一種考慮風向影響的風電機組輸入風速等效方法技術

本發明專利技術公開一種考慮風向影響的風電機組輸入風速等效方法，該方法考慮了風速和風向的時空相關性，建立了風電機組等效輸入風速模型。技術方案包括：根據風速和風向的突變性對樣本分組；在每組樣本中建立考慮風向影響的合成風速模型；利用馬爾可夫鏈對每組的合成風速進行調制形成風速時間序列；分別采用考慮風向影響的合成風速模型和傳統風速模型計算風電機組的輸出功率，并與風電機組輸出功率觀測值進行比較，驗證了方法的合理性。利用此方法所得合成風速時間序列不僅有助于評價并網風電場的動態特性及其對電網運行特性的影響，同時為電網調度部門合理安排生產計劃、減少系統備用容量提供較為準確的風電數據。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種風速建模方法，特別涉及一種用于風電場并網分析的風電機組輸入風速的建模方法。
技術介紹
風力發電是通過風電機組將風能轉換成電能的能量轉換方式，風是風電機組的動 力來源。由于風的隨機性、間歇性、波動性和不可控性等自然特性引起風電機組輸出功率的 隨機波動，這種波動無論對風電機組本身還是對與之相連的電力系統，都將產生一定程度 的影響。隨著我國近年來風力發電的快速發展，進行風電場接入電力系統的研究和評估、開 展系統及關鍵節點接納風電能力的研究是當前風電發展中迫切需要解決的重要問題。而研 究風電場簡化等值方法，建立風電場的動態模型并在電力系統分析軟件中的實現，是開展 風力發電相關研究的一個重要課題。在風電場簡化等值過程中，作為風力發電動力來源的 風的等效模擬又是這一重要課題的基礎部分。 風包括風速和風向，它們對風電機組和風電場輸出特性的影響主要表現在以下方 面 (1)風速和風向對風電機組輸出功率的影響 風通過風力機葉輪的氣流如圖l(a)所示。風力機從自然風中獲取的功率為 i^丄/9C^V30) (1)2廣p 其中，v(t)為葉輪前方垂直葉面的風速，A為葉輪面積，P為空氣密度，Cp為風能 利用系數。假設任意方向的風吹向風力機葉片的示意圖如圖l(b)所示，V(t)為速度，Y (t) 為風向，風信號可表示為^(0-^(0cos^) + ,(0sin^)，則風力機從風中獲取的功率為P-丄/9C一v3( )-丄/ Cp4^(,)cos;^)]3 (2) 2 2 由此看出風力機從風中獲取的功率不僅與風速有關也與風向有關。 (2)風速和風向對風電場輸出功率的影響 風電場不同于常規的發電廠，它是由大量分散布置的風電機組群組成的。由于風 力機的能量損耗及紊流影響，當風通過風力機后風速和風向都會發生變化；由于上游風電 機組的葉輪對下游風電機組葉輪的遮擋，下游葉輪的輸入風速就低于上游葉輪的輸入風 速，風電機組相距越近，它們之間的影響越大，這種現象稱為尾流效應。 風力機葉輪被其上游風力機所遮擋的情況如圖2所示?？紤]風電機組間尾流效應 時第j臺風電機組作用在第i臺風電機組上的速度A為 v)(o=2>,々) (3)乂=13 式中,=-^表示在第i臺風電機組處，第j臺風力機葉輪的投影面積與第i臺風力機葉輪掃風面積的比。 由于風力機的調向裝置作用，風向變化時正常運轉的風力機一直使葉輪對準風 向，上游風力機葉輪投影面對下游風力機葉輪的遮擋面積隨風向的變化而變化換，因此風 電機組的輸入風速隨風向的變化而變化，進而導致風電場的輸出功率也隨風向的變化而變 化。 由以上分析可以看出，風電場所在區域的風速和風向同時影響風電機組及由它們 組成的風電場的輸出特性，在風電場接入電力系統的研究和評估、開展系統及關鍵節點接 納風電能力的研究中既要考慮風速的變化也要考慮風向的變化。 在當前國內外風力發電的研究中，一般只考慮了風速影響建立風電場模型進行風 電并網的研究，這可能會影響風電場相關研究的準確性，因此建立考慮風向影響的風電機 組輸入風速的模型就是非常必要和具有現實意義的。
技術實現思路
本專利技術的目的是考慮了風電機組所在位置風速和風向的時空相關性，提供一種考 慮風向影響的風電機組輸入風速的等效方法。利用此方法所得出的等效風速時間序列能夠 較為正確評價并網風電場對電網運行影響，同時有助于電網調度合理安排生產計劃，減少 系統備用容量。 本專利技術為實現上述目的，采用的技術方案是 (1)對風速和風向數據進行零均值化處理。 假設風速時間序列為v(t) = {v(l)， v(2)，…，v(nM，風向時間序列為Y (t)= {Y (1)， Y (2)， ... Y (nM，風速和風向時間序列的平均值分別為: _1 w 剛-T7》(0 1，2,.' (4) 柳=^1>(0 / = 1，2廣- (5) 則風速和風向的時間序列可表示為V'(O = {V(l) — F(f)， V(2) - V() — F(W和= Wl) -柳,Y(2) -柳,.-柳。(2)根據風速和風向的突變性或轉折性對風速和風向樣本分組。 風速和風向樣本分組的方法為，首先根據風力等級把風速樣本分為兩組一是風速小于lm/s的歸為一組，稱為靜風狀態；二是風速大于lm/s的歸為一組，稱為有風狀態。根據氣象部門處理風向測量數據的慣例，把360。的風向均勻分成變化范圍是45。的八部分，把0°的風向單獨作為一種狀態處理，依次用0 8表示。 (3)在每組樣本中建立考慮風向影響的合成風速模型。 由于風速和風向時間序列具有較強的馬爾可夫特性，序列中存在明顯的低階自相 關，因此可利用一階自回歸簡化模型對風向量時間序列建模，等效風速模型為 X(t) = AWt-lH e t (6) 其中X(t-l)二[V'(t-l)， Y' (t-l)]T為風速和風向兩個變量零均值平穩隨 機序列組成的風向量；^= [h(t)， h(t)]T為風速和風向兩個變量的白噪聲序列。式中 4 = D12I^ ，其中E 12和E 22分別為 S12 = COV(外)，邵- / ))「五[(一)—— — W))_ — — W))- =N憎-麗* - w -,聯)-柳(w - -柳— 222 = COV(鄧-p)， X(, - p》「邵vd)—印》(《—p)-W))邵^ — p)—，》(v —p) —v(0)- =L恥(《- a -印辦-& -柳順(,-& -柳w - -柳— (4)利用馬爾可夫鏈調制每組的合成風速形成風速時間序列。 根據樣本數據求出轉移概率矩陣P和累積概率矩陣P。，給出初始風速和風向數據， 形成等效風速時間序列。 形成等效風速時間序列的步驟為 ①隨機選擇初始狀態i ，然后利用隨機發生器產生在0和1之間的隨機數e ; ②把隨機數e與累積概率矩陣P。中的第i行的元素進行比較，若e比其前一狀 態的累積概率大，但是小于等于下一狀態的累積概率，則下一狀態就是要轉向的狀態，記為 k狀態。 ③隨機選擇風速和給定范圍的風向，利用(6)式確定出k狀態的風速和風向。 ④在轉移概率矩陣P中第k行元素中找出最大值，此值所對應的列號作為下一步 要轉向的狀態。 ⑤根據步驟③中所確定的風速和風向數值，再利用(6)式確定出此狀態的風速和 風向。 ⑥如此反復步驟④、⑤，就可得出擬合的風速時間序列。(5)利用v(/)-v'(0 +叩)和KO:/(0 + f(,)，把擬合的風速時間序列v' (t)變換成v(t)。(6)誤差分析 由于考慮風向影響的合成風速不能通過實測所得，但是能測出風電機組的輸出功 率，因此可利用風電機組輸出功率的觀測值與利用合成風速所得出的風電機組輸出功率進 行比較來驗證模型的合理性，下面從統計參數和概率分布進行比較 ①計算風電機組的合成功率和輸出功率觀測值的平均值、標準偏差、最大值、最小 值，若它們相差較小在允許的誤差范圍內，即為合成風速模型有效。 ②利用平均功率和最大功率估計風電場輸出功率的合成值和其觀測值的威布爾 分布參數及概率分布。若合成值和觀測值的差值較小，則說明利用考慮風向影響的風電機 組輸入風速模型所生成的合成風速時間序列具有一定的合理性。 本專利技術的有益效果體現本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種考慮風向影響的風電機組輸入風速等效方法，其特征在于：考慮了風速和風向的時空相關性，建立了考慮風向影響的風電機組輸入風速模型。

