CN108734367A - 一种用于计算风电场弃风电量的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于计算风电场弃风电量的方法及系统，包括：基于机舱风速与风机出力确定机舱风速功率曲线；根据机舱风速功率曲线确定弃风时段；根据弃风时段的机舱风速与机舱风速功率曲线，得到弃风时段的风电机组理论功率；根据风电机组理论功率与弃风时段确定风电场弃风时段的理论电量；根据理论电量与实际电量得到弃风电量。本发明利用机舱风速功率曲线自动识别风电机组的正常运行时段与弃风时段，进而结合机舱风速自动计算弃风时段风电机组理论能产生的电量与实际电量的差来计算弃风电量从而有效提高弃风电量计算的智能性与科学性。

Description

一种用于计算风电场弃风电量的方法及系统

技术领域

本发明涉及可再生能源技术领域，具体涉及一种风电场弃风电量的计算方法及系统。

背景技术

风力发电作为清洁可再生能源，其发展有利于缓解全球能源危机与环境问题，近年来成为新的发展趋势。风电场有时由于调度限电和停机检修等原因限制出力，该现象一般称为“弃风”。

随着我国风电的快速发展，近年来风电场弃风现象较为严重，特别是风能资源较好的西北地区，造成了大量的电能损失。弃风时段，假设风电机组/风电场未限制出力，则应有的输出功率一般称为“理论功率”。评估弃风电量，必须依据理论功率，因而如何科学、准确地计算理论功率日益受到业内的关注。

理论功率的计算方法主要可分为三类：标杆风电机组法、测风塔数据法、机舱风速法。标杆风电机组法是在风电场挑选数台能全面代表风电场整体出力的风电机组，非弃风时段求解标杆风电机组与整个风电场出力的比例系数；弃风时段，标杆风电机组不受限，并根据标杆风电机组出力与比例系数计算整个风电场的理论功率。标杆风电机组法适用于地形简单、风电机组排布规则的风电场，对于复杂地形、风电机组不规则排布的风电场，理论功率计算精度有限。测风塔数据法：采用功率曲线、神经网络、物理方法等方法，在非弃风时段建立测风塔数据与风电场出力的映射关系；在弃风时段，基于测风塔测量数据与映射关系计算风电场的理论功率。该方法以整个风电场为对象，存在过度简化问题；此外，物理方法计算模型或参数一旦选取不当，计算结果易出现较大的系统性偏差。机舱风速法：以单台风电机组作为计算对象，针对每台风电机组，在非弃风时段建立机舱风速与风电机组出力的映射关系；在弃风时段，基于机舱风速计测量风速与映射关系计算每台风电机组的理论功率，再累加得到整个风电场的理论功率。该方法由于机舱风速计位于风电机组叶轮下风向，测量结果波动性较大，导致理论功率计算结果也波动较大。

此外，理论功率与弃风电量计算的难点之一是如何自动、准确区分正常运行时段与弃风时段。理论功率与弃风电量计算由于数据量大，要求实时输出结果，因而实际应用中多为系统自动计算，这就要求系统能自动区分风电机组和风电场的正常运行时段与弃风时段。然而，弃风有多种原因，如调度限出力、风电机组故障和检修、高风速下风电机组切出等，其中限出力多为人为指令，不易自动转化成数值信号。

现阶段已有的风电场理论功率与弃风电量计算方法，主要包括：基于测风塔和机舱风速计两种方式。

测风塔数据的优点是受风电场及其周边障碍物的影响较小，测量结果较为可靠；缺点是测风塔位置处的风速与风电机组位置处的风速并不相同，在地形复杂、距离较远的情况下甚至差异较大。如果以测风塔的测量结果代表整个风电场的风况，存在过度简化的问题；如果采用物理方法，通过大气流场模拟，将测风塔位置处的风速推算到每台风电机组，其计算难度较高，模型及参数设置稍有不当，都将导致计算结果出现系统性偏差。

机舱风速计的测量风速，优点是能够代表风电机组位置处的局地风况；缺点是由于其位于风电机组叶片下风向，风电机组叶片旋转对其影响较大，因而风速测量结果波动性较强，对理论功率计算结果的准确性影响较大。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种用于计算风电场弃风电量的方法及系统。

本发明提供了一种用于计算风电场弃风电量的方法，包括：

基于机舱风速与风机出力确定机舱风速功率曲线；根据机舱风速功率曲线确定弃风时段；根据弃风时段的机舱风速与机舱风速功率曲线，得到弃风时段的风电机组理论功率；根据风电机组理论功率与弃风时段确定风电场弃风时段的理论电量；根据理论电量与实际电量得到弃风电量。

