CN117933561A - 一种基于地理条件的风电资源潜力估算方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于地理条件的风电资源潜力估算方法和装置，方法包括：基于预置GEOS‑FP气象资料进行风速特性分析，并计算出风电机轮毂高度的风速，得到轮毂风速；根据轮毂风速和预置功率风速曲线获取风电机实际发电功率，预置功率风速曲线为发电功率与风速之间的映射关系；依据风电机实际发电功率计算出容量因子后，根据预置自然地理条件约束、容量因子和预置风电资源约束估算风电机潜力；预置自然地理条件约束包括陆地地形约束、海域离岸约束和年均利用时间约束，风电机潜力包括风电机装机潜力和风电机发电潜力。本申请能够解决现有技术分析过程缺乏针对性，导致资源评估结果缺乏可靠性和准确性的技术问题。
Description
技术领域
本申请涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种基于地理条件的风电资源潜力估算方法和装置。
背景技术
随着能源危机和全球气候变暖的问题日益彰显，节能减排、大力开发可再生能源也成为我们必须克服的难题。针对风力系统来说，主要依靠风力资源进行发电，但风电场的选址与风速的不确定性都是风力发电系统中必须突破的难关。
在新型电力系统协调优化过程，发电成本与系统稳定状态不断优化过程中，精确的发电资源评估对于发电场的整个系统协调优化运行有着直接影响。但是现有的资源评估方式缺乏针对性，导致结果缺乏可靠性和准确性。
发明内容
本申请提供了一种基于地理条件的风电资源潜力估算方法和装置，用于解决现有技术分析过程缺乏针对性，导致资源评估结果缺乏可靠性和准确性的技术问题。
有鉴于此，本申请第一方面提供了一种基于地理条件的风电资源潜力估算方法，包括：
基于预置GEOS-FP气象资料进行风速特性分析，并计算出风电机轮毂高度的风速，得到轮毂风速；
根据所述轮毂风速和预置功率风速曲线获取风电机实际发电功率，所述预置功率风速曲线为发电功率与风速之间的映射关系；
依据所述风电机实际发电功率计算出容量因子后，根据预置自然地理条件约束、所述容量因子和预置风电资源约束估算风电机潜力；
所述预置自然地理条件约束包括陆地地形约束、海域离岸约束和年均利用时间约束，所述风电机潜力包括风电机装机潜力和风电机发电潜力。
优选地，所述基于预置GEOS-FP气象资料进行风速特性分析，并计算出风电机轮毂高度的风速，得到轮毂风速，包括：
基于预置GEOS-FP气象资料进行风速特性分析，确定风速、气温、气压和地表高度之间的风速关联关系；
采用幂律风速轮廓线模式和参考高度风速计算风电机轮毂高度的风速，得到轮毂风速，所述参考高度风速基于所述风速关联关系获取到。
优选地，所述基于预置GEOS-FP气象资料进行风速特性分析，并计算出风电机轮毂高度的风速，得到轮毂风速，之后还包括：
采用历史高度风速对所述轮毂风速进行降尺度偏差矫正操作；
基于所述风电机轮毂高度对应的气温和气压将所述轮毂风速进行标准化转换操作。
优选地，所述根据所述轮毂风速和预置功率风速曲线获取风电机实际发电功率，之后还包括：
基于预设风机输出损耗参数对所述风电机实际发电功率进行修正。
优选地，所述依据所述风电机实际发电功率计算出容量因子后，根据预置自然地理条件约束、所述容量因子和预置风电资源约束估算风电机潜力，包括：
根据所述风电机实际发电功率计算预置时间段内的风电场实际发电量；
计算所述风电场实际发电量与风电场最大发电量之间的比值，得到容量因子；
分别根据陆地的地形特征和海域的离岸距离配置陆地地形约束和海域离岸约束，并基于所述陆地地形约束、所述海域离岸约束和年均利用时间约束构建预置自然地理条件约束；
根据所述预置自然地理条件约束、所述容量因子和预置风电资源约束分别估算风电机装机潜力和风电机发电潜力。
优选地，所述依据所述风电机实际发电功率计算出容量因子后，根据预置自然地理条件约束、所述容量因子和预置风电资源约束估算风电机潜力，之后还包括：
根据所述风电机潜力和风电机发电利用时间筛选合格新能源场地。
本申请第二方面提供了一种基于地理条件的风电资源潜力估算装置，包括：
风速计算模块，用于基于预置GEOS-FP气象资料进行风速特性分析，并计算出风电机轮毂高度的风速，得到轮毂风速；
功率获取模块，用于根据所述轮毂风速和预置功率风速曲线获取风电机实际发电功率，所述预置功率风速曲线为发电功率与风速之间的映射关系；
