风电场生产运行测风塔选址方法及装置与流程
本发明涉及新能源技术领域，特别涉及一种风电场生产运行测风塔选址方法及装置。
背景技术：
新能源消纳问题是制约新能源发展的重要原因。对已投入运行的风电场进行风资源监测、发电量后评估和超短期功率预测是解决新能源消纳问题的重要手段。测风塔是进行风资源监测、发电量后评估或超短期功率预测的设备，所以可以通过在已建成的风电场中建立后期测风塔帮助解决新能源消纳问题。近年来，已有一些风电场建立了后期测风塔，然而这些后期测风塔所测得的测风数据对风电场风资源状况的代表性普遍较差，不能切实帮助解决新能源消纳问题。
测风塔选址严重影响着其对风电场的代表性，随着对风资源评估工作的日益重视，iec标准中对测风塔选址方法进行了规定，国内外各机构和学者都已对测风塔选址问题开展了大量的研究工作。
gbt18709-2002标准中规定测风塔的位置附近应无高大建筑物、树木等障碍物，与单个障碍物距离应大于障碍物高度的3倍，与成排障碍物距离应保持在障碍物最大高度的10倍以上。经过大量实际工程的经验和学者的研究，将标准中对于测风塔选址的规定发展得更为具体。
目前普遍应用的测风塔选址方法主要考虑了地形、障碍物对测风数据的影响与测风塔位置风资源对整个风电场的代表性。
考虑地形对测风塔选址的影响：
(1)当地形平坦时，测风塔应安装在粗糙度变化前后；
(2)当地形复杂时，对于隆升地形，测风塔应建立在山顶或山脚来流方向；对于低凹地形，测风塔应建立在盛行风向的上风向入口处；
(3)由于附近的陡峭地形会影响测风塔低层测量，所以测风塔附近的地形应尽量平坦。
考虑障碍物对测风塔选址的影响：
(1)测风塔应尽量安装在风电场主风向的上风向；
(2)测风塔与每个障碍物应距离障碍物3倍高度以上；
(3)当测风塔处于主风向的下风向时，其与障碍物的距离应为障碍物10倍高度以上；
(4)在树木密集的地方，测风塔至少比树木顶端高10米。
考虑测风塔的代表性：
(1)测风塔与风电机组的海拔差不宜超过100米，最多不超过150米；
(2)在主风向上，风加速因数应可代表风电场的平均水平，湍流强度、水平偏差和入流角应尽可能小。
如今已建立的后期测风塔大多是沿用了设计阶段的前期测风塔，这些测风塔并未考虑已建成的风电场中的因素对测风塔测风准确度的影响。而且，目前的测风塔选址方法尚停留在定性分析上，这意味着在风电场中选取的测风塔位置可能只是比较合适的位置而非全局最优解。因此对测风塔选址工作进行定量分析是十分必要的。
技术实现要素：
本发明实施例提供了一种风电场生产运行测风塔选址方法，以解决现有技术中测风塔选址未考虑已建成的风电场中因素的影响以及测风塔位置并非全局最优解的技术问题。该方法包括：对风电场场址划分网格，网格的交点为安装测风塔的备选位置；在所有备选位置中选择出满足地形因素、障碍物因素、测风塔的代表性以及尾流因素要求的备选位置，选择出的备选位置组成初选备选位置集合；在所述初选备选位置集合中选择出一个满足风资源监测选址指数、发电量后评估选址指数以及超短期功率预测选址指数的备选位置，将选择出的一个备选位置确定为安装所述测风塔的位置，其中，所述风资源监测选址指数表示备选位置满足风资源监测要求的程度；发电量后评估选址指数表示备选位置满足发电量后评估要求的程度；超短期功率预测选址指数表示备选位置满足超短期功率预测要求的程度。
在一个实施例中，将风电场场址划分网格，包括：确定包括所述风电场场址的矩形区域；以所述风电场场址内风电机组之间的最小距离为边长，对所述矩形区域划分网格。
