风速模型对风电机组功率曲线的影响研究

摘要

风电是一种清洁永续、易于开发、份额比重不断增加、开发技术趋于成熟的可再生能源发电方式。然而由于风能自身的湍流特点决定了风电机组所受载荷的扰动性及其输出功率的波动性，为提高风电机组建模的精确度，并保证电力系统的稳定运行，需建立符合风电机组运行环境的风速模型。
　　以建立符合风电机组实测风速特性的风速模型为研究目的，基于国际标准IEC61400-1(2005)版中的Kaimal湍流谱和风电场实测风速威布尔概率分布，旨在建立既满足风速短期随机性和波动性变化特点，又符合实际风速长期统计特性的风速模型。并将该风速模型应用于不周湍流强度下的功率曲线与实测功率曲线的相关性分析，研究风速的湍流特性对功率曲线的影响，具有实际的理论研究价值和应用意义。主要工作内容如下:
　　(1)基于实测的风速模型。联立实测风速威布尔分布和Kaimal湍流谱，采用五种方法对实测风速进行威布尔参数的评估，并依据三种统计方法对五种评估结果进行验证得出最优威布尔分布参数解，通过不同风速的概率值求解出各风速段的持续时间，并计算从切入风速到切出风速步长为1 m/s的湍流强度，实现平均风速连续变化的湍流风速仿真，仿真风速涵盖切入风速到切出风速的风电机组运行全风速范围。
　　(2)风速模型的修正。由于Kaimal谱仿真中各平均风速均采用恒定湍流强度值，中风速段(5-11m/s)各平均风速波动规律不变且仿真占比时间高达79.55％，导致仿真出的概率密度与威布尔分布拟合效果不够理想，因此，采用湍流强度分区计算和ARMA模型两种方法进行风速模型修正。修正结果既有效地提高了仿真风速分布概率满足实测风速威布尔概率特征的精确度，还体现了不同风速下的由低至高的湍流特性，丰富了风速模型的湍流种类，修正效果理想。
　　(3)风速模型对功率曲线的影响分析。提出功率权重分析法，当湍流强度在3％～11％之间时，功率与实测功率的权重差值小于1.5％，当湍流强度在0～3％，11％～15％时，功率与实测功率的权重差值为3.1％～3.5％的范围，当湍流强度在15％以上时，功率与实测功率的权重差值大于6％。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 全球风电发展现状

1．1．2 中国风电发展现状

1．2 课题研究目的及意义

1．3 国内外风速模型研究现状

1．4 课题研究内容

第2章 风速基础理论及功率特性

2．1 风的时空特性

2．1．1 风的时间尺度特性

2．1．2 风的空间尺度特性

2．2 风速威布尔分布及其参数估算

2．2．1 最小二乘法

2．2．2 平均值和最大值法

2．2．3 平均值和标准差法

2．2．4 最大似然估计法

2．2．5 等能量密度法

2．2．6 威布尔参数验证方法

2．3 风的湍流特性

2．3．1 湍流形成的原因

2．3．2 湍流的基本特征

2．3．3 湍流强度的计算

2．4 风功率谱特性

2．4．1 Van Der Hoven功率谱

2．4．2 Von Karman功率谱

2．4．3 Mann功率谱

2．4．4 Kaimal功率谱

2．5 风功率转化特性

2．5．1 贝茨极限

2．5．2 功率系数

2．5．3 功率曲线

2．6 小结

第3章 基于实测的风速模型

3．1 实测风速的威布尔参数估算结果

3．1．1 实测风速威布尔参数估算

3．1．2 实测风速威布尔参数验证

3．2 风速模型建模结果

3．2．1 实测风速湍流强度的计算

3．2．2 基于Kaimal谱的湍流风速仿真

3．2．3 基于威布尔分布和Kaimal谱的湍流风速仿真

3．3 小结

第4章 风速模型的修正

4．1 基于湍流强度分多区间计算的风速模型修正

4．1．1 基于湍流强度分多区间计算的风速模型修正方法

4．1．2 湍流强度分区间计算风速模型修正结果

4．2 基于ARMA模型的风速模型修正

4．2．1 基于ARMA模型的风速模型修正方法

4．2．2 基于ARMA模型的风速模型修正结果

4．3 风电机组修正风速模型数据验证

4．4 小结

第5章 风速模型对功率曲线的影响分析

5．1 功率曲线测试标准及流程

5．2 风速模型与功率曲线

5．2．1 风速模型与静态功率曲线

5．2．2 风速模型与动态功率曲线

5．3 风速模型对功率曲线的影响分析

5．3．1 风速模型对功率曲线影响分析方法

5．3．2 风速模型对功率曲线影响分析结果

5．4 小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