風(fēng)功率波動分量分解器以及風(fēng)電出力波動特性評估方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種風(fēng)功率波動分量分解器以及風(fēng)電出力波動特性評估方法，包括：按照設(shè)定的時間間隔輸入原始風(fēng)速數(shù)據(jù)以及風(fēng)機特性數(shù)據(jù)；將輸入的原始風(fēng)速數(shù)據(jù)以及風(fēng)機特性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為風(fēng)電功率；將風(fēng)電功率分解為波動周期在不同時間等級范圍內(nèi)的波動分量的疊加；以等間隔區(qū)間為步長繪制極值差值頻率分布直方圖；形成波動分量峰谷變化值統(tǒng)計指標(biāo)表；對比不同波動分量的波動特性，結(jié)合不同波動分量對電網(wǎng)影響的性質(zhì)，評價風(fēng)電波動性對電網(wǎng)的影響。本發(fā)明有益效果：將風(fēng)電出力看作多周期變化信號，以多時間尺度峰谷變化量為處理對象，以概率統(tǒng)計為分析工具，進(jìn)行多統(tǒng)計指標(biāo)、多時間尺度的綜合評估。
【專利說明】
風(fēng)功率波動分量分解器以及風(fēng)電出力波動特性評估方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及風(fēng)電波動特性分析技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種風(fēng)功率波動分量分解器以 及風(fēng)電出力波動特性評估方法，從風(fēng)電出力波動對電網(wǎng)影響的角度對出力波動特性進(jìn)行分 析和評估。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和人類對環(huán)境問題的日益關(guān)注，可再生能源的開發(fā)和利用受 到前所未有的重視。風(fēng)力發(fā)電作為成熟、高效的可再生能源發(fā)電技術(shù)之一，近幾年迅猛發(fā) 展，并網(wǎng)裝機容量不斷增加。然而，由于風(fēng)能具有密度低、分布廣的特點，加之現(xiàn)有風(fēng)電機組 抑制出力波動能力差，因而風(fēng)電出力容易受天氣、氣候、地形等因素影響，表現(xiàn)出明顯的波 動性、隨機性。風(fēng)電出力的波動性會對電網(wǎng)運行的安全性、可靠性和經(jīng)濟性產(chǎn)生影響，特別 是對電網(wǎng)的調(diào)頻、調(diào)峰能力提出新的要求。風(fēng)電出力波動特性的準(zhǔn)確高效分析，對于恰當(dāng)評 估風(fēng)電對電網(wǎng)的影響并采取適當(dāng)措施應(yīng)對風(fēng)電帶來的挑戰(zhàn)具有重要意義。
[0003] 現(xiàn)有風(fēng)電波動特性分析方法主要包括以下兩類：
[0004] (1)基于風(fēng)速時間序列進(jìn)行分析。該方法以風(fēng)速數(shù)據(jù)點為統(tǒng)計對象，通過擬合其概 率分布特性，進(jìn)而計算諸如風(fēng)功率密度、有效風(fēng)功率密度等指標(biāo)的分布特性，實現(xiàn)對風(fēng)電出 力波動性的間接分析。然而，風(fēng)速、風(fēng)功率密度等指標(biāo)只能間接反映風(fēng)電出力，不能計及風(fēng) 機的調(diào)節(jié)特性，因此該方法的精度有時不能滿足要求。
[0005] (2)基于實測風(fēng)電出力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該方法以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄的實際風(fēng)電場 出力為初始數(shù)據(jù)，經(jīng)預(yù)處理(如滑動平均，固定時間窗做差等)后進(jìn)行統(tǒng)計分析。目前較常用 的有變化率分析和定時間尺度波動量分析兩種。變化率分析是一種固定步長的差值分析， 它能夠反映風(fēng)電出力的時間變化率和相鄰數(shù)據(jù)點的變化量，但無法計及變化的累計效應(yīng)， 因而無法從整體上評估波動的幅值及其統(tǒng)計特性。