CN111476679A - 根据大气稳定度修正风电机组功率曲线的方法 - Google Patents

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CN111476679A CN202010290728.8A CN202010290728A CN111476679A CN 111476679 A CN111476679 A CN 111476679A CN 202010290728 A CN202010290728 A CN 202010290728A CN 111476679 A CN111476679 A CN 111476679A
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Abstract

本发明公开了一种根据大气稳定度修正风电机组功率曲线的方法，即：S1、建立风电机组轮毂高度处10分钟平均风速
Figure DDA0002450298090000011
10分钟平均输出净功率
Figure DDA0002450298090000012
数据库；S2、计算风电机组轮毂高度处10分钟平均大气稳定度；S3、对风电机组轮毂高度处10分钟平均风速进行初步修正，得到初步修正风速；S4、对初步修正风速再次进行修正，得到轮毂高度处10分钟平均风速的最终修正风速；S5、根据最终修正风速，在数据库中，查找最终修正风速对应的10分钟平均输出净功率，画出风电机组的修正功率曲线。

Description

根据大气稳定度修正风电机组功率曲线的方法
技术领域
本发明涉及一种根据实际环境情况修正风电机组功率曲线的方法，具体地说，本发明涉及一种根据实际环境中大气稳定度修正风电机组功率曲线的方法。本发明属于风力发电领域。
背景技术
在风电项目的可行性研究、机组选型、微观选址等工作中，需要使用风电机组的功率曲线来预测评估项目的年发电量水平。风电机组的功率曲线是指风机轮毂高度处10分钟平均风速和机组输出功率的函数曲线，其是评价风电机组发电性能优劣的重要指标。
通常，风电机组制造商在风电机组出厂时，提供该风电机组的功率曲线。然而，制造商提供的风电机组功率曲线通常是根据环境温度15℃，1个标准大气压，空气密度为1.225kg·m-3的标准工况条件下，计算出的风电机组理论功率曲线。当风电机组安装好后，其实际运行时的自然气候和环境条件，与标准工况存在很大的差异，从而导致风电机组实际功率曲线与制造商提供的理论功率曲线发生偏离。根据投产运行的风电场的统计结果分析，发现风电机组现场实际测量的功率曲线大多要低于制造商提供的理论功率曲线。
最新研究发现，当大气稳定度变化时，其可通过影响湍流、风切变等风场结构参数，改变风电机组在运行过程中的功率曲线，影响幅度可达10％-20％，因此仅采用现场实际测量得到的功率曲线，未对其根据大气稳定度进行修正，则该测量得到的功率曲线难以真实反映风电机组的发电性能的优劣。
发明目的
鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种根据大气稳定度参数对测量得到的功率曲线进行修正的方法，以真实反映风电机组的发电性能。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种根据大气稳定度修正风电机组功率曲线的方法，其包括如下步骤：
S1、建立风电机组轮毂高度处10分钟平均风速
Figure BDA0002450298070000011
和10分钟平均输出净功率
Figure BDA0002450298070000012
数据库；
所述数据库包括风速范围在3-15m·s-1区间，且大于180个小时内的所有10分钟平均风速
Figure BDA0002450298070000013
数据，以及对应的所有10分钟平均输出净功率
Figure BDA0002450298070000014
数据；
S2、计算风电机组轮毂高度处10分钟平均大气稳定度ζ；
Figure BDA0002450298070000021
Figure BDA0002450298070000022
其中，ζ是风电机组轮毂高度处10分钟平均大气稳定度；κ是卡曼常数，取0.4；g是重力加速度，取9.8m·s-2；u′、v′、w′分别是轮毂高度处10分钟纵向、横向和竖向风速脉动量；T′是轮毂高度处10分钟温度脉动量；u*是轮毂高度处10分钟平均摩擦速度；
S3、对风电机组轮毂高度处10分钟平均风速
Figure BDA0002450298070000023
进行初步修正，修正大气环境对风电机组轮毂高度处风速空间分布的影响，得到初步修正风速
Figure BDA0002450298070000024
Figure BDA0002450298070000025
Figure BDA0002450298070000026
