本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電，具體涉及一種基于風(fēng)電場實測風(fēng)速的工程尾流模型動態(tài)修正方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著海上風(fēng)電場規(guī)模不斷增大，機(jī)組數(shù)量日益增加，場內(nèi)存在的尾流效應(yīng)越來越明顯，對海上風(fēng)電場的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來不可忽視的影響。尾流效應(yīng)的存在導(dǎo)致上下游風(fēng)電機(jī)組之間存在復(fù)雜的氣動耦合特性，在進(jìn)行海上風(fēng)電場的運(yùn)行優(yōu)化控制時是必須考慮的。

2、為了刻畫尾流模型的動態(tài)特性，多通過數(shù)學(xué)與物理方法對其進(jìn)行建模來得到尾流模型。根據(jù)采用的方法不同，尾流模型分為兩大類：一類是采用計算流體力學(xué)方法得到的數(shù)值尾流模型，一類是通過數(shù)學(xué)公式表示的工程尾流模型。數(shù)值尾流模型能夠精確地表征尾流效應(yīng)的動態(tài)特性，但需要大量的計算時間和計算資源，不適用于工程應(yīng)用。工程尾流模型能夠快速地計算得到尾流分布情況，但計算精度受限?，F(xiàn)有的尾流模型都很難兼顧計算速度與計算精度，這給考慮尾流效應(yīng)的大規(guī)模風(fēng)電場運(yùn)行優(yōu)化控制提出挑戰(zhàn)。

3、目前，有研究基于統(tǒng)計學(xué)方法或采用數(shù)據(jù)驅(qū)動方法對工程尾流模型的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以滿足工程尾流模型極快計算速度的基礎(chǔ)上提高計算精度。然而，統(tǒng)計學(xué)方法往往需要建立復(fù)雜的優(yōu)化模型，本身就需要較長的計算時間來優(yōu)化參數(shù)，并且無法利用實時測量的風(fēng)速數(shù)據(jù)來實現(xiàn)動態(tài)優(yōu)化。數(shù)據(jù)驅(qū)動方法沒有顯式模型，難以在風(fēng)電場優(yōu)化控制中應(yīng)用。

4、因此，在目前的工程尾流模型修正領(lǐng)域，還需要進(jìn)一步考慮兼顧計算速度與計算精度、利用實時測量的風(fēng)速數(shù)據(jù)來動態(tài)修正等，從而為基于風(fēng)電場風(fēng)速實測數(shù)據(jù)的工程尾流模型動態(tài)修正提供更加適用的方法及系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題：針對現(xiàn)有技術(shù)的上述問題，提供一種基于風(fēng)電場實測風(fēng)速的工程尾流模型動態(tài)修正方法及系統(tǒng)，本發(fā)明旨在通過根據(jù)歷史風(fēng)速實測值動態(tài)優(yōu)化工程尾流模型的參數(shù)，從而提高工程尾流模型的計算精度，同時保證尾流計算的速度和時效性。

2、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

3、一種基于風(fēng)電場實測風(fēng)速的工程尾流模型動態(tài)修正方法，包括：

4、s1、根據(jù)尾流傳播的時間延遲特性，對傳統(tǒng)jensen尾流模型以及能量守恒尾流疊加模型引入尾流延遲時間建立動態(tài)單尾流模型和動態(tài)疊加模型，對所述動態(tài)疊加模型引入疊加修正系數(shù)α，得到動態(tài)疊加模型與動態(tài)單尾流模型共同構(gòu)成用于風(fēng)速修正的動態(tài)尾流模型；

5、s2、基于的動態(tài)尾流模型，通過歷史入流風(fēng)速實測值、歷史推力系數(shù)和jensen尾流模型上一時刻的尾流擴(kuò)張系數(shù)、疊加修正系數(shù)計算歷史風(fēng)速預(yù)測值，使用風(fēng)電場所有機(jī)組的前n個歷史風(fēng)速實測值和歷史風(fēng)速預(yù)測值對工程尾流模型當(dāng)前時刻的尾流擴(kuò)張系數(shù)和疊加修正系數(shù)進(jìn)行修正，建立最優(yōu)化模型；

6、s3、對動態(tài)尾流模型中的動態(tài)單尾流模型以及動態(tài)疊加模型進(jìn)行一階泰勒展開，得到動態(tài)尾流模型的增量形式，形成歷史風(fēng)速預(yù)測值的離散狀態(tài)空間矩陣；