机舱风速功率曲线由pc表示，满足：

式中：p_rated为额定输出功率，C_p为风能利用系数，ρ为空气密度，R为风轮半径，v_in为切入风速，v_rated为额定风速，v_out为切出风速，v_s为实际风速。

弃风时段的风电机组理论功率由p表示，满足：

式中：v为机舱风速。

确定机舱风速功率曲线还包括：采用测风塔测量风速对机舱风速进行修正。

采用测风塔测量风速对机舱风速进行修正包括：

基于测量时刻将测风塔测量风速与机舱风速计测量风速对应，绘制风机散点图,建立条带，对位于条带以外的机舱风速数据点用下式进行修正：：v_nacelle＝av_mast+b；式中：v_nacelle为修正后的机舱风速，v_mast为测风塔测量风速、a为线性函数的斜率、b为线性函数的截距。

根据机舱风速功率曲线确定弃风时段包括：机舱风速功率曲线向左上平移得到上限s₁，机舱风速功率曲线向右下平移得到下限s₂，确定机舱风速功率曲线中位于上限s₁和下限s₂之外的点为离散点，离散点对应的时刻为弃风时段。

根据风电机组理论功率与弃风时段确定风电场弃风时段的理论电量包括：将风电机组理论功率进行累加，得到弃风时段风电场的理论功率；将弃风时段风电场的理论功率在时间上进行积分得到确定风电场弃风时段的理论电量。

一种用于计算风电场弃风电量的系统包括：第一确定模块，基于机舱风速与风机出力确定机舱风速功率曲线；第二确定模块，根据机舱风速功率曲线确定弃风时段；第一计算模块，根据弃风时段的机舱风速与机舱风速功率曲线，得到弃风时段的风电机组理论功率；第三确定模块，根据风电机组理论功率与弃风时段确定风电场弃风时段的理论电量；第二计算模块，根据理论电量与实际电量得到弃风电量。

机舱风速功率曲线由pc表示，满足：

式中：p_rated为额定输出功率，C_p为风能利用系数，ρ为空气密度，R为风轮半径，v_in为切入风速，v_rated为额定风速，v_out为切出风速，v_s为实际风速。

弃风时段的风电机组理论功率由P表示，满足：

式中：v为机舱风速。

确定机舱风速功率曲线还包括：采用测风塔测量风速对机舱风速进行修正。

采用测风塔测量风速对机舱风速进行修正包括：

基于测量时刻将测风塔测量风速与机舱风速计测量风速对应，绘制风机散点图,建立条带，对位于条带以外的机舱风速数据点用下式进行修正：v_nacelle＝av_mast+b；

式中：v_nacelle为修正后的机舱风速、v_mast为测风塔测量风速、a为线性函数的斜率、b为线性函数的截距。

根据机舱风速功率曲线确定弃风时段包括：机舱风速功率曲线向左上平移得到上限s₁，机舱风速功率曲线向右下平移得到下限s₂，确定机舱风速功率曲线中位于上限s₁和下限s₂之外的点为离散点，离散点对应的时刻为弃风时段。

根据风电机组理论功率与弃风时段确定风电场弃风时段的理论电量包括：将风电机组理论功率进行累加，得到弃风时段风电场的理论功率；将弃风时段风电场的理论功率在时间上进行积分得到确定风电场弃风时段的理论电量。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

1、本发明利用机舱风速功率曲线自动识别风电机组的正常运行时段与弃风时段，进而结合机舱风速自动计算弃风时段风电机组理论能产生的电量与实际电量的差来计算弃风电量从而有效提高弃风电量计算的智能性与科学性；

2、本发明基于机舱风速与风电机组出力确定机舱风速功率曲线，根据机舱风速功率曲线确定弃风时段，提高了理论功率与弃风电量计算的智能性和适用性；

3、本发明利用不同来源测风数据的优势，即测风塔风速的稳定性、机舱风速与风电机组出力的一致性，提高了理论功率计算中风速数据的可靠性，同时能自动识别风电机组的正常运行时段与弃风时段，从而有效提高理论功率与弃风电量计算的准确性与智能性。

附图说明

图1是本发明的机舱风速、测风塔风速与风电机组功率的一致性比较图；

图2是本发明的双来源风速弃风电量计算方法框架图；

图3是本发明测风塔、机舱风速计测量风速的对应关系；

图4是本发明修正后机舱风速与风电机组出力的对应关系。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明：

如图1所示，本发明提出采用功率曲线法实现自动区分风电机组正常运行时段与弃风时段的问题，正常运行时段，风电机组的输出功率与风速对应点集中于功率曲线附近；弃风时段，对应点偏离功率曲线较远，称为“离散点”，如能自动识别出这些离散点，即可自动区分正常运行时段与弃风时段。

