(fēng)速時(shí)間序列，建立完整的風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速時(shí)空分布；考慮槳距角、偏航角和風(fēng)機(jī)故障檢修情況，計(jì)算考慮風(fēng)電場(chǎng)控制及運(yùn)行狀態(tài)的風(fēng)功率輸出。以某實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)地理數(shù)據(jù)和風(fēng)機(jī)參數(shù)為基礎(chǔ)的仿真算例驗(yàn)證了所提方法的可行性和合理性。本發(fā)明具有良好的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。
【專利說(shuō)明】一種風(fēng)電場(chǎng)功率外特性建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制領(lǐng)域，涉及一種風(fēng)電場(chǎng)功率外特性建模方法，尤 其涉及一種考慮風(fēng)速時(shí)空分布特性及風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的風(fēng)電場(chǎng)功率外特性建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著風(fēng)力發(fā)電的大規(guī)模開發(fā)，風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行和調(diào)度控制等帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。 為電力系統(tǒng)提供精確的風(fēng)電場(chǎng)功率輸出對(duì)電力安全生產(chǎn)至關(guān)重要。
[0003]基于歷史功率數(shù)據(jù)的風(fēng)功率建模，受網(wǎng)側(cè)限出力影響，無(wú)法真實(shí)反映風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際 功率的變化規(guī)律。
[0004]基于風(fēng)速預(yù)測(cè)的風(fēng)功率建模，風(fēng)速模型的建立尤為關(guān)鍵。針對(duì)風(fēng)速模擬國(guó)內(nèi)外學(xué) 者進(jìn)行了大量基礎(chǔ)研究，可分為三類:
[0005](I)將自然風(fēng)看做平均風(fēng)速和湍動(dòng)分量疊加而成，針對(duì)湍動(dòng)分量的統(tǒng)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行 模擬，常用的方法有諧波合成法和線性濾波法。利用三角函數(shù)疊加的諧波合成法精度高， 但不能描述風(fēng)機(jī)間風(fēng)速的相關(guān)性，且計(jì)算量大；基于數(shù)字濾波技術(shù)的線性濾波法計(jì)算量小， 速度快，同時(shí)考慮了風(fēng)速間的時(shí)空相關(guān)性，但多適用于模擬高層建筑垂直方向上的風(fēng)速時(shí) 程;
[0006](2)基于風(fēng)速的功率譜密度函數(shù)(PSD)，結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)空間相關(guān)性矩陣，考慮風(fēng)機(jī) 旋轉(zhuǎn)湍流、塔影效應(yīng)及風(fēng)剪切等影響因素，建立風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)機(jī)等效風(fēng)速模型；通常此類方法 輸入為全場(chǎng)統(tǒng)一風(fēng)速，空間尺度范圍大，不能精確到每臺(tái)風(fēng)機(jī)；
[0007]( 3 )結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)空間物理關(guān)系，通過(guò)某臺(tái)風(fēng)機(jī)處風(fēng)速，運(yùn)用解析法或流體力學(xué)計(jì) 算法描述風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)的流動(dòng)過(guò)程，計(jì)算場(chǎng)內(nèi)其他風(fēng)機(jī)風(fēng)速；采用流體力學(xué)計(jì)算法描述風(fēng)電 場(chǎng)內(nèi)不同條件下風(fēng)速和風(fēng)向分布，但模型對(duì)輸入?yún)?shù)要求高，計(jì)算復(fù)雜度高；采用尾流模型 描述風(fēng)機(jī)背面流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)及風(fēng)速變化，雖計(jì)算簡(jiǎn)單，滿足精度要求，但未考慮風(fēng)速傳播的時(shí)延 效應(yīng)。
[0008]一般而言，影響風(fēng)電場(chǎng)功率輸出的主要因素有:風(fēng)機(jī)分布和地形、風(fēng)速及風(fēng)向、風(fēng) 機(jī)機(jī)械特性以及風(fēng)機(jī)控制運(yùn)行狀態(tài)。其中，風(fēng)機(jī)分布和地形主要影響風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部大氣流動(dòng)， 導(dǎo)致各風(fēng)機(jī)輪轂高度處輸入風(fēng)速的不同，進(jìn)而影響風(fēng)速的空間分布特性。而平均風(fēng)速、風(fēng)向 及風(fēng)機(jī)布置主要影響風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)機(jī)間的時(shí)間延遲。由于風(fēng)機(jī)機(jī)械特性(槳葉的旋轉(zhuǎn)采樣，轉(zhuǎn) 軸慣量以及風(fēng)機(jī)塔影效應(yīng))的影響，風(fēng)機(jī)輪轂高度處和轉(zhuǎn)軸處的輸入風(fēng)速是不同的。同時(shí)， 風(fēng)機(jī)槳距角偏航角控制，以及風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)(正常運(yùn)行或故障檢修)直接影響風(fēng)電場(chǎng)功率輸 出。
