CN105023099A - 一种考虑湍流强度的风力发电机出力评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑湍流强度的风力发电机出力评估方法，首先获取所要评估的风力发电机的机型参数和气动参数，之后根据风力发电机机型参数和气动参数确定该风机关于轮毂处平均风速和湍流参考值变化的风功率曲面；接着将欲进行风机出力评估的风速序列按照分段周期T进行分段，确定每段风速序列的湍流参考值和轮毂处平均风速；最后通过风功率曲面确定该风机每个分段周期T的出力，合计全部时间段的风机出力得出风机总出力。本发明适用于按照机型分类对风力发电机进行出力评估，进而进行风电场的规划和风电场的年发电量预测等。该方法避免了只考虑平均风速影响带来的评估误差，较大程度的提高了风力发电机出力评估的准确度。

Description

一种考虑湍流强度的风力发电机出力评估方法

技术领域

本发明属于风力机出力评估领域，尤其涉及一种考虑湍流强度的风力发电机出力评估方法。

背景技术

随着全球工业水平的飞速发展，石油等非可再生能源的储量已急剧减少，而人类社会对能源的需求却与日俱增。当人类尝试寻找风能等新能源代替传统能源时，日益突出的环境问题再一次加速了能源结构变革的速度。风能等新型能源共同为解决能源危机和环境问题提供了新的思路。风电的主要优势在于建设风电场的周期比较短，风电机组占地面积比较小，基本不影响风场及周边生态环境，因此风能的开发和利用在70年代以后便有了长足的进步。对于风能的利用，如在进行风力发电场的年发电量计算等场景中，都涉及到了风力发电出力的计算。

根据研究，风力发电机的出力不但与轮毂处的平均风速有关，还与湍流强度密不可分。目前传统的风力发电机的出力评估方法，一般只在某一固定湍流强度下根据风功率曲线进行风机出力的计算。由于这种方法只考虑平均风速而没有考虑湍流强度的变化，所以对风机出力的计算带来一定的误差。而风机出力的计算方法已广泛应用于风功率预测、风电场的年发电量预测等场景，较准确的风电场功率计算已成为风力发电稳定运行以及包含风力发电的电网安全调度的前提。

基于上述情况，目前迫切需要一种新的风力发电机功率计算方法，同时考虑湍流强度与平均风速对风机出力的影响。但是现有技术中尚无相关描述。

发明内容

本发明的目的在于提供一种考虑湍流强度的风力发电机出力评估方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种考虑湍流强度的风力发电机出力评估方法，包括以下步骤：

步骤1、获取所要评估的风力发电机的机型参数和气动参数，包括:额定转速、额定转矩、风轮半径风机轮毂高度、塔高、机舱质量、轮毂质量、切入风速、空气密度、空气运动粘滞系数；

步骤2、根据步骤1的风力发电机机型参数和气动参数确定该风机关于轮毂处平均风速V和湍流参考值I_ref变化的风功率曲面；包括以下步骤：

步骤2-1、设定湍流参考值变化范围和步长；湍流参考值变化范围为0.05到0.19，步长为0.01。

步骤2-2、在每一个湍流参考值的条件下绘制一条评估风机关于轮毂处平均风速V变化的风功率曲线，得到风功率曲线簇；

步骤2-3、将风功率曲线簇绘制成评估风机关于轮毂处平均风速V和湍流参考值I_ref变化的风功率曲面。

步骤3、将欲进行风机出力评估的风速序列按照分段周期T进行分段，确定每段风速序列的湍流参考值I_ref和轮毂处平均风速V；具体为：

步骤3-1、将欲进行风机出力评估的风速序列，按照分段周期T进行分段，分成每周期T为一段的风速序列；

步骤3-2、对于每个T时间的风速序列，确定该序列的轮毂处平均风速；所用公式为：

$V=\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{V}_j$

式中，V为该段风速序列轮毂处平均风速，N为该段风速序列中风速数据的个数，V_j为该段风速序列中轮毂处第j个的风速；

步骤3-3、确定每个T时间风速序列的湍流强度I_T，根据湍流强度I_T求出序列的湍流参考值I_ref，所用公式为：

式中，I_ref为该段风速序列当风速为15m/s时的湍流强度的预期值，即本文中的湍流参考值，b＝5.6m/s，I_T为该段风速序列的湍流强度，其计算公式为σ为该段风速序列的风速标准差，其计算公式为所述时间T为10分钟。

