一种风电场群整体发电能力评估方法与流程

本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种风电场群整体发电能力评估方法。

背景技术：

随着人类的发展，能源问题成为影响人类生存质量的重要问题。解决能源问题的一个主要方法是大力发展清洁能源、优化能源结构。而在新能源中，风能是非常重要的一部分。与其它新能源相比，风能资源丰富且在世界范围内分布较广，具有很大的开发潜力，并且随着风轮机制造以及风电并网技术的日益成熟，风力发电也渐渐成为人们关注的焦点。人类可以使用风车把风的动能转化为旋转的力量去推动发电机以产生电能，方法是通过传动轴，将转子的旋转动力传送至发电机。全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍，所以新能源研究中风能占据着十分重要的作用。

随着风力发电产业的迅猛发展，风力发电场的数量越来越多，电站建设和运行工程中也暴露出很多问题，虽然现在对此的研究越来越多，但很多问题因为受影响因素较多还很难进行分析。此外在解决这些问题的时候，很多措施往往在实施前都不能保证可行性，只能通过实际实验来验证，成本高周期长，相对盲目。

在实际的风电场工作中，风电场内的风机处的入流风速不一定是相同的，而且检测到的机头风速不能直接用于分析风机的出力。尾流效应是造成风电场内下风向风机的风速明显小于上风向风机风速的原因，给风电场的整体发电能力评估带来了困难。

同样，相对距离较近的风电场与风电场之间也存在着一定发电功率上的影响，这些影响将给风电场群的整体发电能力的评估带来困哪。

能否处理尾流效应带来的对风机出力的影响以及风电场之间发电功率的影响，是风电场群整体发电能力评估结果好坏的关键。由于环境中风的随机性以及风向场的不确定性，导致尾流效应的分析比较困难；同时由于风电场之间很难得出较为有规律的的影响效果，评估结果往往不尽如人意。

在以往的风电场群整体发电能力评估的方法中，对于风向的考虑都是比较简单的，都是将进入风电场群的风向作为风电场群内部和离开风电场时的风向。这种方法在风电场群内部风向不变或者变化不大时起到了很大简化分析模型的作用，并且也不会对风电场群发电能力评估结果造成不可忽略的影响。同时，整个风电场的风速都是经过两三个数量较少的测风塔的数据推导出来的，可能的误差偏大，导致风电场群的风速与实际情况也存在很大的偏差。但是在实际风电场群的工作过程中，有时因为各种因素的影响会导致风电场群中风电场的内部风向和离开风电场的风向较入场风向产生比较明显的变化，风速在经过风电场各个位置时可能已与测风塔数据有很大的变化了。这样如果再使用上述方法则会因为尾流效应的错误分析而导致风电场单个风机和整体发电能力评估的误差较大；同时也会导致风电场与风电场之间的影响效果大小的分析出错误，导致风电场群整体发电能力的评估产生比较明显的误差。

综上所述，在风电场群整体发电能力评估过程中，尾流效应与风电场之间的影响是不能忽视的两个方面，必须将它们考虑在分析的系统中。处理尾流效应的方法是否适用于当前的风电场也十分关键，必须保证尾流效应分析误差在可接受范围内。风电场之间的发电功率的影响是否判断正确也是该评估方法结果是否准确的关键因素。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种风电场群整体发电能力评估方法，在风电场群发电能力的评估过程中加入了尾流效应影响的分析，并考虑风电场之间的影响，能够大大提高风电场群整体发电能力的评估精度并减小误差。

为实现上述目的，本发明提供了一种风电场群整体发电能力评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，设置风机坐标，将风机的经纬度坐标转化为简单的二维坐标，并且使所述二维坐标均在所建立的坐标系的第一象限中；

