CN103500370B

CN103500370B - 动态风电场风向坐标预计算系统建立方法

Info

Publication number: CN103500370B
Application number: CN201310495502.1A
Authority: CN
Inventors: 刘永前; 阎洁; 高小力; 田德; 韩爽; 汪宁渤; 顾波
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2013-10-21
Filing date: 2013-10-21
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2033-10-21
Also published as: CN103500370A

Abstract

本发明公开了属于风电场技术领域，尤其涉及一种动态风电场风向坐标预计算系统建立方法。该系统由数据提取模块、风电场风向坐标转换模块、动态坐标预计算数据库和实时调用模块构成。由数据提取模块采集风电场数据，然后在风电场风向坐标转换模块中按照来流风向旋转传统大地平面坐标系，并根据风电场边界位置平移风电场风向坐标系的坐标原点和坐标轴位置；动态坐标预计算数据库中存储着不同来流风向下的各台机组坐标结果，供实时调用模块提取相应坐标结果并传送至风电场功率预测或风电场优化运行系统中。本发明解决了风电场风向坐标的计算和应用问题，将机组位置和风电场实时流动情况有机联系起来；且系统运行高效、简便，具有良好的工程应用前景。

Description

动态风电场风向坐标预计算系统建立方法

技术领域

本发明属于风电场技术领域，尤其涉及一种动态风电场风向坐标预计算系统建立方法。

背景技术

大规模风电场、大容量风电机组日益成为当今风电开发的主流，风电场流动特性对风电场整体出力、风电机组寿命等方面的影响愈加显现。例如：由于尾流效应，来风经过上游风电机组后，其速度和方向都有所改变，导致下游机组承受的载荷和出力随之变化，最终影响全场出力。此外，随着来流风况的变化，尾流损失等风电场流动特性也各不相同。这种动态的流动特性给风电场优化运行和调度、风电场功率预测带来挑战。

风电机组坐标位置是建立风电场优化调度模型和风电场功率预测模型的基本信息，目前均使用大地平面坐标表示机组位置，但大地平面坐标系缺少风电场流动特性的信息，即未考虑任何有关来流风向、尾流损失、风电机组相对位置、风电场边界的信息，由此建立的尾流模型无法保证实时性和全面性，不利于风电场运行和调度；另外，大地平面坐标包含很多冗余信息，例如：风电场虽然范围很大，但在全球中具体的位置并不重要，且位数多不易查看。

为了使机组坐标信息更能适应风电场运行和预测的需求，需对大地平面坐标系进行改进，去除冗余信息，增加风电场动态流动特性信息。

发明内容

本发明的目的是提供一种动态风电场风向坐标预计算系统建立方法，该系统由数据提取模块、风电场风向坐标转换模块、动态风电场风向坐标预计算数据库和实时调用模块构成；其特征在于，该方法包括以下步骤：

1）数据提取：数据提取模块提取实时来流风向数据信息、各台机组原始坐标位置及风电场边界信息；

2）风电场风向坐标计算：由风电场风向坐标转换模块根据风向数据旋转原始的大地平面坐标系，使动态风向坐标系纵轴与风向一致；平移风电场风向坐标轴至与风电场边界相切的位置；采集风电机组原始坐标系的坐标位置并转换为风电场风向坐标；

3）建立动态风电场风向坐标预计算数据库：在步骤2）的基础上，计算各来流风况下的风电机组风向坐标位置，并将结果存入预计算数据库中，使风电机组坐标信息中体现风电场在不同风况条件下的流动特性；

4）坐标数据的实时调用：由实时调用模块根据实时观测的来流风数据在数据库中提取相应坐标结果并传送，起到数据接口作用，然后根据具体情况，与获取到的其他相应数据一起用于风电场优化调度或功率预测。

所述步骤2）风电场风向坐标计算步骤：

（1）风电场各个机组受到其他机组的尾流、湍流影响很大，尤其在来流风向上后一台机组输出功率的衰减可达20%，随着来流风向的不同，各位置点流动情况不尽相同，根据来流风向旋转坐标系，有机地将风电场各点坐标位置与风场流动信息联系起来；将动态风向坐标轴的纵轴旋转到与来流风向一致，则原始坐标轴与风向坐标轴的夹角为α：

