CN109325248A - 风电场内立体式风速分布关联图建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种建立风电场内立体式风速分布关联图的方法，具体步骤为：读入置坐标参数和风速、风向参数，进行风速空间分布特性分析；根据测风塔观测风速(风电场区域)计算每台风机的风速；进行基于平均风速模拟的风速时间分布特性分析，结合轮毂风速模型输入轮毂高度处分钟到小时级平均风速，输出由平均风速叠加白噪声产生的风机轮毂高度处风速秒级时间序列；结合上述分析结果建立风电场内立体式风速分布关联图。本发明公开的方法在电力系统的风电场内提高了空间解析精度和时间尺度的精确性，能够建立风电场内立体式风速分布关联图，能够精确获取风电场内部风速，真实地反映风电场实际功率的变化规律。

Description

风电场内立体式风速分布关联图建立方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及空尾流效应、尾流模型、风速时间分布特性等内容，尤其涉及一种风电场内立体式风速分布关联图建立方法。

背景技术

随着风力发电的大规模开发，风电给电网安全运行和调度控制等带来巨大挑战，为电力系统提供精确的风电场功率输出对电力安全生产至关要。基于历史功率数据的风电功率模，受电网侧限出力影响，无法真实反映风电场实际功率的变化规律。基于风速预测的风电功率建模，风速模型的建立尤为关键。故风电场内立体式风速分布关联图的建立显得日趋重要。

影响风电场功率输出的主要因素一般有：风机分布和地形、风速及风向、风机机械特性以及风机控制运行状态。其中，风机分布和地形主要影响风电场内部大气流动，导致各风机轮毂高度处输入风速的不同，进而影响风速的空间分布特性。而平均风速、风向及风机布置主要影响风电场内风机间的时间延迟。由于风机机械特性(桨叶的旋转采样、转轴惯量以及风机塔影效应)的影响，风机轮毂高度处和转轴处的输入风速是不同的。

另外，由于成本限制，风电场建设前进行风能评估时，风速监测一般只精确到风电场级和分钟到小时级；风电场实际运行时，风速预报的空间精度和时间精度也不高。空间解析精度的提高有利于模拟复杂地形处的风速时程；而时间尺度的精确有利于满足调度控制需求。所以风电场内部风速的精确获取是整个系统是否能准确稳定运行的核心所在。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种建立风电场内立体式风速分布关联关系的方法，通过进行基于尾流模型的风速空间分布特性分析和基于平均风速模拟的风速时间分布特性分析，能够提高空间解析精度和时间尺度，利于模拟复杂地形处的风速时程、满足调度控制需求，精确获取风电场内部风速。

为实现上述目的，本发明提供了一种建立风电场内立体式风速分布关联关系的方法，精确获取风电场内部风速，所述方法包括如下步骤：

步骤1.进行基于Jensen尾流模型的风速空间分布特性分析，具体过程为：

读入风电场位置坐标参数和风速、风向；

读入所述尾流模型公式计算x处尾流影响半径；

导入所述尾流影响半径，根据动量定理得到两台风机之间的尾流模型；

根据所述两台风机之间的尾流模型，模拟风电场和风电场群中多台风机间的尾流模型及尾流影响下的各风机平均输入风速；

定义第k台风机对第j台风机的尾流影响因数；

集合所有风机对风机j的尾流影响，导入所述尾流影响因数，计算第j台风机的平均风速。

步骤2.基于平均风速模拟的风速时间分布特性分析，具体过程为：

进一步地，通过步骤1中所述尾流模型，根据测风塔观测风速计算轮毂高度处平均风速，一般即10min到1h内的平均风速；

导入上述轮毂高度处平均风速，导入等效风速模型，模拟10～20min内的风机转轴处等效风速；

特别地，导入转子位置角，还可模拟因桨叶旋转采样产生的不同的湍流幅值。

步骤3.根据上述步骤2中所述的平均风速计算方法计算各风机转轴处的等效风速，获得风电场内风速分布图。

进一步地，所述步骤1中所述进行基于Jensen尾流模型的风速空间分布特性分析时，假设风机背面尾流为线性扩张，在距离上游风机x处，尾流影响半径满足：

r(x)＝r_rot+mx (1)

其中：为x处尾流影响半径；为上游风机桨叶半径；x为两台风机间的距离；m＝tana，a为线性扩张角,取值与地形有关，一般陆地上tan a＝0.04。

自然风经过上游风机后，下游风机接收的风速包括尾流风速分量v_ω(x)和自然风速v分量，根据动量定理，得到：

πr_rot ²v_ω0+π(r²(x)-r_rot ²)v₀＝πr²(x)v_ω(x) (2)

