专利名称：一种基于有效风速的风能评估方法
技术领域：
本发明涉及一种风能评估方法，尤其涉及一种基于有效风速的风能评估方法。
背景技术：
风电场的建设与运营以占据足够多的风能资源为前提。准确的风能资源评估对于保证风电场的发电量和经济效益影响重大。在风电场选址过程中，需要对所在地历年的气象记录进行调查，并设置测风塔实际测量场内的风速，通过统计和分析获得风电场的风功率特征。一般而言，针对风电场不同阶段的各种应用，需要了解的风功率数据的时间长度与时间间隔亦有所不同。在风电场的运营过程中，为了制定风电场长期发电规划和备用发电容量计划，需要数年内的风功率数据，数据点的时间间隔可达小时级；为了满足电力系统能量调度的要求，需要数周内的风功率数据，数据点的时间间隔一般为分钟级；而在风电机组的运行控制中，为了保护风电机组不受损坏，平抑其输出功率的快速波动，维持电力系统的运行稳定性，往往需要数日内的风功率瞬变特性，数据点的时间间隔可短至秒级。风功率与风速密切相关，二者之间呈明显的非线性关系。在传统的风能与风功率统计中，所有的风能计算都是基于一段时间内的平均风速进行的。而这种传统的惯用做法可能给风能统计带来不可忽视的误差。一个明显的不良后果是，由秒级、分钟级和小时级等不同时间尺度的平均风速计算得到的同一段时间内的风能差别甚大，无法保持一致。
发明内容
本发明的目的是针对上述背景技术存在的缺陷，提供一种基于有效风速的风能评估方法。为实现上述目的，本发明提供的一种基于有效风速的风能评估方法适用于一段时间内空气密度P相对恒定，且空气密度P的变化对风能评估的影响特别小的情况，该方法具体包括以下步骤
步骤1 数据采集
采集风电场的具体数据如下通过风速风向仪在一段时间内均勻采集若干个风电场迎风方向的即时风速K、通过温度传感器采集风电场的空气热力学温度T、通过湿度传感器采集风电场的空气湿度0、通过压力传感器采集风电场的湿空气压力P，通过干湿球温度计采集湿空气的干球温度t(d)；
步骤2 数据处理之查表获得饱和水蒸气分压力P(sat)
利用干湿球温度计测量得到的干球温度t(d)并通过查表求得对应于干球温度t(d)的风电场饱和水蒸气压力P (sat)；
步骤3 数据处理之空气密度岁汁算
根据温度传感器、湿度传感器及压力传感器分别采集的T、0、P数据及步骤2中查表获得的饱和水蒸气压力P(sat)，利用上述数据并通过空气密度P计算公式P= (P/287T) X (1 - 0. 37960 P(sat)/P)计算相应的空气密度# ；
步骤4 数据处理之最小时间间隔内的若干个有效风速及平均风功率密度计算根据步骤3中得到的空气密度P，利用流体的物理学定律及动能定理并通过有效风速
1 Fh+^ ,
计算公式V = 3 —J V^dt计算若干个最小时间间隔的有效风速，并通过平均风功率
V 1O h
密度公式Pw = -pvl计算若干最小时间间隔内对应的所有平均风功率密度，式中，、、
JL
'.-T0分别为采集风电场内即时风速K的初始时刻和终止时刻；
步骤5 数据处理之最小时间间隔内的有效风速向任一较大时间间隔内的有效风速的
转换
将步骤4中计算得到的若干个最小时间间隔内的有效风速％作为计算任一较大时间间隔内的不同有效风速％ ,并通过有效风速转化公式
速，式中， 为自然数，第i层有效风速序列为ν,(Ι:Χ Γ=; 2 ---，Μ ,每个数据点占据的时间长度为％ ；第 +1层有效风速序列为Α_(%λ=:υ --- |，每个数据点占据的时间长
度为巧网；
步骤6 数据处理之任一较大时间间隔内的风能评估
根据步骤3、步骤4及步骤5中计算得出最小时间间隔的有效风速％、最小时间间隔内各有效风速对应的平均风功率密度瓦、较大时间间隔的有效风速,并通过
J) +
I
供
O-bf
wz^l,
II
J
) _
β
=
%J
及 ^、3,^Ai1联合计算得出任一较大时间
v.c^w=-—-, k=w--,[j
