CN109766611A - 一种考虑地形坡度的风电场功率简化预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑地形坡度的风电场功率简化预测方法，该方法针对建设于一定坡度地理位置的风电场，根据坡度的大小所处的范围所带来的相邻风机之间尾流影响的不同，分别建立四种风电场功率输出的数学模型来预测整个风电场的功率。本发明采用了连续型三参数的Logistic函数对风机的输出功率进行建模，并考虑了风速随海拔高度的变化带来的影响，因而所得预测结果准确，且大大减少了预测过程所需的计算量。

Description

一种考虑地形坡度的风电场功率简化预测方法

技术领域

本发明属于电力系统新能源发电技术领域，尤其涉及一种考虑地形坡度的风电场功率简化预测方法。

背景技术

随着当前能源危机的不断加剧和环境问题的日益凸显，可再生能源发电技术受到了世界各国学术界和工业界的广泛关注。其中，风力发电技术以其清洁和易获得的特性，在过去的几十年中得到了飞速的发展。随着风能开发利用的日趋广泛，为了节约土地资源和建设成本，众多风电机组被安装在同一风电场内，每个风电场内机组数量从几十至数百台不等。

准确的风电场输出功率预测是获得合理风电场年发电量计算结果的前提。风电场的输出功率往往受到如尾流效应、风机的地理位置等诸多因素的影响。其中伴随着风电场中机组数量的增加，尾流效应成为影响风电场整体输出功率的主要因素之一。对于尾流效应的计算复杂度较高，同时，风机功率-风速(P-v)曲线通常被视为分段函数，因而导致了风电场输出功率预测时计算量大、计算复杂度高的特点，为工程应用带来了不便。

此外，目前在建立风电场输出功率模型时，大多数研究只考虑了布局在平坦地面的风电场，而实际工程中，随着平坦地区的土地资源被逐渐开发殆尽，风电场的建设将逐步扩展至具有一定坡度的山区。因此，现有的风电场功率预测方法在山区风电场应用中所得的结果往往不准确，容易与实际值产生较大偏差。

发明内容

发明目的：针对现有的技术存在的上述问题，提供一种考虑地形坡度的风电场功率简化计算方法。

技术方案：本发明的考虑地形坡度的风电场功率简化预测方法包括如下步骤：(1)确定风电场所处位置的坡度；(2)根据所处位置坡度确定风电场的风机阵列中下游风机的风轮叶片与上游风机尾流的相对位置关系；(3)根据所述相对位置关系预测风电场的功率。

步骤(1)进一步包括：基于风电场所处位置的坡高H和坡长L确定坡度s：

步骤(2)进一步包括：(21)确定下游风机的风轮叶片恰好完全位于相邻上游风机尾流之内时的第一临界坡度值s₁和下游风机的风轮叶片恰好完全位于相邻上游风机尾流之外的第二临界坡度值s₂；(22)基于坡度s、第一临界坡度值s₁和第二临界坡度值s₂确定所述相对位置关系：

当s＝0时，下游风机的风轮叶片全部处于相邻上游风机的尾流中且所有风机所处高度相同，此时对应第一位置关系；

当0＜s≤K时，下游风机的风轮叶片全部处于相邻上游风机的尾流中且下游风机所处高度逐行上升，此时对应第二位置关系；

当时，下游风机的风轮叶片部分处于相邻上游风机的尾流中且下游风机所处高度逐行上升，此时对应第三位置关系；

当时，下游风机的风轮叶片完全处于相邻上游风机的尾流之外且下游风机所处高度逐行上升，此时对应第四位置关系。

步骤(21)中，第一临界坡度值s₁为风机的尾流下降系数K，第二临界坡度值s₂为其中R_r为风机的扇叶半径R_r，d_row为风机水平间距。

步骤(3)中，通过以下方式预测第一位置关系时的风电场功率P_WF0：

其中，v₀为测风点的风速，m为风机的行数，n为风机的列数，P_r为风机的额定功率，C_t为风机的推力系数，d_row为风机水平间距，v_ip为风机功率曲线拐点处对应的风速，s_ip为风机功率曲线拐点处的斜率即

步骤(3)中，通过以下方式预测第二位置关系时的风电场功率P_WF1：

其中，v₀为测风点的风速，m为风机的行数，n为风机的列数，P_r为风机的额定功率，C_t为风机的推力系数，v_ip为风机功率曲线拐点处对应的风速，s_ip为风机功率曲线拐点处的斜率即z_ref为测风点高度，α_h为风速随高度变化系数。

