[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

摘要

本发明涉及一种基于测风塔测风数据的风电场弃风电量确定方法，该方法以测风塔测风数据为基础，考虑地形、地貌及风电机组尾流等影响，计算风电机组轮毂高度处的风速，再根据功率曲线获得风电机组理论功率，对风电场所有风电机组的理论功率求和得到风电场理论功率，最后将风电场理论功率和实际功率分别对时间积分，得到理论电量和实际电量，两者相减得到风电场弃风电量，实现对风电场弃风电量的精确计算。该方法普遍适用于各种风电场，成功解决了样板机法计算弃风电量精确度不高的问题。

主权项

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'＝▽χ        1)；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)(Anjcosnφ+Bnjsinnφ)sinhαj(LJ-z)---3);]]>式中,Jn(αjr)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；er、eφ分别为径向与方位角方向的单位向量；系数A1j、B1j由下式5)确定：A1j+iB1j=-2∫0R∫02πu→0·▿h(r,φ)eiφrJ1(cj1Rr)dφdrπRcosh(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，Lj为地形扰动在垂直方向上的长度尺度，z'j＝max(z,lj)，其中lj为边界层内层高度，lj＜＜Lj，lj由下式确定：zoj为对应lj的相对粗糙度，上风向为均一地形时，z0j＝z0，上风向为非均一地形时：其中：D＝5Lj，xn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lj≤z≤4lj，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：kwf为加权因子，Δuj(lj)为边界层内层顶势流解修正值；分别为z＝lj与z＝4lj的势流解；lj为边界层内层高度，lj＜＜Lj，lj由下式确定：zoj为对应lj的相对粗糙度，上风向为均一地形时，z0j＝z0，上风向为非均一地形时：其中：D＝5Lj，xn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，z0n、z0n+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z0n、z0n+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：z0effe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，CT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：UWT为风电机组轮毂高度的平均风速；Rw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PT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：Ec＝ET‑EM；其中：Ec为风电场弃风电量；ET为风电场理论电量；EM为风电场实际电量。