步骤4、根据步骤3确定的每段风速序列的湍流参考值I_ref和轮毂处平均风速V，通过风功率曲面确定该风机每个分段周期T的出力P_i，最后合计全部时间段的风机出力得出风机总出力P。合计全部时间段的风机出力得出风机总出力所用公式为：

$P=\underset{i=1}{\overset{N_s}{\Σ}}{P}_i$

式中，P_i为第i个风速序列的指定风机的出力，N_s为风速序列个数，P为全部时间段内指定风机的全部出力。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明提出一种考虑湍流强度的风力发电机出力评估方法，通过生成多条不同湍流参考值的风功率曲线形成三维的风功率曲面，考虑湍流强度与轮毂处平均风速的共同影响进行风机出力评估。本发明能有效提高计算风力机输出功率的精确度，从而保证风电场功率输出模型的准确性，为风电场的规划、调度提供相关可靠依据。

附图说明

图1为本发明的风机出力评估方法流程图。

图2为本发明的风力发电机功率曲线族。

图3为本发明的风力发电机功率曲面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

一种考虑湍流强度的风力发电机功率曲面计算方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、首先获取所要评估的风力发电机的机型参数和气动参数，包括:额定转速、额定转矩、风轮半径风机轮毂高度、塔高、机舱质量、轮毂质量、切入风速、空气密度、空气运动粘滞系数。如表1所示，为1.5WM级风力发电机的机型参数和气动参数。

表1 1.5MW的风力发电机机型参数和气动参数

参数	数值
		切入风速	4(m/s)
额定转速	1800(rpm)
		额定转矩	8376.58(Nm)
风轮半径	35(m)
		空气密度	1.255(kg/m^3)
风机轮毂高度	84.2876(m)
		空气运动粘滞系数	1.4639E-5(m^2/sec)
塔高	82.39(m)
		机舱质量	51170(kg)
轮毂质量	15148(kg)

步骤2、针对指定型号的风力机，利用风电场的实时统计数据，或者专业的风力机仿真软件(如Bladed、FAST等)参照IEC64100-12-1标准中风功率曲线的绘制方法，绘制指定风机在某一湍流参考值I_ref下，随轮毂处平均风速V变化的风功率曲线。

湍流参考值由0.05遍历到0.19，步长为0.01，绘制出每个湍流参考值条件下指定风机关于风速变化的风功率曲线族，如图2所示。最终将这簇风功率曲线绘制成指定风机关于轮毂处平均风速V和湍流参考值I_ref变化的三维风功率曲面。

步骤3、将欲进行风机出力计算的风速序列，分成每10分钟一段的风速序列。

步骤4、对每个10分钟序列，计算每个10分钟序列的轮毂处平均风速V。

$V=\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{V}_j$

式中，V为风速序列轮毂处平均风速，N为该段风速序列中风速数据的个数，V_j为该段风速序列中轮毂处第j个的风速。

步骤5、计算每个10分钟序列的湍流强度I_T，其计算公式如下：

$I_T=\frac{\mathrm{\σ}}{V}$

式中，I_T为该段风速序列的湍流强度，σ为该段风速序列的风速标准差，其计算公式为 $\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{1}{N-1}\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{(V_j-V)}^2}.$

根据湍流强度I_T求出序列的湍流参考值I_ref：

$I_{ref}=\frac{I_T\×V}{0.75\×V+b}$

式中，I_ref为该段风速序列当风速为15m/s时的湍流强度的预期值，即本文中的湍流参考值，b＝5.6m/s。

步骤6、对每个10分钟序列，根据湍流参考值I_ref和轮毂处平均风速V，在步骤1绘制的三维风功率曲面中得出该10分钟风机的出力P_i(I_ref,V)。

步骤7、合计全部时间段的风机处理，得出风机总出力：

$P=\underset{i=1}{\overset{N_s}{\Σ}}{P}_i$

式中，P_i为第i个风速序列的指定风机的出力，N_s为风速序列个数，P为全部时间段内指定风机的全部出力。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：

