一種考慮風(fēng)機特性的風(fēng)機出力多指標評估方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種考慮風(fēng)機特性的風(fēng)機出力多指標評估方法，包括：獲取原始風(fēng)速數(shù)據(jù)并對原始風(fēng)速數(shù)據(jù)進行預(yù)處理；風(fēng)速概率分布擬合：對預(yù)處理后的風(fēng)速數(shù)據(jù)進行風(fēng)速概率分布擬合；風(fēng)電機組出力概率分布求?。阂垣@得的風(fēng)速概率分布為起點，結(jié)合風(fēng)電機組出力特性導(dǎo)出風(fēng)電機組出力概率分布；風(fēng)電機組出力統(tǒng)計數(shù)值特征量計算：基于導(dǎo)出的風(fēng)電機組出力概率分布，計算得到風(fēng)電機組的多個統(tǒng)計指標；風(fēng)電機組出力綜合評估?？梢詫Σ煌貐^(qū)相同時間段或者同一地區(qū)不同時間段的風(fēng)能資源進行評估，應(yīng)用范圍廣泛；本發(fā)明評估過程中計入風(fēng)電機組出力特性，能夠更為準確的反應(yīng)出實際可利用風(fēng)能的大?。皇褂枚嘟y(tǒng)計指標綜合評估，提高了評估結(jié)果的全面性和可信度。
【專利說明】
一種考慮風(fēng)機特性的風(fēng)機出力多指標評估方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及風(fēng)力技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種考慮風(fēng)機特性的風(fēng)機出力多指標評估方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，人類對能源的需求迅猛增加。然而占主導(dǎo)地位的化石能 源逐漸枯竭，且化石能源的利用還會帶來環(huán)境污染和氣候變暖等問題。為保證人類社會的 可持續(xù)發(fā)展，開發(fā)和利用可再生能源勢在必行。在多種可再生能源中，分布廣泛的風(fēng)能是最 具利用前景的能源之一，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的成熟也為風(fēng)能的大規(guī)模開發(fā)提供了基礎(chǔ)。在風(fēng)能 資源的開發(fā)利用中，首先要對風(fēng)能資源進行評估，以了解某地區(qū)風(fēng)能資源的分布狀況、變化 規(guī)律以及不同地區(qū)風(fēng)能資源的相互關(guān)系。其次，要分析風(fēng)電接入對電網(wǎng)安全性、可靠性以及 經(jīng)濟性等方面的影響，為風(fēng)電場規(guī)劃提供理論支撐。
[0003] 目前，風(fēng)能資源的評估主要基于風(fēng)速數(shù)據(jù)展開?；跉v史風(fēng)速數(shù)據(jù)(可能來自氣象 站、測風(fēng)塔等實測，也可以是相關(guān)軟數(shù)值模擬所得），能夠擬合出風(fēng)速分布規(guī)律（如使用 weibull分布擬合），進而計算出諸如平均風(fēng)速、平均風(fēng)能密度、風(fēng)能可利用小時數(shù)、平均有 效風(fēng)能密度等指標。利用這些指標可繪制地區(qū)或國家級的風(fēng)資源分布圖，構(gòu)建風(fēng)資源數(shù)據(jù) 庫，為宏觀戰(zhàn)略層面的風(fēng)資源評估及風(fēng)電場規(guī)劃提供依據(jù)。然而，風(fēng)功率與風(fēng)電機組出力通 常是不等的，基于風(fēng)速的風(fēng)能指標不能完全反應(yīng)風(fēng)電機組的出力特征。簡單使用經(jīng)驗上的 利用系數(shù)乘以風(fēng)功率得到風(fēng)電機組出力的做法也十分粗糙，基于這些指標和方法估計出的 風(fēng)電機組出力大小及其對電網(wǎng)影響的可信度難以保證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明公開了一種考慮風(fēng)機特性的風(fēng)機出力多指標 評估方法，該方法以假想裝設(shè)的風(fēng)電機組發(fā)電功率為估計目標，通過對假想風(fēng)電機組發(fā)電 功率的估計來評價該地風(fēng)資源豐富程度，同時為風(fēng)電裝設(shè)后對電網(wǎng)的影響分析提供數(shù)據(jù)。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體方案如下：