定時間尺度波動量分析以波動周期在一 定范圍（如秒級、分鐘級、小時級、日級等）內(nèi)的波動分量為分析對象，通過統(tǒng)計波動分量幅 值分布來評估對應(yīng)時間尺度上波動的大小。然而，目前多數(shù)研究以某個分量為分析對象，不 能獲得風(fēng)電出力總的波動特性。此外，受限于實際風(fēng)電出力數(shù)據(jù)的可得性，基于實際數(shù)據(jù)的 分析方法在應(yīng)用范圍上受到一定限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種風(fēng)功率波動分量分解器以及風(fēng)電出力波動 特性評估方法，該方法以風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)為起點，以多時間尺度峰谷變化量為處理對象，以 概率統(tǒng)計為分析工具，更準(zhǔn)確的反映了波動性。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：
[0008] -種風(fēng)功率波動分量分解器，包括:若干低通濾波器，第一級低通濾波器的輸入為 風(fēng)功率數(shù)據(jù);第二級低通濾波器的輸入為第一級低通濾波器輸入數(shù)據(jù)與輸出數(shù)據(jù)的差值； 第三級低通濾波器的輸入為第二級低通濾波器的輸入數(shù)據(jù)與第二級低通濾波器的輸出數(shù) 據(jù)的差值，第η級低通濾波器的輸入為第n-1級低通濾波器的輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)的差值;η 為正整數(shù)。
[0009]進(jìn)一步地，所述低通濾波器的個數(shù)以及每一個低通濾波器的截止頻率根據(jù)實際需 要設(shè)置。
[0010] 進(jìn)一步地，所述低通濾波器采用巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器或者滑動平均 濾波器實現(xiàn)。
[0011] -種風(fēng)電出力波動特性評估方法，包括以下步驟：
[0012] (1)按照設(shè)定的時間間隔輸入原始風(fēng)速數(shù)據(jù)以及風(fēng)機特性數(shù)據(jù)；
[0013] (2)將輸入的原始風(fēng)速數(shù)據(jù)以及風(fēng)機特性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為風(fēng)電功率；
[0014] (3)以波動周期差異為依據(jù)，將風(fēng)電功率分解為波動周期在不同時間等級范圍內(nèi) 的波動分量的疊加；
[0015] ⑷以各波動分量時間序列為輸入，記錄序列中所有極大值和極小值，并對相鄰極 值做差，統(tǒng)計各極值差值出現(xiàn)的頻數(shù)，進(jìn)而計算各極值差值的頻率分布；以等間隔區(qū)間為步 長繪制極值差值頻率分布直方圖，作為概率分布的直觀表示以及數(shù)值擬合目標(biāo)；
[0016] (5)根據(jù)極值差值概率分布分別計算波動期望、方差以及設(shè)定置信度對應(yīng)的置信 區(qū)間，形成波動分量峰谷變化值統(tǒng)計指標(biāo)表；
[0017] (6)在波動分量峰谷變化值統(tǒng)計指標(biāo)基礎(chǔ)上，對比不同波動分量的波動特性，結(jié)合 不同波動分量對電網(wǎng)影響的性質(zhì)，評價風(fēng)電波動性對電網(wǎng)的影響。
[0018] 進(jìn)一步地，所述步驟(3)中不同時間等級范圍具體包括:秒級、分鐘級和小時級。
[0019] 進(jìn)一步地，采用風(fēng)功率波動分量分解器實現(xiàn)風(fēng)電功率的分解。
[0020] 進(jìn)一步地，所述步驟(6)中，不同波動分量對電網(wǎng)影響具體包括：
[0021] 分鐘級波動分量會明顯影響電網(wǎng)頻率，對系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用提出要求；
[0022] 小時級波動分量會影響電網(wǎng)等效負(fù)荷的峰谷分布，對調(diào)峰能力提出要求；