其中，
Figure BDA0002450298070000027
是轮毂高度处10分钟平均风速
Figure BDA0002450298070000028
的初步修正风速；z是积分高度；zhub是风电机组轮毂hub处的高度；R是风电机组叶轮半径；u(z)是高度z处10分钟平均风速；
Figure BDA0002450298070000029
轮毂高度处10分钟平均风速；κ是卡曼常数，取0.4；
S4、对初步修正风速
Figure BDA00024502980700000210
再次进行修正，修正大气环境对风电机组轮毂高度处风速时间分布的影响，得到轮毂高度处10分钟平均风速的最终修正风速
Figure BDA00024502980700000211
Figure BDA00024502980700000212
σ＝2.4u*(1-1.6ζ)1/3 (6)
其中，
Figure BDA00024502980700000213
是轮毂高度处10分钟平均风速最终修正值；σ是轮毂高度处10分钟风速标准差；U是积分风速；Urated是风电机组的额定风速；
S5、根据最终修正风速
Figure BDA00024502980700000214
在数据库中，查找最终修正风速
Figure BDA00024502980700000215
对应的10分钟平均输出净功率
Figure BDA00024502980700000216
形成风电机组的修正功率曲线；具体方法为：
将轮毂高度处10分钟平均风速最终修正值
Figure BDA00024502980700000217
划分为一连串区间，每个区间的宽度为0.5m·s-1，求出每个区间的
Figure BDA00024502980700000218
的平均值；
在步骤S1建立的数据库中，找出每个区间
Figure BDA00024502980700000219
平均值对应的10分钟平均输出净功率
Figure BDA00024502980700000220
根据计算出的
Figure BDA00024502980700000221
平均值和10分钟平均输出净功率
Figure BDA00024502980700000222
画出风电机组的功率曲线，获得修正的功率曲线。
可优选地是，建立步骤S1中的数据库的具体方法为：
S1.1、采集风电机组轮毂高度处的实际风速U、温度T、气压B，与实际风速对应的风电机组实际输出净P，以及风电机组的各项状态监控数据；
S1.2、对采集的数据进行处理；
S1.3、对处理后的数据进行再标准化处理；
S1.3.1、计算风电机组轮毂高度处10分钟平均风速u10min、10分钟平均输出净功率p10min、10分钟平均温度
Figure BDA0002450298070000031
10分钟平均气压
Figure BDA0002450298070000032
S1.3.2、计算风电机组轮毂高度处10分钟平均空气密度：
Figure BDA0002450298070000033
其中，
Figure BDA0002450298070000034
是轮毂高度处10分钟平均空气密度；
Figure BDA0002450298070000035
是轮毂高度处10分钟平均气压；
Figure BDA0002450298070000036
是轮毂高度处10分钟平均温度；R0是气体常数，取287.05J·(kg·K)-1；
S1.3.3、对风电机组轮毂高度处10分钟平均风速u10min和10分钟平均输出净功率p10min进行标准化处理得到10分钟平均风速
Figure BDA0002450298070000037
和10分钟平均输出功率
Figure BDA0002450298070000038
Figure BDA0002450298070000039
Figure BDA00024502980700000310
其中，
Figure BDA00024502980700000311
分别是标准化后的轮毂高度处10分钟平均风速和10分钟平均输出功率；
所述数据库包括风速范围在3-15m·s-1区间，且大于180个小时内的所有10分钟平均风速
Figure BDA00024502980700000312
数据，以及对应的所有10分钟平均输出净功率
Figure BDA00024502980700000313
数据。
本发明根据大气稳定度对风电机组轮毂高度处10分钟平均风速进行空间分布、时间分布的两次修正，得到风电机组真实的功率曲线，真实地反映风电机组的风速-功率关系和发电性能，对风电项目前期评估发电量、风电机组的运行控制策略优化、风电功率预测等一系列工作均具有明显意义。
附图说明
图1是本发明方法流程图；
