风力发电机组孪生功率曲线模型的应用方法和系统与流程

本发明涉及工程技术领域，特别是指一种风力发电机组孪生功率曲线模型的建立，孪生功率曲线的拟合和应用方法。

背景技术：

传统的风力发电机组功率曲线是由测量的风速与功率对应的有限个点集合表示，即测量功率曲线，曲线中包括切入风速、额定风速、切出风速、额定功率等特征值。测量功率曲线具有如下特点：风速小于等于切入风速时，功率为零；风速大于等于额定风速时，功率为额定功率；风速大于等于切出风速时，功率为零；风速在切入风速和额定风速之间时，风速与功率的关系为部分线段连接的曲线。该曲线有以下主要缺点和不足：

1.由于风速在切入风速和额定风速之间时，风速与功率的关系为部分线段连接的曲线，计算理论功率时要采用插值法，计算量比较大。

2.使用插值法编写的计算机代码执行效率不高。

3.测量功率曲线的额定风速与设计功率曲线的额定风速有时偏差较大，测量功率曲线的额定风速不能反映功率曲线的性能差别。

技术实现要素：

本发明提出一种用函数表示的风力发电机组孪生功率曲线模型，以及使用该模型进行孪生功率曲线的拟合，使用孪生功率曲线替代测量功率曲线的工程应用方法和系统，解决了现有技术中由于风速在切入风速和额定风速之间时，风速与功率的关系为部分线段连接的曲线，计算理论功率时要采用插值法，计算量比较大。使用插值法编写的计算机代码执行效率不高。测量功率曲线的额定风速与设计功率曲线的额定风速有时偏差较大，测量功率曲线的额定风速不能反映功率曲线的性能差别的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种风力发电机组孪生功率曲线模型的应用方法，包括以下步骤：

步骤1，获取风力发电机组的测量功率曲线、曲线参数和曲线特点；

步骤2，构建风力发电机组的孪生功率曲线模型，所述孪生功率曲线模型包括与所述曲线参数相对应的孪生曲线参数以及与所述曲线特点相对应的孪生曲线特点；

步骤3，根据风力发电机组的孪生功率曲线模型利用测量功率曲线拟合出以函数表示的孪生功率曲线；

步骤4，使用孪生功率曲线替代测量功率曲线进行功率计算和工程应用。

作为本发明的一个优选实施例，所述曲线参数包括切入风速、额定风速、切出风速、额定功率；曲线特点为风速小于等于切入风速时，功率为零；风速大于等于额定风速时，功率为额定功率；风速大于等于切出风速时，功率为零；风速在切入风速和额定风速之间时，风速与功率的关系为部分线段连接的曲线。

作为本发明的一个优选实施例，所述测量功率曲线各固定点的数据采用查表得到；非固定点的数据根据各线段的斜率进行插值计算。

作为本发明的一个优选实施例，所述孪生曲线参数包括孪生切入风速、孪生额定风速、孪生切出风速、孪生额定功率；孪生曲线特点为风速小于等于孪生切入风速时，功率为零；风速大于等于孪生额定风速时，功率为额定功率；风速大于等于孪生切出风速时，功率为零；风速在孪生切入风速和孪生额定风速之间时，风速与功率的关系为一条二次曲线；二次曲线的计算公式为：

p＝av²+bv+c；

其中：p：功率，v：风速，a：二次系数，b：一次系数，c：常数。

作为本发明的一个优选实施例，步骤3具体包括以下步骤：

s31：选择适合的风速频率曲线；

s32：确定发电量偏差特定值；

s33：确定测量功率曲线各线段顶点风速条件下，测量功率曲线各线段顶点的功率与相对应的孪生功率曲线上的功率最大偏差值；

s34：根据公式p＝av²+bv+c，调整a、b、c的值进行孪生功率曲线拟合，直到p满足孪生功率曲线上功率与对应测量功率曲线各线段顶点的功率小于相应的功率最大偏差值的要求，初步确定a、b、c的值；

s35：初步确定孪生功率曲线，在上述风速频率条件下，判断使用孪生功率曲线和测量功率曲线计算的发电量偏差是否小于发电量偏差特定值，如果否，返回s33；如果是，则确定为最终孪生功率曲线。

