PDF《考虑风速时空分布及风机运行状态的风电场功率计算方法》

考虑风速时空分布及风机运行状态的风电场功率计算方法 孙辉,徐箭,孙元章,雷若冰 ( 武汉大学电气工程学院,湖北省武汉市

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7 2 ) 摘要:大规模风电并网背景下, 准确计算风电场输出功率对调度控制和电网安全运行至关重要.

以区域内测风塔观测的分钟到小时级平均风速和风向为输入, 研究风机地理分布以及风机启停对 尾流模型的影响, 计及风速在空间分布的时延效应, 建立了考虑风速时空分布特性的等效风速模 型.在此基础上, 进一步考虑风机的机械特性及运行状态, 提出了风电场功率计算方法.以某实际 风电场地理数据和风机参数为基础的仿真算例验证了所提方法的可行性和合理性. 关键词:风速;

时空分布;

风电功率;

风机特性;

运行状态 收稿日期:

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1 3 G

1 2 G

0 9;

修回日期:

2 0

1 4 G

0 6 G

2 3. 国家重点基础研究发展计划(973计划)资 助项目(2012CB215201);

国家自然科学基金资助项目(51477122,

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0 1

0 5 ) .

0 引言 随着风力发电的大规模开发, 风电给电网安全 运行和调度控制等带来巨大挑战[

1 G 2] , 为电力系统提 供精确的风电场功率输出对电力安全生 产至关重 要. 基于历史功率数据的风电功率建模, 受电网侧 限出力影响, 无法真实反映风电场实际功率的变化 规律[ 3] .基于风速预测的风电功率建模, 风速模型 的建立尤为关键.针对风速模拟, 国内外学者进行 了大量基础研究, 可分为三类.

1 ) 将自然风看做平均风速和湍动分量 叠加而 成, 针对湍动分量的统计特点进行模拟, 常用的方法 有谐波合成法和线性滤波法[

4 G

6 ] .利用三角函数叠 加的谐波合成法精度高, 但不能描述风机间风速的 相关性, 且计算量大;

基于数字滤波技术的线性滤波 法计算量小, 速度快, 同时考虑了风速间的时空相关 性, 但多适用于模拟高层建筑垂直方向上的风速时 程.

2 ) 基于风速的功率谱密度函数( P S D) , 结合风 电场内空间相关性矩阵, 考虑风机旋转湍流、 塔影效 应及风剪切等影响因素, 建立风电场内风机等效风 速模型[

7 G

1 0 ] .通常此类方法输入为全场统一风速, 空间尺度范围大, 不能精确到每台风机.

3 ) 结合风电场内空间物理关系, 通过某台风机 处风速, 运用解析法或流体力学计算法描述风电场 内风 的流动过程, 计算场内其他风机风速. 文献[

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1 4 ] 采用流体力学计算法描述风电场内不同 条件下风速和风向分布, 但模型对输入参数要求高, 计算复杂度高;

文献[

1 5 G

1 9 ] 采用尾流模型描述风机 背面流场运动及风速变化, 虽然计算简单, 满足精度 要求, 但未考虑风速传播的时延效应. 一般而言, 影响风电场功率输出的主要因素有: 风机分布和地形、 风速及风向、 风机机械特性以及风 机控制运行状态.其中, 风机分布和地形主要影响 风电场内部大气流动, 导致各风机轮毂高度处输入 风速的不同, 进而影响风速的空间分布特性.而平 均风速、 风向及风机布置主要影响风电场内风机间 的时间延迟.由于风机机械特性( 桨叶的旋转采样、 转轴惯量以及风机塔影效应) 的影响, 风机轮毂高度 处和转轴处的输入风速是不同的[

2 0 G

2 1 ] .同时, 风机 桨距角偏航角控制[