本發(fā)明涉及一種基于運營風機SCADA數(shù)據(jù)的海上風電場尾流損失測量方法，具體涉及運營風機SCADA數(shù)據(jù)和現(xiàn)場測風塔數(shù)據(jù)的運用。

背景技術：

在大規(guī)模風電場中的尾流影響是年度發(fā)電量(AEP)計算中損失最大的因素，尤其在海上風電場的影響尤為明顯，因海上風電場較大的風機尺寸和陣列大小，以及較少的湍流會導致尾流消散較慢。

由于潛在的較大陣列影響和大氣穩(wěn)定度的影響，海上風電場的尾流會遠遠大于陸上風電場。海上的尾流影響較于陸上也不被很好地理解。無論對于大規(guī)模的海上風電場還是具有臨近風電場的海上風電場，對于理解引起海上尾流的不同因素及尾流恢復機制都是很有必要的。距離(風機間距和臨近風電場距離)對于海上風電場尾流影響十分明顯，尾流效應從臨近風力發(fā)電場可延伸10公里遠。

目前海上尾流損失非常高的不確定性已經(jīng)引起行業(yè)的重視，其研究重點在于如何檢查和減少這些不確定性。為了量化海上年度發(fā)電量的不確定性，需理解和定義尾流模型的精確性。已發(fā)布的測量和模擬的風機尾流結(jié)構對比非常重要，由于其揭示了風電行業(yè)普遍采用的尾流模型的精確性，并有助于量化尾流模型不確定性。衛(wèi)星和機載合成孔徑雷達影像可以對風電場大區(qū)域內(nèi)空間覆蓋較廣的尾流傳播進行很好的解譯。然而，其空間分辨率較差并且此方法無法測量風電場內(nèi)各風機尾流情況。氣象測風塔也只能提供單點測量數(shù)據(jù)并且安裝成本較高。遙感設備最具有移動性，且依賴于設備可以得到較好垂直和水平空間覆蓋率數(shù)據(jù)，但是花費較多。最經(jīng)濟可行的方法是利用運營風電場的SCADA監(jiān)測數(shù)據(jù)進行上述對比。

然而，為了得出運營風電場實際的尾流損失，仍有許多關于處理SCADA測量數(shù)據(jù)的問題，這些問題增加了尾流測量的不確定性，也因此增加了有關對比的不確定性。例如：

a、假定所有風機都運行在一個相同的、標準的以及令人滿意的狀態(tài)，以便它們能夠被視為大型的風速計。這將導致一種假設——自由流風機和其他風機產(chǎn)生發(fā)電量的總差可歸結(jié)為尾流損失。但是事實上，其發(fā)電量的損失可能是因為風機運行處在非最佳的狀態(tài)，例如偏航系統(tǒng)偏離，或非最優(yōu)風況(包括風入流條件導致功率曲線性能表現(xiàn)的增強或減弱)。

b、忽略了通過壓縮區(qū)的堵塞對個別風機風流量的影響。

c、忽略了大氣條件下由于整個陣列交互影響帶來的累積效應。

d、運營數(shù)據(jù)中的自由流風速的推導是非常困難的，且對于如何實現(xiàn)該計算未得到行業(yè)的一致的認同。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術中的上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種海上風電場尾流損失測量方法，旨在定義運營風電場中尾流影響最易獲取且可靠的評估過程，并達到最低程度的不確定性，其中包括減少上述問題的方法。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：

基于運營風機SCADA數(shù)據(jù)的海上風電場尾流損失測量方法，所述方法包括以下步驟：

1)獲得運營風機SCADA數(shù)據(jù)和現(xiàn)場測風塔數(shù)據(jù)；

2)篩選處理風機數(shù)據(jù)來移除異常的記錄值及停機時間段；篩選現(xiàn)場測風塔風資源數(shù)據(jù)并建立一個完整的數(shù)據(jù)集；

3)風電場假設；

4)將每臺風機周圍分為若干個扇區(qū)，從SCADA數(shù)據(jù)獲得每臺風機每個扇區(qū)的實際發(fā)電量，將風電場分為若干個扇區(qū)，并計算每個扇區(qū)的參考發(fā)電量；

5)計算尾流損失。

進一步，可以將計算的尾流損失與現(xiàn)有尾流模型計算的值做對比。從而驗證尾流模型在海上風電場的適用性。

進一步，所述步驟1)中，運營風機SCADA數(shù)據(jù)包括：，風機輪轂高度，該輪轂高度包含基準面，以及風機時間序列數(shù)據(jù)，即每10分鐘的風速、風向和發(fā)電量。

進一步，所述步驟1)中，還包括如下數(shù)據(jù)：風電場竣工坐標(該竣工坐標包含坐標系統(tǒng)和地球投影)，風機狀態(tài)計數(shù)器數(shù)據(jù)，每臺風機的事件數(shù)據(jù)，以及距離風電場20公里范圍內(nèi)已運行風機的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)包含竣工坐標、輪轂高度、功率曲線和推力曲線。

進一步，所述步驟1)中，現(xiàn)場測風塔數(shù)據(jù)包括：測風塔竣工坐標，該竣工坐標包含坐標系統(tǒng)和地球投影，測風塔每10分鐘平均風速和風向原始數(shù)據(jù)，測風塔結(jié)構信息，測風塔安裝信息，測風塔維護信息，測風塔傳感器配置信息，風速計獨立校準報告。

進一步，所述步驟1)中，現(xiàn)場測風塔數(shù)據(jù)還包括：測風塔高度10分鐘的溫度測量值，10分鐘平均時間內(nèi)風速的標準偏差測量值，氣壓和濕度10分鐘測量值。

進一步，所述步驟2)中，針對每臺風機，使用狀態(tài)計數(shù)參數(shù)剔除可利用率低于100％的時段，基于具體事件的含義來移除由于功率曲線功率下降、風遲滯或異常風速值所引起的額外散點數(shù)據(jù)，移除由于電網(wǎng)造成的停機或其他事件影響發(fā)電量可利用率的數(shù)據(jù)。

