CN103291544A - 数字化风电机组功率曲线绘制方法 - Google Patents

Abstract

一种数字化风电机组功率曲线绘制方法，属于风力发电技术领域。采用方格法（Box）对功率风速数据对的分布进行数字化描述；对功率风速数据对在横坐标风速上以0.5m/s为间隔纵向分区，纵坐标机组输出功率上以某一间隔进行横向分区；剔除异常功率风速数据对；对剔除异常功率风速数据对后的功率风速数据集计算每个风速分区内的功率和风速平均值，根据每个风速分区内的功率风速平均值数据对绘制出功率曲线。本发明将功率风速数据对的分布采用数字化方式进行精确表示和描述，可克服现有绘制功率曲线费时费力且只反映风速和功率平均值等技术问题，得到高精度的功率曲线，更准确的描述风电机组的发电能力。

Description

数字化风电机组功率曲线绘制方法

技术领域

本发明涉及一种数字化风电机组功率曲线绘制方法，属于风力发电技术领域。

背景技术

风电机组功率曲线是反映风电机组发电性能的一个重要指标。功率曲线是通过在一个较长时段内采集风电机组运行中的大量风速与功率数据对绘制而成的。功率曲线反映了风电机组在较长时间段内不断变化的风况和气象环境下的统计运行特性，对评价风电机组发电能力的高低具有重要的意义。

风电机组功率曲线的绘制方法在国际标准IEC61400-12-1中有完整清晰的描述。测风塔负责测量风电机组所感受到的风速，对其安装位置，与风电机组的距离要求，有效风向角的范围都做出了详细的规定和说明。在绘制功率曲线之前，需要进行数据准备工作。在上述国际标准中，数据准备工作包括：

（1）风电机组运行数据收集。风电机组功率曲线绘制是基于机组数据采集与监视系统（Supervisory Control and Data Acquisition System,SCADA）采集的每10分钟平均数据绘制的。每10分钟平均数据包括功率、气温、气压等。每十分钟的风速平均值由测风塔获得。数据采集的时间段应足够长，使采集得到的数据在不同风速下均有足够的样本。

（2）异常数据剔除。为保证风电机组功率曲线反映其正常运行状态下的发电性能，在绘制功率曲线时，需要去除如机组故障或停机等异常情况造成的功率明显高于或低于正常值的异常功率风速数据对。

（3）数据校正。由于风电机组的功率（发电量）与空气密度密切相关，需要根据SCADA系统采集的温度和压力值对实时空气密度进而对发电功率进行校正。

上述数据准备工作的详细内容在IEC61400-12-1标准中有详细的说明。（参考文献：（1）IEC 61400-12-1,Power performance measurements of electricity producing windturbines:2005；（2）申新贺,潘东浩,唐继光.大型风电机组功率曲线的分析与修正[J],应用能源技术,2009,(8):28-32。）

在国际标准IEC61400-12-1中绘制功率曲线采用的是比恩斯（Bins）法。功率曲线的横坐标为风速，纵坐标为功率。在数据准备完成后，比恩斯法将每十分钟平均数据中由风速和功率变量构成的功率风速数据对按照风速以0.5m/s为间隔从切入风速到切出风速分为若干组，每一组称为一个Bin。采用下式1）计算每个风速分区（分组）中功率风速数据对的功率平均值和风速平均值:

$V_i=\frac{1}{N_i}\underset{j=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{i,j},P_i=\frac{1}{N_i}\underset{j=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{i,j}---1)$

公式1）中，V_i为第i个风速分区的风速平均值；V_i,j为第i个风速分区中的第j个功率风速数据对中的风速；P_i为第i个风速分区的功率平均值；P_i,j为第i个风速分区中的第j个功率风速数据对中的功率；N_i为第i个风速分区中的功率风速数据对个数。