步骤(3)中，通过以下方式预测第三位置关系时的风电场功率P_WF2：

R_w＝R_r+K·d_row，

d_h＝d_row·s,

其中，v₀为测风点的风速，m为风机的行数，n为风机的列数，P_r为风机的额定功率，C_t为风机的推力系数，v_ip为风机功率曲线拐点处对应的风速，s_ip为风机功率曲线拐点处的斜率即z_ref为测风点高度，α_h为风速随高度变化系数。

步骤(3)中，通过以下方式预测第四位置关系时的风电场功率P_WF3：

其中，v₀为测风点的风速，m为风机的行数，n为风机的列数，P_r为风机的额定功率，v_ip为风机功率曲线拐点处对应的风速，s_ip为风机功率曲线拐点处的斜率即z_ref为测风点高度，α_h为风速随高度变化系数。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1)考虑了地形坡度对风电场功率的影响，因而预测结果更为准确，更符合实际情况；(2)由于建模过程中采用Logistic函数为连续函数，只需要输入风速即可直接计算输出功率，避免了传统风力发电机输出功率的分段函数在计算时需要判断风速大小与切入风速、额定风速和切出风速之间的关系，再选择不同的公式进行计算的复杂性，从而大大减少了预测过程所需的计算量。

附图说明

图1是考虑地形坡度的风电场功率简化计算方法流程图；

图2是风电场位于平坦地面的尾流遮挡示意图；

图3是风电场位于缓坡位置的尾流遮挡示意图；

图4是风电场位于中等坡度位置的尾流遮挡示意图；

图5是风电场位于陡坡位置的示意图；

图6是风机尾流模型图；

图7是尾流与风轮交汇面积计算模型图；

图8是本发明实施例仿真结果图。

具体实施方式

为了加深对本发明的认识和理解，下面结合附图和具体实施方式进一步介绍该方案。

如图1，为了对风电场功率进行预测，首先需要获取预测所需的各项参数的数值。各项参数主要包括：

(1)风机的基本参数：风机的扇叶半径R_r，风机的额定功率P_r，风机的推力系数C_t，风机功率曲线拐点处对应的风速v_ip，风机功率曲线拐点处的斜率

(2)风电场相关参数：风机的行数m，风机的列数n，风机水平间距d_row，测风点高度z_ref，尾流下降系数K。

(3)环境参数：风电场所处位置坡高H，坡长L，测风点的风速v₀，风速随高度变化系数α_h。

在获取完各项参数后，计算风电场所处位置的坡度s，并根据所述坡度s确定风电场的风机阵列中下游风机的风轮叶片与上游风机尾流的相对位置关系。

其中，坡度s的计算公式为：如图6所示，在确定下游风机的风轮叶片与上游风机尾流的相对位置关系时，需要知道风机的尾流半径和上下游相邻风机高度差。其中，尾流半径R_w的计算公式为：R_w＝R_r+K·d_row，上下游相邻风机高度差d_h的计算公式为：d_h＝d_row·s。

(1)当地形为平地时，下游风机的风轮叶片全部处于上游风机的尾流中，且所有风机所处高度相同。如图2所示，满足条件s＝0。此时对应第一种位置关系。

(2)当地形的坡度比较平缓时，下游风机的风轮叶片全部处于上游风机的尾流中。如图3所示，满足关系：d_h≤R_w-R_r，即s≤K。此时对应第二种位置关系。

(3)当地形的坡度为中等坡度时，下游风机的的风轮叶片部分处于上游风机的尾流中。如图4所示，满足关系：R_w-R_r＜d_h≤R_w+R_r，即此时对应第三种位置关系。

(4)当地形的坡度比较陡峭时，下游风机的风轮叶片完全处于上游风机的尾流之外。如图5所示，满足关系：d_h＞R_w+R_r，即此时对应第四种位置关系。

因此，可以将K视为第一临界值s₁，将视为第二临界值s₂，在求得坡度s后，将s的值与s₁和s₂进行比较，确定出下游风机的风轮叶片与上游风机尾流的相对位置关系是属于四种位置关系中的哪一种。