间隔内的基于有效风速的风能，式中为自然数。 综上所述，本发明一种基于有效风速的风能评估方法适用于一段时间段内空气密度P相对恒定，且空气密度#的变化对风能评估的影响特别小的情况，该方法不仅可以准确地对风电场的风能进行评估，而且在进行风能评估时，结果不受时间段长短的影响。
图1为有效风速与瞬时风速及平均风速的比较示意图。图2为基于有效风速、瞬时风速和平均风速的风功率示意图。图3为基于10分钟时间段内有效风速、瞬时风速和平均风速的风能比较对照表。
具体实施例方式为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及效果，以下兹例举实施例并配合附图详予说明。本发明一种基于有效风速的风能评估方法适用于一定时间段内空气密度#相对恒定，且空气密度P的变化对风能评估的影响特别小的情况，该方法具体包括以下步骤
步骤1 数据采集
采集风电场的具体数据如下通过风速风向仪在一段时间内均勻采集若干个风电场迎风方向的即时风速K、通过温度传感器采集风电场的空气热力学温度T、通过湿度传感器采集风电场的空气湿度0、通过压力传感器采集风电场的湿空气压力P，通过干湿球温度计采集湿空气的干球温度t(d)。本具体实施例中，风速风向仪采集风电场迎风方向的即时风速r采样频率均为1 秒1次。步骤2 数据处理之查表获得饱和水蒸气分压力P(sat)
利用干湿球温度计测量得到的干球温度t(d)并通过查表求得对应于干球温度t(d)的风电场饱和水蒸气压力P (sat)。步骤3 数据处理之空气密度P计算
根据温度传感器、湿度传感器及压力传感器分别采集的τ、0、P数据及步骤2中查表获得的饱和水蒸气压力P(sat)，利用上述数据并通过空气密度P计算公式P = (P/287T) X (1 - 0. 37960 P(sat)/P)计算相应的空气密度P。若一定时间段内，在风电场内各影响空气密度#大小的T、0、P及Pfeat)变化极小， 故空气密度大小的变化也极小的情况下，可认定空气密度P是一个恒定值。若一时间段内，Τ、0、Ρ及P(sat)中至少一个变量变化足够大时，进而使空气密度# 的大小变化足够大的情况下，此时，对风能评估的影响不可忽略，就需要对该时间段内τ、0、 P及p(sat)进行从新测量进而获得新的空气密度P。当然，本专利技术仅讨论空气密度沪的变化不足以影响风能评估的情形，针对空气密度沪芟化对风能评估影响的专利技术，将在另一件专利中予以揭露。空气密度P的具体推导过程如下
根据空气密度P是由干空气和湿空气两部分的组成，故这样的空气密度P是1 Hl3中所含的干空气密度和湿空气密度之和；即
P =P (da)+ P (ν)X式中，# (da),# (v)分别为干空气密度和水蒸气的密度，单位为Kg/m3。因干空气可视为理想气体，存在于空气中的水蒸气因分压很低、密度很小，也可视为理想气体。故干空气和水蒸气组成的空气，同样可用克拉伯龙公式来表示
PV=RT2
式中，P-湿空气压力，单位Pa; V-空气所占体积，单位m3; T-热力学温度，单位(273. 16+t) ° K。由道尔顿定律，湿空气的总压力等于干空气的分压力与水蒸气的分压力之和， 即
P=P (da)+P W总
且 P(v)= 0P(sat)
式中，0-空气中的相对湿度，单位％ ；
P(sat)-对应于干球温度t的饱和水蒸气压力，单位Pa。由气态方程可得 P =1/V=P/RT
P (da)= P (da)/R (da) T = (P ~ 0P(sat) ) /R(da)T P (V)= P(V)/ R(V)T=0 Pfeat)/ R(V)T
在标准状态时，p。=760mm水银柱=760X 13. 596X9. 81 101366. 3 Pa，T。=273. 16° K,
干空气密度岁 J* =1.293 Kg/m3，水蒸气密度P (0) -.P (vo)=18/22. 4=0. 80357 Kg/m3 干空气的气体常数