图2是本发明实施例中测量的风电机组功率曲线和以及本发明修正得到的功率曲线的对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的结构及特征进行详细说明。需要说明的是，可以对此处公开的实施例做出各种修改，因此，说明书中公开的实施例不应该视为对本发明的限制，而仅是作为实施例的范例，其目的是使本发明的特征显而易见。
如图1所示，本发明提供的根据大气稳定度修正风电机组功率曲线的方法，包括以下步骤：
S1、建立风电机组轮毂高度处10分钟平均风速
Figure BDA0002450298070000041
10分钟平均输出净功率
Figure BDA0002450298070000042
数据库。
该数据库应包含风速范围在3-15m·s-1区间，大于180个小时内的、所有10分钟平均风速
Figure BDA0002450298070000043
数据，以及对应的所有10分钟平均输出净功率
Figure BDA0002450298070000044
数据。
S2、计算风电机组轮毂高度处10分钟平均大气稳定度ζ。
Figure BDA0002450298070000045
Figure BDA0002450298070000046
其中，ζ是轮毂高度处10分钟平均大气稳定度；κ是卡曼常数，取0.4；g是重力加速度，取9.8m·s-2；u′、v′、w′分别是轮毂高度处10分钟纵向、横向和竖向风速脉动量(计算获得，这是本领域技术人员的常识，在此不再赘述)；T′是轮毂高度处10分钟温度脉动量；u*是轮毂高度处10分钟平均摩擦速度。
S3、对风电机组轮毂高度处10分钟平均风速
Figure BDA0002450298070000047
进行初步修正，得到初步修正风速
Figure BDA0002450298070000048
由于大气稳定度包含的环境气压、温度、气流等因素对风速的空间分布状态、时间分布状态都有影响，本发明首先修正大气环境对风电机组轮毂高度处风速空间分布的影响。
Figure BDA0002450298070000049
Figure BDA00024502980700000410
其中，
Figure BDA00024502980700000411
是轮毂高度处10分钟平均风速
Figure BDA00024502980700000412
的初步修正风速；z是积分高度；zhub是风电机组轮毂hub处的高度；R是风电机组叶轮半径；u(z)是高度z处10分钟平均风速；
Figure BDA00024502980700000413
轮毂高度处10分钟平均风速；κ是卡曼常数，取0.4。
S4、对步骤S3得到的轮毂高度处10分钟平均风速
Figure BDA00024502980700000414
的初步修正风速
Figure BDA00024502980700000415
再次进行修正，得到轮毂高度处10分钟平均风速的最终修正风速
Figure BDA00024502980700000416
步骤S3首先修正了大气环境对风电机组轮毂高度处风速空间分布的影响，步骤S4修正大气稳定度包含的环境气压、温度、气流等因素对风电机组轮毂高度处风速时间分布的影响。
Figure BDA0002450298070000051
σ＝2.4u*(1-1.6ζ)1/3 (6)
其中，
Figure BDA0002450298070000052
是轮毂高度处10分钟平均风速最终修正值；σ是轮毂高度处10分钟风速标准差湍流时；U是积分风速；Urated是风电机组的额定风速，由机组设计文件给出。
S5、根据最终修正风速
Figure BDA0002450298070000053
在数据库中，查找最终修正风速
Figure BDA0002450298070000054
对应的10分钟平均输出净功率
Figure BDA0002450298070000055
画出风电机组的修正功率曲线。
将轮毂高度处10分钟平均风速最终修正值
Figure BDA0002450298070000056
划分为一连串区间，每个区间的宽度为0.5m·s-1。求出每个区间的
Figure BDA0002450298070000057
的平均值；在步骤S1建立的数据库中，找出每个区间
Figure BDA0002450298070000058
平均值对应的10分钟平均输出净功率
Figure BDA0002450298070000059
根据计算出的
Figure BDA00024502980700000510
平均值和10分钟平均输出净功率
Figure BDA00024502980700000511
画出风电机组的功率曲线，即为修正功率曲线。
下面结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
该实施例被测量的风电机组位于某风电场内，机组型号为104-2000型风电机组。轮毂高度为85m，风机叶轮直径为104m，额定输出功率2000kW，额定风速为10m·s-1。