在一个实施例中，在所有备选位置中选择出满足地形因素、障碍物因素、测风塔的代表性以及尾流因素要求的备选位置，选择出的备选位置组成初选备选位置集合，包括：在所有备选位置中选择与风电机组的海拔差小于100米且与每台风电机组的距离大于2倍风轮直径的备选位置，选择出来的备选位置组成第一备选位置集合；以风电场中心为圆心，在所述第一备选位置集合中将主风向反方向的180度扇区内的备选位置排除，剩余的备选位置组成第二备选位置集合；根据预设时段的时间序列的测风数据，计算所述第二备选位置集合中每个备选位置的平均湍流强度，计算所述第二备选位置集合中所有备选位置的平均湍流强度的平均值，在所述第二备选位置集合中排除平均湍流强度大于所述平均值的备选位置，剩余的备选位置组成第三备选位置集合；根据预设时段的时间序列的测风数据和所述风电场场址的大小，计算所述第三备选位置集合中每个备选位置的尾流折减率，计算所述第三备选位置集合中所有备选位置的尾流折减率的平均值，在所述第三备选位置集合中选择尾流折减率小于该平均值的备选位置，选择出的备选位置组成第四备选位置集合；计算所述第四备选位置集合中每个备选位置的主风向上的湍流强度、水平偏差的绝对值以及入流角的绝对值，计算所述第四备选位置集合中所有备选位置的主风向上的湍流强度的平均值，作为第一平均值；计算所述第四备选位置集合中所有备选位置的水平偏差的绝对值的平均值，作为第二平均值；计算所述第四备选位置集合中所有备选位置的入流角的绝对值的平均值，作为第三平均值；排除所述第四备选位置集合中主风向上的湍流强度大于第一平均值、水平偏差的绝对值大于第二平均值且入流角的绝对值大于第三平均值的备选位置，剩余的备选位置组成第五备选位置集合；计算所述第五备选位置集合中每个备选位置的风加速因数，计算所述第五备选位置集合中所有备选位置的风加速因数的平均值，在所述第五备选位置集合中选择风加速因数在该平均值正负5％范围内的备选位置，选择出的备选位置组成所述初选备选位置集合。
在一个实施例中，在所述初选备选位置集合中选择出一个满足风资源监测选址指数、发电量后评估选址指数以及短期功率预测选址指数的备选位置，包括：计算所述初选备选位置集合中每个备选位置的选址指数，所述选址指数表示备选位置满足风资源监测选址指数、发电量后评估选址指数以及超短期功率预测选址指数的程度；在所述初选备选位置集合中选择出所述选址指数最大的一个备选位置。
在一个实施例中，通过以下公式计算每个备选位置的选址指数：
本发明实施例还提供了一种风电场生产运行测风塔选址装置，以解决现有技术中测风塔选址未考虑已建成的风电场中因素的影响以及测风塔位置并非全局最优解的技术问题。该装置包括：划分模块，用于对风电场场址划分网格，网格的交点为安装测风塔的备选位置；第一选择模块，用于在所有备选位置中选择出满足地形因素、障碍物因素、测风塔的代表性以及尾流因素要求的备选位置，选择出的备选位置组成初选备选位置集合；第二选择模块，用于在所述初选备选位置集合中选择出一个满足风资源监测选址指数、发电量后评估选址指数以及超短期功率预测选址指数的备选位置，将选择出的一个备选位置确定为安装所述测风塔的位置，其中，所述风资源监测选址指数表示备选位置满足风资源监测要求的程度；发电量后评估选址指数表示备选位置满足发电量后评估要求的程度；超短期功率预测选址指数表示备选位置满足超短期功率预测要求的程度。
在一个实施例中，所述划分模块，包括：区域确定单元，用于确定包括所述风电场场址的矩形区域；划分单元，用于以所述风电场场址内风电机组之间的最小距离为边长，对所述矩形区域划分网格。
