CN102168647A - 基于气象信息的风光联合发电系统有功功率在线评估方法 - Google Patents

Abstract

基于气象信息的风光联合发电系统有功功率特性在线评估方法，包括如下步骤：一、选择基准点与基准方向；二、选取样本风电机组及样本光伏电池，并记录其主要信息；三、提取测风塔及测光设备的实测数据，以测风数据采集时间为参照，做时标统一化处理；四、根据测风塔和测光设备测得的风、光实测及预测信息预处理；五、计算样本风电机组和光伏电池的有功功率输出；六、对风、光联合电站进行近似等功率处理，求取风、光联合电站的有功功率输出；七、得到风、光联合电站有功功率特性曲线。本方法以特定时间周期(1min)实测气象数据为基础，综合考虑设备地理位置分布，评估未来0～5min的风光联合电站有功功率特性曲线。有效提高有功功率特性分析的效率和准确性，为风光等多电源联合发电系统的互补运行策略及能效管理策略的制定和调整提供依据。

Description

基于气象信息的风光联合发电系统有功功率在线评估方法

技术领域

本发明涉及一种用于实现风光联合发电系统有功功率特性在线评估方法，属于新能源发电技术中的风光联合发电控制技术领域。

背景技术

全球能源紧张和环境恶化压力的日益增加，发展新能源的需求越来越大。近年，我国新能源发电发展迅猛，技术最为成熟、商业化程度最高的风电更是连续5年装机翻番，截至2010年底，风电总装机容量接近4000万kW；此外，光伏发电产业也得到快速发展，截至2008年底，我国光伏发电累计装机容量140MW，并网光伏发电所占比例约20％。未来一段时间，我国风电和光伏发电仍将快速发展，并将以新的方式发展。目前，我国已经开始探索风、光、储等多种电源联合发电方式，并且，在西藏等偏远缺电地区已出现了风、光联合发电系统，充分根据多种电源的不同发电特性的互补关系，降低风力发电、光伏发电等新能源随机、波动性的影响。但仍未从根本上解决此类问题。随着新能源发电比重的增加，将采取集中式和分布式同步发展的方式，在偏远地区多采用分布式接入的方式，由于对用户直接供电，对发电可靠性要求较高。为解决上述问题，应从多个技术层面入手，提高新能源发电控制关键技术水平是重要手段之一。而准确掌握风光互补联合发电站的有功功率特性能够为相关控制技术的发展提供支撑。

要提高风光互补联合发电站有功功率特性分析的准确性，应从两个方面入手，一方面，提高风电场等值建模精度；另一方面，提高数据源的准确性。其中，提高建模精度可以有效提高预测的精度；对于电站有功功率输出特性评估的准确性应考虑输入数据源的实时性和准确性。

随着风、光预测预报技术和通信技术的发展，利用气象测量设备(如测风塔、测光设备等)实际测风数据已经能够对短期(未来0-4小时)的风力发电、光伏发电的有功功率输出进行较为准确的预测，预测偏差约为15％～30％。可见，利用气象测量设备实测数据进行风、光互补电站的有功功率特性实时在线评估成为一种可能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是解决风光联合发电系统有功功率特性的在线评估问题，提供一种能够利用气象信息的风光联合发电有功功率特性在线评估方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：基于气象信息的风光联合发电系统有功功率特性在线评估方法，运行于风光互补电站及包含风电、光伏发电等多种电源的联合发电系统的监控系统或中央能量管理系统，利用场站内部发电元件的地理分布信息及通过气象采集设备通讯获取实测风力及太阳辐照数据评估风光联合发电系统有功功率特性，其特征是包括如下步骤：

(1)选择气象采集设备安装点为基点，坐标p_m0为(0，0)，正南方向为基准方向，角度a₀为0°，南偏东方向为正，南偏西方向为负；

(2)选取样本风电机组及样本光伏电池，并记录其主要信息，包括样本风电机组的地理位置(x_w，y_w)、偏航方向、样本光伏电池的地理位置(x_s，y_s)、倾角a_q、轴线方向a_f等；

