CN101592538A - 一种基于实测数据风电场稳态输出功率的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于实测数据风电场稳态输出功率的计算方法，其特点是，它包括以下步骤：数据采集，采集风电场迎风方向外端风速V_out、各风力机输出功率P_i、风电场实测风向角α；数据处理，分别对风电场实测风向角α不同风向的数据进行划分，按α＝10°～360°得到36个数据库，再分别对不同风向建立数据表得到风电场风功率利用系数；仿真计算，输入仿真输入量，根据风电场实测风向角α选定数据库，根据C_P′－V_wout曲线和C_Pi－V_wout曲线求出V_out对应的C_P′和C_Pi，得到风电场总输出功率；误差分析，采用平均绝对百分比误差评价标准把该方法计算出的风电场稳态输出功率与实测功率通过误差评价标准进行误差计算，给出该计算方法的精确度。具有计算方法简单，计算速度快，精度更高，能够满足在线使用要求等优点。

Description

一种基于实测数据风电场稳态输出功率的计算方法

技术领域

本发明涉及风电场稳态输出功率的计算领域，提出了一种基于实测数据风电场稳态输出功率的计算方法，该方法通过对实测风速、风向和各个风力机输出功率等数据进行分析，得到不同风速和风向下的风电场等效风能利用系数，通过得到的风电场等效风能利用系数来模拟不同风速和风向下的风电场稳态输出功率。

背景技术

随着当前风电的迅速发展、风电装机容量的不断扩大，风电场并网对电力***的影响已经不可忽视。而由于风速波动带来的风电场输出功率的波动问题成为本领域一个重要的课题，因此高精度的模拟风电场输出功率是分析该问题的基础。

大型风电场属于多机***，与对单机***的研究存在差异，必须考虑由于地形和风电机组排列带来的风速不均匀的特性。即每台风电机组所接受的风速不同，输出的功率也不同。因此对于计算风电场输出功率，主要难点在于必须考虑风电场的风速分布(各风力机接受的风速不相等)，这是由风电场各风电机组的布局情况、风向、风速等诸多因素决定的。

传统的风电场等值模型的研究方法，通常是先计算某台风电机组在实测风速下的输出功率，再将此功率的N倍(N为风电场中在运行风电机组台数)来等效表示整个风电场的输出。该方法很显然忽略了风电场风速分布不均匀的特性，因此上述传统方法虽然简单，但精度差。

目前风电场等值模型的研究方法大都局限于对风电场内部风力机布局对风速分布的影响的研究，通过计算风电场内部风速的分布来分析风电场的整体特性。而风电场内部风速的分布是不容易得到的量，分析风电场内部的尾流效应来获得风速的分布，计算方法复杂，计算量大，无法模拟实际风电场的功率输出特性。

发明内容

本发明的目的是，提供一种基于对实测数据的分析，计算方法简单，计算速度快，精度更高，能够满足在线使用要求的基于实测数据风电场稳态输出功率的计算方法。

本发明的目的是由以下技术方案来实现的：一种基于实测数据风电场稳态输出功率的计算方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)数据采集

采集风电场迎风方向外端风速V_out、各风力机输出功率P_i(i＝1，…，n)、风电场实测风向角α，风电场迎风方向外端风速V_out的数据采集范围必须在风力机运行范围内，即切入风速与切出风速之间，一般取3m/s～21m/s，步长取0.1m/s；各风力机输出功率P_i的数据必须覆盖每一台风力机，即i＝1，…，n，n为风电场风电机组数；风向的细微差别对于***输出功率的影响很小，故将风向角度的间隔设计为10°，因此风向角α的取值范围为10°～360°，一共36个值；

(2)数据处理

按数据采集步骤(1)采集的数据，分别对风电场实测风向角α不同风向的数据进行划分，按α＝10°～360°得到36个数据库；再分别对不同风向建立数据表，当风电场实测风向α为α_i时得到不同的V_out的值所对应的P_i、C_Pi、P_∑和C′_P的值，其中：

P_i为风电场第i台风电机组的实测输出功率；

ρ_air：空气密度；

A_i：风电场中第i台机扫风面积；

A_∑：各风力机扫风面积之和 $A_{\mathrm{\Σ}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i;$

V_out：风电场迎风方向外端风速；

P_∑：风电场风电机组全部运行时的总输出功率，利用公式 $P_{\mathrm{\Σ}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i$ 进行计算；