7、s4、根據(jù)所述歷史風(fēng)速預(yù)測值的離散狀態(tài)空間矩陣，將所述最優(yōu)化模型轉(zhuǎn)換成離散形式，并設(shè)定尾流擴(kuò)張系數(shù)和疊加修正系數(shù)的約束條件轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)二次規(guī)劃問題，對標(biāo)準(zhǔn)二次規(guī)劃問題求解得到最優(yōu)模型參數(shù)以實現(xiàn)對jensen尾流模型的動態(tài)實時修正。

8、可選地，步驟s1中建立動態(tài)單尾流模型和動態(tài)疊加模型的函數(shù)表達(dá)式為：

9、

10、上式中，為風(fēng)電機(jī)組i對風(fēng)電機(jī)組n在t0時刻造成尾流風(fēng)速的預(yù)測值，為上游風(fēng)電機(jī)組i在t0時刻的入流風(fēng)速的預(yù)測值，ct,i(t0)為風(fēng)電機(jī)組i在t0時刻的推力系數(shù)，ki(t0)為風(fēng)電機(jī)組i在t0時刻產(chǎn)生尾流的擴(kuò)張系數(shù)，din為上游風(fēng)電機(jī)組i、下游風(fēng)電機(jī)組n沿著風(fēng)向的地理距離，r為風(fēng)電機(jī)組的葉輪半徑，為風(fēng)電機(jī)組i造成的尾流效應(yīng)對風(fēng)電機(jī)組n影響的葉輪覆蓋面積，a0為風(fēng)電機(jī)組葉輪的掃掠面積，為風(fēng)電機(jī)組n在t0+τ1,n時刻的風(fēng)速，v∞(t0)為最上游風(fēng)電機(jī)組在t0時刻的入流風(fēng)速，αn(t0)為引入的t0時刻的疊加修正系數(shù)，為風(fēng)電機(jī)組i在t0+τ1,n時刻的風(fēng)速，為風(fēng)電機(jī)組i對風(fēng)電機(jī)組n在t0+τ1,n時刻造成尾流風(fēng)速的預(yù)測值，τ1,n為最上游風(fēng)電機(jī)組1、下游風(fēng)電機(jī)組n之間的尾流延遲時間，且有τ1,n＝din/v∞，v∞為最上游風(fēng)電機(jī)組的入流風(fēng)速，γ為對風(fēng)電機(jī)組n造成尾流影響的上游機(jī)組的集合。

11、可選地，步驟s2中基于的動態(tài)尾流模型，通過歷史入流風(fēng)速實測值、歷史推力系數(shù)和jensen尾流模型上一時刻的尾流擴(kuò)張系數(shù)、疊加修正系數(shù)計算歷史風(fēng)速預(yù)測值時，包括通過t0時刻前n個歷史入流風(fēng)速實測值v∞(t0-1)～v∞(t0-n)及其對應(yīng)的歷史推力系數(shù)ct(t0-1)～

12、ct(t0-n)，n為歷史窗口大小，結(jié)合jensen尾流模型上一時刻的尾流擴(kuò)張系數(shù)、疊加修正系數(shù)計算前n個歷史風(fēng)速預(yù)測值，且任意前第t個歷史風(fēng)速預(yù)測值vpre,n(t0-t)的函數(shù)表達(dá)式為：

13、

14、上式中，ct,i(t0-t)為前第t個歷史推力系數(shù)，ki(t0-t)為上游風(fēng)電機(jī)組i的前第t個尾流擴(kuò)張系數(shù)，din為上游風(fēng)電機(jī)組i、下游風(fēng)電機(jī)組n沿著風(fēng)向的地理距離，r為風(fēng)電機(jī)組的葉輪半徑，為風(fēng)電機(jī)組i造成的尾流效應(yīng)對風(fēng)電機(jī)組n影響的葉輪覆蓋面積，a0為風(fēng)電機(jī)組葉輪的掃掠面積，v∞(t0-t)為前第t個歷史入流風(fēng)速實測值，αn(t0-t)為下游風(fēng)電機(jī)組n的前第t個疊加修正系數(shù)，vpre,i(t0-t+τi,n)為風(fēng)電機(jī)組i在t0-t+τ1,n時刻的歷史風(fēng)速預(yù)測值，為風(fēng)電機(jī)組i對風(fēng)電機(jī)組n在t0-t+τ1,n時刻造成尾流風(fēng)速的預(yù)測值，τ1,n為最上游風(fēng)電機(jī)組1、下游風(fēng)電機(jī)組n之間的尾流延遲時間。