本发明公开的根据大气稳定度修正风电机组功率曲线的方法，包括如下步骤：
S1、建立风电机组轮毂高度处10分钟平均风速
Figure BDA00024502980700000512
10分钟平均输出净功率
Figure BDA00024502980700000513
数据库。
具体方法是：
S1.1、采集风电机组轮毂高度处的实际风速U、温度T、气压B，与实际风速对应的风电机组实际输出净P，以及风电机组的各项状态监控数据例如SCADA数据。
在被测量风电机组上风向东南侧距离245m位置设立一测风塔，在测风塔上85m高度安装三维风速测风仪和超声波温度传感器，获取风电机组轮毂高度处的实际风速U和温度B，采样频率应在10HZ以上。
在测风塔上85m高度安装气压传感器，获取气压数据T，采样频率在1HZ以上。
在风电机组电机输出轴处安装功率变送器，获取输出净功率数据P；在风电机组输出端安装3台电流互感器对每相电流分别进行测量，采样频率应在1HZ以上。
在风电场的中央监控系统中获取风电机组的各项状态监控数据例如SCADA数据。
S1.2、对采集的数据进行处理。
剔除风电机组非正常运行状态的测量数据，例如，剔除风速、温度、气压传感器、功率采集系统非正常运行采集的数据，即显示为NaN的数据；剔除测风塔处于临近风电机组尾流影响扇区，即0-84.12°和265.48°-360°内采集的数据；剔除风电机组SCADA数据状态信号在“并网发电”状态以外采集的数据，即状态信号数字非“20”的数据。
S1.3、对处理后的数据进行再标准化处理。
S1.3.1计算风电机组轮毂高度处10分钟平均风速u10min、10分钟平均输出净功率p10min、10分钟平均温度
Figure BDA0002450298070000061
10分钟平均气压
Figure BDA0002450298070000062
S1.3.2、计算风电机组轮毂高度处10分钟平均空气密度：
Figure BDA0002450298070000063
其中，
Figure BDA0002450298070000064
是轮毂高度处10分钟平均空气密度；
Figure BDA0002450298070000065
是轮毂高度处10分钟平均气压；
Figure BDA0002450298070000066
是轮毂高度处10分钟平均温度；R0是气体常数，取287.05J·(kg·K)-1。
在该实施例中，计算得出在测量时间段，轮毂高度处10分钟平均空气密度
Figure BDA0002450298070000067
为1.18kg·m-3。
S1.3.3、对风电机组轮毂高度处10分钟平均风速u10min和10分钟平均输出净功率p10min进行标准化处理得到10分钟平均风速
Figure BDA0002450298070000068
和10分钟平均输出功率
Figure BDA0002450298070000069
将步骤S3.1获得的10分钟平均风速u10min和10分钟平均输出净功率p10min标准化到ISO标准空气密度1.225kg·m-3。
Figure BDA00024502980700000610
Figure BDA00024502980700000611
其中，
Figure BDA00024502980700000612
分别是标准化后的轮毂高度处10分钟平均风速和10分钟平均输出功率。
该数据库应包含风速范围在3-15m·s-1区间，大于180个小时内的、所有10分钟平均风速
Figure BDA00024502980700000613
数据，以及对应的所有10分钟平均输出净功率
Figure BDA00024502980700000614
数据。在本实施例中，该数据库包含了风速范围覆盖3-15m·s-1区间的380个小时的数据。
S2、计算风电机组轮毂高度处10分钟平均大气稳定度ζ。
Figure BDA00024502980700000615
Figure BDA00024502980700000616
其中，ζ是轮毂高度处10分钟平均大气稳定度；κ是卡曼常数，取0.4；g是重力加速度，取9.8m·s-2；u′、v′、w′分别是轮毂高度处10分钟纵向、横向和竖向风速脉动量；T′是轮毂高度处10分钟温度脉动量；u*是轮毂高度处10分钟平均摩擦速度。
S3、对轮毂高度处10分钟平均风速
Figure BDA0002450298070000071
进行初步修正，得到初步修正风速
Figure BDA0002450298070000072
由于大气稳定度包含的环境气压、温度、气流等因素对风速的空间分布状态、时间分布状态都有影响，本发明首先修正大气环境对风电机组轮毂高度处风速空间分布的影响。
Figure BDA0002450298070000073
Figure BDA0002450298070000074
其中，
