一种风电场覆冰停机预测方法与流程

本发明属于新能源发电领域，尤其涉及一种风电场覆冰停机预测方法。

背景技术：

1、近年来，风电机组等新能源机组的装机容量不断提升，风力发电在全国总发电量的占比逐年提升，风力发电对电网的影响已经不可忽视。风力发电的功率预测准确率将对电网调度部门的电力电量平衡工作产生重要影响。然而在冬季寒潮期间，我国部分地区会出现风机叶片覆冰而导致风机停机的现象。风电场传统的的功率预测系统中并没有考虑风机覆冰停机现象，当寒潮来临时，由于大量的风机出现覆冰停机，短期内风电场实际送出功率将大大低于预测。而寒潮期间往往也是用电高峰时期，此时风电场因为覆冰停机导致的大幅度偏差将给电网调度部门的电力电量平衡工作带来巨大压力。因此，在寒潮期间需要提前预测每一台风机可能出现覆冰停机的时间段，并在相应时间段的功率预测中将会出现覆冰停机的机组从中剔除，以提高寒潮期间风电场短期功率预测的准确率。

2、目前，关于风机覆冰停机预测的研究还相对较少，只有关于风机叶片表面覆冰条件的研究，研究风机表面环境温度、液态水含量、风速以及风机叶片形状等因素对叶片覆冰过程的影响。但由于海拔以及微气象影响，气象预报数据中的环境温度与风机附近实际温度存在一定的偏差，且气象预报数据中只有相对湿度数据，没有液态水含量数据，因此这种研究只限于理论层面，难以用于实际覆冰停机预测。因此，目前缺少针对实际生产中利用气象预报数据对风电场覆冰停机的预测方法。

技术实现思路

1、本发明提供一种风电场覆冰停机预测方法，从风机叶片覆冰的物理机理出发，建立风机覆冰停机函数，用于解决实际风机覆冰停机预测。

2、本发明采用的技术方案如下：一种风电场覆冰停机预测方法，包括：

3、步骤1：根据风机叶片覆冰物理原理，定义覆冰程度和覆冰速度，建立数学式刻画风机覆冰停机物理过程；

4、步骤2：选取温度和相对湿度作为影响风机叶片覆冰的关键环境变量，定义风机覆冰温度，用一个风机覆冰停机函数建立风机覆冰停机与气象温度和风机覆冰温度的温度差、相对湿度以及时间之间的函数关系；

5、步骤3：根据历史覆冰停机数据与气象预报数据，利用函数拟合的方法得到风机覆冰停机函数的具体函数表达式；

6、步骤4：输入当前风机覆冰状态初始值，结合气象预报数据，利用风机覆冰停机函数预测未来各台风机出现覆冰停机的时间段。

7、进一步的，在步骤1中，根据风机叶片表面覆冰的物理原理，定义覆冰程度和覆冰速度，建立数学式刻画风机覆冰停机物理过程；具体为：

8、覆冰程度fic为描述风机叶片表面覆冰的状态，用数值反映风机叶片表面覆冰厚度，覆冰程度fic设置一个确定值为覆冰程度最大值fic_max，当覆冰程度fic的数值达到覆冰程度最大值fic_max，风机叶片覆冰且自动停机，风机由未覆冰状态转为覆冰停机状态，此时覆冰程度fic的数值不会再增加；覆冰程度fic的最小值设置为0，覆冰程度fic的数值由fic_max逐渐减小至最小值0时，风机叶片表面冰层全部融化，风机重启，此时覆冰程度fic的数值不会再减小；

9、影响覆冰程度数值变化的参数主要是覆冰速度vic；覆冰速度vic描述风机叶片表面结冰与融冰的速度，环境条件不同会影响覆冰速度vic的快慢，利用覆冰速度vic来量化寒潮期间风机由正常运转到覆冰停机状态所需时间以及风机由覆冰停机状态到融冰重启所需时间；

10、定义覆冰速度vic为正时，风机叶片处于逐渐结冰状态，覆冰程度fic的数值随着时间不断累加，直至覆冰程度fic的数值达到最大；定义覆冰速度vic为负时，风机叶片处于融冰状态，覆冰程度fic的数值随着时间不断减少，直至覆冰程度fic的数值达到最小；覆冰程度fic与覆冰速度vic以及时间的关系如下数学式表示：

11、

12、其中，fic(ti)为第i小时风机的覆冰程度，fic_0为覆冰程度初始值，vic(ti)为第i小时环境条件下对应的覆冰速度vic，表示第k小时中每个小时的覆冰速度vic累加值，覆冰程度值fic为覆冰程度初始值加上前面k小时中每个小时的覆冰速度累加值。