潜力估算模块，用于依据所述风电机实际发电功率计算出容量因子后，根据预置自然地理条件约束、所述容量因子和预置风电资源约束估算风电机潜力；
所述预置自然地理条件约束包括陆地地形约束、海域离岸约束和年均利用时间约束，所述风电机潜力包括风电机装机潜力和风电机发电潜力。
优选地，所述风速计算模块，具体用于：
基于预置GEOS-FP气象资料进行风速特性分析，确定风速、气温、气压和地表高度之间的风速关联关系；
采用幂律风速轮廓线模式和参考高度风速计算风电机轮毂高度的风速，得到轮毂风速，所述参考高度风速基于所述风速关联关系获取到。
优选地，还包括：
偏差矫正模块，用于采用历史高度风速对所述轮毂风速进行降尺度偏差矫正操作；
标准转换模块，用于基于所述风电机轮毂高度对应的气温和气压将所述轮毂风速进行标准化转换操作。
优选地，所述潜力估算模块，具体用于：
根据所述风电机实际发电功率计算预置时间段内的风电场实际发电量；
计算所述风电场实际发电量与风电场最大发电量之间的比值，得到容量因子；
分别根据陆地的地形特征和海域的离岸距离配置陆地地形约束和海域离岸约束，并基于所述陆地地形约束、所述海域离岸约束和年均利用时间约束构建预置自然地理条件约束；
根据所述预置自然地理条件约束、所述容量因子和预置风电资源约束分别估算风电机装机潜力和风电机发电潜力。
从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：
本申请中，提供了一种基于地理条件的风电资源潜力估算方法，包括：基于预置GEOS-FP气象资料进行风速特性分析，并计算出风电机轮毂高度的风速，得到轮毂风速；根据轮毂风速和预置功率风速曲线获取风电机实际发电功率，预置功率风速曲线为发电功率与风速之间的映射关系；依据风电机实际发电功率计算出容量因子后，根据预置自然地理条件约束、容量因子和预置风电资源约束估算风电机潜力；预置自然地理条件约束包括陆地地形约束、海域离岸约束和年均利用时间约束，风电机潜力包括风电机装机潜力和风电机发电潜力。
本申请提供的基于地理条件的风电资源潜力估算方法，从气象资料对风速进行特性分析，并且采用风电机轮毂高度的风速获取发电机实际发电功率，从而计算出更具有针对性的容量因子；在进行潜力估算时，不仅考虑了风电资源约束，还考虑了地理条件不同带来的影响，即预置自然地理条件约束；使得风电潜力估算结果更加符合实际情况，也更加准确可靠。因此，本申请能够解决现有技术分析过程缺乏针对性，导致资源评估结果缺乏可靠性和准确性的技术问题。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种基于地理条件的风电资源潜力估算方法的流程示意图；
图2为本申请实施例提供的一种基于地理条件的风电资源潜力估算装置的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的预置功率风速曲线图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为了便于理解，请参阅图1，本申请提供的一种基于地理条件的风电资源潜力估算方法的实施例，包括：
步骤101、基于预置GEOS-FP气象资料进行风速特性分析，并计算出风电机轮毂高度的风速，得到轮毂风速。
进一步地，步骤101，包括：
基于预置GEOS-FP气象资料进行风速特性分析，确定风速、气温、气压和地表高度之间的风速关联关系；
采用幂律风速轮廓线模式和参考高度风速计算风电机轮毂高度的风速，得到轮毂风速，参考高度风速基于风速关联关系获取到。
GEOS-FP气象资料源自GEOS-5模型，该模型是使用NASA开发的Goddard地球观测系统模型，它是一种高分辨率的全球气候模型，它将实地观测数据与数学模型结合，实现高精度的气候状况预测。风速特性分析过程中主要是获取不同风速数据空间分辨率，例如经度0.3125°×纬度0.25°；纬度地区大致相当于31.25km×25km，时间分辨率为逐小时尺度。本实施例最终确定获取了五年内逐小时距离地表10m高度处风速、距离地表50m高度处风速以及气温、气压等数据，进行风速相关性分析，确定各因素之间的关联关系，记作风速关联关系。
采用幂律风速轮廓线模式和参考高度风速计算风电机轮毂高度的风速可以表达为：