式中θ为t时刻风向；

（2）平移动态风向坐标横纵轴与风电场边界相切，切点分别为A和B点，其原始大地平面坐标分别为(m_A,n_A)，(m_B,n_B)；采集风电场的机组原始坐标位置为(m_i,n_i)。

（3）在步骤（2）的基础上所得到的切线即为动态风向坐标系M’N’；

（4）将风电机组原始坐标位置转换到新的动态风向坐标系下，坐标转换公式如下：

{m_{i}}^{'} = \cos (α - β) \sqrt{{(n_{B} - n_{i})}^{2} + {(m_{B} - m_{i})}^{2}}

{n_{i}}^{'} = \cos (α - γ) \sqrt{{(n_{A} - n_{i})}^{2} + {(m_{A} - m_{i})}^{2}}

其中，

β = \arctan (| \frac{n_{B} - n_{i}}{m_{B} - m_{i}} |), γ = \arctan (| \frac{n_{A} - n_{i}}{m_{A} - m_{i}} |)

所述步骤3）建立动态风电场风向坐标预计算数据库包含：存入不同时间间隔下不同来流风向θ_i(0°<θ<360°)对应的第i号风电机组转换而得的动态风向坐标数据(m_i',n_i')，由此建立动态风电场风向坐标预计算数据库L={(m_i',n_i')}；其中，0到360°的风向划分的角度越小，建立的数据库越精确，但若划分的角度过小会导致计算效率低下，使数据库变得冗余，所以应根据主导风向和精度要求来确定不同区间划分角度的大小；由此说明，位于风电场边缘的风电机组轮毂高度处的风况相对比较简单，与测风塔观察到的风况最接近，其预测模型、模拟模型也较容易建立；反之，越接近风电场中心的机组由于其他机组的影响流动情况变得异常复杂；可见，机组沿着来流风向距离风电场边界的远近也对流场影响显著；

所述步骤4）坐标数据的实时调用包含：根据实时观测第j号风电机组的来流风向数据θ_j，在数据库中提取第j号风电机组转换而得的动态风向下对应的动态风向坐标(m_j,n_j)并传送，然后根据具体需要，与获取到的其他相应数据一起用于风电场优化调度或功率预测。

本发明的有益效果是本发明基于不同来流风向对风电场流动特性的影响建立动态风电场风向预计算系统，方法简单，实时操作性强，且具有以下重要优势：

（1）综合考虑影响风电场流动情况的各种因素，如：来流风向、尾流损失、风电机组相对位置、风电场边界等；

（2）将传统静态坐标转换为动态风向坐标系，去除冗余信息，补充特定风电场动态的流动特性；

（3）有助于在风电场功率预测、风电场优化运行和调度决策过程中将电气量与风电场信息、流场特性等相耦合。

附图说明

图1为动态风电场风向坐标预计算系统结构图；

图2为风电场风向坐标系转换示意图。

具体实施方式

本发明提供一种动态风电场风向坐标预计算系统建立方法。下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

图1所示为动态风电场风向坐标预计算系统结构图；该系统由数据提取模块、风电场风向坐标转换模块、动态风电场风向坐标预计算数据库和实时调用模块构成。

算例：

图2所示为风电场风向坐标系转换示意图。下面通过一具体实施例进一步阐述本发明的应用。在本实施例中，将本发明提出的动态风电场风向坐标预计算系统方法应用到一个主导风向为东北风（EW）的实际风电场中，本实施例中应用了该风电场来流风向信息、各台机组原始坐标位置、风电场边界位置坐标等数据，设该风电场1#机组的原始坐标位置为（3237550，415060.21），风电场边界位置与动态风向坐标横纵轴切点的坐标为A（3215520，413560）和B（3228130，417025），某时刻的来流风向为45°，根据动态风电场风向坐标转换公式将1#机组原始坐标位置进行转换，得到到新的动态风向坐标为（8050.26，16638.37），按照此方法存入不同来流风向下的动态风向坐标数据建立动态风电场风向坐标预计算数据库，如表1（截取部分数据）所示：

表1动态风电场风向坐标预计算数据库部分数据

当实时观测的来流风向数据为48°时，在预计算数据库中提取1#机组在48°风向下对应的动态风向坐标结果为（7728.38，15826.35），该动态风向坐标包含了来流风向、尾流损失、风电机组相对位置、风电场边界等风电场流动特性信息，然后与获取的其他计算数据一起用于风电场优化调度模型或风电场功率预测模型的建立。

