基于cfd短期风速预测风电场的扇区管理方法
【技术领域】 [0001] ：本发明涉及一种基于CFD短期风速预测的风电场扇区管理方法，尤其 涉及一种适合于地形复杂的风电功率物理预测方法以及考虑风电场风机间尾流影响的扇 区管理方法。
【背景技术】 [0002] ：近年来，我国风电产业发展势头强劲。风电目前是我国仅次于煤电和水 电的第三大电源，"十二五"规划提出，到2015年风电并网装机将达到1亿千瓦以上，2020年 达到2亿千瓦，风电是我国实现"十二五"和2020年非化石能源发展目标的最重要的可再生 能源之一。2013年，中国（不包括台湾地区），新增装机容量16088. 7MW，同比增长24. 1%; 累计装机容量91412. 89MW，同比增长21. 4%。新增装机和累计装机两项数据均居世界第 一。当前我国风电行业处于高速发展时期，大量机组集中投产。由于需求量过大，风电设备 生产企业将重点放在风机生产制造上，没有对如何提升风机发电效率进行研宄。
[0003] 目前，国家越来越重视风能利用效率，然而在风场建设中，一部分电力投资公司缺 乏针对地区特点（风资源情况和优化选型的风机性能）的风场建设依据；风力机布置间距 控制方面主要还是依据经验。大容量风电机组、大规模风电场己经成为现代风力发电的主 要发展方向，这不可避免的带来了一些新的空气动力学问题，尾流效应就是其中之一。尾 流不仅对风力机的出力有影响，并且对风力机的结构疲劳也有影响。根据流体力学理论可 知，流动的空气通过旋转的风力机叶片后会有动量损失，这时风力机尾流区域就会出现紊 流，尾流区会出现湍流、涡流等现象，直接影响下游风力机的发电效率，使下游风力机性能 下降，不能输出应有的最大功率，最终影响整个风场的总发电量。
[0004] 风电场电力设备不能实时完全应对风电时变间歇对电网的冲击，风电功率预测技 术提前提供给风电场和调度风电场未来风速和发电量信息，可以提高风电场的运行效率。 该技术主要采用数值天气预报（NWP)作为数据来源。目前，对中尺度NWP数据的降尺度处 理主要有以下2种方法：（1)采用诊断模型与解析算法分析风电场局地效应对流场的影响， 这种方法计算量小，但精度不高。（2)采用计算流体力学模型动态模拟流场在风电场内的 发展变化过程。这种方法可以获得比解析法更准确的流场分布，从而提高风速及风电功率 预测精度，但具有如下难题：每次预测都需要求解Navier-Stokes方程（N-S方程）计算流 场，计算量巨大，难以满足风电功率预测时效性的要求。
[0005] 分散式风电场具有接入风机数量少、接入点分散、接入电压等级低等特点，国内外 对分散式风电功率预测系统没有专门的研宄，存在如下3个技术难题：（1)如何根据有限测 风数据实现区域资源评估、微观选址和功率预测；（2)风电场建模会受到地形高程图、粗糙 度、大气稳定度、边界层等一系列因素影响。如何建立准确的能反映风电场实际运行情况的 物理模型；（3)如何根据气象数据和历史数据，基于物理和统计模型进行准确的功率预测。
【发明内容】
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[0006] 发明目的：本发明提供一种基于CFD短期风速预测风电场的扇区管理方法，其目 的是解决以往的方式所存在的效果不理想的问题。
[0007] 技术方案：
[0008] 一种基于CFD短期风速预测风电场的扇区管理方法，CFD即计算流体力学；
[0009] 该方法包括如下步骤：
[0010] 步骤1，建立风电场CFD流场特性数据库：
[0011] 利用风电场地形高程、粗糙度等数据，建立风电场物理模型，得到CH)插件表，即 风加速比数据库，针对可能出现的风电场来流条件对流场进行CFD预计算，将计算获得的 流场加速比数据存入数据库中，建立风电场流场特性加速比数据库，利用该数据库可以将 测风塔位置的风速外推至每台风机轮毂高度处的风速，输出风机轮毂高度处的预测风速和 风速变化趋势，避免每次运行预测模型时都进行建模工作，有效提高预测速度；
[0012] 步骤2,建立基于计算流体力学修正风电机组数据的虚拟测风塔：
