山地風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)輸出評(píng)估方法研究

魏 斌,王海明,曲 瑩,田建艷

(太原理工大學(xué) a.電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，b.信息工程學(xué)院，太原 030024)

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山地風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)輸出評(píng)估方法研究

魏 斌a,王海明a,曲 瑩a,田建艷b

(太原理工大學(xué) a.電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，b.信息工程學(xué)院，太原 030024)

由于山體地形的特殊性,加之風(fēng)電機(jī)組間存在相互遮擋,在風(fēng)速和風(fēng)向變化時(shí)山地風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)輸出波動(dòng)較大,無(wú)法充分利用風(fēng)能。針對(duì)以上問(wèn)題提出一種山地風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)輸出評(píng)估方法,該方法首先分別構(gòu)建了計(jì)及尾流效應(yīng)的山體地形風(fēng)速模型、風(fēng)電機(jī)組的輸出功率模型和隨機(jī)風(fēng)向模型。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合ArcGIS開(kāi)發(fā)了一套風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)輸出評(píng)估系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)分析了風(fēng)速和風(fēng)向變化對(duì)山地風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)輸出的影響,找出了最佳風(fēng)向角和最佳風(fēng)速范圍,從而為山地風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組的最優(yōu)布局和提高風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能利用率提供了理論指導(dǎo)。

山地風(fēng)電場(chǎng);風(fēng)速和風(fēng)向;穩(wěn)態(tài)輸出評(píng)估;最佳風(fēng)向角;最佳風(fēng)速范圍

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的蓬勃發(fā)展,風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)量和規(guī)模均與日俱增。山地和丘陵地區(qū)地勢(shì)較高,風(fēng)能資源豐富,因此山地風(fēng)電場(chǎng)已成為風(fēng)電場(chǎng)選址的重要組成部分[1]。然而,由于地貌非常復(fù)雜,山地風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速和風(fēng)壓分布極不均衡,各臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)態(tài)輸出均不同于平原地區(qū)。因此,精確評(píng)估山地風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)輸出,對(duì)于合理規(guī)劃山地風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組布局,提高風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能利用率,提升電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)山地風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)輸出的評(píng)估進(jìn)行了大量的研究。徐玉琴等考慮了風(fēng)機(jī)間的尾流效應(yīng),并依據(jù)其對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行分類(lèi)和合并等值[2],從而建立了風(fēng)電場(chǎng)的等值模型。鄭瑞敏等[3]通過(guò)分析尾流效應(yīng)和風(fēng)電場(chǎng)地形對(duì)位于風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)不同位置風(fēng)機(jī)風(fēng)速的影響,建立了大型風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)輸出模型,并應(yīng)用于含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)隨機(jī)潮流的計(jì)算。田琳琳等[4]考慮了山地地形對(duì)風(fēng)速的影響,修正了尾流模型,得到風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)經(jīng)過(guò)各臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速,然后建立了風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)輸出模型,并根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo),優(yōu)化了風(fēng)電機(jī)組的布局。HOSSEIN et al[5]基于A(yíng)RIMA時(shí)空模型對(duì)風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行了建模,并利用蒙特卡羅濾波法和最大似然估計(jì)法校正了風(fēng)速模型,建立了完整的風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速模型和風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)輸出模型。目前,基于風(fēng)速模型的山地風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)輸出評(píng)估方法并未考慮風(fēng)向和風(fēng)速變化對(duì)風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)輸出的影響,無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)輸出。而基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的山地風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)輸出評(píng)估方法,由于無(wú)法準(zhǔn)確描述風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)不同風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性的差異,其精確性還有待提高。因此,提出更加準(zhǔn)確的山地風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)輸出評(píng)估方法具有十分重要的意義。

本文提出一種山地風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)輸出評(píng)估方法,該方法分別建立計(jì)及尾流效應(yīng)的山體地形風(fēng)速模型,風(fēng)電機(jī)組的輸出功率模型和隨機(jī)風(fēng)向模型。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合ArcGIS開(kāi)發(fā)出一套風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)輸出評(píng)估系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)分析風(fēng)速和風(fēng)向變化對(duì)山地風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)輸出的影響,找出最佳風(fēng)向角和最佳風(fēng)速范圍,從而為山地風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組的最優(yōu)布局和提高風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能利用率提供理論指導(dǎo)。

