CN103324863A - 使用实测湍流强度修正风力发电机的测量功率曲线的方法 - Google Patents

Abstract

提供一种使用实测湍流强度修正风力发电机的测量功率曲线的方法，所述方法包括：(1)确定风速的预定时间步长双参数威布尔频率函数；(2)确定风力发电机的初始静态功率曲线；(3)利用双参数威布尔频率函数和初始静态功率曲线确定风力发电机的修正静态功率曲线；(4)利用双参数威布尔频率函数和修正静态功率曲线确定风力发电机的最终静态功率曲线；(5)利用实测湍流强度、双参数威布尔频率函数和最终静态功率曲线确定参考湍流强度下的风力发电机的功率曲线。

Description

使用实测湍流强度修正风力发电机的测量功率曲线的方法

技术领域

本发明属于风力发电领域，涉及一种使用实测湍流强度修正风力发电机的测量功率曲线的方法。

背景技术

风力发电机(简称风机)的功率曲线通常会受到空气湍流强度的影响。为了解决风力发电机的功率曲线受湍流强度影响的问题，K.Kaiser、H.Hohlen、W.Langreder等人在“Turbulence correction for power curves,proceedings ofEWEC2003,Madirid”中分析了湍流强度对功率曲线的影响，给出了使用最小二乘法求解泰勒级数方程的方法。然而，该方法不适用于修正湍流强度与实测湍流强度之间的差别较大的情况。

Axel Albers、Tim Jakobi、Rolf Rohden等人在“Influence of meteorologicalvariables on measured wind turbine power curve,proceedings of EWEC 2007,Milan”以及A.Albers在“Turbulence and Shear Normalisation of Wind TurbinePower curve，proceedings of EWEC 2010,Poland”中分析了湍流强度和风剪切对3种MW(兆瓦)级风机功率曲线的影响，给出了泰勒级数和正态分布模型修正功率曲线的方法。泰勒级数法的局限性在于不能将10分钟时间步长（10min）的取平均影响和湍流强度的影响区分出来。正态分布的局限性在于只有当风速趋于-∞时，风速的累积频率才等于100%，显然这不符合实际情况，这是因为风速最小为0。

Patrick Milan在“The stochastic power curve analysis of wind turbines,the14th of August,2008”以及A.Albers在“Turbulence and Shear Normalisation ofWind Turbine Power curve，proceedings of EWEC 2010,Poland”中给出了风力发电机的随机功率曲线的分析方法，主要采用Langrvin统计模型进行数据处理。该方法的主要局限性在于：（1）模型假设风速和功率服从高斯分布，需要采用合适的修正系数才能使结果更准确；（2）在对功率分仓时，选择合适的仓区间是一个挑战；（3）在进行偏移系数的计算时，不容易选择合适的微分步长。

Matthew C.Homola、Johan Bystrom、Per J.Nicklasson等人在“An improvedmethod for wind power estimation,2009”中给出了中风速段的基于湍流强度的风机功率修正系数。该方法的主要局限性在于不适用于整个风速段。

因此，需要一种准确有效的修正风力发电机的测量功率曲线的方法。

发明内容

根据本发明的一方面，提供一种使用实测湍流强度修正风力发电机的测量功率曲线的方法，所述方法包括：(1)确定风速的预定时间步长的双参数威布尔频率函数；(2)确定风力发电机的初始静态功率曲线；(3)利用双参数威布尔频率函数和初始静态功率曲线确定风力发电机的修正静态功率曲线；(4)利用双参数威布尔频率函数和修正静态功率曲线确定风力发电机的最终静态功率曲线；(5)利用实测湍流强度、双参数威布尔频率函数和最终静态功率曲线确定参考湍流强度下的风力发电机的功率曲线。

