基于测风塔数据外推法的风电场理论功率计算方法

摘要

本发明公开了一种基于测风塔数据外推法的风电场理论功率计算方法，包括以下步骤：选择设定范围内风电场内的测风塔，并对测风塔采集的历史数据进行分析处理；根据测风塔历史数据进行空气密度计算；根据测风塔历史数据进行功率曲线校正；根据测风塔历史数据中特征风机的机头风速及功率进行功率曲线拟合；将测风塔风速外推至每台风机轮毂高度处，建立测风塔数据外推法理论功率计算模型；输入测风塔实时测风数据及较正空气密度到理论功率计算模型进行计算；输出运行结果。达到了准确预测风电场理论功率，从而保证电网线路安全的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统新能源技术领域，具体地，涉及一种基于测风塔 数据外推法的风电场理论功率计算方法。

背景技术

2006年1月1日，《可再生能源法》的正式实施为风电的发展提供了 新的推动力和保障，我国的风力发电进入了大规模发展阶段，“建设大基 地，接入大电网”已成为风电开发的主要模式。截止2012年底，中国累 计装机容量75324.2MW，占全球的26.7％，居世界首位。

大规模风电的接入给电网调峰带来很大的压力，受调峰能力及网架结 构的制约，多个风电基地出现较大规模弃风限电的情况。目前风电入网特 别是并网风电弃风限电问题已成为各方关注的焦点。对风电场理论功率与 电量进行计算，并进行弃风电量评估，对于协调网厂矛盾、促进风电行业 的良性发展等方面具有重要意义。

风电场理论出力是指在实际风速情况下，考虑尾流效应、故障停机、 厂内用电、输电损耗等因素的基础上所能发出的最大功率。由于大规模风 电的集中并网，远距离输送、高电压的输送要求，呈现出与国外风电发展 模式显著不同的特点，由此带来的电网技术和经济问题尤为突出，更为复 杂。地处偏远的风电基地大多遭遇送出瓶颈，限电问题十分严重。因风电 场的功率无法准确的预测，从而造成风能发电利用效率低，造成电网冲击 等问题。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于测风塔数据外推法 的风电场理论功率计算方法，以实现准确预测风电场理论功率，从而保证 电网线路安全的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于测风塔数据外推法的风电场理论功率计算方法，包括以下步 骤：

步骤1：选择设定范围内风电场内的测风塔，并对测风塔采集的历史 数据进行分析处理；

步骤2：根据测风塔历史数据进行空气密度计算；

步骤3：根据测风塔历史数据进行功率曲线校正；

步骤4：根据测风塔历史数据中特征风机的机头风速及功率进行功率 曲线拟合；

步骤5：将测风塔风速外推至每台风机轮毂高度处，建立测风塔数据 外推法理论功率计算模型；

步骤6：输入测风塔实时测风数据及较正空气密度到上述步骤5的理 论功率计算模型进行计算；

步骤7：

将轮毂高度外推测风数据与机头风速进行对比综合分析，并输出运行 结果。

根据本发明的优选实施例，上述步骤2根据测风塔历史数据进行空气 密度计算中，空气密度计算具体如下：

${\rho }_i=\frac{B_i}{{\mathrm{RT}}_i}$

$\bar{\rho }=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\rho }_i$

式中：ρ_i为瞬时平均空气密度，B_i瞬时气压，R为气体常数287.05 (J/kg.K)，T_i平均气温，N为样本个数，为平均空气密度。

根据本发明的优选实施例，上述步骤3根据测风塔历史数据进行功率 曲线校正中，功率曲线的校正具体如下：

如空气密度在1.225kg/m3±0.05kg/m3范围内，功率曲线无需校正； 若在此范围以外，则功率曲线需进行校正具体如下：

对于失速控制、具有恒定桨矩和转速的风力发电机组，校正功率曲线 可利用下式计算：

对于功率自动控制的风电机组，校正功率曲线可利用下式计算：

式中：P_校正为折算后的功率，P₀为理论功率曲线对应的功率，ρ₀为标 准空气密度，V₀折算前的风速，V_校正为折算后的风速，为实测平均密度。

根据本发明的优选实施例，上述步骤4中根据测风塔历史数据中特征 风机的机头风速及功率进行功率曲线拟合具体如下：

曲线拟合应采用bin方法，以0.5m/s bin宽度为一组，利用每个风速 bin所对应的功率值根据下式得到：

$P_i=\frac{1}{N_i}\underset{j=1}{\overset{N_i}{\Sigma }}{P}_{i,j}$

$V_i=\frac{1}{N_i}\underset{j=1}{\overset{N_i}{\Sigma }}{V}_{i,j};$

式中：P_i为第i个bin的平均功率值，P_i,j为第i个bin的j数据组的 功率值，V_i为第i个bin的平均风速值，V_i,j为第i个bin的j数据组的风 速值，N_i为第i个bin的数据数量。