進一步，所述步驟2)中，測風塔數(shù)據(jù)分析結(jié)合如下要素：

核查安裝報告、獨立校準報告以及維護報告來評估測風塔質(zhì)量好壞及其安裝配置是否符合IEC標準；現(xiàn)場測風塔風資源數(shù)據(jù)徹底篩選并建立一個完整的數(shù)據(jù)集；對數(shù)據(jù)進行獨立校準；如果測風塔高度與風機輪轂高度不同，則需要使用風廓線來獲取輪轂高度風速，在計算風廓線時應正確的考慮塔影對風速計的影響。

進一步，所述步驟3)中，假設條件包括：風機入流自由流風速一致，無壓縮區(qū)的堵塞，科里奧里力效應對風電場影響小，所有風機功率曲線表現(xiàn)一致。

進一步，所述步驟4)中，所述風電場按照30°劃分扇區(qū)，分為12個扇區(qū)，某扇區(qū)參考發(fā)電量為該扇區(qū)所有自由流風機發(fā)電量的平均值。風機周圍也可以按照30°劃分扇區(qū)，分為12個扇區(qū)。

進一步，所述步驟5)中，所述風機尾流損失％＝1-(風機功率kw/參考功率kw)。

采用上述技術手段的海上風電場尾流損失測量方法具有以下優(yōu)點：

風電場測量尾流的主要目的是為了確定不同尾流模型的準確性。這對前期建設階段降低尾流模型的不確定性有幫助，使得項目融資更加容易。

本發(fā)明概述了使用運營數(shù)據(jù)計算尾流損失，從而降低與其相關不確定性的方法。本發(fā)明的測量方法具有測量方便、成本低、數(shù)據(jù)易獲取和準確性高的特點。

使用數(shù)據(jù)集(假設具有充分的數(shù)據(jù)來對不同氣象條件時期進行分類)探索不同氣候條件相關的尾流影響，例如湍流、溫度、氣壓、濕度和大氣穩(wěn)定性。本分析結(jié)果有助于尾流模型選取及改善模型結(jié)果精確性。足夠詳細的、高質(zhì)量的輸入信息，可以降低尾流損失計算的不確定性。

附圖說明

圖1是測風塔配置及儀器表；

圖中：時期為2012年12月29日至2015年10月28日；

圖2是計算的分扇區(qū)的尾流損失表；

圖3是每臺風機測量的尾流損失表；

圖4是測風塔月平均數(shù)據(jù)表；

圖中：Jan表示1月份；Feb表示2月份；Mar表示3月份；Apr表示4月份；May表示5月份；Jun表示6月份；Jul表示7月份；Aug表示8月份；Sep表示9月份；Oct表示10月份；Nov表示11月份；Dec表示12月份；

圖5是測風塔短期風玫瑰圖；

圖6是150°至210°扇區(qū)WTGs1-9尾流損失測量值與模擬值對比圖(WTG：Wind Turbine Generator，風力發(fā)電機組)；

圖中：WAsP軟件Park模型，0.03尾流衰減系數(shù)；WAsP軟件Park模型，0.04尾流衰減系數(shù)；WAsP軟件Park模型，0.05尾流衰減系數(shù)；Measured即實際測量值，Wake Loss即尾流損失。

圖7是總模擬的尾流損失對比圖；

圖中：WAsP軟件Park模型，0.03尾流衰減系數(shù)；WAsP軟件Park模型，0.04尾流衰減系數(shù)；WAsP軟件Park模型，0.05尾流衰減系數(shù)；Windfarmer軟件Park模型，0.04尾流衰減系數(shù)；Windfarmer軟件渦流粘度模型；Windfarmer軟件渦流粘度模型采用大型風電場修正；Wake Loss即尾流損失。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細描述。

(一)輸入數(shù)據(jù)需求

精確評估海上風電場測量尾流的所需信息，此信息分為兩類，分別為必要和期望的信息。必要信息用于評估尾流損失，如果沒有相關信息則無法進行相關評估。期望的信息也十分重要，用于降低計算測量尾流的不確定性水平。不確定性及其成因?qū)⒃诘谒牟糠诌M一步討論。

考慮任何影響風電場發(fā)電量的因素至關重要，以便發(fā)電量的進一步降低可以完全歸結(jié)于尾流的影響?？赡苡绊戯L電場發(fā)電量的因素有：

●風機、配套設施(BoP)和電網(wǎng)可利用率。

●風電場位置自由流風資源。

●風機實際功率曲線相對于擔保功率曲線的表現(xiàn)。例如，偏航誤差或者例如海上極端風切變等極端風況條件，相對于入流風速條件可以造成風機輸出功率的降低。

因此，為了能夠精確的量化尾流影響，需要得到相關信息以消除上述因素所帶來的影響。

自由流發(fā)電量定義為在某個特定扇區(qū)上風方向沒有其他風機影響的風機所發(fā)的電量。

1.1必要信息

采用運營風機SCADA數(shù)據(jù)計算海上尾流影響。自由流功率的評估對精確地評估運營尾流影響至關重要。為了確定自由流功率，需要收集以下信息：

●風電場竣工坐標(需明確坐標系統(tǒng)和地球投影)，該數(shù)據(jù)一般不包括在運營風機SCADA數(shù)據(jù)中。

●風機輪轂高度，包含基準面。

●風機時間序列數(shù)據(jù)(10分鐘平均)包含：

風速和風向

發(fā)電量

計算的基礎信息為自由流風速。因此，距離風電場20公里范圍內(nèi)任何已運行風機的信息至關重要，包含竣工坐標、輪轂高度和功率和推力曲線。

接下來的信息有助于明確造成發(fā)電量損失的各方面原因，從而可以將發(fā)電量損失更精確的歸結(jié)于尾流影響。這將會降低尾流評估的不確定性水平。

●風機狀態(tài)計數(shù)器(10分鐘平均間隔期間秒數(shù))

風機處于良好狀態(tài)

處于維護狀態(tài)

電網(wǎng)處于良好狀態(tài)

其他，例如，專用發(fā)電機狀態(tài)計數(shù)器，風速處于良好狀態(tài)等

●事件數(shù)據(jù)(以每臺風機為單位記錄的文件)

檢測和復位時間

故障代碼

工作描述

受影響的風機

1.2期望得到的信息()