在一个实施例中，所述第一选择模块，包括：地形选择单元，用于在所有备选位置中选择与风电机组的海拔差小于100米且与每台风电机组的距离大于2倍风轮直径的备选位置，选择出来的备选位置组成第一备选位置集合；障碍物选择单元，用于以风电场中心为圆心，在所述第一备选位置集合中将主风向反方向的180度扇区内的备选位置排除，剩余的备选位置组成第二备选位置集合；湍流强度选择单元，用于根据预设时段的时间序列的测风数据，计算所述第二备选位置集合中每个备选位置的平均湍流强度，计算所述第二备选位置集合中所有备选位置的平均湍流强度的平均值，在所述第二备选位置集合中排除平均湍流强度大于所述平均值的备选位置，剩余的备选位置组成第三备选位置集合；尾流折减率选择单元，用于根据预设时段的时间序列的测风数据和所述风电场场址的大小，计算所述第三备选位置集合中每个备选位置的尾流折减率，计算所述第三备选位置集合中所有备选位置的尾流折减率的平均值，在所述第三备选位置集合中选择尾流折减率小于该平均值的备选位置，选择出的备选位置组成第四备选位置集合；第一代表性选择单元，用于计算所述第四备选位置集合中每个备选位置的主风向上的湍流强度、水平偏差的绝对值以及入流角的绝对值，计算所述第四备选位置集合中所有备选位置的主风向上的湍流强度的平均值，作为第一平均值；计算所述第四备选位置集合中所有备选位置的水平偏差的绝对值的平均值，作为第二平均值；计算所述第四备选位置集合中所有备选位置的入流角的绝对值的平均值，作为第三平均值；排除所述第四备选位置集合中主风向上的湍流强度大于第一平均值、水平偏差的绝对值大于第二平均值且入流角的绝对值大于第三平均值的备选位置，剩余的备选位置组成第五备选位置集合；第二代表性选择单元，用于计算所述第五备选位置集合中每个备选位置的风加速因数，计算所述第五备选位置集合中所有备选位置的风加速因数的平均值，在所述第五备选位置集合中选择风加速因数在该平均值正负5％范围内的备选位置，选择出的备选位置组成所述初选备选位置集合。
在一个实施例中，所述第二选择模块，包括：选址指数计算单元，用于计算所述初选备选位置集合中每个备选位置的选址指数，所述选址指数表示备选位置满足风资源监测选址指数、发电量后评估选址指数以及超短期功率预测选址指数的程度；备选位置选择单元，用于在所述初选备选位置集合中选择出所述选址指数最大的一个备选位置。
在一个实施例中，所述备选位置选择单元通过以下公式计算每个备选位置的选址指数：
在本发明实施例中，在备选位置的筛选过程中，除了考虑到地形因素、障碍物因素、测风塔的代表性因素之外，本申请还考虑了尾流因素的影响，使得安装测风塔位置的选择考虑了已建成风电场中尾流效应对测风塔测风的影响，有利于提高测风塔测风的准确度；进一步的，本申请了还考虑了测风塔的风资源监测、发电量后评估与超短期功率预测三种功能，并量化出了风资源监测选址指数、发电量后评估选址指数以及超短期功率预测选址指数，最终安装测风塔位置的选择也满足风资源监测选址指数、发电量后评估选址指数以及超短期功率预测选址指数，使得有利于最终确定生产运行测风塔的安装位置的全局最优解，进而有利于建立后期测风塔可以得到对整个风电场更具有代表性的测风数据，能够为解决新能源消纳问题提供更加有效的参考。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
图1是本发明实施例提供的一种风电场生产运行测风塔选址方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的一种计算尾流折减率的示意图1；
图3是本发明实施例提供的一种计算尾流折减率的示意图2；
图4是本发明实施例提供的一种风电场生产运行测风塔选址装置的结构框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在本发明实施例中，提供了一种风电场生产运行测风塔选址方法，如图1所示，该方法包括：
步骤101：对风电场场址划分网格，网格的交点为安装测风塔的备选位置；
步骤102：在所有备选位置中选择出满足地形因素、障碍物因素、测风塔的代表性以及尾流因素要求的备选位置，选择出的备选位置组成初选备选位置集合；