15、可選地，步驟s2中建立的最優(yōu)化模型函數(shù)表達(dá)式為：

16、

17、上式中，nwt為風(fēng)電機(jī)組數(shù)量，vpre,i(t0-t+τi,n)為風(fēng)電機(jī)組i在t0-t+τ1,n時刻的歷史風(fēng)速預(yù)測值，vmeas,i(t0)為風(fēng)電機(jī)組i在t0時刻的歷史風(fēng)速實測值，τ1,n為最上游風(fēng)電機(jī)組1、下游風(fēng)電機(jī)組n之間的尾流延遲時間。

18、可選地，步驟s3中對動態(tài)尾流模型中的動態(tài)單尾流模型以及動態(tài)疊加模型進(jìn)行一階泰勒展開時，對所述動態(tài)單尾流模型進(jìn)行一階泰勒展開的函數(shù)表達(dá)式為：

19、

20、上式中，和分別為風(fēng)電機(jī)組i對風(fēng)電機(jī)組n造成尾流風(fēng)速的預(yù)測值對風(fēng)電機(jī)組i產(chǎn)生尾流的擴(kuò)張系數(shù)ki、上游風(fēng)電機(jī)組i入流風(fēng)速的預(yù)測值的偏導(dǎo)數(shù)，δki(t0)和分別為ki(t0)和的增量；對所述動態(tài)疊加模型進(jìn)行一階泰勒展開的函數(shù)表達(dá)式為：

21、

22、上式中，和分別為上游風(fēng)電機(jī)組n入流風(fēng)速的預(yù)測值對風(fēng)電機(jī)組i對風(fēng)電機(jī)組n造成尾流風(fēng)速的預(yù)測值上游風(fēng)電機(jī)組i入流風(fēng)速的預(yù)測值和引入的疊加修正系數(shù)αn的偏導(dǎo)數(shù)，為風(fēng)電機(jī)組n在t0+τ1,n時刻的風(fēng)速增量，δαn(t0)為t0時刻的疊加修正系數(shù)增量，為風(fēng)電機(jī)組i對風(fēng)電機(jī)組n在t0-t+τ1,n時刻造成尾流風(fēng)速的預(yù)測值增量，為風(fēng)電機(jī)組i在t0+τ1,n時刻的風(fēng)速增量，為風(fēng)電機(jī)組i對風(fēng)電機(jī)組n在t0-t+τ1,,n時刻造成尾流風(fēng)速的預(yù)測值，τ1,n為最上游風(fēng)電機(jī)組1、下游風(fēng)電機(jī)組n之間的尾流延遲時間；得到動態(tài)尾流模型的增量形式的函數(shù)表達(dá)式為：

23、

24、上式中，為t0時刻的風(fēng)速預(yù)測增量矩陣，δx(t0)為t0時刻的尾流模型參數(shù)增量矩陣，m(t0)和n(t0)為t0時刻的系數(shù)矩陣，且有：

25、

26、δx(t0)＝[δk(t0),δα(t0)]t，

27、δk(t0)＝[δk1(t0),δk2(t0),…,δkn-1(t0)]t，

28、δα(t0)＝[δα3(t0),δα4(t0),…,δαn(t0)]t，

29、m(t0)＝[m1(t0),m2(t0),…,mn(t0)]t，

30、n(t0)＝[n1(t0),n2(t0),…,nn(t0)]t，

31、上式中，分別為風(fēng)電機(jī)組2～n在t0+τ1,2～t0+τ1,n時刻的風(fēng)速增量，δk(t0)和δα(t0)為t0時刻尾流擴(kuò)張系數(shù)和修正系數(shù)增量，δk1(t0)～δkn-1(t0)為t0時刻機(jī)組1到機(jī)組n-1引起的尾流效應(yīng)的尾流擴(kuò)張系數(shù)增量，δα3(t0)～δαn(t0)為t0時刻機(jī)組3～機(jī)組n的尾流疊加模型的修正系數(shù)增量，m1(t0)～mn(t0)為系數(shù)矩陣m(t0)中的元素，n1(t0)～nn(t0)為系數(shù)矩陣n(t0)中的元素，且有：