風機SCADA數(shù)據(jù)可以提供風向數(shù)據(jù)和機艙方位數(shù)據(jù)。SCADA風向數(shù)據(jù)可以用于風機位置的測量風向。然而，風機機艙方位數(shù)據(jù)與實際風向?qū)Ρ韧ǔ＞哂幸欢ǖ钠?，因此從其他來源獲取風向數(shù)據(jù)很重要。符合IEC標準的現(xiàn)場測風塔數(shù)據(jù)是很好的數(shù)據(jù)來源。符合IEC標準的測風塔是滿足功率曲線評估標準(IEC 61400-12)的，因此測風塔安裝對風資源數(shù)據(jù)的影響在行業(yè)建議的范圍內(nèi)。設計標準確保不會對測風塔造成額外的氣流畸變而增加其測量不確定性。符合標準的測風塔同時可以用于驗證測風塔自由流扇區(qū)內(nèi)風機獲得的風速數(shù)據(jù)(假設風機也位于自由流扇區(qū))。為此需要測風塔數(shù)據(jù)應包括：

●精確的測風塔信息(說明坐標系統(tǒng)和地球投影)。

●現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)(原始數(shù)據(jù)，包含10分鐘平均風速和風向)。

●測風塔結(jié)構信息(表明懸臂長度、朝向和儀器的布置)。此處的儀器具體是指風速計、風向標、溫度、濕度等傳感器。

●測風塔安裝信息和維護信息。此處的安裝信息具體是指安裝高度、測風塔類型、安裝日期等。

●測風塔數(shù)據(jù)記錄儀配置(包含記錄儀校準及其在測量期間的變化情況)。

●風速計獨立校準報告。

風機可利用率和停機事件的進一步信息有助于降低輸入數(shù)據(jù)的不確定性，例如：

●月度運維(O&M)報告，包含以下信息：

預算和實際的發(fā)電量和可利用率

解釋停機時間或異常性能表現(xiàn)的事件

維護記錄，分解為每臺風機并包含開始/截止時間和持續(xù)時間(從而可以識別出每臺風機實際的維護周期)

●風機信息包含：

PPA(功率曲線評估)。PPA將呈現(xiàn)出與擔保的功率曲線相比，現(xiàn)場風機性能表現(xiàn)狀況

風機風速計校準和傳遞函數(shù)。注意這些信息通常會被忽略并無應用，但是測量的機艙風速越準確，將來在尾流損失評估中就越有價值。尤其對于現(xiàn)場無符合IEC標準的測風塔來驗證機艙測量風速的情形來說尤其重要

SCADA警報和故障代碼的描述、定義及重置要求越詳細越好，最好以電子版格式提供(例如，非掃描復印版)

●任何與維護、修復、環(huán)境問題、功率下降等影響性能表現(xiàn)的相關信息。

●包含擔保功率曲線的風機合同。

●進一步測風塔數(shù)據(jù)包含：

測風塔高度10分鐘的溫度測量值。測量溫度梯度用于確定大氣穩(wěn)定性影響

十分鐘平均時間內(nèi)風速的標準偏差測量值

氣壓和濕度十分鐘測量值

1.3模擬尾流所需的進一步資料

為了建立尾流模型來檢測模擬的尾流影響的精確性需要得到如下信息：

●風機或測風塔風速資料。如果風機無風速數(shù)據(jù)，則采用功率曲線和發(fā)電量數(shù)據(jù)得到風速數(shù)據(jù)。第二部分將詳細討論計算方法。自由流風速的測量作為模型的輸入項是非常重要的，從而模型可以精確地計算尾流損失。

●距離測風塔或風機20公里半徑的數(shù)字地圖(1:50,000比例或更精細)，以幫助模型模擬近海岸對于風速測量的影響。

(二)尾流損失計算方法

本部分概述的尾流損失計算方法體現(xiàn)了通過分析風機SCADA和現(xiàn)場測風塔數(shù)據(jù)得到風電場尾流損失的步驟。第一步是評估風電場自由流風速。如果可以獲取相關資料，則包含對風機SCADA數(shù)據(jù)和測風塔數(shù)據(jù)的分析。尾流損失可以從測量的數(shù)據(jù)中推斷出。

2.1原始數(shù)據(jù)處理

風機SCADA數(shù)據(jù)中需要包含風機風速、風向和發(fā)電量數(shù)據(jù)。與符合IEC標準的測風塔風向相比，SCADA數(shù)據(jù)中風向數(shù)據(jù)不確定性較大。風向在整個海上風電場內(nèi)變化并不顯著，因此與使用風機的風向，相較于使用測風塔風向數(shù)據(jù)，并不會引入較大的不確定性。自由流扇區(qū)測風塔和風機均有適宜的數(shù)據(jù)時，測風塔風速計數(shù)據(jù)用以驗證機艙風速計風速數(shù)據(jù)。

下面章節(jié)描述了如何通過處理風機和測風塔數(shù)據(jù)，從而獲得具有較低不確定性的風速、風向和發(fā)電量數(shù)據(jù)的適宜方法論。

2.1.1風機數(shù)據(jù)

篩選處理風機數(shù)據(jù)來移除異常的記錄值及停機時間段。應遵循如下步驟獲得風機數(shù)據(jù)，以每臺風機為基準，此數(shù)據(jù)應代表風電場發(fā)電量并無任何可利用率問題。

●使用狀態(tài)計數(shù)參數(shù)剔除可利用率低于100％的時段?？衫寐蕵擞浕驁缶畔⒂糜谂袛喙收蠒r間段。

●基于具體事件的含義來移除由于功率曲線將功率、風遲滯或異常風速值所引起的額外散點數(shù)據(jù)。

●需要移除由于電網(wǎng)造成的停機或其他事件影響發(fā)電量可利用率的數(shù)據(jù)。第1.2部分描述了提出上述事件的詳細信息。

理論上處理后的數(shù)據(jù)是每10分鐘所有風機同期數(shù)據(jù)。然而，這會導致覆蓋率較差，并且無法獲取充足的數(shù)據(jù)開展進一步分析。因此，建議至少90％風機具有同時期數(shù)據(jù)用于該分析。需要進行敏感性評估以確定篩選對風機可利用率影響顯著的因素。