其中：v_ω(x)表示受上游风机影响，其下游x处的尾流风速。由(1)、(2)俩式可得到两台风机之间的尾流模型：

设风电场中有N台风机，区域内测风塔自然风速为v0，定义第k台风机对第j台风机的尾流影响因数为：

其中：A_{shad_ik}为风机k在风机j处的投影面积；风机桨叶扫风面积。集合所有风机对风机j的尾流影响，由：

其中：v_Tj为所述第j台风机的平均风速；v_{vake_Tk}为根据式(3)计算出的第k台风机的尾流风速。

进一步地，在所述步骤2中所述基于平均风速模拟的风速时间分布特性分析时，通过步骤1所述尾流模型可测得轮毂高度处平均风速。

进一步地，在所述步骤2中所述基于平均风速模拟的风速时间分布特性分析时，将轮毂高度处平均风速导入轮毂风速模型，可将分钟到小时级平均风速v_m，输出为由平均风速叠加白噪声产生的风机轮毂高度处风速秒级时间序列v_hub。

进一步地，在步骤2中所述基于平均风速模拟的风速时间分布特性分析时，所述转轴风速模型的输入为轮毂高度处风速v_hub以及转子位置角Qr，输出为考虑湍流、旋转采样及风轮空间平均效应后的风机转轴处等效风速秒级时间序列V_wind。

进一步地，所述方法特别地忽略了塔架的影响。同样的忽略了风电场内时延效应，使得模型更加简化。

附图说明

图1是本发明一较佳实施例的建立风电场内立体式风速分布关联图的方法流程示意图。

图2是本发明中等效风速模型结构转化示意图。

具体实施方式

下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

一种建立风电场内立体式风速分布关联关系的方法，精确获取风电场内部风速，所述方法包括如下步骤：

步骤1.进行基于Jensen尾流模型的风速空间分布特性分析，具体过程为：

读入风电场位置坐标参数和风速、风向；

读入所述尾流模型公式计算x处尾流影响半径；

导入所述尾流影响半径，根据动量定理得到两台风机之间的尾流模型；

根据所述两台风机之间的尾流模型，模拟风电场和风电场群中多台风机间的尾流模型及尾流影响下的各风机平均输入风速；

定义第k台风机对第j台风机的尾流影响因数；

集合所有风机对风机j的尾流影响，导入所述尾流影响因数，计算第j台风机的平均风速。

步骤2.基于平均风速模拟的风速时间分布特性分析，具体过程为：

进一步地，通过步骤1中所述尾流模型，根据测风塔观测风速计算轮毂高度处平均风速，一般即10min到1h内的平均风速；

导入上述轮毂高度处平均风速，导入等效风速模型，模拟10～20min内的风机转轴处等效风速；

特别地，导入转子位置角，还可模拟因桨叶旋转采样产生的不同的湍流幅值。

步骤3.根据上述步骤2中所述的平均风速计算方法计算各风机转轴处的等效风速，获得风电场内风速分布图。

进一步地，所述步骤1中所述进行基于Jensen尾流模型的风速空间分布特性分析时，假设风机背面尾流为线性扩张，在距离上游风机x处，尾流影响半径满足：

r(x)＝r_rot+mx (1)

其中：为x处尾流影响半径；为上游风机桨叶半径；x为两台风机间的距离；m＝tana，a为线性扩张角,取值与地形有关，一般陆地上tan a＝0.04。

自然风经过上游风机后，下游风机接收的风速包括尾流风速分量v_ω(x)和自然风速v分量，根据动量定理，得到：

πr_rot ²v_ω0+π(r²(x)-r_rot ²)v₀＝πr²(x)v_ω(x) (2)

其中：v_ω(x)表示受上游风机影响，其下游x处的尾流风速。由(1)、(2)俩式可得到两台风机之间的尾流模型：

设风电场中有N台风机，区域内测风塔自然风速为v0，定义第k台风机对第j台风机的尾流影响因数为：

其中：A_{shad_ik}为风机k在风机j处的投影面积；风机桨叶扫风面积。集合所有风机对风机j的尾流影响，由：

其中：v_Tj为所述第j台风机的平均风速；v_{vake_Tk}为根据式(3)计算出的第k台风机的尾流风速。

进一步地，在所述步骤2中所述基于平均风速模拟的风速时间分布特性分析时，通过步骤1所述尾流模型可测得轮毂高度处平均风速。

进一步地，在所述步骤2中所述基于平均风速模拟的风速时间分布特性分析时，将轮毂高度处平均风速导入轮毂风速模型，可将分钟到小时级平均风速v_m，输出为由平均风速叠加白噪声产生的风机轮毂高度处风速秒级时间序列v_hub。