[0006] -種考慮風(fēng)機特性的風(fēng)機出力多指標評估方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟一:獲取原始風(fēng)速數(shù)據(jù)并對原始風(fēng)速數(shù)據(jù)進行預(yù)處理；
[0008] 步驟二:風(fēng)速概率分布擬合:對步驟一中預(yù)處理后的風(fēng)速數(shù)據(jù)進行風(fēng)速概率分布 擬合，在擬合時，每種擬合方式有相應(yīng)的擬合目標；
[0009] 步驟三:風(fēng)電機組出力概率分布求取：以步驟二中的擬合獲得的風(fēng)速概率分布為 起點，結(jié)合風(fēng)電機組出力特性導(dǎo)出風(fēng)電機組出力概率分布；
[0010]步驟四：風(fēng)電機組出力統(tǒng)計數(shù)值特征量計算:基于導(dǎo)出的風(fēng)電機組出力概率分布， 計算得到風(fēng)電機組的多個統(tǒng)計指標；
[0011]步驟五:風(fēng)電機組出力綜合評估:根據(jù)步驟四中得到的風(fēng)電機組的多個統(tǒng)計指標 對風(fēng)電機組出力進行綜合評價。
[0012] 進一步的，獲取的原始風(fēng)速數(shù)據(jù)為來自氣象站或測風(fēng)塔的實際數(shù)據(jù)，還可以是軟 件模擬的仿真數(shù)據(jù)。
[0013] 進一步的，原始風(fēng)速數(shù)據(jù)需要滿足等時間間隔的要求，從而能夠用于風(fēng)速概率分 布擬合，若風(fēng)速數(shù)據(jù)序列時間尺度不同，應(yīng)采用差值方法擴充數(shù)據(jù)至等時間間隔。
[0014] 進一步的，在風(fēng)速概率分布擬合時，采用Weibull分布或RayLeigh分布擬合相關(guān)分 布的參數(shù)。
[0015] 進一步的，擬合過程采用最小二乘擬合或最大似然估計擬合。
[0016] 進一步的，記風(fēng)速的概率密度函數(shù)和概率分布函數(shù)分別為fv(v)和Fv(v)，則采用雙 參數(shù)Weibull分布時的風(fēng)速概率密度函數(shù)fv(v)及概率分布函數(shù)Fv(v)的形式如下，V為風(fēng)速， 是隨機變量，V表示指定的風(fēng)速，其中尺寸參數(shù)C和形狀參數(shù)k是擬合目標：
[0019]進一步的，風(fēng)電機組出力特性反映了風(fēng)電機組對不同風(fēng)速的風(fēng)能利用能力的差 異，使用機組特性曲線表征，使用下式P(v)表征風(fēng)電機組出力特性：
[0017]
[0018]
[0020]
[0021] 其中，輸入數(shù)據(jù)有:切入風(fēng)速￥。111;-：111，切出風(fēng)速￥。111;-。111;，額定風(fēng)速￥1^和額定功率?1·，。 以額定出力Pr為基值將實際出力P標么，以使分析結(jié)果更加直觀。
[0022]進一步的，風(fēng)電機組出力特性可更換為實測或廠家給出的風(fēng)電機組出力特性曲線 的數(shù)值擬合。
[0023]進一步的，由連續(xù)型隨機變量的函數(shù)的分布求解定理可導(dǎo)出風(fēng)電機組出力概率分 布函數(shù)為：
[0024]
[0025]式中，辦(？）= 5(11(?))|11'（？）|為風(fēng)電機組出力概率密度函數(shù)，式中的11(?)為？(￥) 的反函數(shù)，其存在性由P(v)的單調(diào)性保證。
[0026] 進一步的，統(tǒng)計指標包括風(fēng)電機組的出力期望E(P)、風(fēng)能可利用小時數(shù)he、風(fēng)機年 最大利用小時數(shù)h max、出力分別大于0.5和0.9的置信度?1和?2、滿發(fā)概率p3、停機概率P4、置 信度分別等于〇. 5和0.9的置信區(qū)間CjPC2。各指標計算公式如下：
[0027]

[0032] 進一步的，風(fēng)電機組出力綜合評估時，風(fēng)電機組出力期望越高、可利用小時數(shù)、年 最大利用小時數(shù)以及各指定區(qū)間下的置信度越高、指定置信度水平下的置信區(qū)間數(shù)值越 大，表明該地的風(fēng)資源越大，反之越小。
[0033] 進一步的，上述考慮風(fēng)機特性的風(fēng)機出力多指標評估結(jié)果用于有效風(fēng)能資源評 估、風(fēng)電場選址、風(fēng)機選型及風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響分析。