Figure BDA0002450298070000075
是轮毂高度处10分钟平均风速
Figure BDA0002450298070000076
的初步修正风速；z是积分高度；zhub是风电机组轮毂hub处的高度，取85m；R是风电机组叶轮半径，取52m；u(z)是高度z处10分钟平均风速。
Figure BDA0002450298070000077
轮毂高度处10分钟平均风速，κ是卡曼常数，取0.4。
S4、对步骤S3得到的轮毂高度处10分钟平均风速
Figure BDA0002450298070000078
的初步修正风速
Figure BDA0002450298070000079
再次进行修正，得到轮毂高度处10分钟平均风速的最终修正风速
Figure BDA00024502980700000710
步骤S3首先修正了大气稳定度包含的环境气压、温度、气流等因素对风电机组轮毂高度处风速空间分布的影响，步骤S4修正大气环境对风电机组轮毂高度处风速时间分布的影响。
Figure BDA00024502980700000711
σ＝2.4u*(1-1.6ζ)1/3 (6)
其中，
Figure BDA00024502980700000712
是轮毂高度处10分钟平均风速最终修正值；σ是湍流时轮毂高度处10分钟风速标准差；U是积分风速；Urated是风电机组的额定风速，取10m·s-1。
S5、根据最终修正风速
Figure BDA00024502980700000713
在数据库中，查找最终修正风速
Figure BDA00024502980700000714
对应的10分钟平均输出净功率
Figure BDA00024502980700000715
画出风电机组的修正功率曲线。
将标准化后的轮毂高度处10分钟平均风速最终修正值
Figure BDA00024502980700000716
划分为一连串区间，每个区间的宽度为0.5m·s-1。求出每个区间的
Figure BDA00024502980700000717
的平均值，在步骤S1建立的数据库中，找出每个区间
Figure BDA00024502980700000718
平均值对应的10分钟平均输出净功率
Figure BDA00024502980700000719
根据计算出的
Figure BDA00024502980700000720
平均值和10分钟平均输出净功率
Figure BDA00024502980700000721
画出风电机组的修正功率曲线，包括根据本发明修正后获得的功率曲线A1，以及未修正的功率曲线A2，如图2所示。
本发明的优点：
1、本发明根据大气稳定度修正风电机组轮毂高度处10分钟平均风速，得到修正后的功率曲线，能真实地反映风电机组的风速-功率关系和发电性能。
2、本发明通过大气稳定度修正风电机组功率曲线，订正现场环境因素例如大气湍流、风切变等风场结构参数对风电机组输出功率的影响，相比制造商提供的理论功率曲线或未修正功率曲线，更能反映风电机组的真实发电性能，因此对风电项目前期评估发电量、风电机组的运行控制策略优化、风电功率预测等一系列工作均具有明显意义；
3、本发明在测风塔位于风电机组轮毂高度处位置安装风速和温度、气压传感器，通过计算大气稳定度推导出风切变和各高度的风速大小，避免了在测风塔多层高度安装多个风速传感器来测量风切变。节省硬件设备，经济成本低。
4、本发明具有通用性，可实现各类型和额定容量的风电机组的功率曲线修正。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种根据大气稳定度修正风电机组功率曲线的方法，其特征在于：其包括如下步骤：
S1、建立风电机组轮毂高度处10分钟平均风速
Figure FDA0002450298060000011
和10分钟平均输出净功率
Figure FDA0002450298060000012
数据库；
所述数据库包括风速范围在3-15m·s-1区间，且大于180个小时内的所有10分钟平均风速
Figure FDA0002450298060000013
数据，以及对应的所有10分钟平均输出净功率
Figure FDA0002450298060000014
数据；
S2、计算风电机组轮毂高度处10分钟平均大气稳定度ζ；
Figure FDA0002450298060000015
Figure FDA0002450298060000016
其中，ζ是风电机组轮毂高度处10分钟平均大气稳定度；κ是卡曼常数，取0.4；g是重力加速度，取9.8m·s-2；u′、v′、w′分别是轮毂高度处10分钟纵向、横向和竖向风速脉动量；T′是轮毂高度处10分钟温度脉动量；u*是轮毂高度处10分钟平均摩擦速度；
S3、对风电机组轮毂高度处10分钟平均风速
Figure FDA0002450298060000017
