專利名稱：基于計算流體力學模型的風電場功率物理預(yù)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于風電場功率預(yù)測預(yù)報技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及ー種基于計算流體力學模型的風電場功率物理預(yù)測方法。
背景技術(shù)：
我國風カ發(fā)電經(jīng)歷了跨越式發(fā)展，未來依然將保持較快發(fā)展勢頭，十二五期間我國風電裝機預(yù)計每年新增1000萬千瓦以上。但是，風カ發(fā)電固有的間歇性、隨機波動性嚴重威脅電カ系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性、穩(wěn)定性和供電質(zhì)量。風電場功率預(yù)測是減輕風電對電網(wǎng)造成的不利影響、提高電網(wǎng)中風電裝機比例的一種有效途徑。國家對風電場功率預(yù)測已提出強制性要求，《風電場預(yù)測預(yù)報管理暫行辦法》規(guī)定新建風電場要同步建設(shè)風電預(yù)測預(yù)報體系，各風電場預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)從2012年7月I日起正式開始運行。根據(jù)是否需要風電場歷史數(shù)據(jù)的支持，風電場功率預(yù)測可以分為兩大類方法一 類是基于歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計模型方法，一類是不需要歷史數(shù)據(jù)的物理模型方法。統(tǒng)計模型是在若干個歷史數(shù)據(jù)和未來風電場功率之間建立ー種映射關(guān)系，由歷史數(shù)據(jù)或其他輸入?yún)?shù)(如數(shù)值天氣預(yù)報數(shù)據(jù))外推得到未來一段時間的風電場功率。近年來，國內(nèi)外統(tǒng)計模型方法的相關(guān)研究較多，常用方法有時間序列法、持續(xù)性算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及支持向量基等。國內(nèi)現(xiàn)有的預(yù)測系統(tǒng)均屬于統(tǒng)計模型方法，但是，這種方法需要大量歷史數(shù)據(jù)的支持，且對歷史數(shù)據(jù)變化規(guī)律的一致性有很高的要求，否則將使功率預(yù)測的誤差増大，甚至導(dǎo)致樣本訓練失敗。因此，統(tǒng)計模型無法用于缺少歷史記錄的大量新建風電場。基于物理模型的風電場功率預(yù)測方法不需要風電場歷史功率數(shù)據(jù)的支持，它采用氣象部門提供的數(shù)值天氣預(yù)報(numerical weather prediction—NWP)數(shù)據(jù),通過考慮地形條件等因素，建立空氣動力學模型描述流場，求取風電機組輪轂高度處的風速和風向，然后根據(jù)風電機組功率曲線進行風電場功率預(yù)測。因此，它既適用于新建風電場、也適用于已有風電場的功率預(yù)測。風電場功率物理預(yù)測方法最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)在于將NWP給出的風速、風向等參數(shù)準確地計算為風電機組輪轂高度水平的風速和風向，即NWP數(shù)據(jù)的精細化處理。它是風電功率預(yù)測的基礎(chǔ)，也直接決定了風電功率預(yù)測的精度。對NWP數(shù)據(jù)的精細化處理主要采用以下兩種方法(I)采用診斷模型與解析算法分析風電場局地效應(yīng)對流場的影響，即在假設(shè)的基礎(chǔ)上解析求解簡化的大氣運動方程，這種方法計算量小，但是結(jié)果精度不高。(2)中尺度氣象模式結(jié)合計算流體力學(Computational Fluid Dynamics-CFD)模型，動態(tài)模擬流場在風電場內(nèi)的發(fā)展變化過程。這種方法可以獲得比解析法更準確的流場分布，從而提高風電場功率預(yù)測精度。計算流體力學模型(CFD模型)已經(jīng)成功地應(yīng)用于換熱器內(nèi)流動、汽車及飛行器的繞流等多種流體工程中，在風資源的評估中也有人利用CFD模型做了初歩的嘗試。但是，當它用于風電場功率預(yù)測時，毎次預(yù)測都需要求解Navier-Stokes方程(N-S方程)進行流場計算，計算量巨大，難以滿足預(yù)測時效的要求。因此，盡管CFD模型可以提高預(yù)測的精度，到目前為止還沒有成功用于風電場功率預(yù)測領(lǐng)域的例子。
