CN102767472A - 一种风电机组功率曲线的提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了风电功率预测方法技术领域中的一种风电机组功率曲线的提取方法，用于获取准确的实际输出功率特性曲线。该方法包括：选择采样风速和采样风速步长，根据采样风速设定采样风速区间，采集设定时间长度内的采样风速区间的风速数据和所述采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率数据；对所述采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率数据进行预处理；根据采样风速和预处理后的采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率数据，提取初始风电机组功率曲线；修正初始风电机组功率曲线，得到最终风电机组功率曲线。利用本发明提取的风电机组功率曲线更接近于风电机组实际输出功率特性曲线。
Description
技术领域
本发明属于风电功率预测方法技术领域，尤其涉及一种风电机组功率曲线的提取方法。
背景技术
风能作为一种可再生清洁能源，受到世界各国越来越多的重视。按照国际电工委员会的IEC61400-12标准，风电机组的风速–功率特性曲线表示的是风速与功率10min（分钟）平均值的关系。标准空气密度(空气密度=1.225kg/m3)条件下，风电机组输出功率与风速的关系曲线称为风电机组标准功率特性曲线。在安装地具体条件下，风电机组输出功率与风速的关系曲线称为风电机组实际输出功率特性曲线。风力发电机组出厂时厂家会提供机组的功率曲线，但是风电场的空气密度一般与标准空气密度不同，且由于机组运行状态、地形、其它风电机组尾流等因素的影响，风电机组实际输出功率特性曲线不一定与风电机组标准功率特性曲线完全吻合。
很多风电功率预测的方法基于风速预测，然后通过功率曲线模型得出预测功率，所以功率曲线模型精度对风电功率预测有很重要的影响。风电机组生产厂家提供的风电机组标准功率特性曲线只反映了风电机组稳态的风速功率关系，用来分析风电机组的实际运行状况时存在明显的误差，应用到风功率预报功率曲线模型中会影响预报精度，在风功率预测中应用的功率曲线应该采用根据历史数据提取的反应机组实际输出功率特性的曲线。
发明内容
本发明的目的在于，针对风电机组标准功率特性曲线与风电机组真实运行情况的实际输出功率特性曲线存在误差的问题，提出一种风电机组功率曲线的提取方法，用于获取反应风电机组真实发电状况的实际输出功率特性曲线，以确保风电场的超短期和短期功率预报的准确性。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是，一种风电机组功率曲线的提取方法，其特征是所述方法包括：
步骤1：选择采样风速和采样风速步长，根据采样风速设定采样风速区间，采集设定时间长度内的采样风速区间的风速数据和所述采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率数据；
步骤2：对所述采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率数据进行预处理；
步骤3：根据采样风速和预处理后的采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率数据，提取初始风电机组功率曲线；
步骤4：修正初始风电机组功率曲线，得到最终风电机组功率曲线。
所述风电机组为变桨距风力发电机组。
所述步骤2包括：
步骤201：当采样风速区间的风速数据小于第一设定阈值时，令该采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率为0；
步骤202：利用莱茵达法则处理采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率数据，即对每个采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率求取平均值，然后计算该采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率与所述平均值之差的绝对值，如果所述绝对值大于莱茵达法则设定的阈值，则将该采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率作为坏点，剔除所述坏点；重复步骤202直至没有坏点为止；
