專利名稱：一種處理風電場靜態(tài)功率等值分散性問題的等效風速法的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及風電場靜態(tài)功率的等值處理領域，尤其涉及一種處理風電場靜 態(tài)功率等值分散性問題的等效風速法。
背景技術：
大型并網(wǎng)風電場對于電力系統(tǒng)的影響主要源于其輸出功率的隨機波動性， 而此特性又源自風能的自然特性，由于風能分布的差異，風電場內各機組輸出 功率存在著很大的分散性。目前研究風電場并網(wǎng)對系統(tǒng)產生影響的方法是首 先建立風電場以及電網(wǎng)的等值模型，在此基礎上通過仿真計算來進行相關研究。 其中電網(wǎng)等值模型已經(jīng)比較成熟，而建立精度較高的風電場等值模型一直是該 領域亟待研究的重要課題。
風電場等值模型主要功能是通過風電場輸出功率的變化，來反映實際風能 波動的特性，其數(shù)學本質是將注入整個風電場的風速，通過數(shù)學模型的處理， 轉化成風電場的輸出功率。因此，注入風速的處理將直接影響風電場等值模型 的精度。
傳統(tǒng)的風電場等值模型的研究方法，通常是先計算某臺風電機組在實測風 速下的輸出功率，再將此功率(單臺機)的N倍(N為風電場中在運行風電機 組臺數(shù))來等效表示整個風電場的輸出。其本質是直接利用單臺風電機組的實 測風速作為整個風電場的注入風速。而實際情況是風電場通常占地面積較大，
一個單機容量850kW、總裝機49.3MW的風電場的占地面積超過了 16km2，在 這樣尺度的地域內，受尾流效應的影響，在排列較為集中的風電機組之間，風 能的分布差異十分明顯，從而導致了風電機組輸出功率具有很大的分散性。隨著風電場占地面積越來越大，包含的風機臺數(shù)越來越多，風能的空間分布差異 會更加明顯。因此上述傳統(tǒng)方法雖然簡單，但精度差，影響供電管理部門對并 網(wǎng)風電場運行評價的準確性，不利于按電網(wǎng)實際情況合理安排生產計劃，增加 了系統(tǒng)備用容量。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種分析準確，有助于電網(wǎng)調度合理安排生產計劃， 減少系統(tǒng)備用容量，同時能夠正確評價并網(wǎng)風電場對電網(wǎng)運行影響的處理風電 場靜態(tài)功率等值分散性問題的等效風速法。
本發(fā)明的目的是由以下技術方案來實現(xiàn)的 一種處理風電場靜態(tài)功率等值 分散性問題的等效風速法，其特征在于它包括以下步驟
l.風電場各風電機組出力分散性分析
通過對風電場中各風電機組實際運行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學處理，分析由于各臺風 電機組的位置不同及相互影響而產生的風電場內部風能的分散性，用最小誤差 循環(huán)搜索選取最能體現(xiàn)風電場整體運行行為及風電場內部分散性的風電機組；
(1) 取風電場各風電機組一段時間內的完整的運行數(shù)據(jù)，計算風電場的平均 風速、平均功率；
(2) 找出風速和功率差異最大的若干臺風電機組的出力分散性，視為風電場 的出力分散性；
(3) 在同一張圖上繪制風速和功率差異最大的若干臺風電機組的風速、功率 進行對比，找出每一時刻風速、功率的最大值和最小值，繪制風速、功率的包 絡線；
(4) 計算每一時刻風速、功率最大與最小值的差，即風速、功率的偏差，如 式(1)、 (2)，即風電場的出力分散性；<formula>formula see original document page 7</formula> (2)
式中A^為某時刻風電場出力的偏差，^為一臺風電機組某時刻出力， 為某時刻風電場風速的偏差，R為某時刻一臺風電機組的風速；
(5)為了便于衡量風電場的出力分散性，對于功率、風速用額定功率、額定
風速進行標幺，得到偏差占額定功率的比例《、(，如式(3)、 (4)，繪制風電 場出力分散性<formula>formula see original document page 7</formula> (3)
<formula>formula see original document page 7</formula> (4)