為此，本發(fā)明提出一種基于CFD模擬數(shù)據(jù)庫的風電場功率預(yù)測新方法它將風電場可能出現(xiàn)的風況離散化，以離散化的風況為依據(jù)建立“風況-各臺風電機組輪轂高度風速風向及發(fā)電功率數(shù)據(jù)庫”;然后以中尺度NWP數(shù)據(jù)為輸入數(shù)據(jù)，利用該數(shù)據(jù)庫完成風電場功率預(yù)測工作。這種方法有如下創(chuàng)新之處(I)本預(yù)測方法采用微尺度CFD模型求解N-S方程計算風速和風向分布，風速預(yù)測精度高；同時將耗時的CFD數(shù)值計算工作放到預(yù)測之前完成，預(yù)測過程計算量小，有效地解決了 CFD方法的預(yù)測時效問題。(2)采用單臺風電機組功率預(yù)測、運行風電機組功率疊加獲得風電場發(fā)電功率的預(yù)測原理，有效地解決了風電機組可利用率問題。風電機組可用率是影響風電場輸出功率的重要因素之一，目前國內(nèi)外的預(yù)測系統(tǒng)都未考慮風電機組可用率的問題。所謂風電機組可利用率，是指由于限電、故障等原因，每個風場內(nèi)運行的風電機組數(shù)量是不斷變化的，往往有部分風電機組處于停機狀態(tài)，不能同時全部運行。隨著風電機組的裝機容量不斷増加，在某些地方的限電現(xiàn)象時有發(fā)生，尤其是在東北和內(nèi)蒙等地區(qū)的采暖季，為保證供熱，不得不采取限制風電機組出力的調(diào)度措施，嚴重時一個風電場會有一半甚至更多的機組被限制出力。因此，在進行風電場功率預(yù)測時，限電或故障造成的風電機組可利用率已經(jīng)成為ー個必須考慮的問題，否則會嚴重影響預(yù)測精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，針對當前預(yù)測風電場功率的方法存在的問題，提供一種基于計算流體力學模型的風電場功率物理預(yù)測方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是，ー種基于計算流體力學模型的風電場功率物理預(yù)測方法，其特征是所述方法包括步驟I :建立計算流體力學模型；步驟2 :對風電場的風況進行離散化處理，將各離散風況作為邊界條件進行計算流體力學模型數(shù)值模擬，獲得各離散風況的風電場空間流場分布；步驟3 :建立各離散風況下各臺風電機組輪轂高度風速、風向及發(fā)電功率數(shù)據(jù)庫；步驟4 :求得各臺風電機組的風速和風向，進而計算出各臺風電機組的發(fā)電功率，從而得到風電場功率的預(yù)測值。
所述建立計算流體力學模型具體是步驟101 :收集和測繪風電場及其周邊設(shè)定范圍內(nèi)的地形等高線數(shù)據(jù)及粗糙度數(shù)據(jù)；步驟102 :根據(jù)步驟101獲得的數(shù)據(jù)，建立預(yù)測風電場及其周邊設(shè)定范圍內(nèi)的地形等高線數(shù)據(jù)及粗糙度的物理模型，然后確定風電場上方的空氣流場區(qū)域；步驟103 :根據(jù)風電場及其周邊設(shè)定范圍內(nèi)的地形，對步驟102確定的空氣流場區(qū)域進行網(wǎng)格劃分；步驟104 :確定風速輪廓線形狀，所述風速輪廓線形狀為計算流體力學模型的入ロ速度邊界條件；步驟105 :初始化空氣流場區(qū)域，進行計算流體力學模型數(shù)值計算，得到空氣流場區(qū)域的風速；
步驟106 :將步驟105計算的空氣流場區(qū)域的風速與實際測量的空氣流場區(qū)域的風速進行比較，根據(jù)比較結(jié)果優(yōu)化計算流體力學模型。所述步驟2具體是步驟201 :對風電場的風況進行離散化處理，得到離散風況的風速和風向；步驟202 :分別將各個離散風況的風速和風向代入風速輪廓線，作為空氣流動區(qū)域入口速度邊界條件，利用優(yōu)化后的計算流體力學模型進行模 擬計算，得到各個離散風況對應(yīng)的空氣流場區(qū)域的風速和風向；所述步驟3具體是步驟301 :確定各臺風電機組在風電場中的空間坐標；步驟302 :在各個離散風況對應(yīng)的空氣流場區(qū)域中，讀出各臺風電機組輪轂高度周邊網(wǎng)格的風速和風向，然后利用線性插值法求得各個離散風況對應(yīng)的風電場中各臺風電機組輪轂高度的風速和風向；步驟303 :針對每個離散風況對應(yīng)的風電場中各臺風電機組輪轂高度的風速，利用風電場空氣密度調(diào)節(jié)風電場中各臺風電機組輪轂高度的風速值，得到各臺風電機組輪轂高度的風速調(diào)節(jié)值；步驟304 :根據(jù)各臺風電機組之間的相對位置，利用尾流模型求解尾流效應(yīng)引起的各臺風電機組輪轂高度的風速衰減值；步驟305 :根據(jù)各臺風電機組輪轂高度的風速調(diào)節(jié)值和各臺風電機組輪轂高度的風速衰減值，計算各臺風電機組輪轂高度的風速修正值；步驟306 :根據(jù)各臺風電機組輪轂高度的風速修正值，按照風電場各臺風電機組的功率曲線，計算出各臺風電機組的發(fā)電功率，從而獲得各個離散風況對應(yīng)的風電場中各臺風電機組發(fā)電功率；步驟307 :將各個離散風況對應(yīng)的風電場中各臺風電機組的風速、風向和發(fā)電功率存入數(shù)據(jù)庫。所述步驟4具體是步驟401 :計算待預(yù)測時間段內(nèi)的風電機組輪轂高度的平均空氣密度，在所述數(shù)據(jù)庫中查詢所述平均空氣密度對應(yīng)的數(shù)據(jù)表；步驟402 :以中尺度數(shù)值天氣預(yù)報的風速和風向時間序列參數(shù)作為輸入數(shù)據(jù)，在步驟401查詢到的數(shù)據(jù)表中，查詢與設(shè)定時刻所述輸入數(shù)據(jù)輸入的風速和風向值最相近的四個風況，讀出四個風況的各風電機組輪轂高度風速、風向及發(fā)電功率；步驟403 :利用分段線性插值法求出所述設(shè)定時刻各風電機組輪轂高度的風速及發(fā)電功率預(yù)測值；步驟404 :確定所述設(shè)定時刻正在運行的風電機組；步驟405 :將正在運行的風電機組的功率疊加，獲得所述設(shè)定時刻整個風電場的功率預(yù)測值；步驟406 :改變設(shè)定時刻，重復(fù)上述步驟401-405，得到整個待測時間段的風電場的功率預(yù)測值。所述利用風電場空氣密度調(diào)節(jié)風電場中各臺風電機組輪轂高度的風速值具體采I
用公式其中m為第η臺風電機組輪轂高度風速調(diào)節(jié)值，Un為第η臺風電I Α) ノuWTn
機組輪轂高度的風速，P C1為標準空氣密度且Ptl= 1.225kg/m3，Pm為設(shè)定時間段內(nèi)風電場輪轂高度的平均空氣密度。所述利用尾流模型求解尾流效應(yīng)引起的各臺風電機組輪轂高度的風速衰減值具
「 「± 彳]2體利用公式ん/ =-^(Cメχ-リ3 RI^c21CtAx) 2 - i(3Cl2)5 ，其中，Au為風電機組
92π
_Vノ_
輪轂高度的風速衰減值，<^ 為第η臺風電機組輪轂高度風速調(diào)節(jié)值，A為風カ機掃風面積，
^5 - I Ct為風電機組推力系數(shù)，C1為無量綱混合長，K =[t]5[3Cl2]5[C^4x]3。所述計算各臺風電機組輪轂高度的風速修正值具體利用公式ぐ= ^τ +ΔΜ，其中，<為各臺風電機組輪轂高度的風速修正值，為各臺風電機組輪轂高度的風速調(diào)節(jié)值，Au為各臺風電機組輪轂高度的風速衰減值。所述計算出各臺風電機組的發(fā)電功率具體利用公式C =^CpPo(u)A，其中，廣
為第η臺風電機組的發(fā)電功率，Cp為風能利用系數(shù)，P ^為標準空氣密度且P0=I. 225kg/m3，A為風カ機掃風面積，〃ユ 為第η臺風電機組輪轂高度風速調(diào)節(jié)值。本發(fā)明無需歷史數(shù)據(jù)的支持，既適用新建風電場，也適用于已運行風電場；同吋，本發(fā)明將耗時的計算流體力學模型數(shù)值計算工作放到預(yù)測之前完成，功率預(yù)測階段計算量小且計算時間短。


圖I是基于計算流體力學模型的風電場功率物理預(yù)測方法流程圖；圖2是基于計算流體力學模型的風電場功率物理預(yù)測方法結(jié)構(gòu)圖；圖3是根據(jù)各臺風電機組輪轂高度風速、風向及發(fā)電功率數(shù)據(jù)庫得到風電場功率的預(yù)測值的流程圖；圖4是使用本預(yù)測方法得到的預(yù)測誤差表；圖5是預(yù)測功率與實測功率對比圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，對優(yōu)選實施例作詳細說明。應(yīng)該強調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。實施例I圖I是基于計算流體力學模型的風電場功率物理預(yù)測方法流程圖，圖2是基于計算流體力學模型的風電場功率物理預(yù)測方法結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)圖I和圖2所示，本發(fā)明提供的基于計算流體力學CFD模型的風電場功率預(yù)測方法包括步驟I :建立計算流體力學模型。其具體實現(xiàn)過程如下