[0034]本發(fā)明的有益效果：
[0035]本發(fā)明以風(fēng)速等歷史氣象數(shù)據(jù)為輸入，保留了現(xiàn)有方法容易獲取原始數(shù)據(jù)的優(yōu) 點；適用于不同時間尺度的風(fēng)速歷史數(shù)據(jù)，可以對不同地區(qū)相同時間段或者同一地區(qū)不同 時間段的風(fēng)能資源進行評估，應(yīng)用范圍廣泛;評估過程中計入風(fēng)電機組出力特性，能夠更為 準確的反應(yīng)出實際可利用風(fēng)能的大小;使用多統(tǒng)計指標綜合評估，提高了評估結(jié)果的全面 性和可信度。本專利所提方法也可用適用于其他可再生能源的資源評估問題，具有普適性。
【附圖說明】
[0036]附圖1為風(fēng)電機組出力評估方法流程圖；
[0037]附圖2為風(fēng)速數(shù)據(jù)示例；
[0038]附圖3為風(fēng)速數(shù)據(jù)頻率密度直方圖及擬合曲線；
[0039]附圖4為風(fēng)電機組出力頻率密度直方圖及出力概率密度函數(shù)曲線；
[0040]附圖5為風(fēng)電機組出力頻率累積直方圖及出力概率分布函數(shù)曲線。
【具體實施方式】：
[0041] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細說明：
[0042] 附圖1給出了風(fēng)機出力評估方法流程圖。評估過程共包括原始風(fēng)速數(shù)據(jù)輸入及預(yù) 處理、風(fēng)速概率分布擬合、風(fēng)電機組出力概率分布求取、電機組出力統(tǒng)計數(shù)值特征量計算、 綜合評估等5個步驟，分述如下：
[0043] 步驟1:原始風(fēng)速數(shù)據(jù)輸入。原始風(fēng)速數(shù)據(jù)為風(fēng)電出力估計的起點，它既可以是來 自氣象站、測風(fēng)塔的實際數(shù)據(jù)，也可以是軟件模擬的仿真數(shù)據(jù)，但風(fēng)速數(shù)據(jù)應(yīng)滿足等時間間 隔的要求，從而能夠用于風(fēng)速概率分布擬合。若風(fēng)速數(shù)據(jù)序列時間尺度不同，應(yīng)采用差值方 法擴充數(shù)據(jù)至等時間間隔。
[0044] 步驟2:風(fēng)速概率分布擬合。根據(jù)所輸入的風(fēng)速時間序列，采用Weibull分布或 RayLeigh分布擬合相關(guān)分布的參數(shù)。擬合過程可采用最小二乘擬合或最大似然估計擬合。 所采用的分布規(guī)律及參數(shù)選擇取決于擬合精度和擬合復(fù)雜度的折中。記風(fēng)速的概率密度函 數(shù)和概率分布函數(shù)分別為f v(v)和Fv(v)，則采用雙參數(shù)Weibull分布時的風(fēng)速概率密度函數(shù) fv(v)及概率分布函數(shù)Fv(v)的形式如下，其中尺寸參數(shù)c和形狀參數(shù)k是擬合目標，P{ · }為
[0045] 隨機變量·對應(yīng)的概率。V表示風(fēng)速，是隨機變量，V表示指定的風(fēng)速，用于表示V取值V時對 應(yīng)的概率等。同樣P是隨機變量，p是指定的功率。
[0046]
[0047] 步驟3:風(fēng)電機組出力概率分布求取。該步以步驟2所得風(fēng)速分布為起點，結(jié)合風(fēng)電 機組出力特性導(dǎo)出風(fēng)電機組出力分布。風(fēng)電機組出力特性反映了風(fēng)電機組對不同風(fēng)速的風(fēng) 能利用能力的差異，通常使用機組特性曲線表征。此處使用下式表征風(fēng)電機組出力特性，風(fēng) 機特性公式可更換為實測或廠家給出的風(fēng)電機組出力特性曲線的數(shù)值擬合。下式風(fēng)機特性 公式主要輸入數(shù)據(jù)有：切入風(fēng)速(vmin)，切出風(fēng)速，額定風(fēng)速(Vr)和額定功率 (Pr )，通常以額定出力Pr為基值將實際出力P標么，以使分析結(jié)果更加直觀。
[0048]
[0049]上式可見風(fēng)功率是風(fēng)速的分段函數(shù)，且在各分段區(qū)間內(nèi)P(V)對V的導(dǎo)數(shù)不改變符 號。由連續(xù)型隨機變量的函數(shù)的分布求解定理可導(dǎo)出風(fēng)電機組出力概率分布函數(shù)為
[0050]
[0051] 式中，fP(p) = fv(h(p))|hnp)|為風(fēng)電機組出力概率密度凼數(shù)，式中的h(p)為P(V) 的反函數(shù)，其存在性由P(V)的單調(diào)性保證。