其中，z为风电机轮毂高度，在本实施例中选取z＝100m，z50为参考高度50m，V(z)为风电机轮毂高度处风速，轮毂风速，V50为参考高度50m处的参考高度风速，α为风切变系数，其取值取决于层结稳定度与地表粗糙度。
进一步地，步骤101，之后还包括：
采用历史高度风速对轮毂风速进行降尺度偏差矫正操作；
基于风电机轮毂高度对应的气温和气压将轮毂风速进行标准化转换操作。
历史高度风速是GWA3.0(英文全称：Global Wind Atlas，英文缩写：GWA，全球风速图集)的多年平均100m高度处风速，空间精度为经度0.0025°×纬度0.0025°。矫正操作后的轮毂风速数据保留了高时间精度的同时，也确保了GWA数据的高空间精度。此外，为了提高时空分辨率，还可以选择以经度0.0625°×纬度0.0625°的空间分辨率输出。
为了便于后续的数据分析，需要将轮毂风速转换为标准状况下的风速，转换过程可以表达为：
其中，Voriginal、Vcorrected分别为轮毂风速和标准化后的轮毂风速，P、T分别表示风电机轮毂高度处的气压和气温，可以通过GEOS-FP气象资料获取到，R为大气气体常数，对于干燥空气取值为287.05N·m/(kg·K)。
步骤102、根据轮毂风速和预置功率风速曲线获取风电机实际发电功率，预置功率风速曲线为发电功率与风速之间的映射关系。
请参阅图3，为本实施例中给出的风机示例，选取的是GE2.5MW风机和Vestas8.0MW风机，研究的是这些风机在不同地理环境中的风能潜力；图3中的横坐标是风速值，纵坐标是发电功率值，该曲线用于描述风速与发电功率之间的映射关系，且需要说明的是，本实施例选取的研究分析高度是100m。
进一步地，步骤102，之后还包括：
基于预设风机输出损耗参数对风电机实际发电功率进行修正。
在实际风电场中各风机之间会因气流干扰而相互影响运行工况，从而造成输出功率的损耗，为了确保获取的风电机实际发电功率的准确性，可以采用修正参数进行功率修正；本实施例中设定风电机输出功率的平均损耗率是10％，那么可以以此作为预设风机输出损耗参数对风电机实际发电功率进行修正，即去除损耗就更加贴近实际发电功率，那么修正后的发电功率就是原始求得功率的90％。
步骤103、依据风电机实际发电功率计算出容量因子后，根据预置自然地理条件约束、容量因子和预置风电资源约束估算风电机潜力。
预置自然地理条件约束包括陆地地形约束、海域离岸约束和年均利用时间约束，风电机潜力包括风电机装机潜力和风电机发电潜力。
进一步地，步骤103，包括：
根据风电机实际发电功率计算预置时间段内的风电场实际发电量；
计算风电场实际发电量与风电场最大发电量之间的比值，得到容量因子；
分别根据陆地的地形特征和海域的离岸距离配置陆地地形约束和海域离岸约束，并基于陆地地形约束、海域离岸约束和年均利用时间约束构建预置自然地理条件约束；
根据预置自然地理条件约束、容量因子和预置风电资源约束分别估算风电机装机潜力和风电机发电潜力。
预置时间段可以根据实际情况配置，在此不作限定。容量因子CF的定义就是一段时间内风电场实际发电量与最大发电量之间的比值，可以表达为：
其中，G是风电场实际发电量，根据风电机实际发电功率计算得到；Gmax为风电场最大发电量。
为选取适宜开发风电场的区域，计算风电装机潜力与发电潜力时必须考虑地理条件约束，即预置自然地理条件约束。对于陆上风电开发，本实施例基于中分辨率成像光谱仪MODIS(英文全称：Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS)土地利用类型数据集排除风电开发受限区域，包括森林、水体、被雪或冰川永久覆盖的地区以及城市和已开发地区，同时参考全球数字高程模型的陆地地形数据，排除坡度大于20％的区域。对于海上风电潜力计算，适宜开发区域限制在离岸距离不少于10公里且不大于80公里、水深50米内的近海海域。
此外，年均利用时间约束则是在陆上风电装机潜力与发电潜力计算中排除年均利用小时数小于1800小时(IV类资源区合理年均利用小时数，容量因子平均值约为20.5％)的区域，在海上风电装机潜力与发电潜力计算中排除年均利用小时数小于2600小时(海上风电项目合理年均利用小时数，容量因子平均值约为29.7％)的区域。根据现有的风力发电开发工程项目及风电场规划中风机布置情况，将陆上风电开发单位面积装机密度取为3MW/km2，海上风电开发单位面积装机密度取为6MW/km2。不论是陆地还是海域，都可以基于约束条件计算其对应的风电机潜力。
估算风电机装机潜力和风电机发电潜力的过程可以表达为：
