一種風(fēng)電場(chǎng)集群風(fēng)速預(yù)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種風(fēng)電場(chǎng)集群風(fēng)速預(yù)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著清潔能源特別是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備數(shù)量越來越 多，多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)規(guī)?；薪尤肱潆娋W(wǎng)系統(tǒng)情景下，在風(fēng)電場(chǎng)和相關(guān)測(cè)風(fēng)塔建設(shè)開展的初 期，由于各風(fēng)電場(chǎng)站建設(shè)的工期不同，僅僅得到少量的風(fēng)電場(chǎng)歷史出力信息和相關(guān)區(qū)域的 風(fēng)速歷史信息。因此無法得到更加準(zhǔn)確的區(qū)域內(nèi)全部風(fēng)電場(chǎng)在同一時(shí)間尺度內(nèi)的風(fēng)速數(shù) 據(jù)，并為規(guī)劃及后期調(diào)度工作提供數(shù)據(jù)支撐，無法準(zhǔn)確地判斷風(fēng)電場(chǎng)輸出功率(通常稱為出 力）。由于風(fēng)電場(chǎng)的出力與風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)站的風(fēng)速水平息息相關(guān)，因此風(fēng)速水平的預(yù)測(cè)顯得格外 重要。目前國(guó)內(nèi)尚無比較成熟的風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)速的預(yù)測(cè)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是揭示一種風(fēng)電場(chǎng)集群風(fēng)速預(yù)測(cè)方 法，它是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。
[0004] 一種風(fēng)電場(chǎng)集群風(fēng)速預(yù)測(cè)方法，其特征在于其包含以下依次進(jìn)行的步驟： 第一步：風(fēng)電場(chǎng)聚類的步驟，其包括： (Al)輸入各風(fēng)電場(chǎng)地理信息數(shù)據(jù)的步驟：輸入各風(fēng)電場(chǎng)的二維地理坐標(biāo)，其中，先確定 某一地點(diǎn)的地理坐標(biāo)原點(diǎn)，然后確定某風(fēng)電場(chǎng)距該原點(diǎn)的橫向距離為X坐標(biāo)、某風(fēng)電場(chǎng)距 該原點(diǎn)的縱向距離為Y坐標(biāo)，逐個(gè)確定各風(fēng)電場(chǎng)的二維地理坐標(biāo)；其中，水平距離及縱向距 離的測(cè)量采用Google earth軟件進(jìn)行獲得； (A2)采用K-means法對(duì)地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)聚類分群的步驟：（a)初始化隨機(jī)產(chǎn)生K個(gè)聚類的 質(zhì)心；（b)計(jì)算所有已輸入的各風(fēng)電場(chǎng)地理信息數(shù)據(jù)樣本與每個(gè)質(zhì)心的歐氏距離，將數(shù)據(jù) 樣本加入與其歐氏距離最短的那個(gè)質(zhì)心的簇中；（c)計(jì)算現(xiàn)在每個(gè)簇的質(zhì)心，進(jìn)行更新，判 斷新質(zhì)心是否與原質(zhì)心相等，若相等，則迭代結(jié)束，若不相等，回到（b)繼續(xù)迭代； (A3)得到風(fēng)電場(chǎng)分群情況的步驟：根據(jù)（A2)計(jì)算得到的質(zhì)心得到風(fēng)電場(chǎng)分群情況數(shù) 據(jù)；并將風(fēng)電場(chǎng)分群情況數(shù)據(jù)送入第二步； 第二步：風(fēng)速相關(guān)層次分析的步驟，其包括： (BI)建立風(fēng)速相關(guān)層次結(jié)構(gòu)的步驟； 假設(shè)某一已知風(fēng)電場(chǎng)為風(fēng)電場(chǎng)A，質(zhì)心與風(fēng)電場(chǎng)A最近的為風(fēng)電場(chǎng)B，根據(jù)某一已知風(fēng) 電場(chǎng)A的相關(guān)資料，將目標(biāo)層命令為基于A風(fēng)電場(chǎng)的A/B風(fēng)電場(chǎng)的相關(guān)性強(qiáng)度α ;根據(jù)相關(guān) 性的強(qiáng)度，將準(zhǔn)則層設(shè)置為五類：極強(qiáng)相關(guān)、強(qiáng)相關(guān)、中等相關(guān)、弱相關(guān)、極弱相關(guān)；由于Α、 