[0052]步驟4:風(fēng)電機組出力統(tǒng)計數(shù)值特征量計算。基于導(dǎo)出的風(fēng)電機組出力概率分布， 可風(fēng)電機組的出力期望E(P)、風(fēng)能可利用小時數(shù)he、風(fēng)機年最大利用小時數(shù)hmax、出力分別 大于0.5和0.9的置信度 ?1和?2、滿發(fā)概率P3、停機概率P4、置信度分別等于0.5和0.9的置信 區(qū)間CjPC 2等統(tǒng)計指標。各指標計算公式如下：
[0058]步驟5:風(fēng)電機組出力綜合評估。步驟4計算了假想風(fēng)電機組出力的多個統(tǒng)計指標， 它們從不同角度反映風(fēng)資源的大小。風(fēng)電機組出力期望越高、可利用小時數(shù)、年最大利用小 時數(shù)以及各指定區(qū)間下的置信度越高、指定置信度水平下的置信區(qū)間數(shù)值越大，表明該地 的風(fēng)資源越大，反之越小。
[0059] 更為詳細的實施例子:如下以某地風(fēng)資源評估為應(yīng)用對象，演示本專利評估方法 的應(yīng)用結(jié)果。
[0060] 附圖2給出了某時間區(qū)間內(nèi)原始風(fēng)速變化曲線。原始風(fēng)速數(shù)據(jù)取自美國國家航空 航天局（NASA)網(wǎng)站。附圖3給出風(fēng)速數(shù)據(jù)頻率密度直方圖及擬合曲線，此處使用雙參數(shù) we ibul 1分布對風(fēng)速分布進行擬合，擬合所得尺寸參數(shù)c和形狀參數(shù)k分別為5.594，2.175。
[0061] 基于風(fēng)速分布，結(jié)合風(fēng)電機組特性公式導(dǎo)出的風(fēng)電機組出力概率分布如下式，其 中風(fēng)機特性參數(shù)為:切入風(fēng)速為3m/s，額定風(fēng)速10.5m/s，切出風(fēng)速為25m/s。
[0062]
[0063]其中，fp(p) = fweibuii (p+0 · 0239 | 0 · 1548，0 · 725)。附圖4和附圖 5分別給出了風(fēng)電機 組出力概率密度函數(shù)曲線及概率分布函數(shù)曲線，圖中同時給出了直接對風(fēng)功率進行統(tǒng)計得 到的頻率直方圖。對比可見，本發(fā)明方法導(dǎo)出的風(fēng)電機組出力概率密度函數(shù)及概率分布函 數(shù)能夠很好擬合風(fēng)功率的分布。
[0064]附表1給出了風(fēng)電機組出力統(tǒng)計指標及綜合評估。由表中數(shù)據(jù)可以看出，該示例停 機概率達到0.2以上，而滿發(fā)、0.9pu以上出力概率在0.03以內(nèi)，0.5pu以上出力也在0.1之 內(nèi)；盡管有效利用小時數(shù)較高，但大部分實際風(fēng)機出力較小，一半以上的時間出力小于 0. lpu，出力小于半載的時間達到了90%，因而風(fēng)機最大利用小時數(shù)較低，出力期望值較小。 上述數(shù)據(jù)表明：該地風(fēng)資源不是十分豐富，建設(shè)風(fēng)電場時成本回收周期較長，且應(yīng)選用切入 和額定風(fēng)速低的風(fēng)機。
[0065]附表1風(fēng)電機組出力統(tǒng)計指標及綜合評估示例 [0066]
[0067]上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范 圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不 需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種考慮風(fēng)機特性的風(fēng)機出力多指標評估方法，其特征是，包括以下步驟： 步驟一:獲取原始風(fēng)速數(shù)據(jù)并對原始風(fēng)速數(shù)據(jù)進行預(yù)處理； 步驟二:風(fēng)速概率分布擬合:對步驟一中預(yù)處理后的風(fēng)速數(shù)據(jù)進行風(fēng)速概率分布擬合， 在擬合時，每種擬合方式有相應(yīng)的擬合目標； 步驟三:風(fēng)電機組出力概率分布求取：以步驟二中的擬合獲得的風(fēng)速概率分布為起點， 結(jié)合風(fēng)電機組出力特性導(dǎo)出風(fēng)電機組出力概率分布； 步驟四：風(fēng)電機組出力統(tǒng)計數(shù)值特征量計算:基于導(dǎo)出的風(fēng)電機組出力概率分布，計算 得到風(fēng)電機組的多個統(tǒng)計指標； 步驟五:風(fēng)電機組出力綜合評估:根據(jù)步驟四中得到的風(fēng)電機組的多個統(tǒng)計指標對風(fēng) 電機組出力進行綜合評價。