之后，基于相对位置关系预测风电场的功率。在预测各种相对位置关系对应的功率时，需要先计算好相关中间参数。以下针对不同相对位置关系说明对应的中间参数的计算方式：

(1)当地形为平地(对应第一种位置关系)，即s＝0时，如图2所示，下游风机的风轮叶片全部处于上游风机的尾流中，且所有风机所处高度相同。下游风机处的风速计算如下：

其中，x为上游风机和下游风机的水平间距。

则第i台风机的尾流系数为：

第i台风机处的风速为：

v_i＝v₀ξⁱ i＝1,…,m (3)

第一种位置关系所需计算的参数为m行风机尾流系数的平均值，即第一种位置关系时风电场的等效尾流系数ξ_w0，它反映了整个风电场风速受尾流影响而衰减的比率：

(2)当地形的坡度比较平缓(对应第二种位置关系)，即s≤K时，如图3所示，下游风机的风轮叶片全部处于上游风机的尾流中。则下游风机处的风速计算如下：

其中，x＝d_row，z＝d_rows·i(i＝1,2,…,m)。

则第i台风机的尾流系数为：

第i台风机处的风速为：

为了简化表达，将写成如下形式：

第二种位置关系需计算的参数为C₁和第二种位置关系时风电场的等效尾流系数ξ_w1，它反映了整个风电场风速受尾流影响而衰减的比率。参数C₁可按下式计算：

第二种位置关系时风电场的等效尾流系数ξ_w1可按下式计算：

(3)当地形的坡度为中等坡度(对应第三种位置关系)，即时，如图4所示，下游风机的风轮叶片部分处于上游风机的尾流中。如图7所示，尾流和风轮交汇面积A_S根据交汇程度大小可分为两种情况。

第三种位置关系所需计算的参数为交汇面积A_S、参数C₂和第三种位置关系时风电场的等效尾流系数ξ_w2：

交汇面积A_S的计算方法如下：

参数C₂可按下式计算：

第三种位置关系时风电场的等效尾流系数ξ_w2，反映了整个风电场风速受尾流影响而衰减的比率，可按下式计算：

(4)当地形的坡度为陡坡(对应第四种位置关系)，即时，如图5所示，下游风机的风轮叶片完全处于上游风机的尾流之外。此时，只需计算每一行风机所处高度处的风速v_i。

第四种位置关系所需计算的参数为：

在给出各种位置关系情况下的中间参数的表达式后，根据计算出的各种相对位置关系下所需的中间参数预测输出整个风电场的功率。在此预测过程中，采用三参数的Logistic函数作为风力发电机的输出功率计算方式。单个风力发电机的计算方式如下：

其中，v为单个风机轮毂高度处的风速。

该公式中的三个参数为：风机的额定功率P_r，风机功率曲线拐点处对应的风速v_ip和风机功率曲线拐点处的斜率

采用该计算公式的优点是，Logistic函数为连续函数，只需要输入风速即可直接计算输出功率，避免了传统风力发电机输出功率的分段函数在计算时需要判断风速大小与切入风速、额定风速和切出风速之间的关系，再选择不同的公式进行计算的复杂性。

针对位于坡度s的m行n列的风电场，根据s的大小所处的范围，考虑尾流的影响效果，当风正面吹向风电场，测风点风速为v₀时：对于第一、第二和第三种位置关系，由于后排风机全部处于或部分处于前排风机的尾流中，采取等效尾流系数计算法，分别计算出第一、第二或第三种位置关系时整个风电场的等效尾流系数，将各等效尾流系数乘以测风点风速，分别带入风电场输出计算功率公式中，计算出整个风电场的输出功率；对于第四种位置关系，后排风机完全处于前排风机的尾流区域之外，因此，采用直接计算相加法，将各行不同高度处的风速带入风电场输出功率计算公式，再乘以风电场的列数，计算出整个风电场的输出功率。各种相对位置关系下整个风电场的输出功率可以通过以下各式预测得到：

第一位置关系对应的输出功率计算为：

第二位置关系对应的输出功率计算为：

第三位置关系对应的输出功率计算为：

第四位置关系对应的输出功率计算为：

以下通过具体数值计算来进一步说明本发明风电场功率预测方法的优势。表1为预测所需的各项参数：

表1

分别选取四种范围内的坡度s，s＝0时对应第一种位置关系，s＝0.02，s＝0.05，s＝0.07时对应第二种位置关系，s＝0.10，s＝0.12，s＝0.15时对应第三种位置关系，s＝1.8时对应第四种位置关系，仿真结果如图8所示。由图8可知，相同的风机型号和布局形式在相同风速下，所得到的风电场输出功率随坡度的增加而增加。这一方面是由于随着坡度的增大，尾流覆盖面积的减小而带来风速衰减的减小，另一方面是因为随着坡度的增大，风机的高度增加而带来的风速的增大，综合所导致的整个风电场的出力的增加。仿真结果与理论分析一致。