[0023 ]秒級波動分量會影響并網(wǎng)點電能質(zhì)量。
[0024]本發(fā)明的有益效果是：
[0025] 本發(fā)明將風(fēng)電出力看作多周期變化信號，以多時間尺度峰谷變化量為處理對象， 以概率統(tǒng)計為分析工具，進(jìn)行多統(tǒng)計指標(biāo)、多時間尺度的綜合評估。
[0026] 本發(fā)明以歷史氣象數(shù)據(jù)為輸入，保證了原始數(shù)據(jù)的易得性;使用典型風(fēng)機出力特 性曲線將氣象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為風(fēng)電出力，較準(zhǔn)確計入了風(fēng)機調(diào)節(jié)特性;使用峰谷變化量代替散 點幅值進(jìn)行統(tǒng)計，更準(zhǔn)確的反映了波動性;綜合多時間尺度分量的多個統(tǒng)計指標(biāo)，保證了評 估的全面性。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明評估方法流程圖；
[0028]圖2為本發(fā)明分量分解器構(gòu)成圖；
[0029]圖3為本發(fā)明風(fēng)速數(shù)據(jù)示例；
[0030]圖4為本發(fā)明風(fēng)功率波動分量分解示例；
[0031 ]圖5(a)為本發(fā)明慢波動分量峰谷值變化量頻率分布直方圖示例；
[0032 ]圖5 (b)為本發(fā)明快波動分量峰谷值變化量頻率分布直方圖示例。
【具體實施方式】
[0033] 下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0034] 本發(fā)明中的評估方法包括氣象數(shù)據(jù)輸入、風(fēng)功率生成、波動分量分解、分量峰谷變 化量統(tǒng)計、分量統(tǒng)計指標(biāo)計算與綜合、總體評價綜合等多個環(huán)節(jié)。
[0035] 圖1給出了風(fēng)電出力波動性評估方法流程圖。評估過程共包括以下步驟：
[0036] Step 1:原始風(fēng)速數(shù)據(jù)輸入。風(fēng)速數(shù)據(jù)應(yīng)滿足等時間間隔的要求，時間間隔的變化 僅會影響本評估方法所能夠評估的分量構(gòu)成，不影響方法的可實現(xiàn)性。例如，時間間隔為1 小時時，只能分析小時級及以上波動分量的波動特性，無法獲得分鐘級、秒級的波動特性。
[0037] Step 2:風(fēng)速到風(fēng)功率轉(zhuǎn)化。利用下式所示的典型風(fēng)機出力靜態(tài)特性將風(fēng)速轉(zhuǎn)化 為風(fēng)功率。該步驟以Step 1輸出的風(fēng)速數(shù)據(jù)及風(fēng)機特性數(shù)據(jù)(vcut-in，vcut-out，Vr，Pr )為輸入， 輸出為風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)功率。通常使用額定出力Pr對PM標(biāo)么，以使分析結(jié)果更加直觀。
[0038]
[0039] 其中，切入風(fēng)速Vcut-in，切出風(fēng)速Vcut-out，額定風(fēng)速Vr和額定功率Pr，V為實際風(fēng)速， PM為風(fēng)機實際發(fā)電出力。以額定出力Pr為基值將實際出力P標(biāo)么，以使分析結(jié)果更加直觀。
[0040] Step 3:波動分量分解。以波動周期差異為依據(jù)，將風(fēng)電功率分解為波動周期在不 同時間等級(如秒級、分鐘級、小時級等)的波動量的疊加。
[0041] 波動周期是指風(fēng)電出力變化一個周期的時間，可以是幾秒，幾分鐘，幾個小時。波 動周期大小的不同就是波動周期的差異。
[0042] 不同時間等級是根據(jù)經(jīng)驗和電力系統(tǒng)分析需要決定的：比如波動周期為秒級會對 系統(tǒng)電能質(zhì)量有影響，分鐘級的會對系統(tǒng)頻率有影響，小時級的會對系統(tǒng)調(diào)峰容量設(shè)置有 影響。具體是幾秒，幾分鐘，幾個小時是根據(jù)經(jīng)驗和具體分析對象確定的。
