CN103186699B - 基于经济系数风力发电风资源选址方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种风力发电技术领域风力发电风资源选址方法。本发明提出的风力发电风资源选址方法分为5个步骤，最终根据计算经济系数实现风资源最优选址。本发明的特点提出了一种充分考虑风力发电机组在不同风速下发电能力以及由于风向波动、湍流强度影响和地区间电价差异导致的经济效益变化特性，基于统一指标经济系数的风资源优化选址方法。通过求取特征功率曲线，该方法也适用于风力发电风资源宏观快速选址。

Description

基于经济系数风力发电风资源选址方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，涉及基于计算经济系数优化风力发电风资源选址方法。

技术背景

风能是目前最具有经济价值的可再生能源，根据中国国家发改委能源研究所发布《中国风电发展路线图2050》，中国风电未来40年的发展目标：到2020年、2030年和2050年，风电装机容量将分别达到2亿、4亿和10亿千瓦，到2050年，风电将满足17％的国内电力需求。

目前，风力发电机组已经成为风能利用的主要设备，风力发电成本仍然明显高于传统的火电、水电发电成本。

风电场年发电量、并网电价、寿命周期、建设费用和运营维护成本直接决定着风能利用的经济效益，而风资源优化选址是直接提高风电经济效益的关键环节之一。

在不同风资源条件下，由于风频分布的不同、空气密度不同以及湍流强度不同即使同种型号的风力发电机组年发电量也有可能存在较大的差异。

中国幅员辽阔，各地区间风资源条件可能有明显的差异，各地区间并网电价也可能并不相同。

风力发电机组由于控制工作点的不同，在不同风速下风能利用率也不同，对于确定的风资源和确定的风力发电机组存在最优控制方案，通过最优控制方案控制风力发电机组功率曲线与风资源条件最优匹配使风力发电机组理论年发电量最大。

目前在工程中应用的风资源选址方法更多的是根据风资源条件的年平均风速、年平均风功率密度、年有效利用小时数和容量系数得出不同风资源区域的比较分析。上述方法存在以下问题：

1.上述方法未能反应并网电价对风力发电经济效益的影响；

2.上述方法未能反应风向波动程度对风力发电经济效益的影响；

3.上述方法未能反应风速湍流强度对风力发电经济效益的影响；

4.上述方法存在年平均风速、年平均风功率密度、年有效利用小时数和容量系数四个评价系数，很难进行统一标准评价。

发明内容

针对目前风资源选址方法中存在的不足，本发明提出一种风力发电风资源选址方法。

本发明的技术方案是风力发电风资源选址方法，其特征是该方法包括以下步骤：

步骤1：获取各备选风资源区域空气密度、风速分布描述模型、风向分布描述模型、湍流强度和并网电价；

步骤2：根据各风资源空气密度和风速分布描述模型获取确定风力发电机组在不同风资源区域的最优功率曲线；

步骤3：依据确定风力发电机组在不同风资源区域的最优功率曲线计算风力发电机组在不同风资源区域的最优容量系数；依据风向分布描述模型估计风向折损系数；依据湍流强度估计湍流强度折损系数；

步骤4：依据最优容量系数、风向折损系数、湍流强度折损系数以及风资源区域并网电价计算对于确定风力发电机组在不同风资源条件下的经济系数；

步骤5：对不同风资源区域按照经济系数进行排列，经济系数最大的风资源区域即为确定风力发电机组最大经济效益产能区域。

步骤1中，风速分布描述模型通常可以用威布尔来进行描述，其计算公式可以表述为：

$f\left(v\right)=k\frac{v^{k-1}}{c^k}\exp (-{\left(\frac{v}{c}\right)}^k)$

式中

f(v)为风速分布概率密度函数；

v表示风速；

k表示形状参数；

c表示尺度参数。

风向分布描述模型通常可以用玫瑰图表示；

步骤3中，最优容量系数可以按照下式计算：

$F_c=\frac{{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}f\left(v\right)P\left(v\right)dv}{P_r}$

式中

F_c表示容量系数；

P(v)表示最优功率曲线；

P_r表示功率曲线对应的额定功率。

步骤4中，经济系数按照下式计算：

F_e＝F_cα_dα_tP_e

式中

F_e表示经济系数；

α_d表示风向折损系数；

α_t表示湍流强度折损系数；

P_e表示风资源区域并网电价；

经济系数F_e的实际物理意义可以理解为：对于确定的风力发电机组在风资源区域内单位千瓦功率在单位小时产生的年平均并网经济效益。

本发明相对于传统的风力发电风资源选址方法更为合理，通过最优容量系数考虑风力发电方式在不同风资源区域的最优发电能力；通过计算经济系数考虑了风力发电在不同风向分布、湍流强度以及并网电价情况下并网发电的经济效益；同时经济系数是针对确定风力发电机组唯一的风资源评价指标。基于经济系数的风资源选址可以准确的为风电业主选取最具经济价值风资源区域。