进行初步修正，修正大气环境对风电机组轮毂高度处风速空间分布的影响，得到初步修正风速
Figure FDA0002450298060000018
Figure FDA0002450298060000019
Figure FDA00024502980600000110
其中，
Figure FDA00024502980600000111
是轮毂高度处10分钟平均风速
Figure FDA00024502980600000112
的初步修正风速；z是积分高度；zhub是风电机组轮毂hub处的高度；R是风电机组叶轮半径；u(z)是高度z处10分钟平均风速；
Figure FDA00024502980600000113
轮毂高度处10分钟平均风速；κ是卡曼常数，取0.4；
S4、对初步修正风速
Figure FDA00024502980600000114
再次进行修正，修正大气环境对风电机组轮毂高度处风速时间分布的影响，得到轮毂高度处10分钟平均风速的最终修正风速
Figure FDA00024502980600000115
Figure FDA00024502980600000116
σ＝2.4u*(1-1.6ζ)1/3 (6)
其中，
Figure FDA00024502980600000117
是轮毂高度处10分钟平均风速最终修正值；σ是轮毂高度处10分钟风速标准差；U是积分风速；Urated是风电机组的额定风速；
S5、根据最终修正风速
Figure FDA00024502980600000118
在数据库中，查找最终修正风速
Figure FDA00024502980600000119
对应的10分钟平均输出净功率
Figure FDA00024502980600000120
形成风电机组的修正功率曲线；具体方法为：将轮毂高度处10分钟平均风速最终修正值
Figure FDA0002450298060000021
划分为一连串区间，每个区间的宽度为0.5m·s-1，求出每个区间的
Figure FDA0002450298060000022
的平均值；
在步骤S1建立的数据库中，找出每个区间
Figure FDA0002450298060000023
平均值对应的10分钟平均输出净功率
Figure FDA0002450298060000024
根据计算出的
Figure FDA0002450298060000025
平均值和10分钟平均输出净功率
Figure FDA0002450298060000026
画出风电机组的功率曲线，获得修正的功率曲线。
2.根据权利要求1所述的根据大气稳定度修正风电机组功率曲线的方法，其特征在于：
建立步骤S1中的数据库的具体方法为：
S1.1、采集风电机组轮毂高度处的实际风速U、温度T、气压B，与实际风速对应的风电机组实际输出净P，以及风电机组的各项状态监控数据；
S1.2、对采集的数据进行处理；
S1.3、对处理后的数据进行再标准化处理；
S1.3.1、计算风电机组轮毂高度处10分钟平均风速u10min、10分钟平均输出净功率p10min、10分钟平均温度
Figure FDA0002450298060000027
10分钟平均气压
Figure FDA0002450298060000028
S1.3.2、计算风电机组轮毂高度处10分钟平均空气密度：
Figure FDA0002450298060000029
其中，
Figure FDA00024502980600000210
是轮毂高度处10分钟平均空气密度；
Figure FDA00024502980600000211
是轮毂高度处10分钟平均气压；
Figure FDA00024502980600000212
是轮毂高度处10分钟平均温度；R0是气体常数，取287.05J·(kg·K)-1；
S1.3.3、对风电机组轮毂高度处10分钟平均风速u10min和10分钟平均输出净功率p10min进行标准化处理得到10分钟平均风速
Figure FDA00024502980600000213
和10分钟平均输出功率
Figure FDA00024502980600000214
Figure FDA00024502980600000215
Figure FDA00024502980600000216
其中，
Figure FDA00024502980600000217
分别是标准化后的轮毂高度处10分钟平均风速和10分钟平均输出功率；
所述数据库包括风速范围在3-15m·s-1区间，且大于180个小时内的所有10分钟平均风速
Figure FDA00024502980600000218
数据，以及对应的所有10分钟平均输出净功率
Figure FDA00024502980600000219
数据。
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