风力发电机的静态功率曲线是风力发电机在零湍流强度下的功率曲线。

步骤(3)包括：根据在步骤(1)确定的双参数威布尔频率函数计算零湍流强度下的风速双参数威布尔频率函数；根据零湍流强度下的风速双参数威布尔频率函数以及在步骤(2)确定的初始静态功率曲线计算所述预定时间步长的修正平均静态功率；对所述预定时间步长的修正平均静态功率和平均风速按风速间隔进行分组，得到风力发电机的修正静态功率曲线。

步骤(4)包括：根据在步骤(3)确定的修正静态功率曲线以及零湍流强度下的风速双参数威布尔频率函数计算所述预定时间步长的平均静态功率；对所述预定时间步长的平均静态功率和平均风速按风速间隔进行分组，得到风力发电机的最终静态功率曲线。

步骤(5)包括：根据在步骤(1)确定的双参数威布尔频率函数计算参考湍流强度下的风速双参数威布尔频率函数；根据参考湍流强度下的风速双参数威布尔频率函数以及在步骤(4)确定的最终静态功率曲线计算参考湍流强度下的所述预定时间步长的修正平均参考功率；根据在步骤(1)确定的双参数威布尔频率函数计算实测湍流强度下的风速双参数威布尔频率函数；根据实测湍流强度下的风速双参数威布尔频率函数以及在步骤(4)确定的最终静态功率曲线计算实测湍流强度下的所述预定时间步长的修正平均测量功率；根据风力发电机的所述预定时间步长的实测算术平均功率、参考湍流强度下的修正平均参考功率以及实测湍流强度下的修正平均测量功率计算风力发电机在参考湍流强度下的参考平均功率；对参考湍流强度下的所述预定时间步长的参考平均功率和平均风速按风速间隔进行分组，得到风力发电机在参考湍流强度下的功率曲线，从而完成使用实测湍流强度修正风力发电机的测量功率曲线。

使用下面的等式计算风力发电机在参考湍流强度下的参考平均功率： ${\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{reference}}=\stackrel{\‾}{P}-{\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{measure},\mathrm{correction}}+{\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{reference},\mathrm{correction}},$ 其中，

表示风力发电机在参考湍流强度下的参考平均功率，

表示风力发电机的所述预定时间步长的实测算术平均功率，

表示实测湍流强度下的修正平均测量功率，

表示参考湍流强度下的修正平均参考功率。

使用平均风速和风速的标准差来确定风速的所述预定时间步长的双参数威布尔频率函数。

所述预定时间步长可以是10分钟时间步长。

湍流强度为风速的标准差除以平均风速。

附图说明

通过结合附图，从下面的实施例的描述中，本发明这些和/或其它方面及优点将会变得清楚，并且更易于理解，其中：

图1是示出根据本发明的使用实测湍流强度修正风力发电机的测量功率曲线的方法的流程图；

图2是以实测数据为例按照IEC标准处理方法说明同一发电机在不同湍流强度下的功率曲线的区别的示意图；

图3是选取7.5%-12.5%的湍流强度按照IEC标准处理方法得到的10%湍流强度下的功率曲线与根据本发明修正得到的10%湍流强度下的功率曲线的对比示意图；

图4是将按照IEC标准得到的实测功率曲线修正到10%和15%湍流强度下的示例。

具体实施方式

下面以下参照附图来详细描述本发明的实施例。

图1是示出根据本发明的使用实测湍流强度(Turbulence Intensity,TI)修正风力发电机的测量功率曲线(Power Curve,PC)的方法的流程图。

参照图1，在步骤101，确定风速的预定时间步长的双参数威布尔（Weibull）频率函数。这里，预定时间步长是风机设计、测试规范中规定使用的时间步长，例如可以是10min（10分钟），下面以10min为例描述本发明。然而，应该理解，在本发明中，预定时间步长不限于10min，可根据具体需要进行适当选择。

风速的10min的双参数威布尔频率函数f(v)如下：

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

其中，v为风速，c为特征参数，k为威布尔形状参数。

可使用平均风速和风速的标准差来确定风速的10min的双参数威布尔频率函数。

具体地，威布尔频率函数的数学期望E(v)和方差D(v)公式如下：

$E\left(v\right)=c\·\mathrm{\Γ}(\frac{1}{k}+1)$

$D\left(v\right)=c^2\·\{\mathrm{\Γ}(\frac{2}{k}+1)-{\left[\mathrm{\Γ}(\frac{1}{k}+1)\right]}^2\}$