如图2所示，本发明的核心思想：利用测风塔的测量风速，识别机舱风速计测量风速中波动较大的值；基于机舱风速计测量风速或修正后的机舱风速与风电机组出力的对应关系，自动区分风电机组的正常运行时段与弃风时段，在此基础上进行理论功率与弃风电量计算，具体包含如下步骤：

1)借助测风塔的测量风速，识别并修正机舱风速中高波动值；

如图3所示，依据测量时刻，将测风塔的测量风速与机舱风速计测量风速相对应，绘制散点图，图中大部分数据点呈线性分布，集中于一条近似45°的斜线L上，少量数据点较为离散，距离L较远。

●采用线性函数对数据进行拟合，可得到L的函数表达式：

v_nacelle＝av_mast+b (1)

式中：v_nacelle为机舱风速计测量风速；v_mast为测风塔测量风速；a为线性函数的斜率；b为线性函数的截距。

●识别大波动机舱风速

沿斜线L，设置适当距离c₁和c₂，构造条带，条带以外的点即为离散点，也就是机舱风速值波动较大的数据点。

●修正大波动机舱风速

针对离散点，基于测风塔的风速数据，根据L线的函数关系可得到对应的机舱风速值，即为修正后机舱风速。

计算方法：采用公式(1)，其中a、b已知，v_mast为离散点对应的测风塔风速，v_nacelle可解，即为修正后机舱风速。

以上工作，采用依据低频波过滤高频波的方法，识别并修正机舱风速计测量风速中的大波动数据，从而提高了用于理论功率计算的风速数据的可靠性。

2)对修正后的机舱风速与风电机组出力建立对应关系，拟合得到“机舱风速功率曲线”；同时识别出远离功率曲线的离散点，这些离散点对应的时刻为弃风时段；

如图4所示，针对修正后的机舱风速与风电机组出力建立对应关系，绘制散点图。由于风向差异、空气密度、风电机组惯性等影响，数据点形成具有一定宽度的条带。对数据进行拟合，可得到满足公式(2)的功率曲线pc，pc称为“机舱风速功率曲线”，功率曲线指风电机组输出功率和风速的对应曲线。其向左、向上平移pc得到上限s₁；向右、向下向右平移pc得到下限s₂。s₁和s₂以外的点判定为弃风时段。

式中：p_rated为额定输出功率，C_p为风能利用系数，ρ为空气密度，R为风轮半径，v_in为切入风速，v_rated为额定风速，v_out为切出风速，v_s为实际风速。

3)针对弃风时段，利用机舱风速数据与机舱风速功率曲线，求解风电机组理论功率；

弃风时段，根据修正后机舱风速与功率曲线pc，得到风电机组的理论功率。说明如下：对于拟合得到的功率曲线pc，公式(2)中v_s为输入量，其它参数已知。弃风时段，采用公式(2)，将修正后机舱风速作为v_s，即可得到p，p即为理论功率。

4)弃风时段，累加全部风电机组的理论功率，得到风电场弃风时段的理论功率。

5)计算风电场理论电量与弃风电量

弃风时段，理论功率在时间上进行积分，得到风电场弃风时段的理论电量。风电场理论电量与实际电量之差，即为弃风电量。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种用于计算风电场弃风电量的系统，下面进行说明。

本发明提供的系统包括：第一确定模块，基于机舱风速与风机出力确定机舱风速功率曲线；第二确定模块，根据机舱风速功率曲线确定弃风时段；第一计算模块，根据弃风时段的机舱风速与机舱风速功率曲线，得到弃风时段的风电机组理论功率；第三确定模块，根据风电机组理论功率与弃风时段确定风电场弃风时段的理论电量；第二计算模块，根据理论电量与实际电量得到弃风电量。

机舱风速功率曲线由pc表示，满足：

式中：p_rated为额定输出功率，C_p为风能利用系数，ρ为空气密度，R为风轮半径，v_in为切入风速，v_rated为额定风速，v_out为切出风速，v_s为实际风速。

弃风时段的风电机组理论功率由P表示，满足：

式中：v为机舱风速。

确定机舱风速功率曲线还包括：采用测风塔测量风速对机舱风速进行修正。

采用测风塔测量风速对机舱风速进行修正包括：

基于测量时刻将测风塔测量风速与机舱风速计测量风速对应，绘制风机散点图,建立条带，对位于条带以外的机舱风速数据点用下式进行修正：v_nacelle＝av_mast+b；

式中：v_nacelle为修正后的机舱风速、v_mast为测风塔测量风速、a为线性函数的斜率、b为线性函数的截距。

根据机舱风速功率曲线确定弃风时段包括：机舱风速功率曲线向左上平移得到上限s₁，机舱风速功率曲线向右下平移得到下限s₂，上限s₁和下限s₂之外的点为离散点，离散点对应的时刻为弃风时段。