(3)提取测风塔及测光设备的实测数据，以测风数据采集时间为参照，做时标统一化处理；

(4)根据测风塔和测光设备测得的风、光实测及预测信息预处理；

(5)计算样本风电机组和光伏电池的有功功率输出；

(6)对风、光联合电站或所述包含风电、光伏发电等多种电源的联合发电系统的监控系统或所述中央能量管理系统进行近似等功率处理，求取风、光联合电站的有功功率输出；

(7)得到风、光联合电站有功功率特性曲线。

其中，步骤(4)进一步包括：

a、获取特定时间周期(1min)内测风塔的实时测风数据、测光数据和预测数据，测风数据的初始时间T_w＝t₀，风速为v_w，风向相对主迎风方向的偏差为A，同时，得到所述样本风电机组的风速为v_w，风向相对主迎风方向的偏差为A，测光数据的初始时间T_s＝t₁，太阳入射角记为a_rs、直接辐射记为η_bm，散射辐射记为η_dm，反射辐射记为η_gm，辐照量单位为kW/m²，采集测光设备测得的云量监测数据，包括云团厚度、相对于测光设备的方向、距离测光设备的位置，移动方向、移动速度，云团距地面高度记为h，云层厚度记为l，云团在地面的投影坐标为(x_c，y_c)，移动速度记为v_c，进入步骤b；

b、计算所述样本风电机组和所述样本光伏电池相对于气象采集设备的位置，包括距离d_ws及相对基准方向的偏差角度a_ws，

$d_{\mathrm{ws}}=\sqrt{x_w^2+y_w^2}---\left(1\right)$

$a_{\mathrm{ws}}=\mathrm{arctg}\frac{y_w}{x_w}---\left(2\right)$

距离d_ss及相对基准方向的偏差角度a_ss，

$d_{\mathrm{ss}}=\sqrt{x_s^2+y_s^2}---\left(3\right)$

$a_{\mathrm{ss}}=\mathrm{arctg}\frac{y_s}{x_s}---\left(4\right)$

进入步骤c；

c、计算所述样本风电机组数据的时间延时，设初始时刻t₀＝0，

$T_w=\frac{d_{\mathrm{ws}}}{v_w}---\left(5\right)$

得到所述样本风电机组的风速和延时表示为(v_w，T_w)，

进入步骤d；

d、计算云团遮挡太阳发生的时间延时，设云团遮挡太阳的投影坐标为(x_z，y_z)，

$T_s=\frac{\sqrt{{(x_c-x_z)}^2+{(y_c-y_z)}^2}}{v_c}---\left(6\right)$

其中，步骤(5)进一步包括：

a、利用样本风速数据，计算所述样本风电机组输出功率，考虑时标，记为(P_ws，T_ws)，

$P_{\mathrm{ws}}=\frac{1}{2}\frac{\mathrm{\ρ\π}{R}^2{v}_w^3{C}_p(\mathrm{\λ},\mathrm{\β})}{{\mathrm{\ω}}_t}---\left(7\right)$

式中，ρ为空气密度，C_p为功率系数，ω_t为风力发电机的转速，

进入步骤b；

b、利用样本光伏数据，计算所述样本光伏电池的输出功率，考虑时标，记为(P_ss，T_ss)，

P_ss＝λS(η_bm+η_dm+η_gm)[1-0.005(T₀+25)]      (8)

式中，λ为光伏转换效率，S为光伏电池板面积，单位为m²，T₀为环境温度，单位为℃，

进入步骤六。

其中，步骤(6)进一步包括：

a、对风、光联合电站或所述包含风电、光伏发电等多种电源的联合发电系统的监控系统或所述中央能量管理系统进行近似等功率处理，得到风电机组i的有功功率输出为

P_wi＝P_ws            (9)

得到所述样本光伏电池板j的有功功率输出为

P_si＝P_ss            (10)

分别记为(P_wi，T_wi)和(P_si，T_si)进入步骤b；

b、检测每一组功率输出数据，若时标相同，即T_wi＝T_si＝t则进行功率的累加，得到t时刻的所述风、光联合电站或所述包含风电、光伏发电等多种电源的联合发电系统的监控系统或所述中央能量管理系统的有功功率输出，直至所有功率输出值都被累加过。

本发明的有益效果如下：

(1)本方法适用于各种类型的风、光联合发电系统中的有功功率特性在线评估；

(2)本方法为在线实时评估，能够对未来0-5min的风、光联合发电系统有功功率特性进行评估，为风光等多电源联合发电系统的互补运行策略及能效管理策略的制定和调整提供依据；