本发明动态风电场风向坐标预计算系统，该系统简化了传统坐标系中的冗余信息，将机组位置和风电场实时流动情况有机地联系起来；利用本发明可以解决风电场技术领域中风电场风向坐标的计算和应用问题，系统运行高效、简便，具有良好的工程应用前景，尤其可为风电场优化运行、风电场机组组合和调度、风电场功率预测提供更为全面、科学的信息。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种动态风电场风向坐标预计算系统建立方法，该系统由数据提取模块、风电场风向坐标转换模块、动态风电场风向坐标预计算数据库和实时调用模块构成；其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)数据提取：数据提取模块提取实时来流风向数据信息、各台机组原始坐标位置及风电场边界信息；

2)风电场风向坐标计算：由风电场风向坐标转换模块根据风向数据旋转原始的大地平面坐标系，使动态风向坐标系纵轴与风向一致；平移风电场风向坐标轴至与风电场边界相切的位置；采集风电机组原始坐标系的坐标位置并转换为风电场风向坐标；

3)建立动态风电场风向坐标预计算数据库：在步骤2)的基础上，计算各来流风况下的风电机组风向坐标位置，并将结果存入预计算数据库中，使风电机组坐标信息中体现风电场在不同风况条件下的流动特性；

4)坐标数据的实时调用：由实时调用模块根据实时观测的实时来流风向数据信息在数据库中提取相应坐标结果并传送，起到数据接口作用，然后根据具体情况，与获取到的其他相应数据一起用于风电场优化调度或功率预测。

2.根据权利要求1所述动态风电场风向坐标预计算系统建立方法，其特征在于，所述步骤2)风电场风向坐标计算步骤：

(1)将动态风向坐标轴的纵轴旋转到与来流风向一致，则原始坐标轴与风向坐标轴的夹角为α：

式中θ为t时刻风向；

(2)平移动态风向坐标横纵轴与风电场边界相切，切点分别为A和B点，原始大地平面坐标分别为(m_A,n_A)，(m_B,n_B)；采集风电场的机组原始坐标位置为(m_i,n_i)；

(3)在步骤(2)的基础上所得到的切线即为动态风向坐标系M’N’；

(4)将风电机组原始坐标位置转换到新的动态风向坐标系下，坐标转换公式如下：

{m_{i}}^{,} = c o s (α - β) \sqrt{{(n_{B} - n_{i})}^{2} + {(m_{B} - m_{i})}^{2}}

{n_{i}}^{,} = c o s (α - γ) \sqrt{{(n_{A} - n_{i})}^{2} + {(m_{A} - m_{i})}^{2}}

其中，

β = a r c t a n (| \frac{n_{B} - n_{i}}{m_{B} - m_{i}} |), γ = a r c t a n (| \frac{n_{A} - n_{i}}{m_{A} - m_{i}} |) .

3.根据权利要求1所述动态风电场风向坐标预计算系统建立方法，其特征在于，所述步骤3)建立动态风电场风向坐标预计算数据库包含：存入不同时间间隔下不同来流风向θ_i对应的第i号风电机组转换而得的动态风向坐标数据(m_i',n_i')，其中0°＜θ＜360°；由此建立动态风电场风向坐标预计算数据库L＝{(m_i',n_i')}；其中，0到360°的风向划分的角度越小，建立的数据库越精确，但若划分的角度过小会导致计算效率低下，使数据库变得冗余，所以应根据主导风向和精度要求来确定不同区间划分角度的大小；由此说明，位于风电场边缘的风电机组轮毂高度处的风况相对比较简单，与测风塔观察到的风况最接近，其预测模型、模拟模型也较容易建立；反之，越接近风电场中心的机组由于其他机组的影响流动情况变得异常复杂；可见，机组沿着来流风向距离风电场边界的远近也对流场影响显著。

4.根据权利要求1所述动态风电场风向坐标预计算系统建立方法，其特征在于，所述步骤4)坐标数据的实时调用包含：根据实时观测第j号风电机组的来流风向数据θ_j，在数据库中提取第j号风电机组转换而得的实时风向下对应的动态风向坐标(m_j,n_j)并传送，然后根据具体需要，与获取到的其他相应数据一起用于风电场优化调度或功率预测。