作为本发明的一个优选实施例，步骤s33中，将所有顶点的功率最大偏差值确定为统一的值，或者每个顶点分别确定功率最大偏差值。

作为本发明的一个优选实施例，步骤3中拟合方法为数学模型计算方法、计算机机器学习方法或计算机人工智能。

作为本发明的一个优选实施例，工程应用包括但不限于风力风电机组设计制造、形式认证、质量监督、scada风速校正、风电场功率预测、风电场机组选型、风电机组运行状态划分、风电机组能量利用效率指标计算和基于工业互联网的风电机组对标平台。

一种风力发电机组孪生功率曲线模型的应用系统，包括

测量功率曲线模型单元，获取风力发电机组的测量功率曲线、曲线参数和曲线特点；

孪生功率曲线模型单元，构建风力发电机组的孪生功率曲线模型，所述孪生功率曲线模型包括与所述曲线参数相对应的孪生曲线参数以及与所述曲线特点相对应的孪生曲线特点；根据风力发电机组的孪生功率曲线模型利用测量功率曲线拟合出以函数表示的孪生功率曲线；

计算和应用单元，使用孪生功率曲线替代测量功率曲线进行功率计算和工程应用。

本发明的有益效果在于：

对比传统风力发电机组功率曲线，风力风电机组孪生功率曲线将实际工程应用中风力发电机组理论功率的计算方法由插值法推进到了函数法，开启了风力发电机组功率计算的函数时代，是风电行业的重大技术跨越，为高效的计算机编程、大数据分析、人工智能技术的应用奠定了全新的基础。同时通过不同型号风力发电机组孪生额定风速的比较，可以直观的反映风力发电机组间的性能差异。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种风力发电机组孪生功率曲线模型的应用方法的流程图；

图2为测量功率曲线与孪生功率曲线的对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，本发明提出风力发电机组孪生功率曲线概念，通过建立孪生功率曲线模型，拟合出与测量功率曲线对应的孪生功率曲线，将测量功率曲线的线段连接的曲线部分用孪生功率曲线的二次曲线替代，并确定孪生切入风速、孪生额定风速、孪生切出风速、孪生额定功率等特征值。孪生功率曲线克服了前述测量功率曲线的3个缺点和不足。

本发明提出孪生功率曲线等新的概念和名词，主要相关名词解释如下：

测量功率曲线：根据实际测量数据计算得到的由若干固定点连接线段组成的反映风速-功率相关关系的曲线，任意两个固定点之间的数据由两点之间的直线表示(附图2绘制了某风电机组测量功率曲线，该曲线标出曲线中的15个固定点)。测量功率曲线各固定点的数据采用查表得到；非固定点的数据根据各线段的斜率进行插值计算(插值法)。

孪生功率曲线模型：规定孪生功率曲线由直线(oa)、二次曲线(ab)、直线(bc)组成。其中：o为坐标系原点；a点是二次曲线与横坐标的交点，为孪生切入风速；b点是二次曲线与直线(ec)的交点，e和f是b点在纵坐标和横坐标的投影，分别为孪生额定功率和孪生额定风速；c点在横坐标的投影为孪生切出风速，c点在纵坐标的投影也是e。这种独特的图形表达方式是本发明的重点保护范围。

孪生功率曲线：根据风力发电机组孪生功率曲线模型绘制的可以替代测量功率曲线的一条曲线，由两条直线和一条二次曲线组成。当风速小于切入风速且大于零时，为功率等于零的直线；当风速大于额定风速且小于切出风速时，为功率等额定功率的直线；当风速大于切入风速且小于额定风速时，为一条二次曲线。使用孪生功率曲线替代测量功率曲线在实际工程应用中可以大大提高理论功率的计算效率，简化计算机编程逻辑。(图2绘制了可替代某风电机组测量功率曲线的孪生功率曲线)