根据本发明的优选实施例，上述步骤5将测风塔风速外推至每台风机 轮毂高度处，建立测风塔数据外推法理论功率计算模型，建立理论功率计 算模型具体如下：

考虑风电场所处区域的地形、粗糙度变化情况、风机尾流效应、风机 性能物理因素对大气流场的影响，并结合风电场布局建立风速、风向数据 与风电场输出功率之间的映射关系，即风电场数字化模型；采用微观气象 学理论或计算流体力学的方法，将测风塔风速外推至每台风机轮毂高度 处，建立各风向扇区的风速转化函数：

V_外推＝f(V_测风塔,k₁,k₂,…,k_n)

式中：V_外推为由测风塔外推至风机轮毂高度处的风速，V_测风塔为测 风塔实测风速，k₁,k₂,…,k_n为影响因子，f为转化函数；

采用历史外推风速及同期的机头风速建立回归方程，并对外推风速进 行修正；以修正风速为基础，结合经步骤3校正或步骤4拟合的功率曲线， 计算得到单机的理论功率；所有风机理论功率累加，得到整场的理论功率。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明的技术方案，根据测风塔历史数据，综合考虑风电场所处区域 的地形、粗糙度变化情况、风机尾流效应、风机性能等物理因素对大气流 场的影响，并结合风电场布局建立风速、风向数据与风电场输出功率之间 的映射关系，即风电场数字化理论功率计算模型，达到了准确预测风电场 理论功率，从而保证电网线路安全的目的，从而具有重要的实用价值。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例所述的基于测风塔数据外推法的风电场理论功率 计算方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描 述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种基于测风塔数据外推法的风电场理论功率计算方法， 包括以下步骤：

步骤1：选择设定范围内风电场内的测风塔，并对测风塔采集的历史 数据进行分析处理；

步骤2：根据测风塔历史数据进行空气密度计算；

步骤3：根据测风塔历史数据进行功率曲线校正；

步骤4：根据测风塔历史数据中特征风机的机头风速及功率进行功率 曲线拟合；

步骤5：将测风塔风速外推至每台风机轮毂高度处，建立测风塔数据 外推法理论功率计算模型；

步骤6：输入测风塔实时测风数据及较正空气密度到上述步骤5的理 论功率计算模型进行计算；

步骤7：

将轮毂高度外推测风数据与机头风速进行对比综合分析，并输出运行 结果。

其中，步骤2根据测风塔历史数据进行空气密度计算中，空气密度计 算具体如下：

${\rho }_i=\frac{B_i}{{\mathrm{RT}}_i}$

$\bar{\rho }=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\rho }_i$

式中：ρ_i为瞬时平均空气密度，B_i瞬时气压，R为气体常数287.05 (J/kg.K)，T_i平均气温，N为样本个数，为平均空气密度。

步骤3根据测风塔历史数据进行功率曲线校正中，功率曲线的校正具 体如下：

如空气密度在1.225kg/m3±0.05kg/m3范围内，功率曲线无需校正； 若在此范围以外，则功率曲线需进行校正具体如下：

对于失速控制、具有恒定桨矩和转速的风力发电机组，校正功率曲线 可利用下式计算：

对于功率自动控制的风电机组，校正功率曲线可利用下式计算：

式中：P_校正为折算后的功率，P₀为理论功率曲线对应的功率，ρ₀为标 准空气密度，V₀折算前的风速，V_校正为折算后的风速，为实测平均密度。

步骤4中根据测风塔历史数据中特征风机的机头风速及功率进行功率 曲线拟合具体如下：

曲线拟合应采用bin方法，以0.5m/s bin宽度为一组，利用每个风速 bin所对应的功率值根据下式得到：

$P_i=\frac{1}{N_i}\underset{j=1}{\overset{N_i}{\Sigma }}{P}_{i,j}$

$V_i=\frac{1}{N_i}\underset{j=1}{\overset{N_i}{\Sigma }}{V}_{i,j};$

式中：P_i为第i个bin的平均功率值，P_i,j为第i个bin的j数据组的 功率值，V_i为第i个bin的平均风速值，V_i,j为第i个bin的j数据组的风 速值，N_i为第i个bin的数据数量。