根據(jù)經(jīng)驗，機艙上風速計通常無法精確的代表自由流風速，主要是由于安裝的風機葉片所帶來的影響。因此建議機艙上風速計數(shù)據(jù)僅作為參考。通常，更加合適的方法是通過風機發(fā)電量數(shù)據(jù)得出風速，而非直接采用機艙風速計數(shù)據(jù)。如果具有測風塔數(shù)據(jù)并且在一定自由流扇區(qū)范圍內(nèi)同時具有測風塔和風機，則測風塔可以用于校正機艙風速，從而降低機艙風速計記錄的不確定性。這說明了第1.2部分所描述的所需數(shù)據(jù)的重要性。

2.1.2測風塔數(shù)據(jù)

風電場現(xiàn)場內(nèi)精確的測風塔數(shù)據(jù)至關重要，正如前面所述，目的是為了降低測量不確定性。與SCADA系統(tǒng)相比，測風塔可以提供更加準確的風速和風向數(shù)據(jù)。理想情況下這些數(shù)據(jù)應來源于符合功率曲線測試標準的測風塔(IEC 61400-12)。

測風塔數(shù)據(jù)分析應結(jié)合如下要素：

●核查安裝報告、獨立校準報告以及維護報告來評估測風塔質(zhì)量好壞及其安裝配置是否符合IEC標準。

●現(xiàn)場測風塔風資源數(shù)據(jù)徹底篩選并建立一個完整的合理的數(shù)據(jù)集。

●如果需要的話對數(shù)據(jù)進行獨立校準。

●如果最高觀測高度存在2個風速計，則需要對測風數(shù)據(jù)的塔影效應進行修復。

●如果測風塔高度與風機輪轂高度不同，則需要使用風廓線來獲取輪轂高度風速。在計算風切變時應正確的考慮塔影對風速計的影響。這應通過使用安裝于同一方向的較低高度的風速計或通過使用已進行塔影校正過所有測量高度的風速計進行風切變的計算。

如果測風塔配置表明符合相關的IEC標準，并且測風塔對于風機位置具有代表性，則認為其數(shù)據(jù)相比于機艙數(shù)據(jù)更加準確。在此情形下，測風塔數(shù)據(jù)可以與SCADA數(shù)據(jù)進行相關分析以確定機艙數(shù)據(jù)的精確性。如果SCADA數(shù)據(jù)不夠準確，測風塔數(shù)據(jù)可以用于校正SCADA數(shù)據(jù)或使用測風塔風速和風向數(shù)據(jù)代替風機數(shù)據(jù)。

2.2風電場假設

對測量尾流進行評估需進行一系列的假設以使得分扇區(qū)的自由流和受尾流影響的風機發(fā)電量進行直接對比。主要假設條件有如下：

●在整個風電場中風機入流自由流風速一致。

●無壓縮區(qū)(壓縮區(qū)是指受風機的影響，在風機前方風速降低的區(qū)域)的堵塞對個別風機風流量的影響。

●科里奧里力效應對風電場影響較小。由于穿過風電場的風流會減速，從而降低科里奧里力效應，這可以在風電場邊緣位置提高其性能。

●所有風機功率曲線表現(xiàn)一致。

如果第1.2部分所描述的所需信息可以獲取時，為了降低本評估的不確定性將驗證(或減輕偏差)上述假設。

同一扇區(qū)自由流風速在不同風機位置進行對比得到入流風速的對比結(jié)果。

如果測風塔位于距離邊界風機上風方向較遠位置時，則可以研究風流阻塞效應。測風塔和風機之間入流風速的顯著差異表明了可能的風流阻塞效應。

除非具有多個測量位置，否則很難確定科里奧里力影響，但是在風電場轉(zhuǎn)角處入流風速的變化表明了會受到科里奧里力的影響。

PPA顯示了相對于擔保功率曲線，現(xiàn)場風機性能表現(xiàn)狀況。如果此PPA過程符合IEC標準，則如高風切變和TI等特殊風況需要從數(shù)據(jù)集中剔除。然而，如果具有全部的數(shù)據(jù)集，則可以在所有條件下評估風機的功率性能表現(xiàn)。

2.3Calculating Reference Power計算參考功率如第1章描述，自由流功率是在某個特定扇區(qū)上風方向沒有風機影響的風機功率。由于多個風機可以在每一個扇區(qū)具有自由流功率，因此需定義一個參考功率。參考功率是通過計算自由流扇區(qū)的所有風機功率得到。為了計算分扇區(qū)的尾流損失，需將每臺受尾流影響的風機的功率與參考功率進行對比。

風機數(shù)據(jù)需要根據(jù)每臺風機每個扇區(qū)分離出發(fā)電量。風向數(shù)據(jù)應視情況從測風塔或風機SCADA獲取。

風電場自由流風資源由所選的每個扇區(qū)自由流風機計算得到。自由流風機定義為距離風機上風方向20公里位置30°范圍內(nèi)無緊鄰風機。擁有自由流扇區(qū)的風機通邊緣位置風機，除非在任意方向距離20公里處存在臨近風電場。如果有許多臨近風電場存在，則需要增加自由流扇區(qū)分辨率，因此為得到更多的數(shù)據(jù)進行分析選用10°扇區(qū)寬度更為合適。然而，使用30°扇區(qū)間隔可很大程度上避免擾流的影響。因此，使用10°扇區(qū)寬度將增加自由流分析的不確定性。

IEC IEC 61400-12-1功率曲線測量標準描述了計算受臨近風電場影響的扇區(qū)公式，如下：

受擾亂的扇區(qū)(α)＝1.3×tan^-1(2.5Dn/Ln+0.15)+10；

其中:Dn＝臨近風機葉輪直徑；Ln＝距離臨近風機距離。

需要對擁有同一自由流扇區(qū)所有風機同時期發(fā)電量進行對比。如果在第4.2部分開始時所進行的假設條件適用，那么同一自由流扇區(qū)不同風機發(fā)電量值應相同或非常接近。在這種情況下，參考發(fā)電量值可以對每臺風機每個扇區(qū)進行平均得到。對同一自由流扇區(qū)風機發(fā)電量取平均可以在一定程度上消除角落風機科里奧里力的影響。