C_Pi为风电场中第i台风力机对于风电场迎风方向外端风速的风功率利用系数，通过公式 $C_{\mathrm{Pi}}=\frac{2P_i}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}{A}_i{V}_{\mathrm{out}}}$ 进行计算；

C′_P：风电场风功率利用系数，通过计算公式 $C_P^{\′}=\frac{2P_{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}{A}_{\mathrm{\Σ}}{V}_{\mathrm{out}}}$ 进行计算；

得到不同的V_out值所对应的P_i、C_Pi、P_∑和C′_P的值，

对于不同的V_out值所对应的C′_P值，绘制横坐标为V_out、纵坐标为C′_P的散点图，令 $\mathrm{\ΔV}=\frac{\{\max \left(V_{\mathrm{out}}\right)-\min \left(V_{\mathrm{out}}\right)\}}{n},$ 起始点为散点图内横坐标最小风速点，终止点为散点图内横坐标最大风速点，把该范围分为n等份，间隔为ΔV，对于每个等份求取一个点，对于第i等份横坐标范围为V_i到V_i+ΔV，取横坐标为V_i+1/2ΔV，纵坐标为所有在该范围内的点纵坐标的平均值，得到了n个点，利用三次样条插值，得到C′_P-V_out曲线，C_Pi-V_out曲线，从而得到不同风向的C′_P-V_out曲线和C_Pi-V_out曲线；

(3)仿真计算

输入仿真输入量：风电场实测风向角α、风电场迎风方向外端风速V_out、风电场中各风力机扫风面积A_i(i＝1，…，n)、空气密度ρ_air、停机风力发电机编号m₁，m₂…m_t，其中1≤m≤n且1≤t≤n；根据风电场实测风向角α选定数据库，根据C′_P-V_wout曲线和C_Pi-V_wout曲线求出V_out对应的C′_P和C_Pi(其中i＝m₁，m₂…m_t)则，风电场稳态输出功率为：

$P_{\mathrm{out}}=P_{\mathrm{\Σ}}-\mathrm{\Σ}{P}_i=\frac{1}{2}{C}_P^{\′}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}{A}_{\mathrm{\Σ}}{V}_{\mathrm{out}}^3-\frac{1}{2}\underset{i=m_1,m_2...,m_t}{\mathrm{\Σ}}{C}_{\mathrm{Pi}}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}{V}_{\mathrm{out}}^3$

其中，i＝m₁，m₂…m_t；

(4)误差分析

误差评价标准采用的是传统的平均绝对百分比误差Mean AbsolutePercentage Error，MAPE，设Va是实际值，而Vf是预测值，那么百分比误差(Percentage Error，PE)定义为：

PE＝(V_f-V_a)/V_a×100％

绝对百分比误差(Absolute Percentage Error，APE)定义为：

APE＝|PE|

平均绝对百分比误差定义为：

$\mathrm{MAPE}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{APE}}_i$

最大绝对百分比误差定义为：

${\mathrm{APE}}_{\max }=\underset{i=1}{\overset{n}{\max }}\left({\mathrm{APE}}_i\right)$

给出风电场记录的实测风电场迎风方向外端风速V_out、风向角α、空气密度ρ_air、风电场内各风电机组停机情况作为输入，把该方法计算出的风电场稳态输出功率与实测功率通过上述误差评价标准进行误差计算，给出该计算方法的精确度。

附图说明

图1为风电场各风电机组之间位置关系示意图。

图2为风电机组装机位置处风速分布示意图。

图3为散点图处理方法解释图。

图4为风电场P_∑-V_out风电场风电机组全部运行时的总输出功率对应外端风速的散点图与拟合曲线的对比示意图。

图5为风电场C′_P-V_out风电场等效风能利用系数对应外端风速的散点图与拟合曲线的对比示意图。

图6为该发明的方法模拟的洮南风电场输出功率曲线与实测的洮南风电场输出功率曲线的对比图，图中标注A曲线为模拟输出功率，B曲线为实测输出功率。其中纵坐标为输出功率值。横坐标表示时间，其中每一个刻度表示2400秒(例如600～700为一个刻度，表示2400秒)。该图截取了横坐标0～5000中的600～1500这个范围的曲线，以示例说明。