步骤203：经过莱茵达法则处理后，判断采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率与所述平均值之差的绝对值是否大于第二设定阈值，如果采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率与所述平均值之差的绝对值大于第二设定阈值，则剔除该采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率；
步骤204：对于没有风电机组功率数据的采样风速区间的风速数据，令该采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率为空。
所述步骤3包括：对每个采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率求取平均值，将所述平均值作为相应的采样风速区间内的采样风速对应的风电机组功率；对于没有风电机组功率数据的采样风速区间的风速数据，令该采样风速区间内的采样风速对应的风电机组功率为空；之后，提取初始风电机组功率曲线。
所述步骤4包括：
步骤401：在初始风电机组功率曲线中，找出第一个不为0的风电机组功率对应的采样风速，将此采样风速作为切入风速；
步骤402：令零风速到小于所述切入风速之间的风电机组功率为零；判断所述切入风速与风电机组标准功率特性曲线的切入风速的大小，当所述切入风速大于风电机组标准功率特性曲线的切入风速时，将初始风电机组功率曲线中采样风速小于所述切入风速的部分用风电机组标准功率特性曲线替换，同时将所述切入风速变换为风电机组标准功率特性曲线的切入风速；当所述切入风速小于等于风电机组标准功率特性曲线的切入风速时，不做变换；
步骤403：将初始风电机组功率曲线中的最大功率作为额定功率，将初始风电机组功率曲线中首次出现的最大功率对应的采样风速作为额定风速；
步骤404：在初始风电机组功率曲线中，将大于所述额定风速小于等于切出风速的采样风速对应的风电机组功率替换为额定功率，令大于切出风速的采样风速对应的风电机组功率为0，从而得到中间风电机组功率曲线；
步骤405：如果所述额定风速小于等于风电机组标准功率特性曲线的额定风速并且所述额定功率大于风电机组标准功率特性曲线的额定功率，则所述额定风速即为中间风电机组功率曲线的额定风速，所述额定功率即为中间风电机组功率曲线的额定功率；如果所述额定风速小于等于风电机组标准功率特性曲线的额定风速并且所述额定功率小于等于风电机组标准功率特性曲线的额定功率，则将中间风电机组功率曲线中采样风速大于所述额定风速的部分用风电机组标准功率特性曲线替换，此时风电机组标准功率特性曲线的额定风速即为中间风电机组功率曲线的额定风速，风电机组标准功率特性曲线的额定功率即为中间风电机组功率曲线的额定功率；如果所述额定风速大于风电机组标准功率特性曲线的额定风速，则所述额定风速即为中间风电机组功率曲线的额定风速，所述额定功率即为中间风电机组功率曲线的额定功率；
步骤406：当中间风电机组功率曲线中的采样风速大于切入风速并且小于额定风速时，使用线性差值法补充采样风速对应的风电机组功率；
步骤407：当采样风速小于切出风速时，针对中间风电机组功率曲线，采用逐个比较法，使后一个采样风速对应的风电机组功率总大于等于前一个采样风速对应的风电机组功率，从而得到最终风电机组功率曲线；
步骤408：找到最终风电机组功率曲线首次出现的大于等于风电机组标准功率特性曲线中额定功率的功率点，将其功率值作为最终风电机组功率曲线的额定功率，其对应的采样风速作为最终风电机组功率曲线的额定风速；如果最终风电机组功率曲线没有大于等于风电机组标准功率特性曲线中额定功率的功率点，则将最终风电机组功率曲线中的最大功率作为额定功率，将最终风电机组功率曲线中首次出现的最大功率对应的采样风速作为额定风速。
本发明提取的风电机组功率曲线更符合风电机组实际输出功率特性曲线。
附图说明
图1是风电机组功率曲线的提取方法流程图；
图2是本发明实施例1中一个月历史数据离散数据点、提取的功率曲线、标准功率曲线对比图；
图3本发明实施例2在缺少低风速区历史数据时提取功率曲线和标准功率曲线对比图；
图4本发明实施例3在缺少高风速区历史数据时提取功率曲线和标准功率曲线对比图；
图5本发明实施例4提取功率曲线和标准功率曲线对比图。
具体实施方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
图1是风电机组功率曲线的提取方法流程图。图1中，风电机组功率曲线的提取方法包括：
步骤1：选择采样风速和采样风速步长，根据采样风速设定采样风速区间，采集设定时间长度内的采样风速区间的风速数据和所述采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率数据。