以每个风速分区的风速平均值为横坐标，以每个风速分区的功率平均值为纵坐标。在此坐标系中，绘制出从切入风速到切出风速范围内若干对离散功率风速平均值点，并将这些功率风速平均值离散点用直线顺序连接起来，即可得到描述该风电机组发电性能的功率曲线。如图1所示（图1是现有技术中风电机组功率曲线示意图。）

现有的比恩斯方法在绘制功率曲线时，存在以下缺点：

（1）在数据准备阶段，需要去除如人为或故障导致的机组停机等异常情况造成的异常功率风速数据对（如图1中明显偏离功率曲线的功率风速数据对）。在IEC61400-12-1标准中，没有给出详细的去除这些异常数据对的方法。在实践中，异常功率风速数据对通常是手工剔除的。这种手工剔除的方法费时费力，且无合理的剔除标准，使绘制出来的功率曲线精度下降，可信度降低。

（2）比恩斯法功率曲线绘制方法仅计算每个风速分区内的风速平均值和功率平均值，不考察功率风速数据对散点的分布特性和规律。湮没了功率风速数据对所蕴含的个体信息。

发明内容

本发明所要解决的技术问题（发明目的）是：本发明将绘制功率曲线的大量功率风速数据对在以风速为横坐标，功率为纵坐标的坐标系中的分布采用数字化的方法进行描述，进而根据这种数字化描述的分布特性，有效去除异常功率风速数据对，进而绘制更加精确的功率曲线，即数字化功率曲线绘制方法。本发明能够解决现有的比恩斯方法的上述两个技术问题：

（1）在对功率风速数据对的分布特性进行数字化描述后，本发明能够合理自动地去除大量的异常功率风速数据对，克服现有方案中手工去除费时费力的技术问题。自动剔除异常功率风速数据对后，本发明能够使绘制的功率曲线更精确。

（2）本发明不仅能够绘制出精确的功率曲线，而且能够将功率风速数据对的分布进行全数字化描述，充分体现数据对的分布规律和特性，克服方案一中只能反映风速平均值和功率平均值的技术问题。

本发明的技术方案是：

一种数字化风电机组功率曲线绘制方法,该方法步骤为：

（1）采用方格法（Box）对功率风速数据对的分布进行数字化描述；

本发明对功率风速数据对不仅在横坐标风速上以0.5m/s为间隔纵向分区，同时在纵坐标机组输出功率上同样以某一间隔（如50KW）进行横向分组，从而完成对功率风速数据对以方格（Box）为分区的更详细的划分；

采用Box方法对功率风速数据对分区后，对散落到每一个方格内的功率风速数据对个数进行统计。

记NBox_i,j为风速i分区和功率j分区对应的方格中功率风速数据对的个数，

i＝1,2,…m(切出风速为m×0.5m/s);j＝1,2,…n(功率上限为n*50KW)；

风速分区间隔为0.5m/s；功率分区间隔为50KW。对某一风速分区（bin）i，其内部的功率风速数据对总和为从属于该风速分区的从功率为零到功率上限的n个方格内功率风速数据对的总和，即：

${\mathrm{NBins}}_i=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{NBo}{x}_{i,j}---2)$

某一风速分区（bin）i内的某个方格（Box）j中的功率风速数据对个数所占该风速分区总数据对个数的百分比为：

$\mathrm{PercentBo}{x}_{i,j}=\frac{\mathrm{NBo}{x}_{i,j}}{\mathrm{NBin}{s}_i}\×100\%---3)$

对从切入风速分区至切出风速分区的m个风速分区按照式3）计算每一个方格在其所处风速分区中功率风速数据对个数所占的百分比，即可得到数字化功率风速数据对分布图，即采用数字对原始功率风速数据对的分布特性进行精确细致的刻画和描述。

基于方格法的功率风速数据对数字化分布描述具有以下优点：

①对功率风速数据对分布的描述由定性改进为定量，功率风速数据对的分布可以用方格内的百分比精确表示。

②功率风速数据对的数字化分布便于采用计算机软件进行处理和分析，为自动去除异常功率风速数据对奠定了基础。

③采用数值分析方法可以很方便的识别异常功率风速数据对并去除，使绘制出的功率特性曲线更加准确。此外，还能提供如各风速分区内功率风速数据对的数量，功率和风速分布方差等参数，对机组运行性能进行更加详细的描述。