如果在某一自由流扇區(qū)，任一自由流風機功率與平均自由流功率相比變化顯著時，需要對第2.2章所概述的假設條件進行進一步的調(diào)查。如果僅有一個風機特別異常，則此誤差可能來源于此風機的功率性能表現(xiàn)，更好的處理方式是在接下來的分析中移除此風機數(shù)據(jù)。

如果入流風速在整個風電場內(nèi)變化較大，則需要沿著風機排布對輸出功率應用梯度以校正輸出功率，從而可以對發(fā)電量直接進行對比。風電場不同的入流條件會導致輸出風速較低并考慮到尾流損失中去，因此高估了尾流損失并增加了與尾流損失相關的不確定性。

因此，參考功率可以通過某一扇區(qū)所有自由流風機平均得到，如果需要的話會應用功率梯度算法。每臺風機相對于入流風速線上的位置將決定哪個扇區(qū)獲取參考功率。

2.4從風機數(shù)據(jù)中計算測量的尾流

發(fā)電量值已進行篩選處理并計算得到了每個扇區(qū)參考功率，則可以評估風機尾流影響。為了獲得單機尾流估算值，用每臺風機功率除以參考功率以對其進行標準化，應在第2.3部分進行計算，對于每個扇區(qū)計算公式如下：

風機尾流損失％＝1-(風機功率kw/參考功率kw)

上述公式應該被應用到所有風機位置的每個扇區(qū)中，從而得到每臺風機分扇區(qū)的尾流損失結(jié)果。為了獲得每臺風機總的尾流損失，對每個扇區(qū)尾流損失結(jié)合該扇區(qū)頻率進行整合。

2.5尾流影響進一步分析

如果數(shù)據(jù)充分并且運營數(shù)據(jù)覆蓋率較好，則可以進行進一步的尾流評估?？梢愿鶕?jù)不同的氣候條件準備數(shù)據(jù)集。影響尾流的氣候條件很多，如風速、湍流、氣溫、氣壓、濕度和穩(wěn)定性。上述氣候要素需要精確地測量，如第1.2部分描述大部分數(shù)據(jù)可以從測風塔數(shù)據(jù)集中獲取。發(fā)電量數(shù)據(jù)通常與特定范圍氣候要素進行同期對比檢測，從而計算得到尾流損失變化。

如果調(diào)查不同風速對尾流的影響，則可以從測風塔數(shù)據(jù)或者發(fā)電量數(shù)據(jù)中獲得風速。當風速數(shù)據(jù)基于發(fā)電量數(shù)據(jù)計算時，需要應用保證的功率曲線。風速數(shù)據(jù)可以從功率曲線和大于0并小于額定功率的發(fā)電量數(shù)據(jù)中反推計算得到。此范圍之外的準確的風速對測量尾流不重要。

(三)使用提供數(shù)據(jù)舉例

應客戶要求對某海上風電場尾流影響進行了評估。本文采用了第二部分所描述的方法并使用可利用的數(shù)據(jù)計算出風電場尾流損失。

該風電場位于平坦的潮間帶地區(qū)，所有風機所處位置的海拔高度距離海平面為0米。此地形在多個扇區(qū)可以認為同海上情形相同。然而，周圍地形并不能完全代表海上情況。位于現(xiàn)場東北部1公里處有一村莊會影響風電場入流情況。通過衛(wèi)星影像可以確定，該風電場北部和西部存在其他風電場。

下述風電場數(shù)據(jù)由客戶提供：

●機艙風速計風速和風機發(fā)電量數(shù)據(jù)(SCADA數(shù)據(jù)格式)，時間周期自2014年1月1日起至2015年6月30日，以10分鐘為間隔。

●80米測風塔，坐落于風機7南側(cè)約100米處，數(shù)據(jù)測量周期為2009年10月05日至2015年10月28日。

風機和測風塔坐標，測風塔配置細節(jié)和每臺風機位置日可利用率統(tǒng)計信息均有提供。

下述部分詳細說明了使用提供數(shù)據(jù)的分析過程，包含假設條件，分析結(jié)果和結(jié)論的不一致性的發(fā)現(xiàn)。測量的尾流損失與模擬預測結(jié)果進行對比并得出評估結(jié)論。測風塔風向數(shù)據(jù)用于定義風電場風向的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，原因是由于風機SCADA數(shù)據(jù)中沒有風向數(shù)據(jù)。模型模擬階段使用了測風塔數(shù)據(jù)作為輸入值。然而，由于測風塔數(shù)據(jù)受到風電場風機尾流的影響，因此在模型中使用測風塔數(shù)據(jù)之前已移除尾流對測風塔數(shù)據(jù)的影響。

3.1數(shù)據(jù)分析

3.1.1測風塔數(shù)據(jù)

3.1.1.1測風塔配置和儀器

圖5中詳細列出了本項目測風塔配置和儀器。除了東和東南方向扇區(qū)以外所有方向測風塔均受到風機尾流的影響。

沒有進行現(xiàn)場考察來驗證測風塔的配置和設計?？蛻魶]有提供測風塔安裝報告，然而以文檔格式提供了有限的測風塔安裝信息。

提供了測風塔兩個不同時期數(shù)據(jù)：

●周期1–以.rwd原始數(shù)據(jù)格式提供了自2009年10月08日至2012年12月05日10分鐘平均數(shù)據(jù)。

●周期2–以.xls數(shù)據(jù)格式提供了自2012年12月19日至2015年10月28日5分鐘平均數(shù)據(jù)。

2009年10月08日至2012年12月05原始數(shù)據(jù)顯示具有四個測量高度，距離地表高度分別為90、80、70和10米。每個測量高度均安裝一個NRG#40風速計并在三個最高高度處分別安裝了一個NRG#200P風向標。NRG風速計被認為是質(zhì)量相對較差的風速計并歷史經(jīng)驗使用上存在測量問題。然而，在簡單條件下NRG設備測量符合IEC標準，因此認為對于本風電場來說是適用的。

自2012年12月19日起資料顯示具有四個測量高度，其距離地表高度分別為80、50、30和10米。每個高度分別安裝了一臺LUFFT WS500-UMB超聲波傳感器。