CP＝Σ(Areai×LURi×Dmax)
GP＝Σ(Areai×LURi×Dmax×CFi×Hour)
其中，CP、GP分别为风电机装机潜力和风电机发电潜力，CFi为网格i的多年容量因子平均值，Areai为本实施例选取网格i的面积，LURi为网格i内适宜风电开发的土地利用率，其取值综合考虑了网格内的预置自然地理条件约束以及预置风电资源约束；Dmax为风电机最大铺设密度，Hour为一年小时数，本实施例取值为8760小时。
进一步地，步骤103，之后还包括：
根据风电机潜力和风电机发电利用时间筛选合格新能源场地。
除了筛选合格新能源场地之外，还可以利用估算得到的风电机潜力修正各个区域适宜开发的风电装机潜力和发电潜力，具体过程不作赘述。
本申请实施例提供的基于地理条件的风电资源潜力估算方法，从气象资料对风速进行特性分析，并且采用风电机轮毂高度的风速获取发电机实际发电功率，从而计算出更具有针对性的容量因子；在进行潜力估算时，不仅考虑了风电资源约束，还考虑了地理条件不同带来的影响，即预置自然地理条件约束；使得风电潜力估算结果更加符合实际情况，也更加准确可靠。因此，本申请实施例能够解决现有技术分析过程缺乏针对性，导致资源评估结果缺乏可靠性和准确性的技术问题。
为了便于理解，请参阅图2，本申请还提供了一种基于地理条件的风电资源潜力估算装置的实施例，包括：
风速计算模块201，用于基于预置GEOS-FP气象资料进行风速特性分析，并计算出风电机轮毂高度的风速，得到轮毂风速；
功率获取模块202，用于根据轮毂风速和预置功率风速曲线获取风电机实际发电功率，预置功率风速曲线为发电功率与风速之间的映射关系；
潜力估算模块203，用于依据风电机实际发电功率计算出容量因子后，根据预置自然地理条件约束、容量因子和预置风电资源约束估算风电机潜力；
预置自然地理条件约束包括陆地地形约束、海域离岸约束和年均利用时间约束，风电机潜力包括风电机装机潜力和风电机发电潜力。
进一步地，风速计算模块201，具体用于：
基于预置GEOS-FP气象资料进行风速特性分析，确定风速、气温、气压和地表高度之间的风速关联关系；
采用幂律风速轮廓线模式和参考高度风速计算风电机轮毂高度的风速，得到轮毂风速，参考高度风速基于风速关联关系获取到。
进一步地，还包括：
偏差矫正模块204，用于采用历史高度风速对轮毂风速进行降尺度偏差矫正操作；
标准转换模块205，用于基于风电机轮毂高度对应的气温和气压将轮毂风速进行标准化转换操作。
进一步地，潜力估算模块203，具体用于：
根据风电机实际发电功率计算预置时间段内的风电场实际发电量；
计算风电场实际发电量与风电场最大发电量之间的比值，得到容量因子；
分别根据陆地的地形特征和海域的离岸距离配置陆地地形约束和海域离岸约束，并基于陆地地形约束、海域离岸约束和年均利用时间约束构建预置自然地理条件约束；
根据预置自然地理条件约束、容量因子和预置风电资源约束分别估算风电机装机潜力和风电机发电潜力。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述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单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以通过一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：Read-OnlyMemory，英文缩写：ROM)、随机存取存储器(英文全称：Random Access Memory，英文缩写：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于地理条件的风电资源潜力估算方法，其特征在于，包括：
基于预置GEOS-FP气象资料进行风速特性分析，并计算出风电机轮毂高度的风速，得到轮毂风速；
根据所述轮毂风速和预置功率风速曲线获取风电机实际发电功率，所述预置功率风速曲线为发电功率与风速之间的映射关系；
依据所述风电机实际发电功率计算出容量因子后，根据预置自然地理条件约束、所述容量因子和预置风电资源约束估算风电机潜力；
所述预置自然地理条件约束包括陆地地形约束、海域离岸约束和年均利用时间约束，所述风电机潜力包括风电机装机潜力和风电机发电潜力。