[0009]另外，由于成本限制，風(fēng)速監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)一般只精確到風(fēng)電場(chǎng)級(jí)和分鐘級(jí)，而不能細(xì) 化到每臺(tái)風(fēng)機(jī)的秒級(jí)功率輸出。空間解析精度的提高有利于模擬復(fù)雜地形處的風(fēng)速時(shí)程； 而時(shí)間尺度的精確有利于滿足調(diào)度控制需求。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0010]為了提高風(fēng)速監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)的空間解析精度和時(shí)間尺度，本發(fā)明以區(qū)域內(nèi)測(cè)風(fēng)塔觀 測(cè)的分鐘級(jí)平均風(fēng)速和風(fēng)向?yàn)檩斎?，研究風(fēng)機(jī)地理分布以及風(fēng)機(jī)啟停對(duì)尾流模型的影響， 計(jì)及風(fēng)速在空間分布的時(shí)延效應(yīng)，建立了考慮風(fēng)速時(shí)空分布特性的等效風(fēng)速模型；在此基 礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮風(fēng)機(jī)的機(jī)械特性及控制運(yùn)行狀態(tài)，提出了風(fēng)電場(chǎng)功率外特性建模方法。
[0011]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種風(fēng)電場(chǎng)功率外特性建模方法，其特征在于，包括 以下步驟:
[0012]步驟1:根據(jù)測(cè)風(fēng)塔10-15分鐘平均風(fēng)速，考慮風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域內(nèi)地形，風(fēng)機(jī)空間分布 及風(fēng)向，利用尾流模型，計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各臺(tái)風(fēng)機(jī)輪轂高度處平均輸入風(fēng)速，建立風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng) 速空間分布；
[0013]步驟2:考慮風(fēng)機(jī)自身槳葉旋轉(zhuǎn)采樣、塔影、風(fēng)剪切效應(yīng)，以及風(fēng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的慣 性作用，根據(jù)風(fēng)機(jī)等效風(fēng)速模型，將輪轂高度處平均風(fēng)速轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)軸處等效風(fēng)速時(shí)間序 列；
[0014]步驟3:以第一臺(tái)接受到風(fēng)能風(fēng)機(jī)為坐標(biāo)原點(diǎn)，進(jìn)行坐標(biāo)變換后，以上游機(jī)組輪轂 處平均輸入風(fēng)速為該時(shí)間段內(nèi)統(tǒng)一風(fēng)速，計(jì)算風(fēng)速?gòu)纳嫌螜C(jī)組傳播到下游機(jī)組的時(shí)間延 時(shí)，得到考慮時(shí)間延時(shí)的等效風(fēng)速時(shí)間序列，建立完整的風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速時(shí)空分布；
[0015]步驟4:考慮槳距角、偏航角和風(fēng)機(jī)故障檢修情況，計(jì)算考慮風(fēng)電場(chǎng)控制及運(yùn)行狀 態(tài)的風(fēng)功率輸出，建立風(fēng)電場(chǎng)功率外特性模型。
[0016]本發(fā)明考慮風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)速的時(shí)空分布特性，以此為基礎(chǔ)，提出考慮風(fēng)機(jī)控制及運(yùn) 行狀態(tài)的風(fēng)電場(chǎng)功率外特性建模方法，提高了風(fēng)速監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)的空間解析精度和時(shí)間尺 度；并且，本發(fā)明以某實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)地理數(shù)據(jù)和風(fēng)機(jī)參數(shù)為基礎(chǔ)的仿真算例驗(yàn)證了所提方法 的可行性和合理性。本方法具有良好的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1:是本發(fā)明實(shí)施例的自然風(fēng)通道圖。
[0018]圖2:是本發(fā)明實(shí)施例的風(fēng)機(jī)背后尾流擴(kuò)張示意圖。
[0019]圖3-1:是本發(fā)明實(shí)施例的兩風(fēng)機(jī)軸心水平距離大于上游風(fēng)機(jī)在下游風(fēng)機(jī)處投影 半徑的不完全遮擋投影示意圖。
[0020]圖3-2:是本發(fā)明實(shí)施例的兩風(fēng)機(jī)軸心水平距離小于上游風(fēng)機(jī)在下游風(fēng)機(jī)處投影 半徑的不完全遮擋投影示意圖。
[0021]圖4:是本發(fā)明實(shí)施例的等效風(fēng)速模型結(jié)構(gòu)圖。
[0022]圖5:是本發(fā)明實(shí)施例的等效風(fēng)速模型具體模塊組成圖。
[0023]圖6:是本發(fā)明實(shí)施例的llm/s時(shí)等效風(fēng)速仿真結(jié)果圖。
[0024]圖7:是本發(fā)明實(shí)施例的風(fēng)機(jī)坐標(biāo)變換示意圖。
[0025]圖8:是本發(fā)明實(shí)施例的風(fēng)能利用系數(shù)特性圖。
[0026]圖9:是本發(fā)明實(shí)施例的風(fēng)電場(chǎng)功率外特性建模流程圖。
