[發(fā)明專利]一種基于機組相關(guān)性的風電場功率波動頻譜預(yù)測模型

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810767060.4
• 申請日: 2018-07-13
• 公開（公告）號: CN109038651B
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉惠文;鄭源;張玉全;闞闞;陳會向;付士鳳
• 申請（專利權(quán)）人: 河海大學
• 主分類號: H02J3/38
• 分類號: H02J3/38;H02J3/24;G06Q50/06;G06Q10/04
• 代理公司: 南京縱橫知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 32224
• 代理人: 董建林;姚蘭蘭

本發(fā)明公開了一種基于機組相關(guān)性的風電場功率波動頻譜預(yù)測模型，包括如下步驟：確定風力機慣性時間；基于瞬時狀態(tài)下能量守恒方程，利用階躍函數(shù)、格林函數(shù)和傅立葉變換，求解單機組輸出功率的功率譜密度和速度功率譜密度函數(shù)之間傳遞函數(shù)；測量風力機輪轂高度風電場來流特性，參考尾流預(yù)測模型，基于風電場來流，預(yù)測下游風力機來流情況；基于馮·卡門湍流模型，聯(lián)立傳遞函數(shù)，共同建立單機組輸出功率的功率譜密度模型；求解多機組間的協(xié)功率譜密度，進而和各單機組輸出功率的功率譜密度疊加，求得風電場輸出功率的功率譜密度模型。本發(fā)明揭示和預(yù)測風電場機組輸出功率波動的內(nèi)在規(guī)律，對于風力機電機控制器的優(yōu)化設(shè)計和風電并網(wǎng)調(diào)節(jié)極具意義。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及風力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于機組相關(guān)性的風電場功率波動頻譜預(yù)測模型。

背景技術(shù)

作為一種清潔、可再生能源，風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)自2000年取得了飛速發(fā)展。據(jù)全球風能委員GWEC統(tǒng)計，截止2016年底，全球風電累計裝機容量486.8GW，其中，我國累計裝機容量168.73GW，風力發(fā)電量約占全國用電量的4％。風力發(fā)電在能源供應(yīng)、環(huán)境保護和應(yīng)對氣候變化等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。

風力發(fā)電機在自然大氣中運行，大氣紊流、陣風、邊界層效應(yīng)、風向改變以及上游風力機尾流影響，使得風力機多數(shù)情況下處于剪切流、高湍流強度的非穩(wěn)態(tài)環(huán)境中，機組載荷和輸出功率受到高能相干流場運動的廣泛影響。這些波動性、間歇性和隨機性的特點，給機組發(fā)電效率、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以及電網(wǎng)穩(wěn)定性、可預(yù)測性和安全性帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

風電場功率預(yù)測是減輕電網(wǎng)不穩(wěn)定性、提升供電質(zhì)量的有效途徑。現(xiàn)有風電功率預(yù)測主要分為兩種：基于歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計模型方法和不需要歷史數(shù)據(jù)的物理模型方法。其中，國內(nèi)外針對統(tǒng)計模型方法的研究較多，主要有持續(xù)性算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、時間序列法和支持向量機等，這些方法需要大量的歷史數(shù)據(jù)，且對歷史數(shù)據(jù)的規(guī)律性要求比較高。近年來，隨著計算流體動力學的迅猛發(fā)展，通過采用數(shù)值天氣預(yù)報作為邊界條件，并考慮風電場地形、布局等因素，進行動態(tài)三維數(shù)值模擬的物理模型方法發(fā)展迅速。然而，為提高時效性和準確性，物理模型方法對計算機的性能要求比較高，尤其是真實風力機結(jié)構(gòu)及尺度的計算通常要耗用大量超級計算機資源，而且數(shù)值模擬對具有相關(guān)性的多機組的模擬準確性還有待檢驗。

同時，現(xiàn)有的風電功率預(yù)測物理模型都是預(yù)測風電輸出功率超短期平均值，且大都為時序信息。但是，針對風電功率波動特性的預(yù)測，特別是頻域信息尤為鮮見，然而頻域特性更能揭示各尺度功率波動變化規(guī)律，對風力機電磁控制器的設(shè)計有指導性意義。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于機組相關(guān)性的風電場功率波動頻譜預(yù)測模型，為僅依靠風電場來流的數(shù)值天氣預(yù)報信息，并結(jié)合機組參數(shù)和風電場布置方式，來實現(xiàn)風電場輸出功率波動頻譜特性預(yù)測的理論模型計算方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了

本發(fā)明的一種基于機組相關(guān)性的風電場功率波動頻譜預(yù)測模型，包括如下步驟：

步驟1：基于風力機組結(jié)構(gòu)參數(shù)及發(fā)電機性能，確定風力機慣性時間；

步驟2：對風、風輪和發(fā)電機系統(tǒng)三者組成的控制單元進行能量守恒分析，基于瞬時狀態(tài)下風能、風力機系統(tǒng)動能和電能之間的能量守恒方程，利用階躍函數(shù)、格林函數(shù)和傅立葉變換，求解得到單機組輸出功率的功率譜密度和速度功率譜密度之間傳遞函數(shù)及傳遞函數(shù)的功率譜密度；

步驟3：測量風力機輪轂高度風電場來流，即第一排風力機來流平均速度U₀，湍流強度I₀和湍流積分時間T₀，參考現(xiàn)有的尾流預(yù)測模型，基于風電場來流，預(yù)測下游第j排風力機輪轂高度來流平均速度U_j-1，湍流強度I_j-1和湍流積分時間T_j-1；