當風電場s' 、5'都小于10%，證明風電場每臺風電機組的運行狀況基本相同， 視為風電場的無出力分散性，當s'、 <大于10%，證明風電場每臺風電機組的
運行狀況有一定差距，在風電場的建模和各種并網(wǎng)的研究中，需要充分考慮風
電場的出力分散性； 2.等效風速的確定
風電場各風電機組規(guī)則排列時，對風電場4個頂角處的風速做統(tǒng)計學處理 求出等效風速，并以此等效風速驅動下的風電機組輸出功率的N倍作為風電場 總輸出功率的算法；
給出該風電場的風速模型，如式(5)，
<formula>formula see original document page 7</formula> (5)
式中V為平均風速(單位m/s); V,為第i臺風電機組的風速(單位m/s)， V為風電場各風電機組記錄風速的平均值，通常選擇有代表性的若干臺風電機組
的數(shù)據(jù)作為代表求平均值；3.基于等效風速描述風電場靜態(tài)行為等值的誤差分析
采用平均絕對百分比誤差，對風電場等值模型的輸出與風電場的實際輸出 進行對比分析，以此評價該方法的精度，以及相對傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢；
誤差評價標準采用的是傳統(tǒng)的平均絕對百分比誤差(Mean Absolute
Percentage Error, MAPE),設Va是實際值，而Vf是預測值，那么百分比誤差
(Percentage Error ， PE)定義為
尸五=(7, — ra)/r。 xl00% (6)
絕對百分比誤差(Absolute Percentage Error, APE)定義為
^/"￡ = |尸￡| (7)
平均絕對百分比誤差定義為
A^1P￡ =丄f(8) iV臺
最大絕對百分比誤差定義為
^^max=m^04i^) (9)
/ = 1
給出風電場記錄的實測風速數(shù)據(jù)作為輸入，當風電場等值模型的輸出與風 電場的實際輸出基本相符，即為風電場的模型有效。
本發(fā)明的一種處理風電場靜態(tài)功率等值分散性問題的等效風速法其有益效 果體現(xiàn)在比常規(guī)方法能更精確的描述風電場的整體行為，不僅有助于電網(wǎng)調 度合理安排生產計劃，減少系統(tǒng)備用容量，同時為正確評價并網(wǎng)風電場對電網(wǎng) 運行的影響提供了重要的分析手段。
圖1為現(xiàn)有風電場等值方法下風電場輸出功率與實測功率對比曲線示意圖2為現(xiàn)有風電場等值方法下風電場輸出功率誤差曲線示意圖3為本發(fā)明方法選取的風電場4個頂角處的最大風速、最小風速及其等效風速示意圖4為本發(fā)明方法選取的風電場4個頂角處最大輸出功率、最小輸出功率 及其等效輸出功率示意圖5為現(xiàn)有方法與本發(fā)明方法算出的風電場總功率與實測總功率對比示意
圖6為釆用等效風速的風電場整體輸出功率與實測總功率的誤差曲線示意圖。
具體實施例方式
下面利用附圖和實施例對本發(fā)明作進一步描述。
本發(fā)明提出的一種處理風電場靜態(tài)功率等值分散性問題的等效風速法，用 以解決傳統(tǒng)風電場靜態(tài)功率等值模型無法處理的風電場出力分散性問題，具體 的實施方式如下
1 .風電場各風電機組出力分散性分析
通過對風電場中各風電機組實際運行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學處理，分析由于各臺風 電機組的位置不同及相互影響而產生的風電場內部風能的分散性，用最小誤差 循環(huán)搜索選取最能體現(xiàn)風電場整體運行行為及風電場內部分散性的風電機組；
(1) 取風電場各風電機組一段時間內的完整的運行數(shù)據(jù)，計算風電場的平均 風速、平均功率；
(2) 找出風速和功率差異最大的若干臺風電機組的出力分散性，視為風電場 的出力分散性；
(3) 在同一張圖上繪制風速和功率差異最大的若干臺風電機組的風速、功率 進行對比，找出每一時刻風速、功率的最大值和最小值，繪制風速、功率的包 絡線；(4) 計算每一時刻風速、功率最大與最小值的差，即風速、功率的偏差，如 式(1)、 (2)，即風電場的出力分散性；