步骤103：在所述初选备选位置集合中选择出一个满足风资源监测选址指数、发电量后评估选址指数以及超短期功率预测选址指数的备选位置，将选择出的一个备选位置确定为安装所述测风塔的位置，其中，所述风资源监测选址指数表示备选位置满足风资源监测要求的程度；发电量后评估选址指数表示备选位置满足发电量后评估要求的程度；超短期功率预测选址指数表示备选位置满足超短期功率预测要求的程度。
由图1所示的流程可知，在本发明实施例中，在备选位置的筛选过程中，除了考虑到地形因素、障碍物因素、测风塔的代表性因素之外，本申请还考虑了尾流因素的影响，使得安装测风塔位置的选择考虑了已建成风电场中尾流效应对测风塔测风的影响，有利于提高测风塔测风的准确度；进一步的，本申请了还考虑了测风塔的风资源监测、发电量后评估与超短期功率预测三种功能，并量化出了风资源监测选址指数、发电量后评估选址指数以及超短期功率预测选址指数，最终安装测风塔位置的选择也满足风资源监测选址指数、发电量后评估选址指数以及超短期功率预测选址指数，使得有利于最终确定生产运行测风塔的安装位置的全局最优解，进而有利于建立后期测风塔可以得到对整个风电场更具有代表性的测风数据，能够为解决新能源消纳问题提供更加有效的参考。
具体实施时，上述超短期功率预测的含义可以参考国家电网公司2010年发布的《风电功率预测功能规范》，例如，超短期的功率预测时段可以为次日零时起0～4h，时间分辨率可以为15min。
具体实施时，在本实施例中，将风电场场址划分网格，包括：确定包括所述风电场场址的矩形区域；以所述风电场场址内风电机组之间的最小距离为边长，对所述矩形区域划分网格。具体的，可以以风电场场址的西南点坐标和东北点坐标为对角点画出包括风电场在内的矩形区域，进而计算风电机组之间的距离，以略小于或等于风电机组间最小的距离作为网格边长，在矩形区域内划分网格，网格交点即为安装测风塔的备选位置。
具体实施时，在本实施例中，筛选备选位置应分别考虑测风塔的代表性、地形和障碍物对测风塔选址的影响以及尾流效应对测风塔选址的影响，排除不符合要求的备选位置，例如，在所有备选位置中选择出满足地形因素、障碍物因素、测风塔的代表性以及尾流因素要求的备选位置，选择出的备选位置组成初选备选位置集合，包括：
在所有备选位置中选择与风电机组的海拔差小于100米且与每台风电机组的距离大于2倍风轮直径的备选位置，选择出来的备选位置组成第一备选位置集合；
以风电场中心为圆心，在所述第一备选位置集合中将主风向反方向的180度扇区内的备选位置排除，剩余的备选位置组成第二备选位置集合；
根据预设时段的时间序列的测风数据，计算所述第二备选位置集合中每个备选位置的平均湍流强度，计算所述第二备选位置集合中所有备选位置的平均湍流强度的平均值，在所述第二备选位置集合中排除平均湍流强度大于所述平均值的备选位置，剩余的备选位置组成第三备选位置集合；
根据预设时段的时间序列的测风数据和所述风电场场址的大小，计算所述第三备选位置集合中每个备选位置的尾流折减率，计算所述第三备选位置集合中所有备选位置的尾流折减率的平均值，在所述第三备选位置集合中选择尾流折减率小于该平均值的备选位置，选择出的备选位置组成第四备选位置集合；
计算所述第四备选位置集合中每个备选位置的主风向上的湍流强度、水平偏差的绝对值以及入流角的绝对值，计算所述第四备选位置集合中所有备选位置的主风向上的湍流强度的平均值，作为第一平均值；计算所述第四备选位置集合中所有备选位置的水平偏差的绝对值的平均值，作为第二平均值；计算所述第四备选位置集合中所有备选位置的入流角的绝对值的平均值，作为第三平均值；排除所述第四备选位置集合中主风向上的湍流强度大于第一平均值、水平偏差的绝对值大于第二平均值且入流角的绝对值大于第三平均值的备选位置，剩余的备选位置组成第五备选位置集合；