本实施例采用变桨距风力发电机组作为风电机组，采样风速步长为0.25米/秒，采样风速区间通常选择[采样风速-0.1米/秒，采样风速+0.1米/秒]。因此，如果功率曲线的采样风速点分别为3米/秒、3.25米/秒、3.5米/秒、3.75米/秒和4米/秒，那么其对应的历史数据采样风速区间为[2.9米/秒，3.1米/秒]、[3.15米/秒，3.35米/秒]、[3.4米/秒，3.6米/秒]、[3.65米/秒，3.85米/秒]和[3.9米/秒，4.1米/秒]。设定时间长度通常为30天，因此步骤1即为采集30天的各风速区间的风速数据以及其对应的风电机组功率数据。
步骤2：对采集的风速数据进行预处理。
令第一设定阈值=风电机组标准功率特性曲线的切入风速-1（米/秒），设定阈值区间为[风电机组标准功率特性曲线的切入风速-1，风电机组标准功率特性曲线的切出风速]（单位：米/秒）。
（1）当采样风速区间的风速数据小于风电机组标准功率特性曲线的切入风速-1米/秒时，令该采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率为0。
（2）当采样风速区间的风速数据位于[风电机组标准功率特性曲线的切入风速-1，风电机组标准功率特性曲线的切出风速]（单位：米/秒）时，对每个采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率求取平均值
根据莱茵达法则去除坏点，再求平均直至去除所有的坏点，此平均值即为采样风速对应的功率。比如采样风速3.25米/秒对应的采样风速区间为[3.15米/秒，3.35米/秒]，采集到该采样风速区间的风速数据有10个，这10个风速数据对应的风电机组功率共有10个，则对这10个功率数据求平均值，并利用莱因达法则剔除功率中的坏点，再求剔除坏点后的功率平均值并继续利用莱因达法则剔除坏点，直至去除所有的坏点，此时该采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率平均值即为采样风速3.25米/秒对应的功率。
莱因达准则是常用的坏点数据判定与剔除准则。莱因达准则认为,对于数据x1、x2、…xn，
为数据平均值，根据概率论统计，当残余误差服从正态分布时,σ为数据的标准差，误差大于3σ数据出现的概率小于0.003，也就是说可以认为它是数据序列中的坏点。因此莱因达准则给出了判断数据是否为坏点的一个准则，即当
时，则xi为坏点数据，应予剔除；当
时，则xi为正常数据，应予保留。剔除坏点后数据重新取平均值重复上述步骤，直到每个采样风速区间没有坏点为止。
（3）由于切入风速到切出风速区间中风速对应的功率坏点情况复杂，在某些功率区往往偏差符合莱茵达法则中正常数据要求，因此考虑采用设定阈值的方法来对经过莱茵达法则处理后的数据做进一步处理。根据经验和验证结果，设定第二设定阈值为采样风速区间内每个风速数据对应的风电机组功率的平均值
的0.25倍。当
时，则Xi（经过莱茵达法则处理后的采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率）为坏点数据，应予剔除；当
时，则Xi为正常数据，应予保留。
（4）对于没有风电机组功率数据的采样风速区间的风速数据，令该采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率为空。由于历史数据覆盖的风速区间有限，因此必然存在一些采样风速区间没有功率数据，对于没有功率数据的采样风速区间，令该采样风速区间对应的风电机组功率为空。
步骤3：根据采样风速和预处理后的采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率数据，提取初始风电机组功率曲线。
对于预处理后的没有风电机组功率数据的采样风速区间的风速数据，保持采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率为空；对预处理后的功率不为空的每个采样风速区间，对每个采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率求取平均值，将所述平均值作为相应的采样风速区间内的采样风速对应的风电机组功率，从而获得初始风电机组功率曲线。由于该初始风电机组功率曲线不准确，因此，本发明通过步骤4对其进行修改。
步骤4：修正初始风电机组功率曲线，得到最终风电机组功率曲线。
修正初始风电机组功率曲线从而得到最终风电机组功率曲线包括：
步骤401：在初始风电机组功率曲线中，找出第一个不为0的风电机组功率对应的采样风速，将此采样风速作为切入风速；
步骤402：令零风速到小于所述切入风速之间的风电机组功率为零；判断所述切入风速与风电机组标准功率特性曲线的切入风速的大小，当所述切入风速大于风电机组标准功率特性曲线的切入风速时，将初始风电机组功率曲线中采样风速小于所述切入风速的部分用风电机组标准功率特性曲线替换，同时将所述切入风速变换为风电机组标准功率特性曲线的切入风速；当所述切入风速小于等于风电机组标准功率特性曲线的切入风速时，不做变换；