步骤2，选取所述风电场风机的可用机头风速；

步骤3，考虑尾流效应的影响范围，判断上下风向风机之间是否存在尾流效应，并将所有之间有尾流效应影响的风机对应在风电场中的编号记录在一个关系表中；

步骤4，分析尾流效应，得到整个风电场的风速情况；

步骤5，根据得到的整个风电场的风速情况，通过所述风电场风机的功率曲线，得到所述风机的发电能力，从而得到所述风电场的整体发电能力；

步骤6，考虑风电场之间的影响，使用分析风电场之间影响之后的各个风电场的发电能力，计算得到风电场群整体发电能力。

较佳地，所述二维坐标的x轴的正方向为自西向东风向，所述y轴的正方向为自南向北风向，角度a为与x轴正方向的夹角(0-360°)。

较佳地，所述风电场风机分布为一个阵列，所述阵列的横列与所述二维坐标的x轴平行，所述阵列的纵列与所述二维坐标的y轴平行。

较佳地，所述风机分布为6*6阵列。

较佳地，所述风机机头风速选取方法如下：

设所述机头风速为α时对应的理论功率为P0，实际风机的功率为P，功率正确范围参数为△P，所述△P根据历史数据分析得到或者人为设定；

当(P0-P)＜ΔP时，可认为该处的风机机头风速可作为分析风电场风速的基础数据；不满足该公式时，则表示该坐标处的风机数据需要根据尾流效应以及基础数据进行推导。

较佳地，所述判断上下风向风机之间是否存在尾流效应的方法如下：

设尾流范围角度为θ，影响范围距离为H，则可以得到一个风机其下风向的尾流范围，上风向风机处于0(x0，y0)处，一个风机的坐标为(x，y)，则判定公式如下所示，

x-x0<H

若在所述尾流范围内，则根据风向上的距离得出所述风机具体的影响大小；若范围内没有其它风机，则表示所述风机的尾流不影响其它的风机。

较佳地，所述整个风电场的风速情况根据尾流影响系数η与风机类型和风机距离的关系系数、测风塔数据和所述有效的机头风速数据，通过尾流效应分析方法得到。

较佳地，所述尾流效应分析方法如下：

在分析过程中需要考虑到风机的类型以及它们之间的距离，不同风机对于下风向相同距离处的风机产生的尾流影响系数η的大小不同；相同风机对于下风向不同距离处的风机的尾流影响系数η的大小也不同；

若风机之间是等间距的，则认为相邻风机之间的尾流影响系数η是一样的：假设有4个风机在同一风流场线上且在风向上是等间距的，分别为风机1、风机2、风机3、风机4，且均正常工作。风机1和风机4的机头风速v1、v4是有效的机头风速，则所述则可得到风机2和风机3处的风速分别为：

v2＝v1×η

v3＝v1×η²

按照上述方法通过已知的所述有效机头风速求得整个风电场各个风机处的入流风速；

若风机之间不是等间距的，所述尾流影响系数η与风机类型以及风机之间距离的关系通过大量历史数据训练得到。

较佳地，所述风电场之间的影响分析直接考虑上风向的风电场对下风向风电场整体发电功率的影响，具体方法如下：

将风电场群中的风电场经纬度坐标转化为简单的二维坐标，并且使这些二维坐标均在所建立的坐标系的第一象限中；

根据各个风电场互相之间的距离判断风电场之间的发电能力影响大小。

本发明的一种风电场群整体发电能力评估方法，使用全部在工作的风机数据对风电场内部风向进行确定，不再仅仅是依靠测风塔的风向数据，能够大大提高对风电场中风流场分析的准确性；对风电场内部的风的流动情况进行了较为详尽的分析，能够使对尾流效应的分析较默认风电场风向为单个方向的方法更加准确；构建了风电场中风流场流经风机关系表，可快速了解不同的风电场整体风速下风机之间的关系。同时，可为尾流效应提供很好的分析基础；考虑了一般的分析方法中是没有的风电场群之间发电能力的影响。

本发明为风电场的建设者提供了一个较为精确地分析风电场内部风向场的方法，该方法可以有效解决因为地形、风机等因素导致风电场内部风向产生较大变化时产生的风速分析误差，为评估整个风电场发电能力提供保障，可有效减小分析误差。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的一种风电场群整体发电能力评估方法流程示意图。

图2是本发明的一个较佳实施例的风机分布示意图。

图3是本发明的一个较佳实施例的尾流效应范围示意图。

图4是本发明的一个较佳实施例的风电场群内部分布示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种风电场群整体发电能力评估方法，在风电场群风向流场建立的基础上，根据测风塔数据以及部分风机的机头风速数据推导出风电场的各个风机位置的入流风速。利用这些入流风速以及各类型风机的功率曲线便能够评估出风电场的整体发电能力，此时不需要考虑弃风限电导致的弃风量模型。在单个风电场整体发电能力评估方法的基础上，分析风电场之间发电功率的影响大小，最终评估出风电场群整体发电能力。具体步骤如下所述。

步骤1，设置风机坐标，将风机的经纬度坐标转化为简单的二维坐标并且使这些二维坐标均在所建立的坐标系的第一象限中。

假设自西向东风向为x轴的正方向，自南向北为y轴的正方向，角度a为与x轴正方向的夹角(0-360°)。

风电场风机分布用一个阵列表示，阵列的横列和纵列分别与x轴与y轴平行。如图2所示。

步骤2，选取所述风电场风机的可用机头风速。

风电场的每个风机处都能测得一个机头风速，但在对风电场整体风速进行分析时有一些机头风速因为其的不准确是不能够使用的，所以在分析风速之前需要在风电场中选取可用的机头风速。

机头风速与风机功率存在着一个对应的关系，设机头风速为α时对应的理论功率为P0，实际风机的功率为P，功率正确范围参数为△P，△P根据历史数据分析得到或者人为设定。风机的这三个参数用于判定该风机的机头风速是否有效。