2009年10月08日至2012年12月05的數(shù)據(jù)以原始數(shù)據(jù)格式提供，然而自2012年12月19日至2015年10月28日數(shù)據(jù)以Excel格式提供。2012年12月前提供的數(shù)據(jù)與測風塔安裝信息不相符并與2012年12月之后數(shù)據(jù)不一致。因此，由于其不一致性以及2012年12月前數(shù)據(jù)與運營數(shù)據(jù)無同時期數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)將不再用于本文分析。

沒有提供任一高度儀器的安裝的懸臂方向。

圖1為測風塔配置信息。

由于缺乏測風塔原始應用校準參數(shù)及獨立的校準報告，無法核實應用于2012年12月19日至2015年10月28日的數(shù)據(jù)中風速計校準參數(shù)。由此數(shù)據(jù)帶來的不確定性將增加。

3.1.1.2審查測風塔數(shù)據(jù)

為了識別數(shù)據(jù)的異常及存在的潛在問題，對測風塔數(shù)據(jù)進行了篩選和審查。據(jù)分析數(shù)據(jù)覆蓋率好，只有非常少量的異常數(shù)據(jù)或設備結(jié)冰現(xiàn)象。

圖1為月平均數(shù)據(jù)變化圖。

圖1中觀察自2015年7月起80米風向數(shù)據(jù)具有偏差。對數(shù)據(jù)的進一步分析得出自2015年7月08日起存在該偏差。因此，自該日起，對80米風向進行180°的校正。無相關維護信息可以解釋其產(chǎn)生偏差的潛在原因。

圖2為利用測風塔數(shù)據(jù)得出的短期風玫瑰圖。從圖中可以看出所有扇區(qū)分布相對均勻，南向風頻略偏高。

3.1.2風機數(shù)據(jù)

處理風機數(shù)據(jù)并移除異常記錄值。由于只有發(fā)電量日可利用率統(tǒng)計數(shù)據(jù)，因此不可能移除所有故障時間，因為這將導致最終用于分析的數(shù)據(jù)不夠充足。然而，移除了明顯異常的數(shù)據(jù)段，這些數(shù)據(jù)可以通過繪制10分鐘風速、發(fā)電量數(shù)據(jù)并與保證的功率曲線對比來識別。上述篩選過程并非一個最理想的方法，由于無從得知造成上述異常數(shù)據(jù)的原因。測風塔數(shù)據(jù)與距離其最近的WTG7風機機艙風速進行對比結(jié)果顯示相關關系較差，相關系數(shù)(R²)為0.84。對于距離很近的觀測點來說，數(shù)據(jù)之間預期R²為0.95以上。這意味著數(shù)據(jù)質(zhì)量較差。由于測風塔和風機數(shù)據(jù)相關信息提供的有限無法確認是測風塔還是風機數(shù)據(jù)異常。

通過衛(wèi)星影像可以確定臨近風電場北向和西向均具有臨近風電場。采用一種算法來計算每個風機自由流扇區(qū)。這種算法是基于IEC61400-12-1(2005)標準附錄A，詳細內(nèi)容請見第2.3部分。

由于臨近風電場的存在，在270°至330°之間扇區(qū)內(nèi)沒有一臺風機具有自由流發(fā)電量。這意味著在此山區(qū)范圍內(nèi)無法計算任一風機的尾流。由于本分析目的是與模擬的尾流進行對比，因此不適宜使用風流體模型來修正尾流影響的發(fā)電量數(shù)據(jù)。因此，在此扇區(qū)內(nèi)無法計算尾流損失。

由于風機詳細的可利用率信息的缺失及風電場建于近海陸上的原因自由流發(fā)電量具有較大的不確定性。盡管風電場位于平坦地形，但陸上較廣的的地形會影響風電場風資源分布。風電場東北方向有一村莊，村莊東部的海拔高度相對較高。因此，該扇區(qū)自由流風機入流風速會稍低，由于上述地形及粗糙度的影響。上述地形影響通常還會造成風切變和湍流強度的變化，同時會影響尾流損失。

WAsP(Wind Atlas Analysis and Application Program)風流體模型用于評估風電場風流變化。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)WTG1位置入流風速最低，WTG15位置處最高。風電場WTG1和WTG15之間風流變化最大為4％。模型用于計算應用于風電場輸出發(fā)電量的梯度，從而消除由于入流條件變化帶來的影響。第3.2部分中將進一步討論模型的輸入和設置。應注意使用WAsP模型對風電場內(nèi)變化進行評估會對對比結(jié)果引入不確定性，這是由于模型會影響用于與模擬的尾流結(jié)果進行比較的測量數(shù)據(jù)。

即使按照扇區(qū)應用了發(fā)電量輸出值的梯度修正，在不同風機位置之間自由流發(fā)電量也仍舊存在顯著的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)90°扇區(qū)風機自由流發(fā)電量變化最大為13.3％。此變化表明選擇的自由流風機具有較大的不確定性。自由流發(fā)電量在北和東向扇區(qū)變化大于南和西向扇區(qū)。這很可能是由于風來自海洋的南和西方向，在此方向幾乎不受地形和粗糙度影響。

由于自由流風機發(fā)電量變化較大，更合適的方法是在每個扇區(qū)選用最大自由流發(fā)電量作為參考發(fā)電量。選擇用最大的而非平均值作為參考發(fā)電量是為了避免不具代表性的潛在尾流影響。然而，當具有最大發(fā)電量的風機伴隨風速加速作用影響時會帶來額外的不確定性，從而造成對尾流損失的過高估計。

采用所有風機的同期數(shù)據(jù)及從數(shù)據(jù)集中獲取每個扇區(qū)每臺風機平均發(fā)電量。由于風機SCADA數(shù)據(jù)中沒有風向數(shù)據(jù)，本評估采用測風塔風向數(shù)據(jù)。

3.1.3分析結(jié)果

通過對比每個扇區(qū)發(fā)電量和同一扇區(qū)參考發(fā)電量來計算每個風機位置處尾流損失。圖2整理出每個30°扇區(qū)每臺風機尾流損失結(jié)果。

圖2中可以看出結(jié)果中錯誤明顯，多個扇區(qū)結(jié)果表現(xiàn)為負的尾流損失。北至東北扇區(qū)WTG8至15風機結(jié)果尤其明顯。當風來自此扇區(qū)時，據(jù)觀察得到WTG9至15風機發(fā)電量高于參考發(fā)電量。這就導致這些風機計算出的尾流損失為異常負值。