（2）根据数字化数据点分布自动剔除异常功率风速数据对；

采用方格法对功率风速数据对的分布进行数字化描述后，可以采用计算机自动去除大量的异常功率风速数据对，自动去除大量的异常功率风速数据对的方法如下：

对于某一风速分区i，在风速分区i中，从功率为零到功率上限n×50KW的n个方格的百分比值的分布是有规律的。其中某一方格的百分比值最大。在该最大百分比方格的连续上下方格中，百分比的值依次连续递减。在某一风速分区中的若干个方格百分比的上述分布是符合正态统计规律的。即针对该风速分区，在风电机组正常运行时，其发出的功率值是相对稳定和固定的。因此在该风速分区中对应该稳定固定功率方格中的功率风速数据对最多，百分比值也最大。而偏离该风速分区对应的此稳定固定功率的功率风速数据对数量连续减少，且如果该风速分区的某个方格偏离此最大百分比方格越远（即功率明显大于或小于稳定固定功率），此方格的百分比越小（甚至为零）。如果某一方格的百分比值不为零，但其被百分比为零的方格与此风速分区中的连续百分比分布方格区域（主带）隔开，称其为孤立方格。则此孤立方格中的功率风速数据对即可判断为异常功率风速数据对，应当被剔除。

采用计算机自动剔除异常功率风速数据对的流程如下，对于风速分区i：

1）找到该风速分区中百分比最大的方格。

2）以最大方格为中心，按功率递增（向上）递减（向下）方向查找第一个为零的方格；

3）递增和递减方向第一个为零方格以上或以下的百分比不为零的方格中的功率风速数据对需要剔除（即孤立方格中的功率风速数据对需要去除）。

4）对从切入风速到切出风速的i＝1,2,…,m个风速分区依次采用上述流程剔除异常功率风速数据对。

（3）采用公式1）对剔除异常功率风速数据对后的功率风速数据集计算每个风速分区内的功率平均值和风速平均值，根据m个风速分区内的功率风速平均值数据对绘制出功率曲线。

以上这种基于方格法数字分布描述绘制功率曲线的方法，即为数字化功率曲线绘制方法。

本发明技术方案带来的有益效果：本发明能够将功率风速数据对的分布采用数字化的方式进行精确的表示和描述。能够采用计算机自动高效去除异常功率风速数据对，得到高精度的功率曲线，更准确的描述风电机组的发电能力。

附图说明

图1是现有技术中风电机组功率曲线示意图。

图2Box功率风速数据对分区示意图。

图3数字化功率风速数据对分布示意图。

图4数字化功率风速数据对分布图局部细节图。

图5自动剔除异常数据对后绘制的功率曲线示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式进一步说明本发明。

实施例

本发明以某一额定功率为1.5MW的风电机组为例，阐明技术方案。该型风电机组的切入风速为3m/s，额定风速为12m/s，切出风速为25m/s。

数字化风电机组功率曲线绘制方法，该方法步骤为：

（1）采用方格法（Box）对功率风速数据对的分布进行数字化描述。

本发明对功率风速数据对不仅在横坐标风速上以0.5m/s为间隔纵向分区，同时在纵坐标机组输出功率上同样以某一间隔（50KW）进行横向分区，从而完成对功率风速数据对以方格（Box）为分区的更详细的划分，如图2所示。图2是Box功率风速数据对分区示意图。

采用Box方法对功率风速数据对分区后，对散落到每一个方格内的功率风速数据对个数进行统计。

记NBox_i,j为风速i分区和功率j分区对应的方格中功率风速数据对的个数，

i＝1,2,…m(切出风速为m×0.5m/s);j＝1,2,…n(功率上限为n*50KW)