实施例1

以1.5WM的风力发电机为例，具体参数如表1所示。首先使用TurbSim(美国国家能源部可再生能源实验室(NREL)提供的开源的湍流风模拟软件)按照自然条件，生成不同湍流强度，时长为20小时，频率为20Hz，轮毂处平均风速的变化范围从4m/s到13m/s的风速数据，共计7200000个数据点。

利用美国国家能源部可再生能源实验室(NREL)提供的开源的专业风力机仿真软件FAST(Fatigue,Aerodynamics,Structures,and Turbulence)模拟1.5WM风力发电机的出力，在该风况下1.5WM的风力发电机20小时的功率为4054.8kW·h，以此作为参考。

利用本专利的评估方法，绘制出1.5WM风力发电机关于轮毂处平均风速V和湍流参考值I_ref变化的风功率曲面(如图3所示)，经过计算，使用本方法计算1.5WM风力发电机20小时的功率为4128.2kW·h，而使用传统的功率曲线法计算结果为4325.5kW·h。因此，使用本发明的方法优于传统的功率曲线计算法。

Claims (6)

1.一种考虑湍流强度的风力发电机出力评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、获取所要评估的风力发电机的机型参数和气动参数，包括:额定转速、额定转矩、风轮半径风机轮毂高度、塔高、机舱质量、轮毂质量、切入风速、空气密度、空气运动粘滞系数；

步骤2、根据步骤1的风力发电机机型参数和气动参数确定该风机关于轮毂处平均风速V和湍流参考值I_ref变化的风功率曲面；

步骤3、将欲进行风机出力评估的风速序列按照分段周期T进行分段，确定每段风速序列的湍流参考值I_ref和轮毂处平均风速V；

步骤4、根据步骤3确定的每段风速序列的湍流参考值I_ref和轮毂处平均风速V，通过风功率曲面确定该风机每个分段周期T的出力P_i，最后合计全部时间段的风机出力得出风机总出力P。

2.根据权利要求1所述的考虑湍流强度的风力发电机出力评估方法，其特征在于，步骤2中确定该风机关于轮毂处平均风速V和湍流参考值I_ref变化的风功率曲面时，包括以下步骤：

步骤2-1、设定湍流参考值变化范围和步长；

步骤2-2、在每一个湍流参考值的条件下绘制一条评估风机关于轮毂处平均风速V变化的风功率曲线，得到风功率曲线簇；

步骤2-3、将风功率曲线簇绘制成评估风机关于轮毂处平均风速V和湍流参考值I_ref变化的风功率曲面。

3.根据权利要求2所述的考虑湍流强度的风力发电机出力评估方法，其特征在于，步骤2-1中湍流参考值变化范围为0.05到0.19，步长为0.01。

4.根据权利要求1所述的考虑湍流强度的风力发电机出力评估方法，其特征在于，步骤3将欲进行风机出力评估的风速序列按照分段周期T进行分段，确定每段风速序列的湍流参考值I_ref和轮毂处平均风速V具体为：

步骤3-1、将欲进行风机出力评估的风速序列，按照分段周期T进行分段，分成每周期T为一段的风速序列；

步骤3-2、对于每个T时间的风速序列，确定该序列的轮毂处平均风速；所用公式为：

$V=\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{V}_j$

式中，V为该段风速序列轮毂处平均风速，N为该段风速序列中风速数据的个数，V_j为该段风速序列中轮毂处第j个的风速；

步骤3-3、确定每个T时间风速序列的湍流强度I_T，根据湍流强度I_T求出序列的湍流参考值I_ref，所用公式为：

式中，I_ref为该段风速序列当风速为15m/s时的湍流强度的预期值，即本文中的湍流参考值，b＝5.6m/s，I_T为该段风速序列的湍流强度，其计算公式为σ为该段风速序列的风速标准差，其计算公式为

5.根据权利要求4所述的考虑湍流强度的风力发电机出力评估方法，其特征在于，时间T为10分钟。

6.根据权利要求1述的考虑湍流强度的风力发电机出力评估方法，其特征在于，步骤4合计全部时间段的风机出力得出风机总出力所用公式为：

$P=\underset{i=1}{\overset{N_s}{\Σ}}{P}_i$

式中，P_i为第i个风速序列的指定风机的出力，N_s为风速序列个数，P为全部时间段内指定风机的全部出力。