步骤403：将初始风电机组功率曲线中的最大功率作为额定功率，将初始风电机组功率曲线中首次出现的最大功率对应的采样风速作为额定风速；
步骤404：在初始风电机组功率曲线中，将大于所述额定风速小于等于切出风速的采样风速对应的风电机组功率替换为额定功率，令大于切出风速的采样风速对应的风电机组功率为0，从而得到中间风电机组功率曲线；
步骤405：如果所述额定风速小于等于风电机组标准功率特性曲线的额定风速并且所述额定功率大于风电机组标准功率特性曲线的额定功率，则所述额定风速即为中间风电机组功率曲线的额定风速，所述额定功率即为中间风电机组功率曲线的额定功率；如果所述额定风速小于等于风电机组标准功率特性曲线的额定风速并且所述额定功率小于等于风电机组标准功率特性曲线的额定功率，则将中间风电机组功率曲线中采样风速大于所述额定风速的部分用风电机组标准功率特性曲线替换，此时风电机组标准功率特性曲线的额定风速即为中间风电机组功率曲线的额定风速，风电机组标准功率特性曲线的额定功率即为中间风电机组功率曲线的额定功率；如果所述额定风速大于风电机组标准功率特性曲线的额定风速，则所述额定风速即为中间风电机组功率曲线的额定风速，所述额定功率即为中间风电机组功率曲线的额定功率；
步骤406：当中间风电机组功率曲线中的采样风速大于切入风速并且小于额定风速时，使用线性差值法补充采样风速对应的风电机组功率；
步骤407：当采样风速小于切出风速时，针对中间风电机组功率曲线，采用逐个比较法，使后一个采样风速对应的风电机组功率总大于等于前一个采样风速对应的风电机组功率，从而得到最终风电机组功率曲线；
步骤408：找到最终风电机组功率曲线首次出现的大于等于风电机组标准功率特性曲线中额定功率的功率点，将其功率值作为最终风电机组功率曲线的额定功率，其对应的采样风速作为最终风电机组功率曲线的额定风速；如果最终风电机组功率曲线没有大于等于风电机组标准功率特性曲线中额定功率的功率点，则将最终风电机组功率曲线中的最大功率作为额定功率，将最终风电机组功率曲线中首次出现的最大功率对应的采样风速作为额定风速。
图2是本发明实施例1中一个月历史数据离散数据点、提取的功率曲线、标准功率曲线对比图。图2中，对历史数据离散点采样风速较全，提取功率曲线和标准功率曲线对比，可以看出真实功率曲线和标准功率曲线有一定的差别。
为了验证本发明中对于历史数据采样风速不全和不同风机状况运行不同的状况，对提取功率曲线进行补全和修正方法的有效性，需要利用不同月份、不同运行状态、不同地理位置的风机历史数据来实施方案，因此需要进行不同的实施例进行具体说明。
图3是本发明实施例2中，提取功率曲线切入风速大于给定标准功率曲线切入风速时的功率曲线时，认为历史数据中缺少提取功率曲线切入风速以下的采样风速，需要利用标准功率曲线来补全，并且标准功率曲线切入风速为最终提取功率曲线切入风速。
图4是本发明实施例3中，提取功率曲线额定风速小于给定标准功率曲线额定风速，提取功率曲线额定功率小于给定标准额定功率曲线时，认为提取额定风速并没有达到风机真实额定风速，历史数据中缺少高风速区的采样风速，需要利用标准功率曲线来补全，最终功率曲线额定风速、额定功率为标准额定风速、标准额定功率。
图5是本发明实施例4中，提取的机组实际功率曲线与标准功率曲线的对比图，可以看出标准功率曲线与机组实际功率特性具有一定偏差，提取机组实际功率曲线在不同的风速采用区间有可能在标准功率曲线上方，也有可能在标准功率曲线下方。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种风电机组功率曲线的提取方法，其特征是所述方法包括：
步骤1：选择采样风速和采样风速步长，根据采样风速设定采样风速区间，采集设定时间长度内的采样风速区间的风速数据和所述采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率数据；
步骤2：对所述采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率数据进行预处理；
步骤3：根据采样风速和预处理后的采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率数据，提取初始风电机组功率曲线；
步骤4：修正初始风电机组功率曲线，得到最终风电机组功率曲线。
2.根据权利要求1所述的提取方法，其特征是所述风电机组为变桨距风力发电机组。
3.根据权利要求2所述的提取方法，其特征是所述步骤2包括：
步骤201：当采样风速区间的风速数据小于第一设定阈值时，令该采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率为0；