风速分区间隔为0.5m/s；功率分区间隔为50KW。对某一风速分区（bin）i，如图2中灰色分区所示，其内部的功率风速数据对总和为从属于该风速分区的从功率为零到功率上限的n个方格内功率风速数据对的总和，即：

${\mathrm{NBins}}_i=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{NBo}{x}_{i,j}---2)$

某一风速分区（bin）i内的某个方格（Box）j中的功率风速数据对个数所占该风速分区总数据对个数的百分比为：

$\mathrm{PercentBo}{x}_{i,j}=\frac{\mathrm{NBo}{x}_{i,j}}{\mathrm{NBin}{s}_i}\×100\%---3)$

对从切入风速分区至切出风速分区的m个风速分区按照式3）计算每一个方格在其所处风速分区中功率风速数据对个数所占的百分比，即可得到如图3所示的数字化功率风速数据对分布图，即采用数字对原始功率风速数据对的分布特性进行精确细致的刻画和描述。

基于方格法的功率风速数据对数字化分布描述具有以下优点：

①对功率风速数据对分布的描述由定性改进为定量，功率风速数据对的分布可以用方格内的百分比精确表示。

②功率风速数据对的数字化分布便于采用计算机软件进行处理和分析，为自动去除异常功率风速数据对奠定了基础。

图3是数字化功率风速数据对分布图。图4是数字化功率风速数据对分布图局部细节图。如图3、图4所示采用方格法生成的数字分布图中，有异常功率风速数据对的方格的百分比数很小且远离图3中上下黑色折线所夹的功率曲线主带（被数值为0的方格隔离）。因此采用数值分析方法可以很方便的识别异常功率风速数据对并去除，使绘制出的功率特性曲线更加准确。

（2）根据数字化数据点分布自动剔除异常功率风速数据对。

采用方格法对功率风速数据对的分布进行数字化描述后，可以采用计算机自动去除大量的异常功率风速数据对。方法如下。

对于某一风速分区i，在风速分区i中，从功率为零到功率上限n×50KW的n个方格的百分比值的分布是有规律的。其中某一方格的百分比值最大。在该最大百分比方格的连续上下方格中，百分比的值依次连续递减。在某一风速分区中的若干个方格百分比的上述分布是符合正态统计规律的。即针对该风速分区，在风电机组正常运行时，其发出的功率值是相对稳定和固定的。因此在该风速分区中对应该稳定固定功率方格中的功率风速数据对最多，百分比值也最大。而偏离该风速分区对应的此稳定固定功率的功率风速数据对数量连续较少，且如果该风速分区的某个方格偏离此最大百分比方格越远（即功率明显大于或小于稳定固定功率），此方格的百分比越小（甚至为零）。如果某一方格的百分比值不为零，但其被百分比为零的方格与此风速分区中的连续百分比分布方格区域（主带）隔开，称其为孤立方格。则此孤立方格中的功率风速数据对即可判断为异常功率风速数据对，应当被剔除。

采用计算机自动剔除异常功率风速数据对的流程如下。对于风速分区i：

1）找到该风速分区中百分比最大的方格。

2）以最大方格为中心，按功率递增（向上）递减（向下）方向查找第一个为零的方格；

3）递增和递减方向第一个为零方格以上或以下的百分比不为零的方格中的功率风速数据对需要剔除（即孤立方格中的功率风速数据对需要去除）。

4）对从切入风速到切出风速的i＝1,2,…,m个风速分区依次采用上述流程剔除异常功率风速数据对。

（3）采用式1）对剔除异常功率风速数据对后的功率风速数据集计算每个风速分区内的功率平均值和风速平均值，根据m个风速分区内的功率风速平均值数据对绘制出功率曲线；

$V_i=\frac{1}{N_i}\underset{j=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{i,j},P_i=\frac{1}{N_i}\underset{j=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{i,j}---1)$

式1）中，V_i为第i个风速分区的风速平均值；V_i,j为第i个风速分区中的第j个功率风速数据对中的风速；P_i为第i个风速分区的功率平均值；P_i,j为第i个风速分区中的第j个功率风速数据对中的功率；N_i为第i个风速分区中的功率风速数据对个数。