当P(v)表示典型风力发电机组功率曲线时，本发明方法可以实现风力发电风资源宏观快速选址。

其中特征功率曲线P(v)可以采用下式计算：

$P\left(v\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& (v\≤v_c)\\ \frac{v^2-v_c^2}{v_r^2-v_c^2}{P}_r& (v_c\≤v\≤v_r)\\ P_r& (v_r\≤v\≤v_f)\\ 0& (v>v_f)\end{array}\right.$

式中

v表示风速；

v_c表示主流风机平均切入风速；

v_r表示主流风机平均额定风速；

v_f表示主流风机平均切出风速；

P_r表示额定风速。

宏观快速选址时，经济系数F_e可以按照下式计算：

$F_e=\left({\∫}_{v_c}^{v_r}f\right(v)\frac{v^2-v_c^2}{v_r^2-v_c^2}dv+{\∫}_{v_r}^{v_f}f\left(v\right)dv){\mathrm{\α}}_d{\mathrm{\α}}_t{P}_e$

通过计算经济系数很容易快速的实现风资源宏观选址。

附图说明

图1风力发电风资源选址流程图

图2风力发电风资源宏观快速选址流程图

具体实施方式

结合附图1，图2对风力发电风资源选址方法的实施方式进行具体的阐述。

获取风速分布描述模型主要是指获得风资源区域风频概率密度分布模型，该模型一般符合威布尔分布，可以通过对风资源区域内测风塔多年测风数据统计拟合获得；

获取风向分布描述模型主要是指获得风资源区域风向玫瑰图模型，该模型可以通过对风资源区域内测风塔多年测风数据统计拟合获得；

湍流强度可以根据风资源区域内测风塔多年测风数据，根据相关标准(IEC,DS472，ESDU)统计计算求得；

风机功率曲线可以来源于备选机型中预设功率曲线，也可以通过提供风资源区域的空气密度数据、风速分布模型数据，要求风电整机厂提供与各候选风资源区域匹配的最优功率曲线；

风向折损系数和湍流折损系数可以通过历史经验数据估算；

当进行风力发电风资源宏观快速选址时，特征功率曲线P(v)中，v_c，v_r，v_f可以通过对主流风力发电机组切入风速、额定风速和切出风速分别求平均值求得。

本发明主要解决的问题是：提出了一种充分考虑风力发电机组在不同风速下发电能力以及由于风向波动、湍流强度影响和地区间电价差异导致的经济效益变化特性，基于统一指标经济系数的风资源优化选址方法。

Claims (1)

1.基于经济系数风资源选址方法，包括以下步骤：

步骤1：获取各备选风资源区域空气密度、风速分布描述模型、风向分布描述模型、湍流强度和并网电价；

步骤2：根据各风资源空气密度和风速分布描述模型获取确定风力发电机组在不同风资源区域的最优功率曲线；

步骤3：依据确定风力发电机组在不同风资源区域的最优功率曲线计算风力发电机组在不同风资源区域的最优容量系数；依据风向分布描述模型估计风向折损系数；依据湍流强度估计湍流强度折损系数；

步骤4：依据最优容量系数、风向折损系数、湍流强度折算系数以及风资源区域并网电价计算对于确定风力发电机组在不同风资源条件下的经济系数；

步骤5：对不同风资源区域按照经济系数进行排列，经济系数最大的风资源区域即为确定风力发电机组最大经济效益产能区域；

其特征是当进行风力发电风资源宏观快速选址时，经济系数计算公式为：

$F_e=({\∫}_{v_c}^{v_r}f\left(v\right)\frac{v^2-v_c^2}{v_r^2-v_c^2}dv+{\∫}_{v_r}^{v_f}f(v\left)dv\right){\mathrm{\α}}_d{\mathrm{\α}}_t{P}_e$

式中

v表示风速；

v_c表示主流风机平均切入风速；

v_r表示主流风机平均额定风速；

v_f表示主流风机平均切出风速；

α_d表示风向折损系数；

α_t表示湍流强度折损系数；

P_e表示风资源区域并网电价。