2.根据权利要求1所述的基于地理条件的风电资源潜力估算方法，其特征在于，所述基于预置GEOS-FP气象资料进行风速特性分析，并计算出风电机轮毂高度的风速，得到轮毂风速，包括：
基于预置GEOS-FP气象资料进行风速特性分析，确定风速、气温、气压和地表高度之间的风速关联关系；
采用幂律风速轮廓线模式和参考高度风速计算风电机轮毂高度的风速，得到轮毂风速，所述参考高度风速基于所述风速关联关系获取到。
3.根据权利要求1所述的基于地理条件的风电资源潜力估算方法，其特征在于，所述基于预置GEOS-FP气象资料进行风速特性分析，并计算出风电机轮毂高度的风速，得到轮毂风速，之后还包括：
采用历史高度风速对所述轮毂风速进行降尺度偏差矫正操作；
基于所述风电机轮毂高度对应的气温和气压将所述轮毂风速进行标准化转换操作。
4.根据权利要求1所述的基于地理条件的风电资源潜力估算方法，其特征在于，所述根据所述轮毂风速和预置功率风速曲线获取风电机实际发电功率，之后还包括：
基于预设风机输出损耗参数对所述风电机实际发电功率进行修正。
5.根据权利要求1所述的基于地理条件的风电资源潜力估算方法，其特征在于，所述依据所述风电机实际发电功率计算出容量因子后，根据预置自然地理条件约束、所述容量因子和预置风电资源约束估算风电机潜力，包括：
根据所述风电机实际发电功率计算预置时间段内的风电场实际发电量；
计算所述风电场实际发电量与风电场最大发电量之间的比值，得到容量因子；
分别根据陆地的地形特征和海域的离岸距离配置陆地地形约束和海域离岸约束，并基于所述陆地地形约束、所述海域离岸约束和年均利用时间约束构建预置自然地理条件约束；
根据所述预置自然地理条件约束、所述容量因子和预置风电资源约束分别估算风电机装机潜力和风电机发电潜力。
6.根据权利要求1所述的基于地理条件的风电资源潜力估算方法，其特征在于，所述依据所述风电机实际发电功率计算出容量因子后，根据预置自然地理条件约束、所述容量因子和预置风电资源约束估算风电机潜力，之后还包括：
根据所述风电机潜力和风电机发电利用时间筛选合格新能源场地。
7.一种基于地理条件的风电资源潜力估算装置，其特征在于，包括：
风速计算模块，用于基于预置GEOS-FP气象资料进行风速特性分析，并计算出风电机轮毂高度的风速，得到轮毂风速；
功率获取模块，用于根据所述轮毂风速和预置功率风速曲线获取风电机实际发电功率，所述预置功率风速曲线为发电功率与风速之间的映射关系；
潜力估算模块，用于依据所述风电机实际发电功率计算出容量因子后，根据预置自然地理条件约束、所述容量因子和预置风电资源约束估算风电机潜力；
所述预置自然地理条件约束包括陆地地形约束、海域离岸约束和年均利用时间约束，所述风电机潜力包括风电机装机潜力和风电机发电潜力。
8.根据权利要求7所述的基于地理条件的风电资源潜力估算装置，其特征在于，所述风速计算模块，具体用于：
基于预置GEOS-FP气象资料进行风速特性分析，确定风速、气温、气压和地表高度之间的风速关联关系；
采用幂律风速轮廓线模式和参考高度风速计算风电机轮毂高度的风速，得到轮毂风速，所述参考高度风速基于所述风速关联关系获取到。
9.根据权利要求7所述的基于地理条件的风电资源潜力估算装置，其特征在于，还包括：
偏差矫正模块，用于采用历史高度风速对所述轮毂风速进行降尺度偏差矫正操作；
标准转换模块，用于基于所述风电机轮毂高度对应的气温和气压将所述轮毂风速进行标准化转换操作。
10.根据权利要求7所述的基于地理条件的风电资源潜力估算装置，其特征在于，所述潜力估算模块，具体用于：
根据所述风电机实际发电功率计算预置时间段内的风电场实际发电量；
计算所述风电场实际发电量与风电场最大发电量之间的比值，得到容量因子；
分别根据陆地的地形特征和海域的离岸距离配置陆地地形约束和海域离岸约束，并基于所述陆地地形约束、所述海域离岸约束和年均利用时间约束构建预置自然地理条件约束；
根据所述预置自然地理条件约束、所述容量因子和预置风电资源约束分别估算风电机装机潜力和风电机发电潜力。
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| CN202410122831.XA CN117933561A (zh) | 2024-01-29 | 2024-01-29 | 一种基于地理条件的风电资源潜力估算方法和装置 |
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