剔除异常功率风速数据对的数据集及绘制出的功率曲线见图5（图5是自动剔除异常数据对后绘制的功率曲线示意图）。图中灰色散点为正常功率风速数据对，黑色连线为剔除异常点后绘制的功率曲线。

如上所述，基于方格法数字分布描述绘制功率曲线的方法即为数字化功率曲线绘制方法。

本发明能够将功率风速数据对的分布采用数字化的方式进行精确的表示和描述。能够采用计算机自动高效去除异常功率风速数据对，得到高精度的功率曲线，更准确的描述风电机组的发电能力。

Claims (3)

1.数字化风电机组功率曲线绘制方法,其特征在于，该方法步骤为：

（1）采用方格法（Box）对功率风速数据对的分布进行数字化描述；

对功率风速数据对在横坐标风速上以0.5m/s为间隔纵向分区，同时在纵坐标机组输出功率上同样以某一功率间隔进行横向分区，从而完成对功率风速数据对以方格（Box）为分区的更详细的划分；

采用Box方法对功率风速数据对分区后，对散落到每一个方格内的功率风速数据对个数进行统计；

记NBox_i,j为风速i分区和功率j分区对应的方格中功率风速数据对的个数，

i＝1,2,…m(切出风速为m×0.5m/s);j＝1,2,…n(功率上限为n*某一功率间隔)；

风速分区间隔为0.5m/s；对某一风速分区（bin）i，其内部的功率风速数据对总和为从属于该风速分区的从功率为零到功率上限的n个方格内功率风速数据对的总和，即：

${\mathrm{NBins}}_i=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{NBo}{x}_{i,j}---2)$

某一风速分区（bin）i内的某个方格（Box）j中的功率风速数据对个数所占该风速分区总数据对个数的百分比为：

$\mathrm{PercentBo}{x}_{i,j}=\frac{\mathrm{NBo}{x}_{i,j}}{\mathrm{NBin}{s}_i}\×100\%---3)$

对从切入风速分区至切出风速分区的m个风速分区按照式3）计算每一个方格在其所处风速分区中功率风速数据对个数所占的百分比，即可得到数字化功率风速数据对分布图，即采用数字对原始功率风速数据对的分布特性进行精确细致的刻画和描述；

（2）根据数字化数据点分布剔除异常功率风速数据对；

采用方格法对功率风速数据对的分布进行数字化描述后，去除异常功率风速数据对，对于风速分区i，其去除异常功率风速数据对步骤为：

（2.1）找到该风速分区中百分比最大的方格；

（2.2）以最大方格为中心，按功率递增（向上）递减（向下）方向查找第一个为零的方格；

（2.3）递增和递减方向第一个为零方格以上或以下的百分比不为零的方格中的功率风速数据对需要剔除（即孤立方格中的功率风速数据对需要去除）；

（2.4）对从切入风速到切出风速的i＝1,2,…,m个风速分区依次采用上述流程剔除异常功率风速数据对；

（3）采用下式对剔除异常功率风速数据对后的功率风速数据集计算每个风速分区内的功率平均值和风速平均值，根据m个风速分区内的功率风速平均值数据对绘制出功率曲线；

$V_i=\frac{1}{N_i}\underset{j=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{i,j},P_i=\frac{1}{N_i}\underset{j=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{i,j},$

式中，V_i为第i个风速分区的风速平均值；V_i,j为第i个风速分区中的第j个功率风速数据对中的风速；P_i为第i个风速分区的功率平均值；P_i,j为第i个风速分区中的第j个功率风速数据对中的功率；N_i为第i个风速分区中的功率风速数据对个数。

2.根据权利要求1所述数字化风电机组功率曲线绘制方法,其特征在于，所述某一功率间隔为50KW。

3.根据权利要求1所述数字化风电机组功率曲线绘制方法,其特征在于，所述去除异常功率风速数据对通过计算机去除。

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