[發明專利]一種基于測風塔測風數據的風電場棄風電量確定方法

有效

• 申請號: 201410399912.0
• 申請日: 2014-08-14
• 公開（公告）號: CN105048444B
• 公開（公告）日: 2018-03-30
• 發明（設計）人: 王偉勝;馮雙磊;王勃;趙艷青;劉純;姜文玲;車建峰;盧靜;張菲;靳雙龍;胡菊;王錚;楊紅英;馬振強;王東升;馬鎖明;崔正湃;孫榮富;王若陽
• 申請（專利權）人: 國家電網公司;中國電力科學研究院;中電普瑞張北風電研究檢測有限公司;國網冀北電力有限公司
• 主分類號: H02J3/00
• 分類號: H02J3/00;G06F19/00
• 代理公司: 北京安博達知識產權代理有限公司11271
• 代理人: 徐國文

1.一種基于測風塔測風數據的風電場棄風電量確定方法，其特征在于，所述方法包括下述步驟：

(1)確定測風數據在地形、地貌和風機尾流影響下的變化；

(2)確定風電機組的理論功率；

(3)確定風電場理論功率；

(4)從能量管理系統中獲得風電場實際功率；

(5)確定風電場棄風電量；

所述步驟(1)包括：

①確定地形對風速的影響：地形擾動下的受擾邊界層包括內層、外層和中間層；

②確定地貌對風速的影響；

③確定風電機組尾流對風速的影響；

所述①中，風電機組邊界層外層風速的擾動的求解包括：

邊界層外層在地形擾動下的流場變化按照勢流理論求解，將地形變化看作對未受擾流場的小擾動,由勢流理論得：

u'＝▽χ1)；

其中：u'為變化地形對未受擾流場的擾動；χ(r,φ,z)為柱坐標下的勢函數，▽為哈密頓算子；r、φ、z分別表示柱坐標系中的三個坐標變量；

以風電機組所在位置為坐標原點，則邊界層外層在地形擾動下的流場變化轉換為求解以下定解問題：

其中：u₀為上風向未受擾水平風速矢量；h(r,φ)為地形高度函數；R為研究區域半徑，R＝10km為10km外的地形變化將不再影響風電機組位置處的流場；L為地形擾動在垂直方向上的長度；

χ(r,φ,z)的通解：

χ(r,φ,z)=Σn=0∞Σj=1∞Jn(αjr)(Anjcos nφ+Bnjsin nφ)sinhαj(LJ-z)---3);]]>

式中,J_n(α_jr)為n階貝塞爾函數；

由邊界條件和貝塞爾函數的正交性以及表達式1)得：

u→WT′=12RΣj=1∞sinh[cj1R(Lj-z)]cj1[(A1j+B1j)er+(B1j-A1j)eφ]---4);]]>

其中：為地形變化對風電機組位置處邊界層外層流場的擾動，為一階貝塞爾函數的第j個零點；e_r、e_φ分別為徑向與方位角方向的單位向量；系數A_1j、B_1j由下式5)確定：

A1j+iB1j=-2∫0R∫02πu→0·▿h(r,φ)eiφrJ1(cj1Rr)dφdrπR cosh(1)cj1[J2(cj1)]2---5);]]>

其中：▽h(r,φ)包含地形變化信息；

根據表達式4)和5)，在給定風電機組地理位置以及地形變化信息后，獲得地形變化對風電機組位置邊界層外層流場的擾動；

所述①中，對風電機組邊界層內層風速的擾動求解，包括：

邊界層內層流場擾動隨高度按對數風廓線變化，在邊界層內層層頂擾動達到最大并大于勢流解，內層流場對于同一高度勢流解的修正值為：

Δu→j(z)=U0(z)U02(Lj)U02(zj′)▿χj---6);]]>

式中，U₀(z)為上風向未受擾風矢量在高度z的風速，L_j為地形擾動在垂直方向上的長度尺度，z'_j＝max(z,l_j)，其中l_j為邊界層內層高度，l_j＜＜L_j，l_j由下式確定：z_oj為對應l_j的相對粗糙度，上風向為均一地形時，z_0j＝z₀，上風向為非均一地形時：其中：D＝5L_j，x_n為第n個粗糙度變化與風電機組的距離；▽為哈密頓算子；