由实施例可知，所提方法模型能有效地针对不同范围的坡度进行风电场输出功率进行计算。

以上详细描述了本发明对仿真模型的实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节。任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种考虑地形坡度的风电场功率简化预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)确定风电场所处位置的坡度；

(2)根据所述坡度确定风电场的风机阵列中下游风机的风轮叶片与上游风机尾流的相对位置关系；

(3)根据所述相对位置关系预测风电场的功率。

2.根据权利要求1所述的考虑地形坡度的风电场功率简化预测方法，其特征在于，步骤(1)进一步包括：基于风电场所处位置的坡高H和坡长L确定坡度s：

3.根据权利要求1所述的考虑地形坡度的风电场功率简化预测方法，其特征在于，步骤(2)进一步包括：

(21)确定下游风机的风轮叶片恰好完全位于相邻上游风机尾流之内时的第一临界坡度值s₁和下游风机的风轮叶片恰好完全位于相邻上游风机尾流之外的第二临界坡度值s₂；

(22)基于坡度s、第一临界坡度值s₁和第二临界坡度值s₂确定所述相对位置关系：

当s＝0时，下游风机的风轮叶片全部处于相邻上游风机的尾流中且所有风机所处高度相同，此时对应第一位置关系；

当0＜s≤K时，下游风机的风轮叶片全部处于相邻上游风机的尾流中且下游风机所处高度逐行上升，此时对应第二位置关系；

当时，下游风机的风轮叶片部分处于相邻上游风机的尾流中且下游风机所处高度逐行上升，此时对应第三位置关系；

当时，下游风机的风轮叶片完全处于相邻上游风机的尾流之外且下游风机所处高度逐行上升，此时对应第四位置关系。

4.根据权利要求3所述的考虑地形坡度的风电场功率简化预测方法，其特征在于，步骤(21)中，第一临界坡度值s₁为风机的尾流下降系数K，第二临界坡度值s₂为其中R_r为风机的扇叶半径，d_row为风机水平间距。

5.根据权利要求1所述的考虑地形坡度的风电场功率简化预测方法，其特征在于，步骤(3)中，通过以下方式预测第一位置关系时的风电场功率P_WF0：

其中，v₀为测风点的风速，m为风机的行数，n为风机的列数，P_r为风机的额定功率，C_t为风机的推力系数，d_row为风机水平间距，v_ip为风机功率曲线拐点处对应的风速，s_ip为风机功率曲线拐点处的斜率即

6.根据权利要求1所述的考虑地形坡度的风电场功率简化预测方法，其特征在于，步骤(3)中，通过以下方式预测第二位置关系时的风电场功率P_WF1：

其中，v₀为测风点的风速，m为风机的行数，n为风机的列数，P_r为风机的额定功率，C_t为风机的推力系数，v_ip为风机功率曲线拐点处对应的风速，s_ip为风机功率曲线拐点处的斜率即z_ref为测风点高度，α_h为风速随高度变化系数。

7.根据权利要求1所述的考虑地形坡度的风电场功率简化预测方法，其特征在于，步骤(3)中，通过以下方式预测第三位置关系时的风电场功率P_WF2：

R_w＝R_r+K·d_row，

d_h＝d_row·s,

其中，v₀为测风点的风速，m为风机的行数，n为风机的列数，P_r为风机的额定功率，C_t为风机的推力系数，v_ip为风机功率曲线拐点处对应的风速，s_ip为风机功率曲线拐点处的斜率即z_ref为测风点高度，α_h为风速随高度变化系数。

8.根据权利要求1所述的考虑地形坡度的风电场功率简化预测方法，其特征在于，步骤(3)中，通过以下方式预测第四位置关系时的风电场功率P_WF3：

其中，v₀为测风点的风速，m为风机的行数，n为风机的列数，P_r为风机的额定功率，v_ip为风机功率曲线拐点处对应的风速，s_ip为风机功率曲线拐点处的斜率即z_ref为测风点高度。