步骤5将测风塔风速外推至每台风机轮毂高度处，建立测风塔数据外 推法理论功率计算模型，建立理论功率计算模型具体如下：

考虑风电场所处区域的地形、粗糙度变化情况、风机尾流效应、风机 性能物理因素对大气流场的影响，并结合风电场布局建立风速、风向数据 与风电场输出功率之间的映射关系，即风电场数字化模型；采用微观气象 学理论或计算流体力学的方法，将测风塔风速外推至每台风机轮毂高度 处，建立各风向扇区的风速转化函数：

V_外推＝f(V_测风塔,k₁,k₂,…,k_n)

式中：V_外推为由测风塔外推至风机轮毂高度处的风速，V_测风塔为测 风塔实测风速，k₁,k₂,…,k_n为影响因子，f为转化函数；

采用历史外推风速及同期的机头风速建立回归方程，并对外推风速进 行修正；以修正风速为基础，结合经步骤3校正或步骤4拟合的功率曲线， 计算得到单机的理论功率；所有风机理论功率累加，得到整场的理论功率。

其具体实施方案如下：

为计算出比较合理的风电场理论功率，本方法以测风塔数据，综合考 虑风电场所处区域的地形、粗糙度变化情况、风机尾流效应、风机性能等 物理因素对大气流场的影响，并结合风电场布局建立风速、风向数据与风 电场输出功率之间的映射关系，即风电场数字化模型，采用微观气象学理 论将测风塔风速外推至每台风机轮毂高度处，结合风机功率曲线得到单机 理论功率，全场累加得到全场理论功率。

(1)空气密度计算

空气密度可根据实测气温及气压计算得到，平均空气密度可根据逐点 空气密度平均得到：

${\rho }_i=\frac{B_i}{{\mathrm{RT}}_i}---\left(1\right)$

$\bar{\rho }=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\rho }_i---\left(2\right)$

式中：ρ_i为瞬时平均空气密度；B_i瞬时气压；R为气体常数287.05 (J/kg.K)；T_i平均气温；N为样本个数；为平均空气密度。

(2)功率曲线的校正

风机功率曲线在应用前应经过校验和修正。若风电机组的功率特性曲 线经过实验验证，且实测空气密度在1.225kg/m3±0.05kg/m3范围内，功 率曲线无需校正；若在此范围以外，则功率曲线需根据以下方法进行校正：

对于失速控制、具有恒定桨矩和转速的风力发电机组，校正功率曲线 可利用公式3计算：

对于功率自动控制的风电机组，校正功率曲线可利用公式4计算：

式中：P_校正为折算后的功率；P₀为理论功率曲线对应的功率；ρ₀为标 准空气密度；V₀折算前的风速；V_校正为折算后的风速；为实测平均密度。

(3)功率曲线的拟合

若风电机组的功率特性曲线未经过实验验证，需根据特征风机的机头 风速及功率进行拟合，数据宜采用5min平均值，且应剔除机组故障及人 为控制出力时段的数据。曲线拟合应采用bin方法(method of bins)，以 0.5m/s bin宽度为一组，利用每个风速bin所对应的功率值根据公式5、6 计算得到：

$P_i=\frac{1}{N_i}\underset{j=1}{\overset{N_i}{\Sigma }}{P}_{i,j}---\left(5\right)$

$V_i=\frac{1}{N_i}\underset{j=1}{\overset{N_i}{\Sigma }}{V}_{i,j}---\left(6\right)$

式中：P_i为第i个bin的平均功率值；P_i,j为第i个bin的j数据组的功 率值；V_i为第i个bin的平均风速值；V_i,j为第i个bin的j数据组的风速值； N_i为第i个bin的数据数量。

(4)理论功率还原

综合考虑风电场所处区域的地形、粗糙度变化情况、风机尾流效应、 风机性能等物理因素对大气流场的影响，并结合风电场布局建立风速、风 向数据与风电场输出功率之间的映射关系，即风电场数字化模型；采用微 观气象学理论或计算流体力学的方法，将测风塔风速外推至每台风机轮毂 高度处，建立各风向扇区的风速转化函数：

V_外推＝f(V_测风塔,k₁,k₂,…,k_n)    (7)

式中：V_外推为由测风塔外推至风机轮毂高度处的风速；V_测风塔为测风塔 实测风速；k₁,k₂,…,k_n为影响因子(地形、粗糙度、尾流效应等)；f为转 化函数。

采用历史外推风速及同期的机头风速建立回归方程，并对外推风速进 行修正；以修正风速为基础，结合经校正或拟合的功率曲线，计算得到单 机的理论功率；所有风机理论功率累加，得到整场的理论功率。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于 限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领 域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修 改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之 内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围 之内。