32、

33、上式中，mi和ni分別為m(t0)和n(t0)中的第i個元素；最終形成歷史風(fēng)速預(yù)測值的離散狀態(tài)空間矩陣的函數(shù)表達(dá)式為：

34、

35、上式中，為t0-1～t0-n時刻的風(fēng)速預(yù)測增量矩陣組成的矩陣，i為n×(n-1)維單位矩陣，n、m為t0-1～t0-n時刻的系數(shù)矩陣組成的矩陣，δx為優(yōu)化變量，且有：

36、

37、m＝[m(t0-1),m(t0-2),…,m(t0-n)]t，

38、n＝diag[n(t0-1),n(t0-2),…,n(t0-n)]，

39、上式中，為t0-1～t0-n時刻的風(fēng)速預(yù)測增量矩陣，m(t0-1)～m(t0-n)、n(t0-1)～n(t0-n)為t0-1～t0-n時刻的系數(shù)矩陣。

40、可選地，步驟s4中將所述最優(yōu)化模型轉(zhuǎn)換成的離散形式的函數(shù)表達(dá)式為：

41、

42、上式中，n為歷史窗口大小，γ為對風(fēng)電機(jī)組n造成尾流影響的上游機(jī)組的集合，為風(fēng)電機(jī)組i在t0-t+τ1,n時刻的風(fēng)速增量，vpre,i(t0-t+τi,n)為風(fēng)電機(jī)組i在t0-t+τ1,n時刻的歷史風(fēng)速預(yù)測值，vmeas,i(t0-t)為風(fēng)電機(jī)組i在t0-t時刻的歷史風(fēng)速實測值，δx(t0)和δx(t0-1)分別為t0和t0-1時刻的優(yōu)化變量，qv和qx分別為權(quán)重參數(shù)。

43、可選地，步驟s4中設(shè)定的尾流擴(kuò)張系數(shù)和疊加修正系數(shù)的約束條件的函數(shù)表達(dá)式為：

44、

45、上式中，kinit為尾流擴(kuò)張系數(shù)的初始值，δki(t0)為t0時刻的尾流擴(kuò)張系數(shù)增量，ki(t0-1)為t0-1時刻的尾流擴(kuò)張系數(shù)，δαi(t0)為t0時刻的疊加修正系數(shù)增量，αi(t0-1)為t0-1時刻的疊加修正系數(shù)。

46、此外，本發(fā)明還提供一種基于風(fēng)電場實測風(fēng)速的工程尾流模型動態(tài)修正系統(tǒng)，包括相互連接的微處理器和存儲器，所述微處理器被編程或配置以執(zhí)行所述基于風(fēng)電場實測風(fēng)速的工程尾流模型動態(tài)修正方法。

47、此外，本發(fā)明還提供一種計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，該計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)中存儲有計算機(jī)程序或指令，該計算機(jī)程序或指令被編程或配置以通過處理器執(zhí)行所述基于風(fēng)電場實測風(fēng)速的工程尾流模型動態(tài)修正方法。

48、此外，本發(fā)明還提供一種計算機(jī)程序產(chǎn)品，包括計算機(jī)程序或指令，該計算機(jī)程序或指令被編程或配置以通過處理器執(zhí)行所述基于風(fēng)電場實測風(fēng)速的工程尾流模型動態(tài)修正方法。

49、和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明主要具有下述優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明通過利用大規(guī)模海上風(fēng)電場的歷史風(fēng)速實測值，實現(xiàn)動態(tài)實時的工程尾流模型參數(shù)優(yōu)化，在兼顧工程尾流模型極快計算速度的同時，提高了計算精度，使得工程尾流模型的風(fēng)速預(yù)測效果更精確。本發(fā)明通過一階泰勒展開將工程尾流模型轉(zhuǎn)換成增量形式，進(jìn)而將高維高非線性的最優(yōu)化模型轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)二次規(guī)劃問題，能夠確保優(yōu)化問題求解的速度，滿足風(fēng)電場運(yùn)行優(yōu)化控制的實時性，同時保證尾流計算的速度和時效性。