孪生切入风速：与测量功率曲线的切入风速对应，可由孪生功率曲线二次曲线部分的公式计算得到，或使用近似等于测量功率曲线的切入风速的值。

孪生额定风速：与测量功率曲线的额定风速对应，由孪生功率曲线二次曲线部分的公式计算得到，近似等于或小于测量功率曲线的额定风速。

孪生切出风速：与测量功率曲线的切出风速对应，等于测量功率曲线的切出风速。

孪生额定功率：与测量功率曲线的额定功率对应，由孪生功率曲线二次曲线部分的公式计算得到，等于测量功率曲线的额定功率。

风速频率曲线：描述一段时间内，各风速值出现的频率的曲线。

如图1所示，本发明提出了一种风力发电机组孪生功率曲线模型的应用方法，包括以下步骤：

步骤1，获取风力发电机组的测量功率曲线、曲线参数和曲线特点；曲线参数包括切入风速、额定风速、切出风速、额定功率；曲线特点为风速小于等于切入风速时，功率为零；风速大于等于额定风速时，功率为额定功率；风速大于等于切出风速时，功率为零；风速在切入风速和额定风速之间时，风速与功率的关系为部分线段连接的曲线。测量功率曲线各固定点的数据采用查表得到；非固定点的数据根据各线段的斜率进行插值计算。

步骤2，构建风力发电机组的孪生功率曲线模型，孪生功率曲线模型包括与曲线参数相对应的孪生曲线参数以及与曲线特点相对应的孪生曲线特点；

孪生曲线参数包括孪生切入风速、孪生额定风速、孪生切出风速、孪生额定功率；孪生曲线特点为风速小于等于孪生切入风速时，功率为零；风速大于等于孪生额定风速时，功率为额定功率；风速大于等于孪生切出风速时，功率为零；风速在孪生切入风速和孪生额定风速之间时，风速与功率的关系为一条二次曲线；其中：孪生切入风速近似等于切入风速，孪生额定风速近似等于或小于额定风速，孪生切出风速近似等于切出风速，孪生额定功率等于额定功率。

二次曲线的计算公式为：

p＝av²+bv+c；

其中：p：功率，v：风速，a：二次系数，b：一次系数，c：常数。

步骤3，根据风力发电机组的孪生功率曲线模型利用测量功率曲线拟合出以函数表示的孪生功率曲线；拟合方法为数学模型计算方法、计算机机器学习方法或计算机人工智能。

步骤3具体包括以下步骤(以计算机机器学习方法为例)：

s31：选择适合的风速频率曲线；

s32：确定发电量偏差特定值；特定值可以设定为0.1％，1％，5％，或满足实际工程需要的其他任意值)。

s33：确定测量功率曲线各线段顶点风速条件下，测量功率曲线各线段顶点的功率与相对应的孪生功率曲线上的功率最大偏差值；将所有顶点的功率最大偏差值确定为统一的值，或者每个顶点分别确定功率最大偏差值。

s34：根据公式p＝av²+bv+c，调整a、b、c的值进行孪生功率曲线拟合，直到p满足孪生功率曲线上功率与对应测量功率曲线各线段顶点的功率小于相应的功率最大偏差值的要求，初步确定a、b、c的值；

s35：初步确定孪生功率曲线，在上述风速频率条件下，判断使用孪生功率曲线和测量功率曲线计算的发电量偏差是否小于发电量偏差特定值，如果否，返回s33；如果是，则确定为最终孪生功率曲线。

步骤4，使用孪生功率曲线替代测量功率曲线进行功率计算和工程应用。

本发明还提出了一种风力发电机组孪生功率曲线模型的应用系统，包括

测量功率曲线模型单元，获取风力发电机组的测量功率曲线、曲线参数和曲线特点；

孪生功率曲线模型单元，构建风力发电机组的孪生功率曲线模型，所述孪生功率曲线模型包括与所述曲线参数相对应的孪生曲线参数以及与所述曲线特点相对应的孪生曲线特点；根据风力发电机组的孪生功率曲线模型利用测量功率曲线拟合出以函数表示的孪生功率曲线；

计算和应用单元，使用孪生功率曲线替代测量功率曲线进行功率计算和工程应用。

工程应用包括但不限于工程应用包括但不限于风力风电机组设计制造、形式认证、质量监督、scada风速校正、风电场功率预测、风电场机组选型、风电机组运行状态划分、风电机组能量利用效率指标计算和基于工业互联网的风电机组对标平台。

本发明的有益效果在于：

对比传统风力发电机组功率曲线，风力风电机组孪生功率曲线将实际工程应用中风力发电机组理论功率的计算方法由插值法推进到了函数法，开启了风力发电机组功率计算的函数时代，是风电行业的重大技术跨越，为高效的计算机编程、大数据分析、人工智能技术的应用奠定了全新的基础。同时通过不同型号风力发电机组孪生额定风速的比较，可以直观的反映风力发电机组间的性能差异。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。