(3)本方法充分考虑了风电和光伏发电的时空分布特性，能够有效提高有功功率特性分析的准确性；

(4)本方法充分利用气象采集设备的实测及预测数据和设备地理分布数据，并进行了近似等功率处理，提高了在线实时评估的效率。

(5)本方法通过软件实现，无需对现有监控系统进行改造，技术可行性强。

附图说明

图1为本发明方法的总流程图。

图2为图1中步骤四气象数据预处理的算法流程图。

图3为实施例中风光联合发电站示意图。

图4为实施例中测风塔1min测风数据曲线。

图5为实施例中测光设备1min测光及预测数据曲线。

图6为实施例中风光联合电站的有功功率特性曲线。

具体实施方式

下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。

实施例：

本发明用于风光联合发站电有功功率特性评估。该电站由3台单机有功容量为1.5MW的双馈风电机组和10块功率为200kW的光伏电池板构成，总有功容量为6.5MW，地理分布如图3所示，图中单位为m。1#风电机组作为样本风电机组，坐标为(900，0)，样本光伏电池坐标为(500，500)。尾流衰减常数K取0.07，推力系数C_T取0.2，空气密度ρ取1.2kg/m³，功率系数C_p取0.483，风力机的转速ω_t取1500rad/min，设测风塔第一次采样时间设为0s，且初始时刻风电场功率输出均为0。光伏电池板面积为5m²，转换效率为75％，环境温度为20℃，光伏电池与测光设备轴线均为正南方向，即a_fd和a_fm为0°，倾角a_qd和a_qm均为30°，太阳入射角为45°。云量监测数据如下：云团厚度l为50m，云团距地面高度h为1000m，地面投影坐标为(0，0)，沿测光设备与光伏电站连线方向移动，移动速度v_c为10m/s，云团遮挡后的大气透过率为0.5。1min的测风数据曲线如图4所示，风向为主迎风方向。1min的测光及预测数据如图5所示。

经计算，样本风电机组相对于气象采集设备的位置为d_ws＝2000，a_ws＝0°，样本光伏电池相对于气象采集设备的位置为d_ss＝707，a_ss＝45°。下面计算时间延时，根据测风塔第一次测风数据计算，样本风电机组相对测风塔第一次测风数据的延时在100s，样本光伏电池经云团遮挡时间为150s。

利用样本数据，根据第一次测量数据，计算得样本风电机组的风速和延时分别为9m/s和100s，有功功率输出为99kW，根据第二次测量数据，计算得样本风电机组相对测风塔第一次测风数据的延时在102s，风速为9m/s，有功功率输出为99kW，以此类推可以得到1min内样本风电机组集合的风速、延时和功率。根据测光数据，可以得到光伏电站在0～18s时，样本光伏电池的有功功率输出为29kW，18～30s时，光伏电站的有功功率输出为26kW，30～38s时，光伏电站的有功功率输出为25kW，38～58s时，光伏电站的有功功率输出为22kW。在不考虑云团影响的情况下，近似认为未来5min内光伏电池板接收的太阳辐照量保持不变，即未来5min光伏电站的有功功率输出保持为22kW。

利用云量监测数据对样本光伏电池的有功功率输出进行修正。由前述计算可得云团遮挡光伏电池发生的时间为150s，样本光伏电池的有功功率输出修正为11kW。

近似认为风电机组与光伏电池的有功功率分别等于样本风电机组和样本光伏电池的有功功率，并将相同时标的功率进行累加，可以得到如图6所示的风光联合电站有功功率特性曲线。

由图可以看出通过1min的实测数据可以在线实时评估未来5min内的风光联合电站的有功功率特性。

Claims (4)

1.基于气象信息的风光联合发电系统有功功率特性在线评估方法，其运行于风光互补电站或包含风电、光伏发电等多种电源的联合发电系统的监控系统或中央能量管理系统，该方法主要是利用场站内部发电元件的地理分布信息及通过气象采集设备通讯获取实测风力及太阳辐照数据评估风光联合发电系统有功功率特性，其特征是至少包括如下步骤：

(1)选择气象采集设备安装点为基点，坐标p_m0为(0，0)，正南方向为基准方向，角度a₀为0°，南偏东方向为正，南偏西方向为负；

(2)选取样本风电机组及样本光伏电池，并记录其主要信息，所述信息至少包括样本风电机组的地理位置(x_w，y_w)、偏航方向、样本光伏电池的地理位置(x_s，y_s)、倾角a_q、轴线方向a_f等；