B風(fēng)電場(chǎng)地理位置相近，受到的季風(fēng)影響和區(qū)域氣壓影響都很相似，近似可視為同一區(qū)域的 風(fēng)電場(chǎng)；將造成A、B兩風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速差距的主要因素作為方案層，主要有海拔、溫度、地形、空 氣密度、濕度；獲得了目標(biāo)層、準(zhǔn)則層及方案層； (Β2)依據(jù)影響風(fēng)速因子的重要程度構(gòu)造判斷函數(shù)的步驟； 對(duì)同一層次的各因素關(guān)于上一層中某一因素的重要性進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造判斷矩陣， 為了使各因素之間兩兩比較得到量化的判斷矩陣，引入1-9的標(biāo)度，1-9標(biāo)度的含義為： 標(biāo)度U1,)為1，定義：i因素與j因素同樣重要， 標(biāo)度U1,)為3,定義：i因素與j因素略重要， 標(biāo)度U1,)為5,定義：i因素與j因素較重要， 標(biāo)度U1,)為7,定義：i因素與j因素非常重要， 標(biāo)度U1,)為9,定義：i因素與j因素絕對(duì)重要， 標(biāo)度Ulj)為2, 4, 6, 8,定義：為以上兩判斷之間的中間狀態(tài)對(duì)應(yīng)的標(biāo)度值， 標(biāo)度U1,)為倒數(shù)，定義：若j因素與i因素比較，得到判斷值為&]1=1/&1]， a]1=l ; (B3)求解特征值及特征向量并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)的步驟； 構(gòu)造出判斷矩陣A之后采用方根法求出矩陣A的最大絕對(duì)值的特征值 再利用它代入對(duì)應(yīng)的特征方程i, 解出相應(yīng)的特征向量W，然后將特征向量W 歸一化，獲得同一層次的各因素相對(duì)于上一層中某因素的重要性權(quán)重，具體步驟如下： (Β3. 1)計(jì)算判斷矩陣每行所有元素的幾何平均值： r
(B3. 2)將g歸一化，即計(jì)算
即為所 求特征向量的近似值，這也是各因素的相對(duì)權(quán)重； (B3. 3)計(jì)算判斷矩陣的最大特征值
其中為向量gg的第 i個(gè)元素； (B3. 4) -致性檢驗(yàn)，用來衡量判斷矩陣不一致程度的數(shù)量指標(biāo)稱為一致性指標(biāo)，記 為C，定義為
其中η為矩陣的階數(shù)，當(dāng)C=O時(shí)，判斷矩陣是一致的，C值越大， 判斷矩陣的完全一致性越差；然后引入修正值R，并取(^為衡量判斷矩陣一致性的指標(biāo)：
只要Cili〈=〇. 1，認(rèn)為判斷矩陣的一致性可以接受，否則重新進(jìn)行兩兩比較判斷，其 中修正值R的取值與判斷矩陣的維數(shù)η有關(guān)，具體為： 維數(shù)η=1時(shí)，R=O ;維數(shù)η=2時(shí)，R=O ;維數(shù)η=3時(shí)，R=O. 58 ;維數(shù)η=4時(shí)，R=O. 90 ;維數(shù) η=5 時(shí)，R=L 12 ;維數(shù) η=6 時(shí)，R=L 24 ;維數(shù) η=7 時(shí)，R=L 32 ;維數(shù) η=8 時(shí)，R=L 41 ;維數(shù) η=9 時(shí)，R=L 45 ; (Β4)求解各風(fēng)速影響因子對(duì)風(fēng)速相關(guān)性的影響概率的步驟； 通過得出的特征向量，得到不同元素對(duì)上層因子的影響概率：將得到的矩陣合并并相 乘，各風(fēng)速影響元素對(duì)兩風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速相關(guān)性的影響概率公式為：
，式中P 為一行五列的矩陣，其中每一元素值即為對(duì)應(yīng)風(fēng)速影響要素對(duì)風(fēng)速的影響概率值； (B5 )分析各風(fēng)速影響因子對(duì)風(fēng)速相關(guān)性的影響的步驟；并將各風(fēng)速影響因子對(duì)風(fēng)速相 關(guān)性的影響情況數(shù)據(jù)送入第三步；其中： (B5. 1)海拔對(duì)風(fēng)速的影響：通過指數(shù)公式來計(jì)算風(fēng)速隨高度的變化影響，其公式為
式中，t距地面高度為h處的風(fēng)速，m / s ; K1-高度為hi處的風(fēng)速，m / s ; 驗(yàn)指數(shù)，它取決于大氣穩(wěn)定度和地面粗糙度，其值為1/2~1/8,對(duì)于近地面層，風(fēng)速隨 高度的變化則主要取決于地面粗糙度，不同地面情況的地面粗糙度α如下對(duì)應(yīng)關(guān)系： 地面情況：光滑地面，硬地面海洋，其粗糙度α 10， 地面情況：城市高地有較高草地?cái)?shù)目極少，其粗糙度α 16， 地面情況：樹木多，建筑物極少，其粗糙度α : 0. 22-0. 24， 地面情況：森林，村莊，其粗糙度α : 0. 28-0. 30， 地面情況：城市有高層建筑，其粗糙度α : 0.4， 計(jì)算近地面不同高度的風(fēng)速時(shí)仍采用上述公式，只是用α代替式中的指數(shù)η; (Β5. 2)地形對(duì)風(fēng)速的影響：劃分為迎風(fēng)面、背風(fēng)面、順風(fēng)面及過渡帶四種地形傾向與風(fēng) 向的關(guān)系，以風(fēng)向?yàn)橹鲗?dǎo)，將地形分為隆升地形及低洼地形；其中，隆升地形對(duì)氣流的影 響：根據(jù)公式
