CN111828248A - 一种风力发电机组的参考功率曲线生成方法、系统及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风力发电机组的参考功率曲线生成方法、系统及装置，方法具体为：给定静态功率曲线和湍流强度，求湍流强度时的动态功率曲线；通过将特定湍流强度下的风速分解成离散的风速区间及累积密度再与相应静态功率相乘求和的方法，得到特定湍流强度下的功率值；给定动态功率曲线及其湍流强度，求待定静态功率曲线；通过先给定粗略的静态曲线计算动态曲线，再根据其差值或比例，由给定动态曲线估算静态曲线，更新粗略给定的静态曲线后再迭代，直到收敛的方式来求解动态曲线的方法；减少获取特定湍流功率曲线的物理实验或模拟实验成本，及弥补前者只能得到有限次离散结果，实现湍流强度为连续性取值结果。

Description

一种风力发电机组的参考功率曲线生成方法、系统及装置
技术领域
本发明属于风电技术领域，具体涉及一种风力发电机组的参考功率曲线生成方法、系统及装置。
背景技术
风力发电机组的功率特性曲线是风力发电机组输出功率随风速变化的关系曲线，是风力发电机组发电能力的重要表述方式。标称功率曲线一般在设计或验证阶段由实验或模拟方式得到，实际功率曲线则是根据风机运行时由发电实际数据或标准测试处理得到。不同湍流条件下标称功率曲线不同，由于成本和效率原因，一般只能通过有限次数的实验或模拟，获取几条典型湍流条件的曲线，不能满足湍流强度数据连续性的要求，因而，不能通过无湍流的静态功率曲线得到特定湍流的动态功率曲线，现有技术获取静态功率曲线的方法，计算复杂。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种风力发电机组的参考功率曲线生成方法、装置和系统，通过获取的静态功率曲线，得到有湍流的动态功率曲线，降低计算成本，克服湍流强度数据不连续的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种风力发电机组的参考功率曲线生成方法，S100，生成动态功率曲线，具体如下：
S101，获取静态功率曲线中风速以及风速对应的功率值；
S102，获取静态功率曲线的数据中每一个风速值的代表风速范围；
S103，获取S102所述每一个风速值的代表风速范围的代表功率，
S104，给定湍流强度，计算风速值在代表风速范围内的概率密度；
S105，根据S104所得概率密度和S103所得代表功率计算：在既定湍流强度下，所获取风速值在代表风速范围内的功率值；
S106，重复S104和S105得到在既定湍流强度下所有风速对应的功率值，即可得到在既定湍流强度下，静态功率曲线对应的动态功率曲线；
S200，生成静态功率曲线，具体如下：
S201，将动态功率曲线作为待定静态功率曲线的初始曲线；
S202，计算初始静态功率曲线在所述给定湍流强度下的动态功率曲线，获取所述动态功率曲线的变化值更新待定静态功率曲线，得到更新后的待定静态功率曲线；采用S101-S106所述方法获取动态功率曲线；
S203，用更新后的待定静态功率曲线作为待定静态功率曲线，重复S201和202直至所得静态功率曲线与动态功率曲线的变化值小于或等于设定值时；将所述更新的待定静态功率曲线作为最终的待定静态功率曲线；
S300，基于动态功率曲线及既定湍流强度，采用S200所述方法获取静态功率曲线，再采用S100所述方法得到另一湍流强下的动态功率曲线。
S102中，静态功率曲线中，第一点的代表风速范围下限按照切入风速限制取值，末端点的代表风速范围上限按照切出风速的限制取值；
第一点和末端点之间所有点的代表风速范围的下限为(vi+vi-1)/2；
第一点和末端点之间所有点的代表风速范围的上限为(vi+vi+1)/2；
第一点的代表风速范围上限为(v1+v2)/2：末端点的代表风速范围下限为(vn+vn-1)/2；
其中，i＝2,3,4……,n-1,vi为静态功率曲线中所取数据点中第i个点的风速，n为静态功率曲线中所取数据点的个数。
S102中，将静态功率曲线中所选风速对应的风速范围进行重新划分，将所述风速范围至少从中点划分为所述风速范围的下限到所选风速，所选风速到所述风速范围的上限。
S103中，针对静态功率曲线中风速对应的风速范围，选取所述风速对应的功率为代表功率。
S103中，当所述静态功率曲线中所选风速对应的风速范围划分为至少两个子范围，则所述风速范围的代表功率按照子范围的代表功率计算，子范围的代表功率按照子范围风速的上限和下限对应的功率进行计算。
S104中，概率密度采用正态分布或威布尔分布计算概率密度函数。
S203中，在进行计算功率的变化值时：设定差值阈值和比值阈值，所述差值或比值小于或等于所述差值阈值或比值阈值时，所述静态功率曲线即为待定静态功率曲线，所述差值不小于所述差值阈值时，将所述变化值与静态功率曲线的功率值相加更新静态功率曲线；