进一步地，在步骤2中所述基于平均风速模拟的风速时间分布特性分析时，所述转轴风速模型的输入为轮毂高度处风速v_hub以及转子位置角Qr，输出为考虑湍流、旋转采样及风轮空间平均效应后的风机转轴处等效风速秒级时间序列V_wind。

进一步地，所述方法特别地忽略了塔架的影响。同样的忽略了风电场内时延效应，使得模型更加简化。

以上实施例公开的在一种建立风电场内立体式风速分布关联关系的方法，本发明属于电力系统技术领域，涉及到空尾流效应、尾流模型、风速时间分布特性等内容，既能够提高空间解析精度，模拟复杂地形处的风速时程；又能精确时间尺度，有利于满足调度控制需求。基于上述两方面实现精确获取风电场内部风速，建立风电场内立体式风速分布关联图。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种风电场内立体式风速分布关联图建立方法，涉及到空尾流效应、尾流模型、风速时间分布特性等内容，能够提高空间解析精度和时间尺度，精确获取风电场内部风速，真实地反映风电场实际功率的变化规律，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1.进行基于Jensen尾流模型的风速空间分布特性分析，具体过程为：

读入风电场位置坐标参数和风速、风向；

读入所述尾流模型公式计算x处尾流影响半径；

导入所述尾流影响半径，根据动量定理得到两台风机之间的尾流模型；

根据所述两台风机之间的尾流模型，模拟风电场和风电场群中多台风机间的尾流模型及尾流影响下的各风机平均输入风速；

定义第k台风机对第j台风机的尾流影响因数；

集合所有风机对风机j的尾流影响，导入所述尾流影响因数，计算第j台风机的平均风速。

步骤2.基于平均风速模拟的风速时间分布特性分析，具体过程为：

通过步骤1中所述尾流模型，根据测风塔观测风速计算轮毂高度处平均风速，一般即10min到1h内的平均风速；

导入上述轮毂高度处平均风速，导入等效风速模型，模拟10～20min内的风机转轴处等效风速；

特别地，导入转子位置角，还可模拟因桨叶旋转采样产生的不同的湍流幅值。

步骤3.根据上述步骤2中所述的平均风速计算方法计算各风机转轴处的等效风速，获得风电场内风速分布图。

2.如权利要求1所述的风电场内立体式风速分布关联图建立方法，其特征在于，所述步骤1中所述进行基于Jensen尾流模型的风速空间分布特性分析时，假设风机背面尾流为线性扩张，在距离上游风机x处，尾流影响半径满足：

r(x)＝r_rot+mx (1)

其中：为x处尾流影响半径；为上游风机桨叶半径；x为两台风机间的距离；m＝tan a，a为线性扩张角,取值与地形有关，一般陆地上tan a＝0.04。

自然风经过上游风机后，下游风机接收的风速包括尾流风速分量v_ω(x)和自然风速v分量，根据动量定理，得到：

πr_rot ²v_ω0+π(r²(x)-r_rot ²)v₀＝πr²(x)v_ω(x) (2)

其中：v_ω(x)表示受上游风机影响，其下游x处的尾流风速。由(1)、(2)俩式可得到两台风机之间的尾流模型：

设风电场中有N台风机，区域内测风塔自然风速为v0，定义第k台风机对第j台风机的尾流影响因数为：

其中：A_{shad_ik}为风机k在风机j处的投影面积；风机桨叶扫风面积。集合所有风机对风机j的尾流影响，由：

其中：v_Tj为所述第j台风机的平均风速；v_{vake_Tk}为根据式(3)计算出的第k台风机的尾流风速。

3.如权利要求1所述的风电场内立体式风速分布关联图建立方法，其特征在于，所述步骤2中所述基于平均风速模拟的风速时间分布特性分析时，通过步骤1所述尾流模型可测得轮毂高度处平均风速。

4.如权利要求1所述的风电场内立体式风速分布关联图建立方法，其特征在于，所述步骤2中所述基于平均风速模拟的风速时间分布特性分析时，将轮毂高度处平均风速导入轮毂风速模型，可将分钟到小时级平均风速v_m，输出为由平均风速叠加白噪声产生的风机轮毂高度处风速秒级时间序列v_hub。

5.如权利要求1所述的风电场内立体式风速分布关联图建立方法，其特征在于，所述步骤2中所述基于平均风速模拟的风速时间分布特性分析时，所述转轴风速模型的输入为轮毂高度处风速v_hub以及转子位置角Qr，输出为考虑湍流、旋转采样及风轮空间平均效应后的风机转轴处等效风速秒级时间序列V_wind。

6.如权利要求1所述的风电场内立体式风速分布关联图建立方法，其特征在于，所述方法特别地忽略了塔架的影响。同样的忽略了风电场内时延效应，使得模型更加简化。