风电场弃风时段的理论电量为：将风电机组理论功率进行累加，得到弃风时段风电场的理论功率；将弃风时段风电场的理论功率在时间上进行积分得到确定风电场弃风时段的理论电量。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (14)

1.一种用于计算风电场弃风电量的方法，其特征在于，所述方法包括：

基于机舱风速与风机出力确定机舱风速功率曲线；

根据所述机舱风速功率曲线确定弃风时段；

根据所述弃风时段的机舱风速与所述机舱风速功率曲线，得到所述弃风时段的风电机组理论功率；

根据所述风电机组理论功率与所述弃风时段确定风电场弃风时段的理论电量；

根据所述理论电量与实际电量得到弃风电量。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述机舱风速功率曲线由pc表示，满足：

式中：p_rated为额定输出功率，C_p为风能利用系数，ρ为空气密度，R为风轮半径，v_in为切入风速，v_rated为额定风速，v_out为切出风速，v_s为实际风速。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述弃风时段的风电机组理论功率由p表示，满足：

式中：v为机舱风速。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定机舱风速功率曲线，还包括：

采用测风塔测量风速对所述机舱风速进行修正。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，采用测风塔测量风速对所述机舱风速进行修正包括：

基于测量时刻将所述测风塔测量风速与机舱风速计测量风速对应，绘制风机散点图,建立条带，对位于所述条带以外的机舱风速数据点

用下式进行修正：

v_nacelle＝av_mast+b；

式中：v_nacelle为修正后的机舱风速，v_mast为测风塔测量风速、a为线性函数的斜率、b为线性函数的截距。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述机舱风速功率曲线确定弃风时段包括：

所述机舱风速功率曲线向左上平移得到上限s₁，所述机舱风速功率曲线向右下平移得到下限s₂，确定所述机舱风速功率曲线中位于所述上限s₁和所述下限s₂之外的点为离散点，所述离散点对应的时刻为所述弃风时段。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述风电机组理论功率与所述弃风时段确定风电场弃风时段的理论电量包括：

将所述风电机组理论功率进行累加，得到所述弃风时段风电场的理论功率；

将所述弃风时段风电场的理论功率在时间上进行积分得到确定风电场弃风时段的理论电量。

8.一种用于计算风电场弃风电量的系统，其特征在于，所述系统包括：

第一确定模块，基于机舱风速与风机出力确定机舱风速功率曲线；

第二确定模块，根据所述机舱风速功率曲线确定弃风时段；

第一计算模块，根据所述弃风时段的机舱风速与所述机舱风速功率曲线，得到所述弃风时段的风电机组理论功率；

第三确定模块，根据所述风电机组理论功率与所述弃风时段确定风电场弃风时段的理论电量；

第二计算模块，根据所述理论电量与实际电量得到弃风电量。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述机舱风速功率曲线由pc表示，满足：

式中：p_rated为额定输出功率，C_p为风能利用系数，ρ为空气密度，R为风轮半径，v_in为切入风速，v_rated为额定风速，v_out为切出风速，v_s为实际风速。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述弃风时段的风电机组理论功率由P表示，满足：

式中：v为机舱风速。

11.如权利要求8所述的系统，其特征在于，确定机舱风速功率曲线，还包括：

采用测风塔测量风速对所述机舱风速进行修正。

12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，采用测风塔测量风速对所述机舱风速进行修正包括：

基于测量时刻将所述测风塔测量风速与机舱风速计测量风速对应，绘制风机散点图,建立条带，对位于所述条带以外的机舱风速数据点用下式进行修正：

用下式修正所述机舱风速：

v_nacelle＝av_mast+b；

式中：v_nacelle为修正后的机舱风速、v_mast为测风塔测量风速、a为线性函数的斜率、b为线性函数的截距。

13.如权利要求8所述的系统，其特征在于，根据所述机舱风速功率曲线确定弃风时段包括：

所述机舱风速功率曲线向左上平移得到上限s₁，所述机舱风速功率曲线向右下平移得到下限s₂，确定所述机舱风速功率曲线中位于所述上限s₁和所述下限s₂之外的点为离散点，所述离散点对应的时刻为所述弃风时段。

14.如权利要求8所述的系统，其特征在于，根据所述风电机组理论功率与所述弃风时段确定风电场弃风时段的理论电量包括：

将所述风电机组理论功率进行累加，得到所述弃风时段风电场的理论功率；

将所述弃风时段风电场的理论功率在时间上进行积分得到确定风电场弃风时段的理论电量。