步骤202：当采样风速区间的风速数据位于设定阈值区间时，利用莱茵达法则处理采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率数据，即对每个采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率求取平均值，然后计算该采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率与所述平均值之差的绝对值，如果所述绝对值大于莱茵达法则设定的阈值，则将该采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率作为坏点，剔除所述坏点；重复步骤202直至没有坏点为止；
步骤203：经过莱茵达法则处理后，判断采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率与所述平均值之差的绝对值是否大于第二设定阈值，如果采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率与所述平均值之差的绝对值大于第二设定阈值，则剔除该采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率；
步骤204：对于没有风电机组功率数据的采样风速区间的风速数据，令该采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率为空。
4.根据权利要求3所述的提取方法，其特征是所述步骤3包括：对每个采样风速区间的风速数据对应的风电机组功率求取平均值，将所述平均值作为相应的采样风速区间内的采样风速对应的风电机组功率；对于没有风电机组功率数据的采样风速区间的风速数据，令该采样风速区间内的采样风速对应的风电机组功率为空；之后，提取初始风电机组功率曲线。
5.根据权利要求4所述的提取方法，其特征是所述步骤4包括：
步骤401：在初始风电机组功率曲线中，找出第一个不为0的风电机组功率对应的采样风速，将此采样风速作为切入风速；
步骤402：令零风速到小于所述切入风速之间的风电机组功率为零；判断所述切入风速与风电机组标准功率特性曲线的切入风速的大小，当所述切入风速大于风电机组标准功率特性曲线的切入风速时，将初始风电机组功率曲线中采样风速小于所述切入风速的部分用风电机组标准功率特性曲线替换，同时将所述切入风速变换为风电机组标准功率特性曲线的切入风速；当所述切入风速小于等于风电机组标准功率特性曲线的切入风速时，不做变换；
步骤403：将初始风电机组功率曲线中的最大功率作为额定功率，将初始风电机组功率曲线中首次出现的最大功率对应的采样风速作为额定风速；
步骤404：在初始风电机组功率曲线中，将大于所述额定风速小于等于切出风速的采样风速对应的风电机组功率替换为额定功率，令大于切出风速的采样风速对应的风电机组功率为0，从而得到中间风电机组功率曲线；
步骤405：如果所述额定风速小于等于风电机组标准功率特性曲线的额定风速并且所述额定功率大于风电机组标准功率特性曲线的额定功率，则所述额定风速即为中间风电机组功率曲线的额定风速，所述额定功率即为中间风电机组功率曲线的额定功率；如果所述额定风速小于等于风电机组标准功率特性曲线的额定风速并且所述额定功率小于等于风电机组标准功率特性曲线的额定功率，则将中间风电机组功率曲线中采样风速大于所述额定风速的部分用风电机组标准功率特性曲线替换，此时风电机组标准功率特性曲线的额定风速即为中间风电机组功率曲线的额定风速，风电机组标准功率特性曲线的额定功率即为中间风电机组功率曲线的额定功率；如果所述额定风速大于风电机组标准功率特性曲线的额定风速，则所述额定风速即为中间风电机组功率曲线的额定风速，所述额定功率即为中间风电机组功率曲线的额定功率；
步骤406：当中间风电机组功率曲线中的采样风速大于切入风速并且小于额定风速，同时采样风速对应的风电机组功率为空时，使用线性差值法补充采样风速对应的风电机组功率；
步骤407：当采样风速小于切出风速时，针对中间风电机组功率曲线，采用逐个比较法，使后一个采样风速对应的风电机组功率总大于等于前一个采样风速对应的风电机组功率，从而得到最终风电机组功率曲线；
步骤408：找到最终风电机组功率曲线首次出现的大于等于风电机组标准功率特性曲线中额定功率的功率点，将其功率值作为最终风电机组功率曲线的额定功率，其对应的采样风速作为最终风电机组功率曲线的额定风速；如果最终风电机组功率曲线没有大于等于风电机组标准功率特性曲线中额定功率的功率点，则将最终风电机组功率曲线中的最大功率作为额定功率，将最终风电机组功率曲线中首次出现的最大功率对应的采样风速作为额定风速。
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