[0027]圖10:是本發(fā)明實(shí)施例的風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)布置示意圖。
[0028]圖11:是本發(fā)明實(shí)施例的風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)輪轂高度處風(fēng)速空間分布圖。
[0029]圖12:是本發(fā)明實(shí)施例的3、17、33號(hào)風(fēng)機(jī)停運(yùn)前后風(fēng)電場(chǎng)各臺(tái)機(jī)組輪轂高度處平 均風(fēng)速分布對(duì)比圖。[0030]圖13:是本發(fā)明實(shí)施例的三臺(tái)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸處風(fēng)速時(shí)間分布。
[0031]圖14:是本發(fā)明實(shí)施例的基于風(fēng)速時(shí)空分布特性的風(fēng)電場(chǎng)功率輸出圖。
[0032]圖15:是本發(fā)明實(shí)施例的不同算例下風(fēng)電功率輸出比較圖。
[0033]圖16:是本發(fā)明實(shí)施例的槳距角為0°時(shí)風(fēng)電功率波動(dòng)PSD對(duì)比圖。
[0034]圖17-1:是本發(fā)明實(shí)施例的同一平均風(fēng)速下，不同風(fēng)向時(shí)的功率影響因子變化特征圖。
[0035]圖17-2:是本發(fā)明實(shí)施例的同一風(fēng)向下，不同風(fēng)速時(shí)的功率影響因子變化特征圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]以下經(jīng)結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0037]首先，本實(shí)施例對(duì)基于尾流模型的風(fēng)速空間分布特性進(jìn)行分析:
[0038]當(dāng)自然風(fēng)經(jīng)過(guò)風(fēng)電場(chǎng)時(shí)，風(fēng)速方向上前后風(fēng)電機(jī)組的輸入風(fēng)速是不同的。由于上游風(fēng)機(jī)的遮擋，自然風(fēng)通過(guò)上游風(fēng)機(jī)吹向下游機(jī)組時(shí)，會(huì)對(duì)下游機(jī)組產(chǎn)生強(qiáng)烈湍流，下游機(jī)組的輸入風(fēng)速將小于上游機(jī)組的輸入風(fēng)速，這種現(xiàn)象稱為尾流效應(yīng)。而且，風(fēng)力機(jī)相距越近，尾流效應(yīng)的影響越大。
[0039]空氣動(dòng)力學(xué)中，氣流速度不高時(shí)(與音速之比小于0.3)，在流動(dòng)過(guò)程中的速度變化所引起的壓強(qiáng)變化不足以使氣流的密度有顯著變化。這種流動(dòng)稱為不可壓縮流動(dòng)。風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)速傳播可近似看做不可壓縮流動(dòng)。
[0040]請(qǐng)見圖1，為自然風(fēng)通道圖，自然風(fēng)經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)后，風(fēng)機(jī)背面風(fēng)速Vwtl和風(fēng)機(jī)輸入風(fēng)速 V0的關(guān)系為:
[0041]
【權(quán)利要求】
1.一種風(fēng)電場(chǎng)功率外特性建模方法，其特征在于，包括以下步驟:步驟1:根據(jù)測(cè)風(fēng)塔10-15分鐘平均風(fēng)速，考慮風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域內(nèi)地形，風(fēng)機(jī)空間分布及風(fēng) 向，利用尾流模型，計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各臺(tái)風(fēng)機(jī)輪轂高度處平均輸入風(fēng)速，建立風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)速空 間分布；步驟2:考慮風(fēng)機(jī)自身槳葉旋轉(zhuǎn)采樣、塔影、風(fēng)剪切效應(yīng)，以及風(fēng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的慣性作 用，根據(jù)風(fēng)機(jī)等效風(fēng)速模型，將輪轂高度處平均風(fēng)速轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)軸處等效風(fēng)速時(shí)間序列；步驟3:以第一臺(tái)接受到風(fēng)能風(fēng)機(jī)為坐標(biāo)原點(diǎn)，進(jìn)行坐標(biāo)變換后，以上游機(jī)組輪轂處平 均輸入風(fēng)速為該時(shí)間段內(nèi)統(tǒng)一風(fēng)速，計(jì)算風(fēng)速?gòu)纳嫌螜C(jī)組傳播到下游機(jī)組的時(shí)間延時(shí)，得 到考慮時(shí)間延時(shí)的等效風(fēng)速時(shí)間序列，建立完整的風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速時(shí)空分布；步驟4:考慮槳距角、偏航角和風(fēng)機(jī)故障檢修情況，計(jì)算考慮風(fēng)電場(chǎng)控制及運(yùn)行狀態(tài)的 風(fēng)功率輸出，建立風(fēng)電場(chǎng)功率外特性模型。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK103605912SQ201310669198
【公開日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月10日
【發(fā)明者】徐箭, 孫輝, 陳紅坤, 雷若冰, 施微, 徐琪, 黃磊, 崔挺, 許梁 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)