步驟101 :借助GIS地理信息系統(tǒng)等工具，收集和測繪風電場及其周邊設(shè)定范圍內(nèi)的地形等高線數(shù)據(jù)及粗糙度數(shù)據(jù)。步驟102 :根據(jù)步驟101獲得的數(shù)據(jù)，建立預(yù)測風電場及其周邊設(shè)定范圍內(nèi)的地形等高線數(shù)據(jù)及粗糙度的物理模型，然后確定風電場上方的空氣流場區(qū)域。步驟103 :根據(jù)風電場及其周邊設(shè)定范圍內(nèi)的地形，對步驟102確定的空氣流場區(qū)域進行網(wǎng)格劃分。首先，根據(jù)風電場區(qū)域的地形情況確定合理的網(wǎng)格劃分方案，網(wǎng)格劃分方案指根據(jù)風電場區(qū)域的地形，確定網(wǎng)格的形狀、尺寸及數(shù)量。不同地形適用的方案不同，根據(jù)CFD工程計算經(jīng)驗確定網(wǎng)格方案。之后，對步驟102建立的空氣流場區(qū)域劃分計算網(wǎng)格。為減小網(wǎng)格數(shù)量，以六面體網(wǎng)格為主，風電場區(qū)域水平方向網(wǎng)格在十米的數(shù)量級上，周邊區(qū)域網(wǎng)格更大。高度方向保證200米以內(nèi)有十層以上網(wǎng)格。步驟104 :確定風速輪廓線形狀，所述風速輪廓線形狀為計算流體力學模型的入ロ速度邊界條件。近地層中，風速隨高度顯著變化，風速隨高度的變化曲線稱為風速輪廓線。假定大
氣層結(jié)為中性，風速輪廓線可按照冪定律公式計算
權(quán)利要求
1.一種基于計算流體力學模型的風電場功率物理預(yù)測方法，其特征是所述方法包括 步驟I:建立計算流體力學模型； 步驟2 :對風電場的風況進行離散化處理，將各離散風況作為邊界條件進行計算流體力學模型數(shù)值模擬，獲得各離散風況的風電場空間流場分布； 步驟3 :建立各離散風況下各臺風電機組輪轂高度風速、風向及發(fā)電功率數(shù)據(jù)庫； 步驟4:求得各臺風電機組的風速和風向，進而計算出各臺風電機組的發(fā)電功率，從而得到風電場功率的預(yù)測值。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的物理預(yù)測方法，其特征是所述建立計算流體力學模型具體是 步驟101 :收集和測繪風電場及其周邊設(shè)定范圍內(nèi)的地形等高線數(shù)據(jù)及粗糙度數(shù)據(jù)；步驟102 :根據(jù)步驟101獲得的數(shù)據(jù)，建立預(yù)測風電場及其周邊設(shè)定范圍內(nèi)的地形等高線數(shù)據(jù)及粗糙度的物理模型，然后確定風電場上方的空氣流場區(qū)域； 步驟103 :根據(jù)風電場及其周邊設(shè)定范圍內(nèi)的地形，對步驟102確定的空氣流場區(qū)域進行網(wǎng)格劃分； 步驟104 :確定風速輪廓線形狀，所述風速輪廓線形狀為計算流體力學模型的入口速度邊界條件； 步驟105 :初始化空氣流場區(qū)域，進行計算流體力學模型數(shù)值計算，得到空氣流場區(qū)域的風速； 步驟106 :將步驟105計算的空氣流場區(qū)域的風速與實際測量的空氣流場區(qū)域的風速進行比較，根據(jù)比較結(jié)果優(yōu)化計算流體力學模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的物理預(yù)測方法，其特征是所述步驟2具體是 步驟201 :對風電場的風況進行離散化處理，得到離散風況的風速和風向； 步驟202 :分別將各個離散風況的風速和風向代入風速輪廓線，作為空氣流動區(qū)域入口速度邊界條件，利用優(yōu)化后的計算流體力學模型進行模擬計算，得到各個離散風況對應(yīng)的空氣流場區(qū)域的風速和風向分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的物理預(yù)測方法，其特征是所述步驟3具體是 步驟301 :確定各臺風電機組在風電場中的空間坐標； 步驟302 :在各個離散風況對應(yīng)的空氣流場區(qū)域中，讀出各臺風電機組輪轂高度周邊網(wǎng)格的風速和風向，然后利用線性插值法求得各個離散風況對應(yīng)的風電場中各臺風電機組輪轂高度的風速和風向； 