所述①包括：

邊界層中間層的范圍為l_j≤z≤4l_j，邊界層中間層流場擾動為：

u→mj(z)=kwf[Δu→lj(z)+▿χlj]+(1-kwf)▿χ4lj---7);]]>

其中：k_wf為加權因子，Δu_j(l_j)為邊界層內層頂勢流解修正值；分別為z＝l_j與z＝4l_j的勢流解；l_j為邊界層內層高度，l_j＜＜L_j，l_j由下式確定：z_oj為對應l_j的相對粗糙度，上風向為均一地形時，z_0j＝z₀，上風向為非均一地形時：其中：D＝5L_j，x_n為第n個粗糙度變化與風電機組的距離；

所述②包括：

流經變化粗糙度的下風向風廓線描述為：

u(z)=u′ln(z/z01)ln(0.3h/z01)z≥0.3hu′′+(u′-u′′)ln(z/0.09h)ln(0.3/0.09)0.09h≤z≤0.3hu′′ln(z/z02)ln(0.09h/z02)z≤0.09h---8);]]>

其中：z₀₂為風電機組位置的粗糙度，z₀₁為距離風電機組位置最近的上風向粗糙度，u_*2、u_*1分別為對應z₀₁、z₀₂的摩擦速度，κ＝0.4為卡曼常數，u_*1為z₀₁對應的摩擦速度，h為邊界層內層高度，由下式確定：

hz0′(lnhz0;-1)=0.9xz0′---9);]]>

其中：z'₀＝max(z₀₁,z₀₂)，x為粗糙度變化位置與風電機組位置的距離；表示研究區域內粗糙度的最大值；

粗糙度變化擾動下，摩擦速度之間的關系，如下式：

u*n+1u*n=ln(h/z0n)ln(h/z0n+1)---10);]]>

式中，z_0n、z_0n+1分別為上風向粗糙度與距離最近的下風向粗糙度，u_*n、u_*n+1為對應z_0n、z_0n+1的摩擦速度；

粗糙度變化位置距離風電機組位置越遠其影響亦越弱，加入距離權重因子表示距離的作用，得：

z0neffe=z0n+1×(z0nz0n+1)wn---11);]]>

式中：z_0effe為等效粗糙度，為第n個粗糙度的距離權重因子，D＝10km，即認為10km外的粗糙度變化將不再對風電機組位置的風廓線產生影響；

所述③中，確定風電機組尾流對風速的影響包括：確定風電機組尾流模型；

尾流模型被稱為Larsen尾流模型，假定下風向不同位置的風速衰減具有相似性，并且風速只發生中等程度的衰減，則通過下式計算下風向L＝x處的尾流影響區域半徑：

Rw=[352p]15[3c12]15[CTAx]13c1=l(CTAx)-13---12);]]>

其中：c₁為無量綱混合長；l為普朗特混合長，A為風力機掃風面積，C_T為風電機組推力系數；

Larsen尾流模型最終的風速衰減表達式為：

DU=-UWT9(CTAx-2)13[Rw32(3c12CTAx)-12-(352π310(3c12)15)]2---13);]]>

式中：U_WT為風電機組輪轂高度的平均風速；R_w由式12)確定；

所述步驟(2)中，根據功率曲線，得到風電機組理論功率；功率曲線由風機制造商提供；

所述步驟(3)中，對風電場所有風電機組理論功率求和得到風電場理論功率；

所述步驟(5)中，將風電場理論功率和風電場實際功率分別對時間積分，得到風電場理論電量和風電場實際電量，兩者相減得到風電場棄風電量；

利用分段二次插值法求出設定時段內各風電機組理論功率，對時間積分得到風電場理論電量：其中P_T為風電場理論功率，t₀、t₁分別為起始時間和結束時間；

風電場理論電量和風電場實際電量相減得到風電場棄風電量，表達式如下：E_c＝E_T-E_M；其中：E_c為風電場棄風電量；E_T為風電場理論電量；E_M為風電場實際電量。