此問題的可能原因是在上述扇區(qū)選取了WTG1,4和7用于得到參考發(fā)電量。據(jù)發(fā)現(xiàn)已建設區(qū)位于東北方向，這將影響WTG1,4和7的入流風資源。然而，由于距離較遠，已建設區(qū)對WTG9至15的影響較小。已建設區(qū)對WTG1,4和7位置處風資源的影響與WTG9至15受到的尾流影響大小等級相似，導致了這些扇區(qū)出現(xiàn)尾流損失低值或負值。盡管，發(fā)電量應用了梯度以修正入流條件的變化，但模型的輸入具有較高的不確定性。模型輸入的地形和粗糙度信息來源于免費的可利用資源，因此不具有較高的精確性。本文結(jié)果分析中將忽略負的尾流損失，認為其無效。

分析錯誤結(jié)果及其可能的原因有：

●由于缺乏臨近風電場發(fā)電量數(shù)據(jù)，無法計算所有扇區(qū)參考發(fā)電量。因此，在270°至330°扇區(qū)無自由流參考數(shù)據(jù)，而且本評估中沒有考慮這些扇區(qū)尾流損失。

●風電場位于陸上，因此其風電場入流條件，尤其是陸海交替位置很可能存在變化。

●篩選出低可利用率的時間十分困難，這是由于缺乏充分詳細的可利用率數(shù)據(jù)。

圖3列出150°至210°扇區(qū)最終頻率加權平均尾流損失。表中列出了150°至210°扇區(qū)是由于南部入流條件可以代表海上條件。注意WTG10至15在此扇區(qū)內(nèi)無尾流損失，由于在此扇區(qū)內(nèi)為自由流風機。

3.2采用提供數(shù)據(jù)模擬尾流影響

3.2.1模型輸入

免費可獲取的的地形和粗糙度信息用于模型輸入。地形圖來源于航天飛機雷達測圖計劃(SRTM)。SRTM數(shù)據(jù)水平分辨率通常為50米，等高線為10米間隔。因此，使用此數(shù)據(jù)的不確定性較高。粗糙度信息來源于該區(qū)域衛(wèi)星影像資料。沒有其他來源資料可以用來驗證該粗糙度的準確性，因此與此相關的不確定性將增大。

風電場風機功率曲線來源于風機供應商網(wǎng)站。對臨近風電場風機機型和輪轂高度進行假設，其功率曲線來源于風機供應商網(wǎng)站。臨近風電場的布局來源于衛(wèi)星影像。由于無法確認風電場實際功率曲線是否與網(wǎng)站提供的一致，因此模型中所用的功率曲線具有一定的不確定性。

測風塔位置處尾流影響沒有重復考慮在模型是非常重要的。因此，運行尾流模型前移除測風塔位置處尾流影響至關重要。為了移除尾流影響，基于發(fā)電量形式計算了尾流對測風塔的影響。然后采用風電場能量梯度(風速和發(fā)電量的轉(zhuǎn)換關系)將發(fā)電量轉(zhuǎn)化成風速。分扇區(qū)修正測風塔數(shù)據(jù)以移除尾流影響。與風機運營數(shù)據(jù)同期的經(jīng)過尾流修正的短期風玫瑰圖作為各種風流體模型的輸入項以預測風電場的尾流。

3.2.2評估的模型

行業(yè)標準的尾流模型有基于N.O.Jensen的Park(或修正的Park)尾流模型和基于Ainslie工作的渦流粘度尾流模型，兩種模型均由已發(fā)表的論文支撐。上述尾流模型仍舊參與尾流模型研究中。這些模型中可以調(diào)整尾流衰減系數(shù)并且不同尾流模型使用不同的方法結(jié)合尾流。

下述模型用于確定風電場預測尾流影響：

●WAsP軟件Park模型，0.03尾流衰減系數(shù)。

●WAsP軟件Park模型，0.04尾流衰減系數(shù)。

●WAsP軟件Park模型，0.05尾流衰減系數(shù)。

●Windfarmer軟件Park模型，0.04尾流衰減系數(shù)。

●Windfarmer軟件渦流粘度模型。

●Windfarmer軟件渦流粘度模型采用大型風電場修正。

圖6為模擬的風電場尾流損失與第3.1部分計算的尾流損失對比圖。由于無法計算所有扇區(qū)測量的尾流損失，以及由于南向扇區(qū)入流條件可以更好的代表海上條件，因此只對比了150°至210°扇區(qū)的尾流結(jié)果。Windfarmer模型無法輸出分扇區(qū)的結(jié)果，因此在此不再呈現(xiàn)。圖7中可以得出對于所有風機并沒有明確的指示出哪個模型表現(xiàn)最好。

圖7呈現(xiàn)了所有模型評估的總的尾流損失，以對比WAsP和Windfarmer模型。從圖中可以得出，使用兩種軟件Park模型(0.04尾流衰減系數(shù))擬合結(jié)果較一致。且應用大型風電場尾流修正結(jié)果沒有明顯差異。此結(jié)論是合理的，因為該風電場沒有典型的海上風電場大。與Park模型預測結(jié)果相比，渦流粘度模型預測的尾流結(jié)果較低。

3.3結(jié)論

第1章和第2章介紹的尾流損失計算方法用于計算風電場尾流損失。該風電場位于陸上，但期望其平坦的潮間帶地形及某些扇區(qū)所得到的結(jié)果與海上風電場相似。然而，結(jié)果顯示不能代表海上條件。這主要是由于其地理位置以及周圍已有建筑物的影響。綜上，這些將影響風機的入流情況。由于本項目周圍臨近風電場數(shù)據(jù)缺失導致某些扇區(qū)尾流分析被排除在外，這將增加結(jié)果的不確定性。

認為所提供的數(shù)據(jù)不足以精確地量化風電場的尾流損失。因此，得出的尾流損失具有較大的不確定性。下述幾點是造成本評估不確定性較大的關鍵因素：

●不充分的數(shù)據(jù)用于得到所有扇區(qū)參考發(fā)電量，由于無臨近風電場相關資源資料。如果可以獲取相關資料，則可以得到相關扇區(qū)的參考發(fā)電量。