[0043] 圖2給出了波動分量分解實現(xiàn)方法。采用風(fēng)功率波動分量分解器進(jìn)行分解，包括： 若干低通濾波器，第一級低通濾波器的輸入為風(fēng)功率數(shù)據(jù);第二級低通濾波器的輸入為第 一級低通濾波器輸入數(shù)據(jù)與輸出數(shù)據(jù)的差值;第三級低通濾波器的輸入為第二級低通濾波 器的輸入數(shù)據(jù)與第二級低通濾波器的輸出數(shù)據(jù)的差值，第η級低通濾波器的輸入為第n-1級 低通濾波器的輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)的差值;η為正整數(shù)。
[0044] 低通濾波器的個數(shù)以及每一個低通濾波器的截止頻率根據(jù)實際需要設(shè)置。低通濾 波器可采用巴特沃斯濾波器或切比雪夫濾波器實現(xiàn)，或為其它具有低通性質(zhì)的濾波器(如 滑動平均濾波器）。
[0045] 原始數(shù)據(jù)首先經(jīng)過低通錄波器得到慢波動分量，剩余部分為快波動分量?？觳▌?分量可使用低通濾波器進(jìn)行進(jìn)一步分解。低通濾波器個數(shù)及各濾波器截止頻率根據(jù)分析需 要設(shè)置。
[0046] Step 4:波動分量峰谷變化值統(tǒng)計。該步驟以step 3得到的各波動分量時間序列 為輸入，記錄序列中所有極大值和極小值，并對相鄰極值做差。
[0047] 時間序列就是各個時刻風(fēng)電功率大小。序列中所有極大值和極小值指的是風(fēng)電功 率的極大值和極小值;上述操作是對分解之后的風(fēng)電功率進(jìn)行的。也就是對風(fēng)電功率分解 成多個波動分量后，分別進(jìn)行上述操作。
[0048] 統(tǒng)計各極值差值出現(xiàn)的頻數(shù)，進(jìn)而計算其頻率分布，作為概率分布的近似。以等間 隔區(qū)間（如5%)為步長繪制變化量頻率分布直方圖，作為概率分布的直觀表示，同時作為數(shù) 值擬合目標(biāo)。
[0049] Step 5:波動分量峰谷變化值統(tǒng)計指標(biāo)計算?；趕tep 4得到的波動分量峰谷變 化值的概率分布計算波動期望、方差、〇. 5、0.9、0.95、0.99置信度對應(yīng)的置信區(qū)間。繪制波 動性統(tǒng)計指標(biāo)表，給出對應(yīng)分量波動性總體評價。
[0050] Step 6:多分量波動性評價綜合。在各分量波動性統(tǒng)計指標(biāo)基礎(chǔ)上，對比并綜合不 同分量的波動特性。結(jié)合不同波動分量對電網(wǎng)影響的不同性質(zhì)，綜合評價風(fēng)電波動性對電 網(wǎng)的影響。例如，分鐘級波動分量會明顯影響電網(wǎng)頻率，對系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用提出要求，而小時 級波動分量可能會影響電網(wǎng)等效負(fù)荷的峰谷分布，對調(diào)峰能力提出要求。表1給出了風(fēng)功率 波各波動分量波動性統(tǒng)計指標(biāo)及綜合評價示例。
[0051 ]表1波動分量波動性統(tǒng)計指標(biāo)及綜合評價示例 [0052]
[0054] 如下以某地風(fēng)電出力波動性為應(yīng)用對象，演示本專利評估方法的應(yīng)用結(jié)果。
[0055] 附圖3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。風(fēng)機切入風(fēng)速為3m/s，額定風(fēng)速10.5m/s，切出風(fēng)速為25m/s，以此特性 為依據(jù)將風(fēng)速轉(zhuǎn)化成風(fēng)功率。并使用時間窗長度為5h的滑動平均濾波器進(jìn)行分量分解。附 圖4給出了風(fēng)功率波動分量分解結(jié)果，此處以兩個分量為例進(jìn)行演示，多個分量分析過程類 似。附圖5(a)和圖5(b)給出了兩個波動分量峰谷值變化量頻率分布直方圖，統(tǒng)計所用間隔 區(qū)間為5%。附表1給出了兩個波動分量波動性統(tǒng)計指標(biāo)及其評價，以及風(fēng)電出力整體波動 性評價。本例數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果表明：風(fēng)功率波動量中的慢波動分量，波動周期長，波動幅值大 且分散;快波動分量周期短，波動幅值小且集中。