(3)提取测风塔及测光设备的实测数据，以测风数据采集时间为参照，做时标统一化处理；

(4)根据所述测风塔和所述测光设备测得的风、光实测及预测信息预处理；

(5)计算所述样本风电机组和所述样本光伏电池的有功功率输出；

(6)对风、光联合电站或包含风电、光伏发电等多种电源的联合发电系统的监控系统或中央能量管理系统进行近似等功率处理，求取风、光联合电站的有功功率输出；

(7)得到风、光联合电站或包含风电、光伏发电等多种电源的联合发电系统的监控系统或中央能量管理系统的有功功率特性曲线。

2.根据权利要求1所述的基于气象信息的风光联合发电系统有功功率特性在线评估方法，其特征是：步骤(4)进一步包括：

a、获取特定时间周期(1min)内所述测风塔的实时测风数据、测光数据和预测数据，测风数据的初始时间T_w＝t₀，风速为v_w，风向相对主迎风方向的偏差为A，同时，得到样本风电机组的风速为v_w，风向相对主迎风方向的偏差为A，测光数据的初始时间T_s＝t₁，太阳入射角记为a_rs、直接辐射记为η_bm，散射辐射记为η_dm，反射辐射记为η_gm，辐照量单位为kW/m²，采集测光设备测得的云量监测数据，包括云团厚度、相对于测光设备的方向、距离测光设备的位置，移动方向、移动速度，云团距地面高度记为h，云层厚度记为l，云团在地面的投影坐标为(x_c，y_c)，移动速度记为v_c，进入步骤b；

b、计算样本风电机组和样本光伏电池相对于气象采集设备的位置，包括距离d_ws及相对基准方向的偏差角度a_ws，

$d_{\mathrm{ws}}=\sqrt{x_w^2+y_w^2}---\left(1\right)$

$a_{\mathrm{ws}}=\mathrm{arctg}\frac{y_w}{x_w}---\left(2\right)$

距离d_ss及相对基准方向的偏差角度a_ss，

$d_{\mathrm{ss}}=\sqrt{x_s^2+y_s^2}---\left(3\right)$

$a_{\mathrm{ss}}=\mathrm{arctg}\frac{y_s}{x_s}---\left(4\right)$

进入步骤c；

c、计算所述样本风电机组数据的时间延时，设初始时刻t₀＝0，

$T_w=\frac{d_{\mathrm{ws}}}{v_w}---\left(5\right)$

得到所述样本风电机组的风速和延时表示为(v_w，T_w)，

进入步骤d；

d、计算云团遮挡太阳发生的时间延时，设云团遮挡太阳的投影坐标为(x_z，y_z)，

$T_s=\frac{\sqrt{{(x_c-x_z)}^2+{(y_c-y_z)}^2}}{v_c}---\left(6\right).$

3.根据权利要求1所述的基于气象信息的风光联合发电系统有功功率特性在线评估方法，其特征是：步骤(5)进一步包括：

a、利用样本风速数据，计算所述样本风电机组输出功率，考虑时标，记为(P_ws，T_ws)，

$P_{\mathrm{ws}}=\frac{1}{2}\frac{\mathrm{\ρ\π}{R}^2{v}_w^3{C}_p(\mathrm{\λ},\mathrm{\β})}{{\mathrm{\ω}}_t}---\left(7\right)$

式中，ρ为空气密度，C_p为功率系数，ω_t为风力发电机的转速，

进入步骤b；

b、利用样本光伏数据，计算所述样本光伏电池的输出功率，考虑时标，记为(P_ss，T_ss)，

P_ss＝λS(η_bm+η_dm+η_gm)[1-0.005(T₀+25)]        (8)

式中，λ为光伏转换效率，S为光伏电池板面积，单位为m²，T₀为环境温度，单位为℃。

4.根据权利要求1所述的基于气象信息的风光联合发电系统有功功率特性在线评估方法，其特征是：步骤(6)进一步包括：

a、对所述风、光联合电站或所述包含风电、光伏发电等多种电源的联合发电系统的监控系统或所述中央能量管理系统进行近似等功率处理，得到风电机组i的有功功率输出为

P_wi＝P_ws            (9)

得到光伏电池板j的有功功率输出为

P_si＝P_ss            (10)

分别记为(T_wi，T_wi)和(P_si，T_si)进入步骤b；

b、检测每一组功率输出数据，若时标相同，即T_wi＝T_si＝t则进行功率的累加，得到t时刻的所述风、光联合电站或所述包含风电、光伏发电等多种电源的联合发电系统的监控系统或所述中央能量管理系统的有功功率输出，直至所有功率输出值都被累加过。

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