具体实施方式

下面利用附图和实施例对本发明的一种基于实测数据风电场稳态输出功率的计算方法进行详细说明。

一种基于实测数据风电场稳态输出功率的计算方法，它包括以下步骤：

(1)数据采集

采集风电场迎风方向外端风速V_out、各风力机输出功率P_i(i＝1，…，n)、风电场实测风向角α，风电场迎风方向外端风速V_out数据采集的范围必须在风力机运行范围内，即切入风速与切出风速之间，一般取3m/s～21m/s，步长取0.1m/s；各风力机输出功率P_i的数据必须覆盖每一台风力机，即i＝1，…，n，n为风电场风力机数；风向的细微差别对于***输出功率的影响很小，故将风向角度的间隔设计为10°，因此风向角α(α指风向北偏东的角度)的取值范围为10°～360°，共36个值；

(2)数据处理

按数据采集步骤(1)采集的数据，分别对风电场实测风向角α不同风向的数据进行划分，按α＝10°～360°得到36个数据库；再分别对不同风向建立数据表，当风电场实测风向角α为α_i时得到不同的V_out的值所对应的P_i、C_Pi、P_∑和C′_P的值，其中：

P_i为风电场第i台风电机组的实测输出功率，不需要计算；

ρ_air：空气密度；

A_i：风电场中第i台机扫风面积；

A_∑：各风力机扫风面积之和 $A_{\mathrm{\Σ}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i;$

V_out：风电场迎风方向外端风速；

P_∑：风电场风电机组全部运行时的总输出功率，利用公式 $P_{\mathrm{\Σ}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i$ 进行计算；

C_Pi为风电场中第i台风力机对于风电场迎风方向外端风速的风功率利用系数，通过公式 $C_{\mathrm{Pi}}=\frac{2P_i}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}{A}_i{V}_{\mathrm{out}}}$ 进行计算；

C′_P：风电场风功率利用系数，通过计算公式 $C_P^{\′}=\frac{2P_{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}{A}_{\mathrm{\Σ}}{V}_{\mathrm{out}}}$ 进行计算；

这样就得到了得到不同的V_out的值所对应的P_i、C_Pi、P_∑和C′_P的值。

对于不同的V_out的值所对应的C′_P的值，绘制横坐标为V_out纵坐标为C′_P的散点图，令 $\mathrm{\ΔV}=\frac{\{\max \left(V_{\mathrm{out}}\right)-\min \left(V_{\mathrm{out}}\right)\}}{n},$ 起始点为散点图内横坐标最小风速点，终止点为散点图内横坐标最大风速点，把该范围分为n等份，间隔为ΔV，对于每个等份求取一个点，对于第i等份横坐标范围为V_i到V_i+ΔV，取横坐标为V_i+1/2ΔV，纵坐标为所有在该范围内的点的纵坐标的平均值，得到了n个点，利用三次样条插值，得到C′_P-V_out曲线，同理得到C_Pi-V_out曲线，从而得到了不同风向的C′_P-V_out曲线和C_Pi-V_out曲线；

(3)仿真计算

输入仿真输入量：风电场实测风向角α、风电场迎风方向外端风速V_out、风电场中各风力机扫风面积A_i(i＝1，…，n)、空气密度ρ_air、停机风力发电机编号m₁，m₂…m_t，其中1≤m≤n且1≤t≤n；根据风电场实测风向角α选定数据库，根据C′_P-V_wout曲线和C_Pi-V_wout曲线求出V_out对应的C′_P和C_Pi(其中i＝m₁，m₂…m_t)则，

$P_{\mathrm{out}}=P_{\mathrm{\Σ}}-\mathrm{\Σ}{P}_i=\frac{1}{2}{C}_P^{\′}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}{A}_{\mathrm{\Σ}}{V}_{\mathrm{out}}^3-\frac{1}{2}\underset{i=m_1,m_2...,m_t}{\mathrm{\Σ}}{C}_{\mathrm{Pi}}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}{V}_{\mathrm{out}}^3$

其中，i＝m₁，m₂…m_t

P_out：风电场稳态输出功率；

C_Pi：风电场中第i台机对于外端风速的风功率利用系数；

C′_P：风电场风功率利用系数；

P_i：风电场中第i台机输出功率；

P_∑：风电场风电机组全部运行时的总输出功率；

ρ_air：空气密度；

A_i：风电场中第i台风力机扫风面积；

A_∑：各风力机扫风面积之和 $A_{\mathrm{\Σ}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i;$

