[发明专利]一种基于测风塔测风数据的风电场弃风电量确定方法

权利要求书

1.一种基于测风塔测风数据的风电场弃风电量确定方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

(1)确定测风数据在地形、地貌和风机尾流影响下的变化；

(2)确定风电机组的理论功率；

(3)确定风电场理论功率；

(4)从能量管理系统中获得风电场实际功率；

(5)确定风电场弃风电量；

所述步骤(1)包括：

①确定地形对风速的影响：地形扰动下的受扰边界层包括内层、外层和中间层；

②确定地貌对风速的影响；

③确定风电机组尾流对风速的影响；

所述①中，风电机组边界层外层风速的扰动的求解包括：

边界层外层在地形扰动下的流场变化按照势流理论求解，将地形变化看作对未受扰流场的小扰动,由势流理论得：

u'＝▽χ1)；

其中：u'为变化地形对未受扰流场的扰动；χ(r,φ,z)为柱坐标下的势函数，▽为哈密顿算子；r、φ、z分别表示柱坐标系中的三个坐标变量；

以风电机组所在位置为坐标原点，则边界层外层在地形扰动下的流场变化转换为求解以下定解问题：

其中：u₀为上风向未受扰水平风速矢量；h(r,φ)为地形高度函数；R为研究区域半径，R＝10km为10km外的地形变化将不再影响风电机组位置处的流场；L为地形扰动在垂直方向上的长度；

χ(r,φ,z)的通解：

χ(r,φ,z)=Σn=0∞Σj=1∞Jn(αjr)(Anjcos nφ+Bnjsin nφ)sinhαj(LJ-z)---3);]]>

式中,J_n(α_jr)为n阶贝塞尔函数；

由边界条件和贝塞尔函数的正交性以及表达式1)得：

u→WT′=12RΣj=1∞sinh[cj1R(Lj-z)]cj1[(A1j+B1j)er+(B1j-A1j)eφ]---4);]]>

其中：为地形变化对风电机组位置处边界层外层流场的扰动，为一阶贝塞尔函数的第j个零点；e_r、e_φ分别为径向与方位角方向的单位向量；系数A_1j、B_1j由下式5)确定：

A1j+iB1j=-2∫0R∫02πu→0·▿h(r,φ)eiφrJ1(cj1Rr)dφdrπR cosh(1)cj1[J2(cj1)]2---5);]]>

其中：▽h(r,φ)包含地形变化信息；

根据表达式4)和5)，在给定风电机组地理位置以及地形变化信息后，获得地形变化对风电机组位置边界层外层流场的扰动；

所述①中，对风电机组边界层内层风速的扰动求解，包括：

边界层内层流场扰动随高度按对数风廓线变化，在边界层内层层顶扰动达到最大并大于势流解，内层流场对于同一高度势流解的修正值为：

Δu→j(z)=U0(z)U02(Lj)U02(zj′)▿χj---6);]]>

式中，U₀(z)为上风向未受扰风矢量在高度z的风速，L_j为地形扰动在垂直方向上的长度尺度，z'_j＝max(z,l_j)，其中l_j为边界层内层高度，l_j＜＜L_j，l_j由下式确定：z_oj为对应l_j的相对粗糙度，上风向为均一地形时，z_0j＝z₀，上风向为非均一地形时：其中：D＝5L_j，x_n为第n个粗糙度变化与风电机组的距离；▽为哈密顿算子；

所述①包括：

边界层中间层的范围为l_j≤z≤4l_j，边界层中间层流场扰动为：

u→mj(z)=kwf[Δu→lj(z)+▿χlj]+(1-kwf)▿χ4lj---7);]]>

其中：k_wf为加权因子，Δu_j(l_j)为边界层内层顶势流解修正值；分别为z＝l_j与z＝4l_j的势流解；l_j为边界层内层高度，l_j＜＜L_j，l_j由下式确定：z_oj为对应l_j的相对粗糙度，上风向为均一地形时，z_0j＝z₀，上风向为非均一地形时：其中：D＝5L_j，x_n为第n个粗糙度变化与风电机组的距离；

所述②包括：

流经变化粗糙度的下风向风廓线描述为：

u(z)=u′ln(z/z01)ln(0.3h/z01)z≥0.3hu′′+(u′-u′′)ln(z/0.09h)ln(0.3/0.09)0.09h≤z≤0.3hu′′ln(z/z02)ln(0.09h/z02)z≤0.09h---8);]]>

其中：z₀₂为风电机组位置的粗糙度，z₀₁为距离风电机组位置最近的上风向粗糙度，u_*2、u_*1分别为对应z₀₁、z₀₂的摩擦速度，κ＝0.4为卡曼常数，u_*1为z₀₁对应的摩擦速度，h为边界层内层高度，由下式确定：

hz0′(lnhz0;-1)=0.9xz0′---9);]]>

其中：z'₀＝max(z₀₁,z₀₂)，x为粗糙度变化位置与风电机组位置的距离；表示研究区域内粗糙度的最大值；

粗糙度变化扰动下，摩擦速度之间的关系，如下式：

u*n+1u*n=ln(h/z0n)ln(h/z0n+1)---10);]]>

式中，z_0n、z_0n+1分别为上风向粗糙度与距离最近的下风向粗糙度，u_*n、u_*n+1为对应z_0n、z_0n+1的摩擦速度；

粗糙度变化位置距离风电机组位置越远其影响亦越弱，加入距离权重因子表示距离的作用，得：

z0neffe=z0n+1×(z0nz0n+1)wn---11);]]>

式中：z_0effe为等效粗糙度，为第n个粗糙度的距离权重因子，D＝10km，即认为10km外的粗糙度变化将不再对风电机组位置的风廓线产生影响；

所述③中，确定风电机组尾流对风速的影响包括：确定风电机组尾流模型；

尾流模型被称为Larsen尾流模型，假定下风向不同位置的风速衰减具有相似性，并且风速只发生中等程度的衰减，则通过下式计算下风向L＝x处的尾流影响区域半径：

Rw=[352p]15[3c12]15[CTAx]13c1=l(CTAx)-13---12);]]>

其中：c₁为无量纲混合长；l为普朗特混合长，A为风力机扫风面积，C_T为风电机组推力系数；

Larsen尾流模型最终的风速衰减表达式为：

DU=-UWT9(CTAx-2)13[Rw32(3c12CTAx)-12-(352π310(3c12)15)]2---13);]]>

式中：U_WT为风电机组轮毂高度的平均风速；R_w由式12)确定；

所述步骤(2)中，根据功率曲线，得到风电机组理论功率；功率曲线由风机制造商提供；

所述步骤(3)中，对风电场所有风电机组理论功率求和得到风电场理论功率；

所述步骤(5)中，将风电场理论功率和风电场实际功率分别对时间积分，得到风电场理论电量和风电场实际电量，两者相减得到风电场弃风电量；

利用分段二次插值法求出设定时段内各风电机组理论功率，对时间积分得到风电场理论电量：其中P_T为风电场理论功率，t₀、t₁分别为起始时间和结束时间；

风电场理论电量和风电场实际电量相减得到风电场弃风电量，表达式如下：E_c＝E_T-E_M；其中：E_c为风电场弃风电量；E_T为风电场理论电量；E_M为风电场实际电量。