[0013] 首先对采集的SCADA系统即数据采集与监视控制系统的测风数据根据GB/ T18710-2002并结合风电场的实际情况，进行合理性检验、相关性检验、趋势检验，然后进 行数据剔除及修正，剔除风电机组不工作或是测试系统发生故障的数据，保证数据可以真 实反映风电机组的功率输出情况；然后将所测机组嵌套到所建立的物理模型中，利用计算 流体力学将机舱尾部测风设备所测得的风速推到受较少风力发电机组尾流影响且与风电 机组功率输出相关性较好位置的风速，得到经过尾流修正的虚拟测风塔数据后，通过以下 步骤得到预测的虚拟测风塔的气象信息，首先，利用真实测风塔数据对NWP进行订正，保证 CFD模型以及NWP的准确性，其次，通过CFD插件表推算出虚拟测风塔各高度处的气候条件， 最后，将NWP与虚拟测风塔数据进行验证，并得出虚拟测风塔处未来气象数据；
[0014] 步骤3,利用数据库进行风速预测：
[0015] 预测模块首先对NWP降尺度，通过气象神经网络修正；将NWP输入数据耦合到参考 测风塔；考虑尾流模型，查询相近的来流条件并调用CFD插件表数据库中相应的流场分布 数据，插值计算该时刻各台风电机组轮毂高度处的预测气象数据。按照功率曲线拟合计算 单台风机的预测功率，最后计算风电场内单机和整场的输出功率。这种预测方法将复杂的 CFD流场数值模拟放到风速预测之前完成，合理地解决了 CFD模型的时效性问题。
[0016] 步骤4,基于预测信息的风电场扇区管理：
[0017] 根据预测的风速和风向管理扇区内的风机运行，在有尾流影响的扇区内风机采取 停机和限电管理，在电网限电时，需要选择性地关停一些机组，才能满足电网调度的要求， 限电本身造成发电企业经济损失，这是难以避免的，但是在进行限电时的一些操作可以使 损失降到最低，风机运行扇区管理在限电时可以关停受尾流影响较大的机组，从而较少尾 流中湍流对风机的损害，延长风机的使用寿命。
[0018] 步骤1中：
[0019] 1)风电场来流条件离散，为了覆盖风电场可能出现的来流条件范围，将风电场空 气来流的方向离散为12个均分的扇区，从0开始每隔30°划分一个风向；风电场来流风速 离散为1，2, 3…25m/s，每个风速和风向的组合构成一个风电场来流条件，共离散为300个 来流条件；
[0020] 2) CFD流场预计算，包括入口边界条件、数值地理模型模拟和数值CFD模拟计算 三部分，CFD计算区域以风电场为中心，在水平方向上沿风电场边界外扩5km以上，高度方 向大于风电机组总高度的20倍，风电场及周边地区的地形及粗糙度数字化模型由等高线 数据建立，流场计算区域划分空间网格，网格以六面体结构网格为主，风电机组附近网格加 密，水平分辨率约50~70m，风电场周边地区网格较稀疏；
[0021] 3)数据库的建立，在风电场中对测风塔、各台风电机组进行数字化定位，对于每个 计算获得的流场，提取其来流条件的风速和风向、测风塔及各台风电机组轮毂高度的风速 和风向等重要数据，存入数据库中，CFD预计算所获得的所有流场的特征数据，形成风电场 流场加速比数据库，即CFD插件表；
[0022] CFD插件表为求解基于雷诺平均的Navier-Stokes方程得到的一组风速加速比数 据库，即从测风塔处风速和风向推算到各风机点位所有扇区的比例值，如下：
【主权项】
1. 一种基于CFD短期风速预测风电场的扇区管理方法，包括如下步骤： 步骤1，建立风电场CFD流场特性数据库： 利用风电场地形高程、粗糙度等数据，建立风电场物理模型，得到CFD插件表，即风加 速比数据库，针对可能出现的风电场来流条件对流场进行CFD预计算，将计算获得的流场 加速比数据存入数据库中，建立风电场流场特性加速比数据库，利用该数据库可以将测风 塔位置的风速外推至每台风机轮毂高度处的风速，输出风机轮毂高度处的预测风速和风速 变化趋势，避免每次运行预测模型时都进行建模工作，有效提高预测速度； 步骤2,建立基于计算流体力学修正风电机组数据的虚拟测风塔： 首先对采集的SCADA系统即数据采集与监视控制系统的测风数据根据GB/T18710-2002并结合风电场的实际情况，进行合理性检验、相关性检验、趋势检验，然后进 行数据剔除及修正，剔除风电机组不工作或是测试系统发生故障的数据，保证数据可以真 实反映风电机组的功率输出情况；然后将所测机组嵌套到所建立的物理模型中，利用计算 流体力学将机舱尾部测风设备所测得的风速推到受较少风力发电机组尾流影响且与