V_out：风电场迎风方向外端风速。

(4)误差分析

误差评价标准采用的是传统的平均绝对百分比误差Mean AbsolutePercentage Error，MAPE，设Va是实际值，而Vf是预测值，那么百分比误差(Percentage Error，PE)定义为：

PE＝(V_f-V_a)/V_a×100％

绝对百分比误差(Absolute Percentage Error，APE)定义为：

APE＝|PE|

平均绝对百分比误差定义为：

$\mathrm{MAPE}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{APE}}_i$

最大绝对百分比误差定义为：

${\mathrm{APE}}_{\max }=\underset{i=1}{\overset{n}{\max }}\left({\mathrm{APE}}_i\right)$

给出风电场记录的实测风电场迎风方向外端风速V_out、风向角α、空气密度ρ_air、风电场内各风电机组停机情况作为输入，把该方法计算出的风电场稳态输出功率与实测功率通过上述误差评价标准进行误差计算，给出该计算方法的精确度。

参照图1-5，是本发明的一种基于实测数据风电场稳态输出功率的计算方法在吉林省洮南风电场一期工程58台风电机组的具体应用。

参照图1，吉林省洮南风电场一期工程58台风电机组的布局，横坐标为地理位置的横坐标，纵坐标为地理位置的纵坐标，该图表示了该风电场各个风力机之间位置的关系。

参照图2，吉林省洮南风电场一期工程58台风力机装机位置处风速分布，该图为三维立体图，X，Y轴表示地理位置，Z轴表示风速，并标注了风速的大小。

图3为散点图处理方法解释图，令 $\mathrm{\ΔV}=\frac{\{\max \left(V_{\mathrm{out}}\right)-\min \left(V_{\mathrm{out}}\right)\}}{n},$ 起始点为散点图内横坐标最小风速点，终止点为散点图内横坐标最大风速点，把该范围分为n等份，间隔为ΔV。对于每个等份求取一个点。对于第i等份横坐标范围为V_i到V_i+ΔV，取横坐标为V_i+1/2ΔV，纵坐标为所有在该范围内的点的纵坐标的平均值。这样就得到了n个点。

图4为风电场P_∑-V_out风电场风电机组全部运行时的总输出功率对应外端风速的散点图与拟合曲线的对比图，散点图为风电场的实测数据，每个点表示风电场一个时刻风速与功率的关系，横坐标为风速，纵坐标为功率。再通过附图3，求取10个点，再把10个点进行三次样条插值，即得到曲线，曲线表示了风电场迎风方向外端风速与风电场风电机组全部运行时的总输出功率的一一对应关系。

图5为风电场C′_p-V_out风电场等效风能利用系数对应外端风速的散点图与拟合曲线的对比图，散点图中每个点表示风电场一个时刻风速与风电场等效风能利用系数的关系，横坐标为风速，纵坐标为风电场等效风能利用系数。再通过附图3，求取10个点，再把10个点进行三次样条插值，即得到曲线，曲线表示风电场迎风方向外端风速与风电场等效风能利用系数的一一对应关系。

图6为该发明的方法模拟的洮南风电场输出功率曲线与实测的洮南风电场输出功率曲线的对比图，图中标注A曲线为模拟输出功率，B曲线为实测输出功率。其中纵坐标为输出功率值。横坐标表示时间其中每一个刻度表示2400秒(例如600～700为一个刻度，表示2400秒)。模拟的洮南风电场输出功率曲线方法遵照具体实施方式的步骤。根据每个时刻测得的风电场迎风方向外端风速、实际风电场各风电机组的停机情况、空气密度和风电场中各风力机扫风面积，计算求取每个时刻的风电场总输出功率，绘制洮南风电场模拟输出功率曲线(如图曲线A)。在模拟33.33小时的风电场功率变化情况后，求得平均百分比误差为6.14％。

Claims (1)

1.一种基于实测数据风电场稳态输出功率的计算方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)数据采集

采集风电场迎风方向外端风速V_out、各风力机输出功率P_i(i＝1，…，n)、风电场实测风向角α，风电场迎风方向外端风速V_out的数据采集范围必须在风力机运行范围内，即切入风速与切出风速之间，一般取3m/s～21m/s，步长取0.1m/s；各风力机输出功率P_i的数据必须覆盖每一台风力机，即i＝1，…，n，n为风电场风电机组数；风向的细微差别对于***输出功率的影响很小，故将风向角度的间隔设计为10°，因此风向角α的取值范围为10°～360°，一共36个值；