在实际应用中，采用平均风速和风速的标准差来估计上面公式中的数学期望E(v)和方差D(v)。由此，可根据数学期望E(v)和方差D(v)计算威布尔分布参数c和k，为了求解方便，通常采用近似关系：

$k={\left(\frac{\sqrt{D\left(v\right)}}{E\left(v\right)}\right)}^{-1.086}$

$c=\frac{E\left(v\right)}{\mathrm{\Γ}(\frac{1}{k}+1)}$

根据大量的统计结果，

约等于0.9。

由此，可以确定风速的10min的双参数威布尔频率函数。

在步骤102，确定风力发电机的初始静态功率曲线PC_{static,iniatial}。

静态功率曲线就是零湍流强度下的功率曲线，可以假设该状态下的功率曲线由风力发电机本身的性能决定，不受外界条件的影响。

可根据IEC61400-12-1给出的bin法处理的实测结果计算初始零湍流强度下的功率曲线PC_{static,iniatial}，切入风速为实测功率大于零的起始风速，额定功率为实测中的最大功率，切入风速和额定风速之间的功率由实测的最大Cp和理论风含功率确定。其中，Cp为风机的风能利用系数，A为风机的叶轮直径，ρ为空气密度。

在步骤103，利用双参数威布尔频率函数和初始静态功率曲线确定风力发电机的修正静态功率曲线PC_{static,correction}。

具体地，根据在步骤101确定的双参数威布尔频率函数f(v)计算零湍流强度下的风速双参数威布尔频率函数f_static(v)，其中，湍流强度等于风速的标准差除以平均风速。

接着，根据零湍流强度下的风速双参数威布尔频率函数f_static(v)以及在步骤102确定的初始静态功率曲线PC_{static,iniatial}计算10min的修正平均静态功率

计算10min的修正平均静态功率

的公式如下：

${\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{static},\mathrm{correction}}={\∫}_0^{\∞}{\mathrm{PC}}_{\mathrm{static},\mathrm{initial}}\·f_{\mathrm{static}}\left(v\right)\mathrm{dv}$

然后，按照IEC（国际电工委员会）的功率曲线处理方法，对10min的修正平均静态功率

和平均风速进行分仓处理，得到风力发电机的修正静态功率曲线PC_{static,correction}。分仓处理就是将数据（这里是10min的修正平均静态功率

和平均风速）按风速间隔(bin)进行分组的处理，也称为bin法处理。

在步骤104，利用双参数威布尔频率函数和修正静态功率曲线确定风力发电机的最终静态功率曲线PC_static。

具体地，根据零湍流强度下的双参数威布尔频率函数f_static(v)以及在步骤103确定的修正静态功率曲线PC_{static,correction}计算10min的平均静态功率

计算10min的平均静态功率

的公式如下：

${\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{static}}={\∫}_0^{\∞}{\mathrm{PC}}_{\mathrm{static},\mathrm{correction}}\·f_{\mathrm{static}}\left(v\right)\mathrm{dv}$

然后，根据IEC的功率曲线处理方法，对10min的平均静态功率

和平均风速进行分仓处理（即，按风速间隔进行分组），得到风力发电机的最终静态功率曲线PC_static。

在步骤105，利用实测湍流强度、双参数威布尔频率函数和最终静态功率曲线PC_static确定参考湍流强度下的风力发电机的功率曲线PC_reference。参考湍流强度是一个已知量。使用实测湍流强度修正风力发电机的测量功率曲线，就是为了得到风力发电机在参考湍流强度下的功率曲线。也就是说，考虑湍流强度对功率曲线的影响，确定不同湍流强度下的功率曲线。已知一个实测湍流强度下的功率曲线，要想知道另外一个湍流强度（即，参考湍流强度）下的功率曲线，就是本发明技术方案所要实现的目的。