●由于風電場位于陸上，參考自由流風機的入流條件會受到地形條件的影響。將位于東北部風機的自由流發(fā)電量與位于西側(cè)的風機受尾流影響的發(fā)電量進行對比時可以發(fā)現(xiàn)上述影響非常明顯?；陲L流體模型應用發(fā)電量梯度來校正地形的影響。然而，由于輸入數(shù)據(jù)的較大不確定性，此不確定性將影響發(fā)電量梯度計算。

●未提供足夠詳細的較高時間分辨率的可利用率數(shù)據(jù)用于剔除較低可利用率時期的發(fā)電量數(shù)據(jù)。充分的可利用率數(shù)據(jù)可以改善數(shù)據(jù)篩選從而確保計算尾流損失所使用的數(shù)據(jù)是適宜的。

●模擬的尾流損失結(jié)果與測量的結(jié)果進行了對比。然而，由于模型用于計算風電場的發(fā)電量梯度變化，這會進一步帶來結(jié)果的不確定性。

(四)方法中客觀存在的不確定性

目前，使用運營數(shù)據(jù)計算尾流影響的方法仍存在許多不確定性，且行業(yè)也沒有達成共識的最適用的尾流研究方法。第三章列出了所需的輸入數(shù)據(jù)和第四章中描述的方法是為了減少使用測量數(shù)據(jù)推導相關損失帶來的不確定性。第五章中概述了相對較差的分析結(jié)果，并強調(diào)了非常詳細和良好的高質(zhì)量的輸入數(shù)據(jù)的重要性和當數(shù)據(jù)不可用時造成的潛在較大的不確定性。然而，即使所有期望的數(shù)據(jù)可供使用，結(jié)果仍然可能具有不確定性。本章詳細說明了評估不確定性的要點以及如何假設相關輸入數(shù)據(jù)影響整體的不確定性水平。

不確定性分析主要考慮：

●來自SCADA監(jiān)測數(shù)據(jù)和測風塔數(shù)據(jù)的精確性和覆蓋度的不確定性；

●可利用率和數(shù)據(jù)覆蓋率調(diào)整(校正到90％-100％的可利用率和覆蓋率)；

●可用的風電場總結(jié)報告的質(zhì)量、一致性和完整性；

●功率曲線性能的不確定性；

●入流風資源的不確定性；

第三章描述了輸入數(shù)據(jù)，影響的類別如下：

SCADA監(jiān)測數(shù)據(jù)和測風塔數(shù)據(jù)的精確性和覆蓋度：不確定性取決于基本信息(1.1提到)的質(zhì)量，如果SCADA數(shù)據(jù)覆蓋率良好且一個現(xiàn)場可用的符合IEC標準的測風塔用于分析，則會降低不確定性。測風塔的配置信息非常重要，因為這將幫助評估潛在的氣流畸變對測量數(shù)據(jù)的影響。如果測風塔的設計符合IEC標準，那么氣流畸變的影響將會降低并將幫助減少測量的不確定性。

可利用率和數(shù)據(jù)覆蓋率調(diào)整：關于狀態(tài)計數(shù)器信息的不充足和缺乏事件數(shù)據(jù)(1.2提到)都將導致非常高的不確定性，甚至可能造成不合理的分析結(jié)果。狀態(tài)計數(shù)器和事件數(shù)據(jù)可將獨立于有效數(shù)據(jù)外的質(zhì)量差或錯誤的數(shù)據(jù)篩選出來。

報告的質(zhì)量、一致性和完整性：這個不確定性是基于包含運維的月度報告信息和有關維護、維修、環(huán)境、功率下降等的信息，都將會影響風機性能表現(xiàn)。這些信息確?？梢哉_的記錄任何風機功率降低的情況，并不被考慮為尾流損失的一部分。相關信息的缺乏會大幅增加不確定性。

功率曲線性能表現(xiàn)：現(xiàn)場功率曲線評估可以通過與擔保的可利用率較好的對比降低功率曲線性能表現(xiàn)的不確定性。這同時也會降低由擔保的功率曲線和發(fā)電量數(shù)據(jù)而來的風速數(shù)據(jù)的不確定性。缺乏此類信息的話，相比于用于計算自由流的風機，任何性能表現(xiàn)較差的風機該部分能量的損失都將包含于尾流損失評估中。

入流條件：具有符合IEC標準的現(xiàn)場測風塔及風機風速計校正和傳遞函數(shù)，從而提供精確的機艙測量數(shù)據(jù)對提供現(xiàn)場真實的入流條件有幫助。如果入流條件變化顯著，則將增加與此相關的不確定性。然而，正如第2.3章節(jié)所述，這種影響可以在某種程度上通過應用風電場功率梯度削減。

(五)技術效果

風電場測量尾流的主要目的是為了確定不同尾流模型的準確性。這對前期建設階段降低尾流模型的不確定性有幫助，使得項目融資更加容易。

本發(fā)明概述了使用運營數(shù)據(jù)計算尾流損失，以及如何降低與其相關不確定性的方法。使用數(shù)據(jù)集(假設具有充分的數(shù)據(jù)來對不同氣象條件時期進行分類)探索不同氣候條件相關的尾流影響，例如湍流、溫度、氣壓、濕度和大氣穩(wěn)定性。本分析結(jié)果有助于尾流模型選取及改善模型結(jié)果精確性。

為了計算測量的尾流影響，項目提供了某風電場數(shù)據(jù)并應用了開發(fā)的計算方法。由于風電場位于陸上，在分析過程中遇到了不少困難；即使該風電場位于近海灘涂位置，其仍會受到地形的影響。缺少風機可利用率及維護信息同樣增加了尾流測量結(jié)果的不確定性。

足夠詳細的和高質(zhì)量的輸入信息的重要性通過突出與尾流損失計算相關的不確定性及其與輸入數(shù)據(jù)的關聯(lián)性表明。第三部分非結(jié)論性的結(jié)果也突顯出了輸入數(shù)據(jù)精度和質(zhì)量的重要性。

以上所述僅為本發(fā)明的實施方式，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進、擴展等，均包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。