(2)数据处理

按数据采集步骤1采集的数据，分别对风电场实测风向角α不同风向的数据进行划分，按α＝10°～360°得到36个数据库；再分别对不同风向建立数据表，当风电场实测风向α为α_i时得到不同的V_out的值所对应的P_i、C_Pi、P_∑和C′_P的值，其中：

P_i为风电场第i台风电机组的实测输出功率；

ρ_air：空气密度；

A_i：风电场中第i台机扫风面积；

A_∑：各风力机扫风面积之和 $A_{\mathrm{\Σ}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i;$

V_out：风电场迎风方向外端风速；

P_∑：风电场风电机组全部运行时的总输出功率，利用公式 $P_{\mathrm{\Σ}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i$ 进行计算；

C_Pi为风电场中第i台风力机对于风电场迎风方向外端风速的风功率利用系数，通过公式 $C_{\mathrm{Pi}}=\frac{2P_i}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}{A}_i{V}_{\mathrm{out}}}$ 进行计算；

C′_P：风电场风功率利用系数，通过计算公式 $C_P^{\′}=\frac{2P_{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}{A}_{\mathrm{\Σ}}{V}_{\mathrm{out}}}$ 进行计算；

得到不同的V_out值所对应的P_i、C_Pi、P_∑和C′_P的值，

对于不同的V_out值所对应的C′_P值，绘制横坐标为V_out、纵坐标为C′_P的散点图，令 $\mathrm{\ΔV}=\frac{\{\max \left(V_{\mathrm{out}}\right)-\min \left(V_{\mathrm{out}}\right)\}}{n},$ 起始点为散点图内横坐标最小风速点，终止点为散点图内横坐标最大风速点，把该范围分为n等份，间隔为ΔV，对于每个等份求取一个点，对于第i等份横坐标范围为V_i到V_i+ΔV，取横坐标为V_i+1/2ΔV，纵坐标为所有在该范围内的点纵坐标的平均值，得到了n个点，利用三次样条插值，得到C′_P-V_out曲线，C_Pi-V_out曲线，从而得到不同风向的C′_P-V_out曲线和C_Pi-V_out曲线；

(3)仿真计算

输入仿真输入量：风电场实测风向角α、风电场迎风方向外端风速V_out、风电场中各风力机扫风面积A_i(i＝1，…，n)、空气密度ρ_air、停机风力发电机编号m₁，m₂…m_t，其中1≤m≤n且1≤t≤n；根据风电场实测风向角α选定数据库，根据C′_P-V_wout曲线和C_Pi-V_wout曲线求出V_out对应的C′_P和C_Pi(其中i＝m₁，m₂…m_t)则，风电场稳态输出功率为：

$P_{\mathrm{out}}=P_{\mathrm{\Σ}}-\mathrm{\Σ}{P}_i=\frac{1}{2}{C}_P^{\′}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}{A}_{\mathrm{\Σ}}{V}_{\mathrm{out}}^3-\frac{1}{2}\underset{i=m_1,m_2...,m_t}{\mathrm{\Σ}}{C}_{\mathrm{Pi}}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}{V}_{\mathrm{out}}^3$

其中，i＝m₁，m₂…m_t；

(4)误差分析

误差评价标准采用的是传统的平均绝对百分比误差Mean AbsolutePercentage Error，MAPE，设Va是实际值，而Vf是预测值，那么百分比误差(Percentage Error，PE)定义为：

PE＝(V_f-V_a)/V_a×100％

绝对百分比误差(Absolute Percentage Error，APE)定义为：

APE＝|PE|

平均绝对百分比误差定义为：

$\mathrm{MAPE}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{APE}}_i$

最大绝对百分比误差定义为：

${\mathrm{APE}}_{\max }=\underset{i=1}{\overset{n}{\max }}\left({\mathrm{APE}}_i\right)$

给出风电场记录的实测风电场迎风方向外端风速V_out、风向角α、空气密度ρ_air、风电场内各风电机组停机情况作为输入，把本方法计算出的风电场稳态输出功率与实测功率通过上述误差评价标准进行误差计算，给出该计算方法的精确度。

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