所述比值不小于所述比值阈值时，将所述比值与静态功率曲线的功率值相乘所得更新静态功率曲线；
所述差值为0或比值为1时，所述静态功率曲线即为待定静态功率曲线；
所述差值不为0时，将所述变化值与静态功率曲线的功率值相加更新静态功率曲线；所述比值不为1时，将所述比值与静态功率曲线的功率值相乘更新静态功率曲线。
一种风力发电机组的参考功率曲线生成系统，包括：动态功率曲线生成模块，用给定静态功率曲线和既定湍流强度，求既定湍流强度时的动态功率曲线；
静态功率曲线生成模块，用给定动态功率曲线及其湍流强度，求静态功率曲线；
最终的动态功率曲线生成模块，用基于动态功率曲线及既定湍流强度和动态功率曲线获得静态功率曲线，再由所属静态功率曲线获得动态功率曲线。
一种风力发电机组的参考功率曲线生成装置，包括一个或多个处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取部分或全部所述计算机可执行程序并执行，处理器执行部分或全部计算可执行程序时能实现本发明所述风力发电机组的参考功率曲线生成方法。
一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，能实现本发明所述的风力发电机组的参考功率曲线生成方法。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
通过将特定湍流强度下的风速分解成离散的风速区间及累积密度再与相应静态功率相乘求和的方法，得到特定湍流强度下的功率值，
通过给定的特定湍流强度的动态功率曲线，先粗略的估计静态曲线计算相应动态功率曲线，再根据其与给定动态曲线的差值或比例，由给定动态功率曲线估算静态功率曲线，更新粗略给定的静态功率曲线后再迭代，直到收敛，来求解静态功率；
通过给定特定湍流动态曲线，先通过求解静态曲线，再通过求解另一给定湍流强度的动态曲线；
本发明由“动态功率曲线”到“静态功率曲线”和“静态功率曲线”到“动态功率曲线”的方法组合，达到从“动态功率曲线”到“动态功率曲线”；减少获取特定湍流功率曲线的物理实验或模拟实验成本，及弥补前者只能得到有限次离散结果，得到特定湍流强度下的连续性数据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一个实施例的生成动态功率曲线的流程图。
图2为本发明一个实施例的生成静态功率曲线的流程图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
本发明所述参考功率曲线包括静态功率曲线和动态功率曲线。
参考图1，S100，给定静态功率曲线和湍流强度I，求湍流强度I时的动态功率曲线,具体如下：
S101中，静态功率曲线或静态功率曲线对应的表格中，为风速与其对应功率的数据对，即(v1，p1)，(v2，p2)，(v3，p3)……(vn，pn)，其中n为静态功率曲线中所取数据点的个数
S102中，计算每一个数据对中风速值的代表风速范围的上限和下限，每一个数据对中，风速值的代表风速范围上限为该风速值与其下一个相邻风速值之和的一半，风速值的代表风速范围下限为该风速值与其上一个相邻风速值之和的一半，如(v2，p2)点的下限范围可定义为(v1+v2)/2,上限范围可定义为(v2+v3)/2，数据对中首末点按照切入或切出风速的限制按单边取值，如(v1，p1)的下限定义为v1，首点上限为(v1+v2)/2，末点(vn，pn)的下限为(vn+vn-1)/2，末点上限为vn。
进一步的，(v1+v2)/2～v2和v2～(v2+v3)/2分别可以作为v2所代表风速范围中的子区间或子范围；
S103选取或计算每一数据范围的代表功率，如(v2，p2)点可选取p2为代表功率；
作为可选的实施例，对于v2所代表风速范围中的子区间(v1+v2)/2～v2，定义代表功率为(3p2+p1)/4；对于v2所代表风速范围中的子区间v2～(v2+v3)/2，定义代表功率为(3p2+p3)/4。
需要说明的是，对于S102中所述子区间还可以再进行划分出更多的子区间，对应的其相应的代表功率也就越多，有助于获取更加精确和平滑的动态功率曲线。
S104，依次获取风速值，计算风速值和既定湍流强度I在每个代表风速范围内的概率密度。
根据代表风速范围内累积密度公式计算风速值和既定湍流强度I在S102所得代表风速范围内的概率密度。
所述概率密度采用正态分布或威布尔分布计算概率密度函数。
例如，当所述代表风速范围为v1～v2时，计算获取的风速值和既定湍流强度I在v1～v2的概率密度为：
Figure BDA0002608933170000061
依次获取风速值，计算给定湍流强度下的标准差σ；以v1为例，用σ1＝I*v1计算风速v1在湍流强度I下的标准差，计算风速值和既定湍流强度I在S102所得风速区间的概率密度分布函数的积分。