A/^m"，(。-m—,) (1)
/=1 /=1
AR =m"ax(。-;(。 (2) * ,=i ' ,=i〃 \ 7
式中A&為某時刻風電場出力的偏差，A為一臺風電機組某時刻出力，
為某時刻風電場風速的偏差，K,為某時刻一臺風電機組的風速；
(5) 為了便于衡量風電場的出力分散性，對于功率、風速用額定功率、額定
風速進行標幺，得到偏差占額定功率的比例^、 S',如式(3)、 (4)，繪制風電 場出力分散性
e,' = _^xl00% (4)
當風電場s' 、 s''都小于10%，證明風電場每臺風電機組的運行狀況基本相同， 視為風電場的無出力分散性，當s'、 ￡''大于10%，證明風電場每臺風電機組的 運行狀況有一定差距，在風電場的建模和各種并網(wǎng)的研究中，需要充分考慮風 電場的出力分散性。
圖1是N倍的某臺風電機組輸出功率與整個風電場總功率的對比圖，該圖 表明采用某臺風電機組輸出功率的N倍來等效表示整個風電場的輸出的方法雖 然簡單，但會帶來明顯的誤差。圖2則給出了兩者之間的誤差，其中最大誤差 功率達18MW，平均誤差功率約為IIMW，平均誤差功率約為額定功率22%。
2.等效風速的確定
本發(fā)明提出以風電機組規(guī)則排列的風電場4個頂角處的風速平均值作為等 效風速的一種具體實現(xiàn)方式，并以此等效風速驅動下的風電機組輸出功率的N倍作為風電場總輸出功率的算法。
給出該風電場的風速模型，如式(5)，
<formula>formula see original document page 11</formula>(5)
式中V為平均風速(單位m/s); V,為第i臺風電機組的風速(單位m/S)， v為風電場各風電機組記錄風速的平均值，通常風電場的風電機組數(shù)目很多，一
一得到實測風速數(shù)據(jù)的可能性比較小，因此需要選擇有代表性的幾臺數(shù)據(jù)作為
代表求平均值；
若風電場為方形區(qū)域，選擇風電場最外側四個頂點處的風電機組記錄的數(shù) 據(jù)，若風電場為圓形區(qū)域，在風電場的最外側選擇等距離的四臺風電機組記錄 的數(shù)據(jù)。通過與實際風電場所有風電機組的平均風速對比發(fā)現(xiàn)，這四臺風電機 組的平均功率與整個風電場的平均功率最為接近。所以，通過求風電場邊緣四 臺風電機組的平均風速作為風電場的平均風速。圖3是風電場4個頂角處最大 風速、最小風速、平均風速；圖4是風電場4個頂角處最大輸出功率、最小輸 出功率、平均輸出功率曲線。
3.基于等效風速描述風電場靜態(tài)行為等值的誤差分析
采用平均絕對百分比誤差，對風電場等值模型的輸出與風電場的實際輸出 進行對比分析，以此評價該方法的精度，以及相對傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢；
誤差評價標準采用的是傳統(tǒng)的平均絕對百分比誤差(Mean Absolute
Percentage Error, MAPE)，設Va是實際值，而Vf是預測值，那么百分比誤差
(Percentage Error ， PE)定義為
<formula>formula see original document page 11</formula> (6)
絕對百分比誤差(Absolute Percentage Error, APE)定義為<formula>formula see original document page 12</formula>
平均絕對百分比誤差定義為<formula>formula see original document page 12</formula>
最大絕對百分比誤差定義為<formula>formula see original document page 12</formula>9)
給出風電場記錄的實測風速數(shù)據(jù)作為輸入，當風電場等值模型的輸出與風 電場的實際輸出基本相符，即為風電場的模型有效。
圖5是采用等效風速算出的風電場總功率與實測功率對比曲線，圖6是相 應的誤差曲線。由圖可知，該等值方法的最大誤差不超過6.5MW，平均誤差功 率為3.3MW，平均誤差功率相當于風電場總額定功率的6.6%。以上分析說明 采用等效風速，即設為風電場各風電機組的均受等效風速驅動，此時對應的風 電場總功率與風電場實測總功率更為接近，平均誤差不超過6.6%，遠低于傳統(tǒng) 方法22%的誤差率。