具体地，根据在步骤101确定的双参数威布尔频率函数f(v)计算参考湍流强度下的风速双参数威布尔频率函数f_reference(v)。

接着，根据参考湍流强度下的风速双参数威布尔频率函数f_reference(v)以及在步骤104确定的最终静态功率曲线PC_static计算参考湍流强度下的10min的修正平均参考功率

计算10min的修正平均参考功率

的公式如下：

${\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{reference},\mathrm{correction}}={\∫}_0^{\∞}{\mathrm{PC}}_{\mathrm{static}}\·f_{\mathrm{reference}}\left(v\right)\mathrm{dv}$

接着，根据在步骤101确定的双参数威布尔频率函数f(v)计算实测湍流强度下的风速双参数威布尔频率函数f_measure(v)。

接着，根据实测湍流强度下的风速双参数威布尔频率函数f_measure(v)以及在步骤104确定的最终静态功率曲线PC_static计算实测湍流强度下的10min的修正平均测量功率

计算10min的修正平均测量功率

的公式如下：

${\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{measure},\mathrm{correction}}={\∫}_0^{\∞}{\mathrm{PC}}_{\mathrm{static}}\·f_{\mathrm{measure}}\left(v\right)\mathrm{dv}$

接着，根据风力发电机的10min的实测算术平均功率

参考湍流强度下的修正平均参考功率以及实测湍流强度下的修正平均测量功率式计算风力发电机在参考湍流强度下的参考平均功率（等效功率）。

计算风力发电机在参考湍流强度下的参考平均功率的公式如下：

${\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{reference}}=\stackrel{\‾}{P}-{\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{measure},\mathrm{correction}}+{\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{reference},\mathrm{correction}}$

然后，根据IEC的功率曲线处理方法，对参考湍流强度下的10min的参考平均功率

和平均风速进行分仓处理（即，按风速间隔进行分组），得到风力发电机在参考湍流强度下的功率曲线PC_reference，从而完成了使用实测湍流强度修正风力发电机的测量功率曲线。

因此，通过上述处理可以将实测功率曲线按照目标现场的实际湍流强度进行修正，得到修正到现场参考湍流强度下的测量功率曲线PC_reference。

图2是以实测数据为例按照IEC标准处理方法说明同一发电机在不同湍流强度下的功率曲线的区别的示意图；图3是选取7.5%-12.5%的湍流强度按照IEC标准处理方法得到的10%湍流强度下的功率曲线与根据本发明修正得到的10%湍流强度下的功率曲线的对比示意图；图4是将按照IEC标准得到的实测功率曲线修正到10%和15%湍流强度下的示例。

以1.5MW风力发电机的测试数据为例分析，首先采用IEC61400-12-12005标准提供的方法进行处理，对0%-5%、5%-10%、10%-15%、大于15%湍流强度下的数据制作功率曲线，如图2所示，在切入风速和过渡段可以明显看出功率曲线的差别。因此，有必要对湍流强度进行模型修正。

采用平均湍流强度为10％（7.5%-12.5%范围内）的数据，得到的功率曲线结果如图3中的PC_standard_10%曲线。采用本发明中的模型修正法得到10％参考湍流强度下的修正功率曲线如图3中的PC_correction_10%曲线所示，从图3中可以看出2条曲线相差不超过2%，尤其是在8m/s以上风速段，2条曲线相差小于1%。这可以证明本发明的修正方法的有效性。

根据本发明，可将风力发电机的实测功率曲线修正到10%和15%两个湍流强度下，与采用IEC标准方法处理的功率曲线进行对比，在低风速段和过渡段功率曲线有明显差别。此外，也可根据需要进行其它湍流强度下的修正。