13、进一步的，在步骤2中，选取温度和相对湿度作为影响风机叶片覆冰的关键环境变量，定义风机覆冰温度，用一个风机覆冰停机函数建立风机覆冰停机与气象温度和风机覆冰温度的温度差、相对湿度以及时间之间的函数关系；具体为：

14、温度和相对湿度rh是影响风机叶片表面覆冰的关键环境变量，将直接影响覆冰停机数学式中的覆冰速度vic；相对湿度rh是风机叶片表面覆冰的前提条件，当相对湿度rh低于一定数值时，空气中水分含量过低，在风机叶片表面不易发生覆冰；当相对湿度rh高于一定数值满足覆冰前提条件时，气象温度t越低，覆冰速度vic越大；

15、对于温度的影响：理论上在标准大气压环境下，风机表面覆冰的临界温度应该在0℃左右，当风机附近的环境温度低于0℃且环境湿度满足条件时，风机表面会逐渐覆冰。但在风机覆冰预测工作中，温度为气象局推送的距离风机最近的测量点的温度数据。在江西、湖南等冬季风机覆冰频发的地区，风机大部分是装在山上，考虑到海拔、风机杆塔高度、山间微气象等因素，不同位置的风机在出现临界覆冰状态时，其对应点的气象局推送的温度不同。

16、定义风机覆冰温度tic，表示风机叶片表面处于覆冰与融冰临界点时，风机所在经纬度对应的气象温度t，不同风机所处海拔高度不同以及微气象不同，覆冰温度tic也不同；当气象温度t低于覆冰温度tic时，风机叶片处于结冰状态，覆冰速度vic为正；当气象温度t高于覆冰温度tic时，风机叶片处于融冰状态，覆冰速度vic为负；

17、相对湿度rh越大以及气象温度t低于风机覆冰温度越多，覆冰速度vic越快，将覆冰速度vic表示为相对湿度rh以及气象温度t与风机覆冰温度tic的差值的函数关系，其函数关系式如下式所示：

18、vic(ti)＝f(rh,δt)

19、其中，vic(ti)为第i小时环境条件下对应的覆冰速度vic，rh为风机所处位置的相对湿度，δt为风机所处位置的气象温度t与风机覆冰温度tic的差值，f为函数对应关系；

20、随后得到风机覆冰停机函数，如下式所示：

21、

22、其中，iflag(ti)表示第i小时风机覆冰停机状态，1表示覆冰停机，0表示未覆冰停机。

23、进一步的，在步骤3中，根据历史覆冰停机数据与气象预报数据，利用函数拟合的方法得到风机覆冰停机函数的具体函数表达式；具体为：

24、通过风机的多个覆冰温度tic、多组覆冰速度vic与气象温度t和覆冰温度tic的温度差、相对湿度rh之间的关系，根据历史气象环境数据计算每个覆冰温度tic以及覆冰情况下各台风机对应的覆冰停机时间段，并与历史实际覆冰停机时间段进行比对，选取拟合度最高的一组作为最佳的覆冰速度vic以及风机最佳的覆冰温度tic，得到风机覆冰停机函数的具体函数表达式以及参数。

25、进一步的，在步骤4中，输入当前风机覆冰状态初始值，结合气象预报数据，利用风机覆冰停机函数预测未来各台风机出现覆冰停机的时间段；具体为：

26、根据风机scada输出功率数据和风速数据，判断风机初始时刻是否处于覆冰停机，并输入当前风机覆冰状态初始值，根据未来气象数据，利用风机覆冰停机函数预测未来各台风机可能会出现覆冰停机的时间段。在非检修状态下，若当前风速大于切入风速且功率输出为0，则判断风机处于覆冰停机状态，对应输入覆冰程度初始值fic_0＝fic_max；若当前风速大于切入风速且功率输出大于0，则判断风机处于正常运行状态，对应输出覆冰程度初始值fic_0＝0。

27、本发明的有益效果是：从风机叶片覆冰的物理机理出发，建立风机覆冰停机函数，用该函数描述风机表面覆冰与融冰物理过程，并用函数拟合的思想通过对往期覆冰停机数据以及气象数据进行数据拟合，得到风机覆冰停机函数的相关参数，利用风机覆冰停机函数与未来气象预报结合，实现风电场风机覆冰停机的预测，为风电场在寒潮期间提高预测准确率以及适时准备覆冰防范工作提供了解决方案。