作为另一个可选实施例，累积分布密度计算过程可以采用蒙特卡洛随机模拟方式计算，给出一组满足获取(v，I)的随机数，再根据相应风速区间功率值求其平均值。
可选的，每风速范围内代表功率取两个值时，则每个风速范围分成两段，分别求解累积分布密度，用所得两段内的累积概率密度的差值求得。
Figure BDA0002608933170000062
其中，x为需要计算其分布的数值，μ为分布的算术平均值，σ为分布的标准偏差。
作为可选的实施方式，本发明在计算时可以采用Excel中的函数进行计算：
excel中函数为NORM.DIST(x,mean,standard_dev,cumulative)，其中，x为需要计算其分布的数值，Mean为分布的算术平均值，Standard_dev为分布的标准偏差，Cumulative为一逻辑值，指明函数的形式。如果cumulative为TRUE，函数NORMDIST返回累积分布函数；如果为FALSE，返回概率密度函数；
作为可选的实施例，由概率累积函数差值求得风速值v1在代表风速范围v1～(v1+v2)/2内的概率密度，则通过NORM.DIST((v1+v2)/2,v1,σ1,TRUE)-NORM.DIST((v1,v1,σ1,TRUE)得到v1风速范围内的分布密度C1，采用同样的方法，得到v2风速范围(v1+v2)/2～(v2+v3)/2内的累积分布密度：NORM.DIST((v2+v3)/2,v1,σ1,TRUE)-NORM.DIST((v1+v2)/2,v1,σ1,TRUE)。
S105，将所求得的每段累积分布密度值与相应代表功率值相乘再求和，得到在既定湍流强度下，某一风速值在代表风速范围内的功率值，例如，对于风速v1在S104所述湍流强度I1下的功率值为：PI1＝C1×P1+C2×P2+…+Cn×Pn；其中，C1表示风速值和给定湍流强度I在第一个风速划分区间的概率密度，P1表示该第一个代表风速范围的代表功率值，Cn表示风速值和既定湍流强度I在第n个代表风速范围的概率密度，Pn表示该第n个代表风速范围对应的功率密度。
S106重复S104和S105，依次取点v1,v2,v3…vn，求得PI2,PI3….，PIn得到的就是相应湍流强度的动态功率曲线或数据对；
(v1，I，PI1)、(v2，I，PI2)、……、(vn，I，PIn)。
参考图2，S200，给定动态功率曲线及其湍流强度I，获取静态功率曲线，具体如下：
S201，将静态功率曲线初始值取为动态功率曲线值，获取其中的风速及其对应的功率，并按S100方法求得相应的动态功率曲线；
S202，按静态功率曲线与动态功率曲线中风速所对应功率的变化值，反推给定动态功率曲线的相应静态功率曲线，并更新S201中的待定静态功率曲线，所述设定值包括差值阈值和比值阈值；
作为可选的实施例，S202中，在进行计算功率的变化值时，待定静态功率曲线中风速vi对应的功率为
Figure BDA0002608933170000081
采用差值或比值；即，风速vi对应的功率为pi和p’i，pi为静态功率曲线中与风速v1对应的功率值，p’i为S201计算得到的动态功率曲线中与风速v1对应的功率值，i＝1～n；风速vi对应的功率差值为pi-p’i；风速vi对应的功率差值为
Figure BDA0002608933170000082
在给定湍流强度下，设定差值阈值和比值阈值，pi-p’i不小于差值阈值，待定功率曲线中风速vi对应的功率为
Figure BDA0002608933170000083
得到更新后的待定静态功率曲线；
Figure BDA0002608933170000084
不小于比值阈值时，待定功率曲线中风速vi对应的功率为
Figure BDA0002608933170000085
对所述更新后的待定静态功率曲线与动态功率曲线计算变化值；当pi-p’i小于等于差值阈值，或
Figure BDA0002608933170000086
小于等于比值阈值时，将pi作为
Figure BDA0002608933170000087
即可得到待定功率曲线。
作为另一个可选的实施例，S202中，在进行计算功率的变化值时，采用差值或比值；即，风速vi对应的功率为pi和p’i，待定静态功率曲线中风速vi对应的功率为
Figure BDA0002608933170000088
pi为初始静态功率曲线中与风速v1对应的功率值，p’i为S201计算得到的动态功率曲线中与风速v1对应的功率值，i＝1～n；风速vi对应的功率差值为pi-p’i；pi-p’i不为0，更新待定静态功率曲线中风速vi对应的功率为
Figure BDA0002608933170000089
风速vi对应的功率差值为
Figure BDA00026089331700000810