【技術特征摘要】
一種考慮風向影響的風電機組輸入風速等效方法，其特征在于考慮了風速和風向的時空相關性，建立了考慮風向影響的風電機組輸入風速模型。2. 根據權利要求l所述的一種考慮風向影響的風電機組輸入風速等效方法，其特征在于對風速v(t) = v{v(l)， v(2)， ， v(n)}和風向y (t) = { y (1)，y (2)，…y (n)}數據進行均值化處理，風速、風向時間序列就變為零均值的樣本，= (v(l)-印),v(2)-i7(,)廣.v()-7(0}= M1)-7W，Y(2)-W0,…Y()-W)}。3. 根據權利要求1所述的一種考慮風向影響的風電機組輸入風速等效方法，其特征在于根據氣象部門對風速和風向的表示方法對風速和風向樣本分組。 一是風速小于lm/s的歸為一組，稱為靜風狀態；二是風速大于lm/s的歸為一組，稱為有風狀態。根據氣象部門處理風向測量數據的慣例，把360。的風向均勻分成變化范圍是45。的八部分，把0。的風向單獨作為一種狀態處理，依次用0 8表示。...

【專利技術屬性】
技術研發人員：曹娜，于群，
申請(專利權)人：山東科技大學，
類型：發明
國別省市：95[中國|青島]