计算所述第五备选位置集合中每个备选位置的风加速因数，计算所述第五备选位置集合中所有备选位置的风加速因数的平均值，在所述第五备选位置集合中选择风加速因数在该平均值正负5％范围内的备选位置，选择出的备选位置组成所述初选备选位置集合。
具体实施时，上述尾流折减率是指尾流效应导致的平均折减率，尾流效应包括两种情况，1.所有风机的尾流效应：当前风电场内所有风机的尾流的相互影响(例如，一台风机的尾流对另一台风机的影响)。2.未来的尾流效应：考虑邻近风电场的尾流对当前风电场的影响。
具体的，可以根据park模型或改进的park模型计算尾流折减率，例如，park模型(参考此书：meteorologyforwindenergy.larslandberg,，dnvgl，copenhagen,denmark.wiley)，考虑风力发电机后部的轴对称风流对风力衰减的影响，参考图2，计算公式为：
udownwind为在风机下风向距离x处的风速，uupwind为风机上风向上风机位置的风速(也叫自由流风速)，drotor为风轮直径，ct为风机的推力系数，k为尾流衰减常量，
还可以基于改进的park模型进行计算，考虑了当后一风机部分位于前一风机所产生的尾流区域中时，后一风机后的风力衰减情况(也就是这时的风力衰减同时受两台风机尾流效应的影响)，参考图3，计算公式为：
其中，cwake为用于计算考虑了尾流影响下的风速的参数,uupwind为风机上风向上风机位置的风速，udownwind为在风机下风向距离xwt2处的风速，xwt2为后一风机下风向距离处，awt2为后一风机的风轮面积，drotor为风轮直径，aoverlap为两风机水平方向风轮的重合面积。
也就是说，当一台风机后面的尾流区域中无其他风机时，按照park模型计算；当一台风机后面的尾流区域中有其他风机时，按照park模型的改进形式计算。
具体实施时，为了帮助解决新能源消纳问题，测风塔应能够满足风资源监测、发电量后评估与超短期功率预测三种功能，但在一个风电场中同时建立三座测风塔会大大增加成本，因此，应选择合适的位置建立一座生产运行测风塔同时满足这三种功能，例如，在本实施例中，在所述初选备选位置集合中选择出一个满足风资源监测选址指数、发电量后评估选址指数以及短期功率预测选址指数的备选位置，包括：计算所述初选备选位置集合中每个备选位置的选址指数，所述选址指数表示备选位置满足风资源监测选址指数、发电量后评估选址指数以及超短期功率预测选址指数的程度；在所述初选备选位置集合中选择出所述选址指数最大的一个备选位置。
具体的，通过以下公式计算每个备选位置的选址指数：
其中，a是选址指数；x是风资源监测选址指数；
基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种风电场生产运行测风塔选址装置，如下面的实施例所述。由于风电场生产运行测风塔选址装置解决问题的原理与风电场生产运行测风塔选址方法相似，因此风电场生产运行测风塔选址装置的实施可以参见风电场生产运行测风塔选址方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
图4是本发明实施例的风电场生产运行测风塔选址装置的一种结构框图，如图4所示，该装置包括：
划分模块401，用于对风电场场址划分网格，网格的交点为安装测风塔的备选位置；
第一选择模块402，用于在所有备选位置中选择出满足地形因素、障碍物因素、测风塔的代表性以及尾流因素要求的备选位置，选择出的备选位置组成初选备选位置集合；
第二选择模块403，用于在所述初选备选位置集合中选择出一个满足风资源监测选址指数、发电量后评估选址指数以及超短期功率预测选址指数的备选位置，将选择出的一个备选位置确定为安装所述测风塔的位置，其中，所述风资源监测选址指数表示备选位置满足风资源监测要求的程度；发电量后评估选址指数表示备选位置满足发电量后评估要求的程度；超短期功率预测选址指数表示备选位置满足超短期功率预测要求的程度。