權利要求
1. 一種處理風電場靜態(tài)功率等值分散性問題的等效風速法，其特征在于它包括以下步驟(1)風電場各風電機組出力分散性分析a. 取風電場各風電機組一段時間內的完整的運行數(shù)據(jù)，計算風電場的平均風速、平均功率；b. 找出風速和功率差異最大的若干臺風電機組的出力分散性，視為風電場的出力分散性；c. 在同一張圖上繪制風速和功率差異最大的若干臺風電機組的風速、功率進行對比，找出每一時刻風速、功率的最大值和最小值，繪制風速、功率的包絡線；d. 計算每一時刻風速、功率最大與最小值的差，即風速、功率的偏差，如式(1)、(2)，即風電場的出力分散性；式中△Pt為某時刻風電場出力的偏差，Pt為一臺風電機組某時刻出力，△Vt為某時刻風電場風速的偏差，Vt為某時刻一臺風電機組的風速；e. 為了便于衡量風電場的出力分散性，對于功率、風速用額定功率、額定風速進行標幺，得到偏差占額定功率的比例εt、εt′，如式(3)、(4)，繪制風電場出力分散性圖；當風電場εt、εt′都小于10％，證明風電場每臺風電機組的運行狀況基本相同，視為風電場的無出力分散性，當εt、εt′大于10％，證明風電場每臺風電機組的運行狀況有一定差距，在風電場的建模和各種并網(wǎng)的研究中，需要充分考慮風電場的出力分散性；(2)等效風速的確定風電場各風電機組規(guī)則排列時，對風電場4個頂角處的風速做統(tǒng)計學處理求出等效風速，并以此等效風速驅動下的風電機組輸出功率的N倍作為風電場總輸出功率的算法；給出該風電場的風速模型，如式(5)，式中v為平均風速(單位n/s)；vi為第i臺風電機組的風速(單位m/s)，v為風電場各風電機組記錄風速的平均值，通常選擇有代表性的若干臺風電機組的數(shù)據(jù)作為代表求平均值；(3)基于等效風速描述風電場靜態(tài)行為等值的誤差分析采用平均絕對百分比誤差，對風電場等值模型的輸出與風電場的實際輸出進行對比分析，以此評價該方法的精度，以及相對傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢；誤差評價標準采用的是傳統(tǒng)的平均絕對百分比誤差(Mean AbsolutePercentage Error，MAPE)，設Va是實際值，而Vf是預測值，那么百分比誤差(Percentage Error，PE)定義為PE＝(Vf-Va)/Va×100％ (6)絕對百分比誤差(Absolute Percentage Error，APE)定義為APE＝|PE| (7)平均絕對百分比誤差定義為最大絕對百分比誤差定義為給出風電場記錄的實測風速數(shù)據(jù)作為輸入，當風電場等值模型的輸出與風電場的實際輸出基本相符，即為風電場的模型有效。
全文摘要
一種處理風電場靜態(tài)功率等值分散性問題的等效風速法，其特點是包括以下步驟風電場各風電機組出力分散性分析，對各風電機組實際運行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學處理，分析各臺風電機組的位置不同及相互影響的風電場內部風能的分散性，用最小誤差循環(huán)搜索選取風電場整體運行行為及風電場內部分散性的風電機組；等效風速的確定，各風電機組規(guī)則排列時，對風電場4個頂角處的風速做統(tǒng)計學處理求出等效風速，并以此等效風速驅動下的風電機組輸出功率的N倍作為風電場總輸出功率的算法；基于等效風速描述風電場靜態(tài)行為等值的誤差分析，采用平均絕對百分比誤差對風電場等值模型的輸出與風電場的實際輸出進行對比分析，以此評價該方法的精度及相對傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢。
文檔編號G01R31/34GK101414317SQ20081005150
公開日2009年4月22日 申請日期2008年11月27日 優(yōu)先權日2008年11月27日
發(fā)明者嚴干貴, 軍 安, 楊 崔, 李軍徽, 健 王, 鋼 穆, 白 肖, 黃亞峰, 平 黎 申請人:東北電力大學