当
Figure BDA00026089331700000811
不为1时，更新待定静态功率曲线中风速vi对应的功率为
Figure BDA00026089331700000812
当pi-p’i为0或
Figure BDA00026089331700000813
为1时，将pi作为
Figure BDA00026089331700000814
即可得到最终所要求取的待定静态功率曲线。
S203，用更新后的待定静态功率曲线作为待定静态功率曲线，重复S201和202直至所得静态功率曲线与动态功率曲线的变化值小于或等于设定值时；将所述更新的待定静态功率曲线作为最终的待定静态功率曲线；
S204，所得最终的待定静态功率曲线，即取做静态功率曲线；
S300，给定动态功率曲线及其湍流强度I1，求指定湍流强度I2的动态功率曲线
先采用S200所述方法得到静态功率曲线，再采用S100所述方法得到指定动态功率曲线。
作为可选的实施例，本发明还提供一种风力发电机组的参考功率曲线生成系统，包括：动态功率曲线生成模块，用给定静态功率曲线和既定湍流强度，求既定湍流强度时的动态功率曲线，即获取静态功率曲线中风速以及风速对应的功率值，获取静态功率曲线的数据中每一个风速值的代表风速范围，获取所述每一个风速值的代表风速范围的代表功率，给定湍流强度，计算风速值在代表风速范围内的概率密度，根据所述概率密度和代表功率计算：在既定湍流强度下，所获取风速值在代表风速范围内的功率值，进而得到在既定湍流强度下所有风速对应的功率值，即可得到在既定湍流强度下，静态功率曲线对应的动态功率曲线；
静态功率曲线生成模块，用给定动态功率曲线及其湍流强度，求静态功率曲线，即将动态功率曲线作为待定静态功率曲线的初始曲线，根据所述待定静态功率曲线与动态功率曲线的变化值更新待定静态功率曲线，得到更新后的待定静态功率曲线，用更新后的待定静态功率曲线作为待定静态功率曲线，直至所得静态功率曲线与动态功率曲线的变化值小于或等于设定值时，将所述更新的待定静态功率曲线作为最终的待定静态功率曲线；
最终的动态功率曲线生成模块，用基于动态功率曲线及既定湍流强度和动态功率曲线获得静态功率曲线，再由所属静态功率曲线获得动态功率曲线。
作为可选的实施例，本发明还提供一种风力发电机组的参考功率曲线生成装置，包括但不限于一个或多个处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取部分或全部所述计算机可执行程序并执行，处理器执行部分或全部计算可执行程序时能实现本发明所述风力发电机组的参考功率曲线生成方法的部分步骤或所有步骤。
可选的，本实施例提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，能实现本发明所述的风力发电机组的参考功率曲线生成方法。
处理器可以是中央处理器(CPU)、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)或现成可编程门阵列(FPGA)。
对于本发明所述存储器，可以是笔记本电脑、平板电脑、桌面型计算机、手机或工作站的内部存储单元，如内存、硬盘；也可以采用外部存储单元，如移动硬盘、闪存卡。
计算机可读存储介质可以包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括以用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据等信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。计算机可读存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取记忆体(RAM，Random Access Memory)、固态硬盘(SSD，Solid State Drives)或光盘等。其中，随机存取记忆体可以包括电阻式随机存取记忆体(ReRAM,Resistance Random Access Memory)和动态随机存取存储器(DRAM，Dynamic Random Access Memory)。
所述风力发电机组的参考功率曲线生成装置可以笔记本电脑、平板电脑、桌面型计算机、手机或工作站。
本发明还提供用于输出预测结果的输出装置，所述输出装置连接处理器的输出端，输出装置为显示器或打印机。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使对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 (10)

1.一种风力发电机组的参考功率曲线生成方法，其特征在于，
S100，生成动态功率曲线，具体如下：