本发明提出了一种使用实测湍流强度修正风力发电机的测量功率曲线的算法，考虑湍流强度对功率曲线的影响，给出参考湍流强度下的测试功率曲线，解决了“依据现有IEC61400-12-1功率曲线测试标准，测试得到的功率曲线依赖于现场特定的湍流强度，给测试功率曲线和担保功率曲线的对比带来很大难度”的问题。本发明主要采用风速的双参数威布尔分布估算10min的平均功率得到静态功率曲线，实现了测试功率曲线在不同现场的可移植性。

按照IEC61400-12-1实测某一机型的风力发电机在湍流强度TI_measure下的功率曲线，如果将该机型用到其它湍流强度TI_reference的现场，可以依据本发明得到TI_reference湍流强度下的功率曲线，为该现场功率曲线的担保提供有效支持。因此，避免在不同现场重复测试，节省了人力、物力。

虽然本发明是参照其示例性的实施例被具体描述和显示的，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种改变。

Claims (9)

1.一种使用实测湍流强度修正风力发电机的测量功率曲线的方法，所述方法包括：

(1)确定风速的预定时间步长的双参数威布尔频率函数；

(2)确定风力发电机的初始静态功率曲线；

(3)利用双参数威布尔频率函数和初始静态功率曲线确定风力发电机的修正静态功率曲线；

(4)利用双参数威布尔频率函数和修正静态功率曲线确定风力发电机的最终静态功率曲线；

(5)利用实测湍流强度、双参数威布尔频率函数和最终静态功率曲线确定参考湍流强度下的风力发电机的功率曲线。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，风力发电机的静态功率曲线是风力发电机在零湍流强度下的功率曲线。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，步骤(3)包括：

根据在步骤(1)确定的双参数威布尔频率函数计算零湍流强度下的风速双参数威布尔频率函数；

根据零湍流强度下的风速双参数威布尔频率函数以及在步骤(2)确定的初始静态功率曲线计算所述预定时间步长的修正平均静态功率；

对所述预定时间步长的修正平均静态功率和平均风速按风速间隔进行分组，得到风力发电机的修正静态功率曲线。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，步骤(4)包括：

根据在步骤(3)确定的修正静态功率曲线以及零湍流强度下的风速双参数威布尔频率函数计算所述预定时间步长的平均静态功率；

对所述预定时间步长的平均静态功率和平均风速按风速间隔进行分组，得到风力发电机的最终静态功率曲线。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，步骤(5)包括：

根据在步骤(1)确定的双参数威布尔频率函数计算参考湍流强度下的风速双参数威布尔频率函数；

根据参考湍流强度下的风速双参数威布尔频率函数以及在步骤(4)确定的最终静态功率曲线计算参考湍流强度下的所述预定时间步长的修正平均参考功率；

根据在步骤(1)确定的双参数威布尔频率函数计算实测湍流强度下的风速双参数威布尔频率函数；

根据实测湍流强度下的风速双参数威布尔频率函数以及在步骤(4)确定的最终静态功率曲线计算实测湍流强度下的所述预定时间步长的修正平均测量功率；

根据风力发电机的所述预定时间步长的实测算术平均功率、参考湍流强度下的修正平均参考功率以及实测湍流强度下的修正平均测量功率计算风力发电机在参考湍流强度下的参考平均功率；

对参考湍流强度下的所述预定时间步长的参考平均功率和平均风速按风速间隔进行分组，得到风力发电机在参考湍流强度下的功率曲线，从而完成使用实测湍流强度修正风力发电机的测量功率曲线。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，使用下面的等式计算风力发电机在参考湍流强度下的参考平均功率：

${\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{reference}}=\stackrel{\‾}{P}-{\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{measure},\mathrm{correction}}+{\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{reference},\mathrm{correction}},$

其中，

表示风力发电机在参考湍流强度下的参考平均功率，

表示风力发电机的所述预定时间步长的实测算术平均功率，

表示实测湍流强度下的修正平均测量功率，

表示参考湍流强度下的修正平均参考功率。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，使用平均风速和风速的标准差来确定风速的预定时间步长的双参数威布尔频率函数。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中，所述预定时间步长是10分钟时间步长。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中，湍流强度为风速的标准差除以平均风速。

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