[0056]上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)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(hù)范圍以內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種風(fēng)功率波動分量分解器，其特征是，包括:若干低通濾波器，第一級低通濾波器 的輸入為風(fēng)功率數(shù)據(jù);第二級低通濾波器的輸入為第一級低通濾波器輸入數(shù)據(jù)與輸出數(shù)據(jù) 的差值;第三級低通濾波器的輸入為第二級低通濾波器的輸入數(shù)據(jù)與第二級低通濾波器的 輸出數(shù)據(jù)的差值，第η級低通濾波器的輸入為第Π -1級低通濾波器的輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)的 差值;η為正整數(shù)。2. 如權(quán)利要求1所述的一種風(fēng)功率波動分量分解器，其特征是，所述低通濾波器的個數(shù) 以及每一個低通濾波器的截止頻率根據(jù)實際需要設(shè)置。3. 如權(quán)利要求1所述的一種風(fēng)功率波動分量分解器，其特征是，所述低通濾波器采用巴 特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器或者滑動平均濾波器實現(xiàn)。4. 一種風(fēng)電出力波動特性評估方法，其特征是，包括以下步驟： (1) 按照設(shè)定的時間間隔輸入原始風(fēng)速數(shù)據(jù)以及風(fēng)機特性數(shù)據(jù)； (2) 將輸入的原始風(fēng)速數(shù)據(jù)以及風(fēng)機特性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為風(fēng)電功率； (3) 以波動周期差異為依據(jù)，將風(fēng)電功率分解為波動周期在不同時間等級范圍內(nèi)的波 動分量的疊加； (4) 以各波動分量時間序列為輸入，記錄序列中所有極大值和極小值，并對相鄰極值做 差，統(tǒng)計各極值差值出現(xiàn)的頻數(shù)，進(jìn)而計算各極值差值的頻率分布；以等間隔區(qū)間為步長繪 制極值差值頻率分布直方圖，作為概率分布的直觀表示以及數(shù)值擬合目標(biāo)； (5) 根據(jù)極值差值概率分布分別計算波動期望、方差以及設(shè)定置信度對應(yīng)的置信區(qū)間， 形成波動分量峰谷變化值統(tǒng)計指標(biāo)表； (6) 在波動分量峰谷變化值統(tǒng)計指標(biāo)基礎(chǔ)上，對比不同波動分量的波動特性，結(jié)合不同 波動分量對電網(wǎng)影響的性質(zhì)，評價風(fēng)電波動性對電網(wǎng)的影響。5. 如權(quán)利要求4所述的一種風(fēng)電出力波動特性評估方法，其特征是，所述步驟(3)中不 同時間等級范圍具體包括:秒級、分鐘級和小時級。6. 如權(quán)利要求4所述的一種風(fēng)電出力波動特性評估方法，其特征是，采用權(quán)利要求1-3 所述的任一種風(fēng)功率波動分量分解器實現(xiàn)風(fēng)電功率的分解。7. 如權(quán)利要求4所述的一種風(fēng)電出力波動特性評估方法，其特征是，所述步驟(6)中，不 同波動分量對電網(wǎng)影響具體包括： 分鐘級波動分量會明顯影響電網(wǎng)頻率，對系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用提出要求； 小時級波動分量會影響電網(wǎng)等效負(fù)荷的峰谷分布，對調(diào)峰能力提出要求； 秒級波動分量會影響并網(wǎng)點電能質(zhì)量。
【文檔編號】G06Q50/06GK105932669SQ201610339396
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月19日
【發(fā)明人】牛新生, 李雪亮, 吳健, 劉曉明, 張怡, 曹本慶, 溫妍, 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)