在一个实施例中，所述划分模块，包括：区域确定单元，用于确定包括所述风电场场址的矩形区域；划分单元，用于以所述风电场场址内风电机组之间的最小距离为边长，对所述矩形区域划分网格。
在一个实施例中，所述第一选择模块，包括：地形选择单元，用于在所有备选位置中选择与风电机组的海拔差小于100米且与每台风电机组的距离大于2倍风轮直径的备选位置，选择出来的备选位置组成第一备选位置集合；障碍物选择单元，用于以风电场中心为圆心，在所述第一备选位置集合中将主风向反方向的180度扇区内的备选位置排除，剩余的备选位置组成第二备选位置集合；湍流强度选择单元，用于根据预设时段的时间序列的测风数据，计算所述第二备选位置集合中每个备选位置的平均湍流强度，计算所述第二备选位置集合中所有备选位置的平均湍流强度的平均值，在所述第二备选位置集合中排除平均湍流强度大于所述平均值的备选位置，剩余的备选位置组成第三备选位置集合；尾流折减率选择单元，用于根据预设时段的时间序列的测风数据和所述风电场场址的大小，计算所述第三备选位置集合中每个备选位置的尾流折减率，计算所述第三备选位置集合中所有备选位置的尾流折减率的平均值，在所述第三备选位置集合中选择尾流折减率小于该平均值的备选位置，选择出的备选位置组成第四备选位置集合；第一代表性选择单元，用于计算所述第四备选位置集合中每个备选位置的主风向上的湍流强度、水平偏差的绝对值以及入流角的绝对值，计算所述第四备选位置集合中所有备选位置的主风向上的湍流强度的平均值，作为第一平均值；计算所述第四备选位置集合中所有备选位置的水平偏差的绝对值的平均值，作为第二平均值；计算所述第四备选位置集合中所有备选位置的入流角的绝对值的平均值，作为第三平均值；排除所述第四备选位置集合中主风向上的湍流强度大于第一平均值、水平偏差的绝对值大于第二平均值且入流角的绝对值大于第三平均值的备选位置，剩余的备选位置组成第五备选位置集合；第二代表性选择单元，用于计算所述第五备选位置集合中每个备选位置的风加速因数，计算所述第五备选位置集合中所有备选位置的风加速因数的平均值，在所述第五备选位置集合中选择风加速因数在该平均值正负5％范围内的备选位置，选择出的备选位置组成所述初选备选位置集合。
在一个实施例中，所述第二选择模块，包括：选址指数计算单元，用于计算所述初选备选位置集合中每个备选位置的选址指数，所述选址指数表示备选位置满足风资源监测选址指数、发电量后评估选址指数以及超短期功率预测选址指数的程度；备选位置选择单元，用于在所述初选备选位置集合中选择出所述选址指数最大的一个备选位置。
在一个实施例中，所述备选位置选择单元通过以下公式计算每个备选位置的选址指数：
在本发明实施例中，在备选位置的筛选过程中，除了考虑到地形因素、障碍物因素、测风塔的代表性因素之外，本申请还考虑了尾流因素的影响，使得安装测风塔位置的选择考虑了已建成风电场中尾流效应对测风塔测风的影响，有利于提高测风塔测风的准确度；进一步的，本申请了还考虑了测风塔的风资源监测、发电量后评估与超短期功率预测三种功能，并量化出了风资源监测选址指数、发电量后评估选址指数以及超短期功率预测选址指数，最终安装测风塔位置的选择也满足风资源监测选址指数、发电量后评估选址指数以及超短期功率预测选址指数，使得有利于最终确定生产运行测风塔的安装位置的全局最优解，进而有利于建立后期测风塔可以得到对整个风电场更具有代表性的测风数据，能够为解决新能源消纳问题提供更加有效的参考。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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