2. 如權(quán)利要求1所述的一種考慮風(fēng)機特性的風(fēng)機出力多指標評估方法，其特征是，獲取 的原始風(fēng)速數(shù)據(jù)為來自氣象站或測風(fēng)塔的實際數(shù)據(jù)，還可以是軟件模擬的仿真數(shù)據(jù)。3. 如權(quán)利要求2所述的一種考慮風(fēng)機特性的風(fēng)機出力多指標評估方法，其特征是，原始 風(fēng)速數(shù)據(jù)需要滿足等時間間隔的要求，從而能夠用于風(fēng)速概率分布擬合，若風(fēng)速數(shù)據(jù)序列 時間尺度不同，應(yīng)采用差值方法擴充數(shù)據(jù)至等時間間隔。4. 如權(quán)利要求3所述的一種考慮風(fēng)機特性的風(fēng)機出力多指標評估方法，其特征是，在風(fēng) 速概率分布擬合時，米用Weibull分布或RayLeigh分布擬合相關(guān)分布的參數(shù)。5. 如權(quán)利要求4所述的一種考慮風(fēng)機特性的風(fēng)機出力多指標評估方法，其特征是，擬合 過程采用最小二乘擬合或最大似然估計擬合； 利用續(xù)型隨機變量的函數(shù)的分布求解定理，結(jié)合風(fēng)速概率分布特性和風(fēng)機特性，推導(dǎo) 風(fēng)機出力概率分布特性。6. 如權(quán)利要求1所述的一種考慮風(fēng)機特性的風(fēng)機出力多指標評估方法，其特征是，記風(fēng) 速的概率密度函數(shù)和概率分布函數(shù)分別為fv( v)和Fv(V)，則采用雙參數(shù)Weibull分布時的風(fēng) 速概率密度函數(shù)fv(v)及概率分布函數(shù)Fv(V)的形式如下，其中尺寸參數(shù)c和形狀參數(shù)k是擬 合目標：V表示風(fēng)速，是隨機變量，V表示指定的風(fēng)速。7. 如權(quán)利要求6所述的一種考慮風(fēng)機特性的風(fēng)機出力多指標評估方法，其特征是，風(fēng)電 機組出力特性反映了風(fēng)電機組對不同風(fēng)速的風(fēng)能利用能力的差異，使用機組特性曲線表 征，使用下式P(V)表征風(fēng)電機組出力特性：其中，輸入數(shù)據(jù)有:切入風(fēng)速V?t-in，切出風(fēng)速，額定風(fēng)速Vr和額定功率Pr，使用額 定出力Pr對P標么，以使分析結(jié)果更加直觀。8. 如權(quán)利要求7所述的一種考慮風(fēng)機特性的風(fēng)機出力多指標評估方法，其特征是，由連 續(xù)型隨機變量的函數(shù)的分布求解定理可導(dǎo)出風(fēng)電機組出力概率分布函數(shù)為：式中，fp(p) = fv(h(p)) |h'（p) I為風(fēng)電機組出力概率密度函數(shù)，式中的h(p)為P(V)的反 函數(shù)，其存在性由P(V)的單調(diào)性保證。9. 如權(quán)利要求1所述的一種考慮風(fēng)機特性的風(fēng)機出力多指標評估方法，其特征是，統(tǒng)計 指標包括風(fēng)電機組的出力期望E(P)、風(fēng)能可利用小時數(shù)h e、風(fēng)機年最大利用小時數(shù)hmax、出 力分別大于〇 . 5和0.9的置信度?1和?2、滿發(fā)概率p3、停機概率P4、置信度分別等于0.5和0.9 的置信區(qū)間Cl和C2。10. 如權(quán)利要求1-9任一所述的一種考慮風(fēng)機特性的風(fēng)機出力多指標評估方法，其特征 是，考慮風(fēng)機特性的風(fēng)機出力多指標評估結(jié)果用于有效風(fēng)能資源評估、風(fēng)電場選址、風(fēng)機選 型及風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響分析。
【文檔編號】H02J3/46GK105896599SQ201610268702
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月27日
【發(fā)明人】牛新生, 李雪亮, 吳健, 劉曉明, 張怡, 曹本慶, 溫妍, 施嘯寒, 張 杰, 王亮, 汪湲, 安鵬, 王春義, 李莉, 瞿寒冰, 慈文斌, 田鑫, 曹相陽, 亓超, 高效海, 楊思, 楊斌, 王男, 張麗娜, 薄其濱, 魏鑫
【申請人】國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院, 山東大學(xué)