步驟303 :針對每個離散風況對應(yīng)的風電場中各臺風電機組輪轂高度的風速，利用風電場空氣密度調(diào)節(jié)風電場中各臺風電機組輪轂高度的風速值，得到各臺風電機組輪轂高度的風速調(diào)節(jié)值； 步驟304 :根據(jù)各臺風電機組之間的相對位置，利用尾流模型求解尾流效應(yīng)引起的各臺風電機組輪轂高度的風速衰減值； 步驟305 :根據(jù)各臺風電機組輪轂高度的風速調(diào)節(jié)值和各臺風電機組輪轂高度的風速衰減值，計算各臺風電機組輪轂高度的風速修正值； 步驟305:根據(jù)各臺風電機組輪轂高度的風速修正值，按照風電場各臺風電機組的功率曲線，計算出各臺風電機組的發(fā)電功率，從而獲得各個離散風況對應(yīng)的風電場中各臺風電機組發(fā)電功率； 步驟307 :將各個離散風況對應(yīng)的風電場中各臺風電機組的風速、風向和發(fā)電功率存入數(shù)據(jù)庫。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的物理預(yù)測方法，其特征是所述步驟4具體是 步驟401 :計算待預(yù)測時間段內(nèi)的風電機組輪轂高度的平均空氣密度，在所述數(shù)據(jù)庫中查詢所述平均空氣密度對應(yīng)的數(shù)據(jù)表； 步驟402 :以中尺度數(shù)值天氣預(yù)報的風速和風向時間序列參數(shù)作為輸入數(shù)據(jù)，在步驟401查詢到的數(shù)據(jù)表中，查詢與設(shè)定時刻所述輸入數(shù)據(jù)輸入的風速和風向值最相近的四個風況，讀出四個風況的各風電機組輪轂高度風速、風向及發(fā)電功率； 步驟403 :利用分段線性插值法求出所述設(shè)定時刻各風電機組輪轂高度的風速及發(fā)電功率預(yù)測值； 步驟404 :確定所述設(shè)定時刻正在運行的風電機組； 步驟405 :將正在運行的風電機組的功率疊加，獲得所述設(shè)定時刻整個風電場的功率預(yù)測值； 步驟406 :改變設(shè)定時刻，重復(fù)上述步驟401-405，得到整個待測時間段的風電場的功率預(yù)測值。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的物理預(yù)測方法，其特征是所述利用風電場空氣密度調(diào)節(jié)風電 I場中各臺風電機組輪轂高度的風速值具體采用公式 其
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的物理預(yù)測方法，其特征是所述利用尾流模型求解尾流效應(yīng)引起的各臺風電機組輪轂高度的風速衰減值具體利用公式
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的物理預(yù)測方法，其特征是所述計算各臺風電機組輪轂高度的風速修正值具體利用公式C +Aw，其中，<為各臺風電機組輪轂高度的風速修正值，為各臺風電機組輪轂高度的風速調(diào)節(jié)值，Au為各臺風電機組輪轂高度的風速衰減值。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的物理預(yù)測方法，其特征是所述計算出各臺風電機組的發(fā)電功率具體利用公式
全文摘要
本發(fā)明公開了風電場預(yù)測預(yù)報技術(shù)領(lǐng)域中的一種基于計算流體力學模型的風電場功率物理預(yù)測方法。包括建立計算流體力學模型；對風電場的風況進行離散化處理，將各離散風況作為邊界條件進行計算流體力學模型數(shù)值模擬，獲得各離散風況的風電場空間流場分布；建立各離散風況下各臺風電機組輪轂高度風速、風向及發(fā)電功率數(shù)據(jù)庫；以數(shù)值天氣預(yù)報參數(shù)為輸入數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)庫求得各臺風電機組的風速和風向，進而計算出各臺風電機組的發(fā)電功率，從而得到風電場功率的預(yù)測值。本發(fā)明適用各種風電場，功率預(yù)測階段計算量小且計算時間短。
文檔編號G06F19/00GK102663251SQ20121010370
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月9日
發(fā)明者劉永前, 李莉, 楊勇平, 韓爽 申請人:華北電力大學