S101，获取静态功率曲线中风速以及风速对应的功率值；
S102，获取静态功率曲线的数据中每一个风速值的代表风速范围；
S103，获取S102所述每一个风速值的代表风速范围的代表功率，
S104，给定湍流强度，计算风速值在代表风速范围内的概率密度；
S105，根据S104所得概率密度和S103所得代表功率计算：在既定湍流强度下，所获取风速值在代表风速范围内的功率值；
S106，重复S104和S105得到在既定湍流强度下所有风速对应的功率值，即可得到在既定湍流强度下，静态功率曲线对应的动态功率曲线；
S200，生成静态功率曲线，具体如下：
S201，将给定湍流强度下的动态功率曲线作为待定静态功率曲线的初始静态功率曲线；
S202，计算初始静态功率曲线在所述给定湍流强度下的动态功率曲线，获取所述动态功率曲线的变化值更新待定静态功率曲线，得到更新后的待定静态功率曲线；采用S101-S106所述方法获取动态功率曲线；
S203，用更新后的待定静态功率曲线作为待定静态功率曲线，重复S201和202直至所得静态功率曲线与动态功率曲线的变化值小于或等于设定值时；将所述更新的待定静态功率曲线作为最终的待定静态功率曲线；
S300，基于动态功率曲线及既定湍流强度，采用S200所述方法获取静态功率曲线，再采用S100所述方法得到另一湍流强下的动态功率曲线。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组的参考功率曲线生成方法，其特征在于，S102中，静态功率曲线中，第一点的代表风速范围下限按照切入风速限制取值，末端点的代表风速范围上限按照切出风速的限制取值；
第一点和末端点之间所有点的代表风速范围的下限为(vi+vi-1)/2；
第一点和末端点之间所有点的代表风速范围的上限为(vi+vi+1)/2；
第一点的代表风速范围上限为(v1+v2)/2：末端点的代表风速范围下限为(vn+vn-1)/2；
其中，i＝2,3,4……,n-1,vi为静态功率曲线中所取数据点中第i个点的风速，n为静态功率曲线中所取数据点的个数。
3.根据权利要求1所述的风力发电机组的参考功率曲线生成方法，其特征在于，S102中，将静态功率曲线中所选风速对应的风速范围进行重新划分，将所述风速范围至少从中点划分为所述风速范围的下限到所选风速，所选风速到所述风速范围的上限。
4.根据权利要求1所述的风力发电机组的参考功率曲线生成方法，其特征在于，S103中，针对静态功率曲线中风速对应的风速范围，选取所述风速对应的功率为代表功率。
5.根据权利要求1所述的风力发电机组的参考功率曲线生成方法，其特征在于，S103中，当所述静态功率曲线中所选风速对应的风速范围划分为至少两个子范围，则所述风速范围的代表功率按照子范围的代表功率计算，子范围的代表功率按照子范围风速的上限和下限对应的功率进行计算。
6.根据权利要求1所述的风力发电机组的参考功率曲线生成方法，其特征在于，S104中，概率密度采用正态分布概率密度函数或威布尔分布计算。
7.根据权利要求1所述的风力发电机组的参考功率曲线生成方法，其特征在于，S203中，在进行计算功率的变化值时：设定差值阈值和比值阈值，所述差值或比值小于或等于所述差值阈值或比值阈值时，所述静态功率曲线即为待定静态功率曲线，所述差值不小于所述差值阈值时，将所述变化值与静态功率曲线的功率值相加更新静态功率曲线；
所述比值不小于所述比值阈值时，将所述比值与静态功率曲线的功率值相乘所得更新静态功率曲线；
或
所述差值为0或比值为1时，所述静态功率曲线即为待定静态功率曲线；
所述差值不为0时，将所述变化值与静态功率曲线的功率值相加更新静态功率曲线；所述比值不为1时，将所述比值与静态功率曲线的功率值相乘更新静态功率曲线。
8.一种风力发电机组的参考功率曲线生成系统，其特征在于，包括：动态功率曲线生成模块，用给定静态功率曲线和既定湍流强度，求既定湍流强度时的动态功率曲线；
静态功率曲线生成模块，用给定动态功率曲线及其湍流强度，求静态功率曲线；
最终的动态功率曲线生成模块，用基于动态功率曲线及既定湍流强度和动态功率曲线获得静态功率曲线，再由所属静态功率曲线获得动态功率曲线。
9.一种风力发电机组的参考功率曲线生成装置，其特征在于，包括一个或多个处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取部分或全部所述计算机可执行程序并执行，处理器执行部分或全部计算可执行程序时能实现权利要求1～7任一项所述风力发电机组的参考功率曲线生成方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，能实现如权利要求1-7任一项所述的风力发电机组的参考功率曲线生成方法。
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