R(da)= P0 / ρ =101366. 3/273. 16X1. 293=286. 997 ^ 287J/(Kg ‘ K) 水蒸气的气体常数
Rw= P0 / 0 ρ (vo)=101366. 3/273. 16X0. 80357=461. 799 ^ 462 J/(Kg · K)
最后可出湿空气密度的计算公式 P =(P/287T) X (1 - 0. 37960 P(sat)/P)。步骤4 数据处理之最小时间间隔内的若干个有效风速及平均风功率密度计算根据步骤3中得到的空气密度，利用流体的物理学定律及动能定理并通过有效风速
计算公式 计算若干个最小时间间隔的有效风速，并通过平均风功率
权利要求
1. 一种基于有效风速的风能评估方法，适用于一段时间内空气密度 P相对恒定，且空气密度P的变化对风能评估的影响较小的情况，其特征在于 步骤1 数据采集采集风电场的具体数据如下通过风速风向仪在一段时间内均勻采集若干个风电场迎风方向的即时风速K、通过温度传感器采集风电场的空气热力学温度T、通过湿度传感器采集风电场的空气湿度0、通过压力传感器采集风电场的湿空气压力P，通过干湿球温度计采集湿空气的干球温度t(d)；步骤2 数据处理之查表获得饱和水蒸气分压力P(sat)利用干湿球温度计测量得到的干球温度t(d)并通过查表求得对应于干球温度t(d)的风电场饱和水蒸气压力P (sat)；步骤3 数据处理之空气密度P计算根据温度传感器、湿度传感器及压力传感器分别采集的T、0、P数据及步骤2中查表获得的饱和水蒸气压力P(sat)，利用上述数据并通过空气密度P计算公式P = (P/287T) X (1 - 0. 37960 P(sat)/P)计算相应的空气密度岁；步骤4 数据处理之最小时间间隔内的若干个有效风速及平均风功率密度计算根据步骤3中得到的空气密度#，利用流体的物理学定律及动能定理并通过有效风速计算公式
2.根据权利要求1所述的基于有效风速的风能评估方法，其特征在于风速风向仪以小于或者等于1秒时间间隔对即时风速进行采集。
3.根据权利要求1所述的基于有效风速的风能评估方法，其特征在于风速风向仪采集风电场迎风方向的即时风速K的采样频率为1秒1次。
4.根据权利要求1所述的基于有效风速的风能评估方法，其特征在于采用分层数据的形式进行有效风速的统计。
5.根据权利要求4所述的基于有效风速的风能评估方法，其特征在于采样时间间隔长短作为不同层级分层划分的依据。
6.根据权利要求5所述的基于有效风速的风能评估方法，其特征在于至少包括两个层级时间间隔，即至少包括具有最小时间间隔的基础层级与具有较大时间间隔的高层级两个层级。
7.根据权利要求1所述的基于有效风速的风能评估方法，其特征在于^tm^ Pm的数据个数相等并具有一一对应的关系，也即Vr、P.的数据个数相等并且一一对应。
全文摘要
本发明公开了一种基于有效风速的风能评估方法，该方法包括步骤1数据采集；步骤2数据处理之查表获得饱和水蒸气分压力P(sat)；步骤3数据处理之空气密度计算；步骤4针对风电场的空气密度历史数据，选定一取值恒定空气密度作为参考量；步骤5数据处理之最小时间间隔内的若干有效风速及平均风功率密度计算；步骤6数据处理之最小时间间隔内的有效风速向任一较大时间间隔内的有效风速的转换；步骤7数据处理之任一较大时间间隔内的风能评估。本发明一种基于有效风速的风能评估方法不仅可以准确地对风电场的风能进行评估，而且在进行风能评估时，结果不受时间段长短的影响。
文档编号G06F19/00GK102495973SQ20111044049
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月26日 优先权日2011年12月26日
发明者柴建云, 苗强 申请人:成都阜特科技有限公司