某处风机的机头风速是否可作为分析风电场风速的基础数据的判定方法如下：

当(P0-P)＜ΔP时，可认为该处的风机机头风速可作为分析风电场风速的基础数据；不满足该公式时，则表示该坐标处的风机数据需要根据尾流效应以及基础数据进行推导。

步骤3，考虑尾流效应的影响范围，判断上下风向风机之间是否存在尾流效应，并将所有之间有尾流效应影响的风机对应在风电场中的编号记录在一个关系表中。

在确定了风电场的风向流场的基础上，可对风电场中各个风机之间的尾流效应进行分析，首先需要判定的是下风向上的风机是否受尾流效应的影响。这便需要考虑尾流效应的影响范围，正确判断上下风向风机之间是否存在尾流效应。

设尾流范围角度为θ，影响范围距离为H，则可以得到一个风机其下风向的尾流范围，如图3所示。

图3中虚线平行于上风向风机的风向，上风向风机处于图3中0处(设坐标为(x0，y0)，判断下风向的风机是否在该范围内，若在范围内，则根据风向上的距离得出其具体的影响大小；若范围内没有其它风机，则表示该风机的尾流不影响其它的风机。判断的公式如下式1和式2所示，设一个风机的坐标为(x，y)：

......式1

x-x0<H ......式2

在尾流效应影响范围的基础上，可以对风电场中风机分析得到一个记录内部存在尾流效应情况的表，该表记录了所有之间有尾流效应影响的风机的对应的在风电场中的编号。

步骤4，分析尾流效应，得到整个风电场的风速情况。

根据有效的机头风速可以逐步推导出整体风电场各个风机位置处的入流风速。假设有4个风机在同一风流场线上且在风向上是等间距的，分别为风机1、风机2、风机3、风机4，且均正常工作。风机1和风机4的机头风速v1、v4是有效的机头风速。因为风机之间是等间距的，所以认为相邻风机之间的尾流影响系数η是一样的，为，

......式3

便可得风机2和风机3处的风速分别为

v2＝v1×η ......式4

v3＝v1×η² ......式5

在风电场的出力过程中，不同风机对于下风向相同距离处的风机产生的尾流影响系数η的大小不同；相同风机对于下风向不同距离处的风机的尾流影响系数η的大小也不同。所以在分析过程中需要考虑到风机的类型以及它们之间的距离，按照上述的方法就能通过已知的有效机头风速求得整个风电场各个风机处的入流风速。

当多个风机在风向上的距离不是等间距时，因为尾流影响系数不是线性的，所以不能再按上述的方法进行分析。所以，在分析过程大多数还是需要面对的是这种情况，这时就需要研究风速衰减率与距离的关系。随着距离的加大，尾流效应对下风向风机的尾流效应逐渐减小。

风机之间尾流效应对于下风向风机风速的影响系数η与风机类型以及风机之间距离的关系是需要通过大量历史数据的一定的训练量所得到的。有了尾流影响系数η与风机类型和风机距离的关系之后，就能通过这些经验系数、测风塔数据以及有效机头风速数据并通过上述尾流效应分析方法来得到整个风电场的风速情况。

步骤5，根据整个风电场的风速情况，通过风机的功率曲线，得到全体风机的发电能力，从而得到风电场的整体发电能力。

步骤6，考虑风电场之间的影响，使用分析风电场之间影响之后的各个风电场的发电能力，计算得到风电场群整体发电能力。

在分析风电场群整体发电能力时，还需要考虑到风电场之间的影响，不是简单地利用各个风电场直接求解风电场群的发电能力。

分析风电场之间的影响不能再像单个风电场内部那样分析，不能分析其对风速的影响之后再对功率影响进行分析，因为风电场之间的风速影响计算特别困难且误差较大，需要直接考虑上风向的风电场对下风向风电场整体发电功率的影响。

将风电场群中的风电场经纬度坐标转化为简单的二维坐标并且使这些二维坐标均在所建立的坐标系的第一象限中。假设风电场群中的风电场情况如图3所示，当风电场群整体的大体风向为西南方，则因为风电场1与风电场2、风电场2与风电场5距离较近，则可得风电场1对风电场2的发电能力有一定影响，风电场2对风电场5的发电能力有一定影响。同样，假设风向为正西方向，则若风电场1与风电场4、风电场3与风电场5在影响距离之内，则可得风电场1对风电场4的发电能力有一定影响，风电场3对风电场5的发电能力有一定影响。

风电场之间的发电能力影响大小以及临界影响距离是根据过往的历史数据分析而得到。

在分析完风电场之间影响效果之后，使用分析风电场之间影响之后的各个风电场的发电能力就能计算得到风电场群整体发电能力。

本发明为风电场的建设者提供了一个较为精确地分析风电场内部风向场的方法，该方法可以有效解决因为地形、风机等因素导致风电场内部风向产生较大变化时产生的风速分析误差，为评估整个风电场发电能力提供保障，可有效减小分析误差。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。