，式中：A為山頂與山麓風(fēng)速比為山頂與山麓相對(duì)高度 差；i為系數(shù)，取為0.07;低洼地形對(duì)氣流的影響：根據(jù)下述束縛關(guān)系核算不同地形與平 坦地面風(fēng)速比值：
(B5. 3)大氣穩(wěn)定度對(duì)風(fēng)速的影響：大氣穩(wěn)定性對(duì)風(fēng)速廓線的影響在低風(fēng)速時(shí)考慮，在 高風(fēng)速時(shí)可忽略：
，式中，f 一大氣穩(wěn)定性函數(shù)，取決于 ，I,一奧步霍夫穩(wěn)定長(zhǎng)度，它是大氣運(yùn)動(dòng)引起的剪切力與熱浮力之比，為可變未知量， 然后確定大氣穩(wěn)定度等級(jí)，分為強(qiáng)不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、弱不穩(wěn)定、中性、較穩(wěn)定和穩(wěn)定六級(jí)，它 們分別表示為A、B、C、D、E、F，確定等級(jí)時(shí)首先計(jì)算出太陽(yáng)高度角按太陽(yáng)輻射等級(jí)數(shù)表查出 太陽(yáng)輻射等級(jí)數(shù)，再由太陽(yáng)輻射等級(jí)數(shù)與地面風(fēng)速按大氣穩(wěn)定度的等級(jí)表查找穩(wěn)定等級(jí)， 太陽(yáng)輻射等級(jí)數(shù)表
大氣穩(wěn)定度的等級(jí)
第三步：預(yù)測(cè)相鄰風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)速的步驟；其中，其包括： (Cl)風(fēng)速的預(yù)測(cè)方法：待預(yù)測(cè)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速的計(jì)算表達(dá)式如下：
式中f為預(yù)測(cè)風(fēng)速；&為已知地區(qū)風(fēng)速為單位值的 影響要素變化對(duì)風(fēng)速的影響量；i為兩地的影響要素差值；f為影響要素對(duì)風(fēng)速預(yù)測(cè)的影 響概率； (C2)風(fēng)速的預(yù)測(cè)結(jié)果誤差分析：對(duì)風(fēng)速預(yù)測(cè)結(jié)果按誤差指標(biāo)及計(jì)算公式如下：平均絕 對(duì)誤差
均方誤差：
，平均絕對(duì)百分比 誤差
[0005] 本專利提出了一種基于已知風(fēng)電站風(fēng)速水平來預(yù)測(cè)相關(guān)性較強(qiáng)的風(fēng)電站的風(fēng)速 水平得一種方法，這種方法的適用性是相關(guān)性較強(qiáng)的風(fēng)電場(chǎng)，對(duì)相關(guān)性的分析采用基于 Kmeans的聚類分析，以地理位置信息作為分群的指標(biāo)，利用MATLAB的工具箱對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn) 行聚類，從而完成對(duì)地區(qū)相關(guān)性較強(qiáng)的風(fēng)電場(chǎng)聚為一類，完成對(duì)一各地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)的分區(qū)，這 種方法的提出為該區(qū)組內(nèi)的風(fēng)速預(yù)測(cè)提供了前提，而對(duì)于預(yù)測(cè)的方法，本專利提出了的基 于層次分析法的預(yù)測(cè)方法，通過層次分析法計(jì)算出影響因素對(duì)兩地區(qū)風(fēng)速相關(guān)性的影響概 率，結(jié)合各元素對(duì)風(fēng)速的影響，可以提出從已知數(shù)據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速推求未知場(chǎng)站的風(fēng)速水 平的方法。從而我們可以從區(qū)域內(nèi)已建風(fēng)電場(chǎng)的已知數(shù)據(jù)算得待建風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速水平，最 后算得區(qū)內(nèi)各風(fēng)電場(chǎng)的出力，將區(qū)間出力相加便得到某地區(qū)的出力總和，采用本專利的方 法，對(duì)于湖北省隨州市的風(fēng)電進(jìn)行了準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。
[0006] 因此，本發(fā)明的風(fēng)電場(chǎng)集群風(fēng)速預(yù)測(cè)方法操作性、實(shí)用