1 計(jì)及尾流效應(yīng)的山體地形風(fēng)速模型

位于山體地形的風(fēng)電機(jī)組,其輸出功率主要受到山體地形和尾流效應(yīng)的影響。因此,通過(guò)構(gòu)建計(jì)及尾流效應(yīng)的山體地形風(fēng)速模型,分析山體地形和尾流效應(yīng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)速的影響,對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)輸出具有重要的意義[6]。本文構(gòu)建的山體地形二維模型如圖1所示。

圖1 山體地形二維模型Fig.1 The two-dimensional model of mountain

圖1中,v0為距離地表垂直高度為z處的風(fēng)速;H是山坡的高度;L1為迎風(fēng)半坡長(zhǎng)度;L2為背風(fēng)半坡長(zhǎng)度,一般情況下近似認(rèn)為L(zhǎng)1=L2.則該山體形狀的表達(dá)式為:

(1)

風(fēng)吹過(guò)山坡后風(fēng)速會(huì)變快,距離坡面高度為z處的風(fēng)速vx與v0之間的關(guān)系為:

(2)

(3)

式中:a和b均為位置參數(shù),與坡度s和地形條件相關(guān)。在二維山坡模型中通常取b=4，對(duì)于a有:

緩坡,即s<0.3時(shí),

(4)

陡坡,即s>0.3時(shí),

(5)

圖2 計(jì)及尾流效應(yīng)的山體地形風(fēng)速模型Fig.2 The hilly wind speed model considering wake effects

式中:L的取值為,迎風(fēng)坡面(即x<0時(shí)),L=L1;背風(fēng)坡面(即x>0時(shí)),L=L2.建立計(jì)及尾流效應(yīng)的山體地形風(fēng)速模型如圖2所示。由該模型可知,在風(fēng)向確定的情況下,風(fēng)機(jī)2可能完全處于風(fēng)機(jī)1的尾流區(qū)域內(nèi),即完全遮擋,如圖2(a)所示;也可能部分處于風(fēng)機(jī)1的尾流區(qū)域內(nèi),即部分遮擋,如圖2(b)所示。

圖2中,v0為距離地表垂直高度為z處的風(fēng)速;v1和v2為經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)1和風(fēng)機(jī)2的風(fēng)速;x為風(fēng)機(jī)1和風(fēng)機(jī)2之間的水平距離;r為風(fēng)機(jī)葉輪的半徑;rw為風(fēng)機(jī)1對(duì)風(fēng)機(jī)2尾流的半徑。

圖2(a)中,經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)2的風(fēng)速v2為:

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式中:z0為地表粗糙度,一般取0.002;z為風(fēng)機(jī)輪轂高度。最后,由式(2)、式(6)和式(7)聯(lián)立計(jì)算可得:

v2=v0(1+abs)×

(13)

圖3 山地風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組尾流效應(yīng)遮擋示意圖Fig.3 Shadow areas for wake effects of wind turbine generations on a hilly wind farm

山地風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)尾流效應(yīng)遮擋情況如圖3所示,圖中d為風(fēng)機(jī)1和風(fēng)機(jī)2葉輪中心間的垂直距離,則陰影面積As為:

(14)

(15)

式中:βk為遮擋系數(shù);Ask為第k臺(tái)風(fēng)電機(jī)組對(duì)第i臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的遮擋面積;vki為第i臺(tái)風(fēng)電機(jī)組被第k臺(tái)風(fēng)電機(jī)組完全遮擋時(shí)接收的風(fēng)速;n為風(fēng)電機(jī)組總臺(tái)數(shù)。

2 風(fēng)電機(jī)組的輸出功率模型

風(fēng)電機(jī)組的輸出功率同風(fēng)速和機(jī)組特性等密切相關(guān)。由于風(fēng)速具有隨機(jī)性,使得風(fēng)電機(jī)組的輸出功率與風(fēng)速之間呈非線(xiàn)性關(guān)系,通常用圖4中曲線(xiàn)近似表示。

圖4 風(fēng)電機(jī)組風(fēng)速-輸出功率特性曲線(xiàn)Fig.4 The characteristic curve of wind speed and output power for wind turbine generations

由圖4可知,如果可以確定某一時(shí)刻下的風(fēng)速,就可根據(jù)該曲線(xiàn)計(jì)算該時(shí)刻下風(fēng)電機(jī)組的輸出功率,運(yùn)用分段函數(shù)可近似表示為:

(16)

式中:P為風(fēng)電機(jī)組輸出功率;v為某一時(shí)刻的風(fēng)速;Pr為風(fēng)電機(jī)組的額定功率;vci,vr,vco分別為風(fēng)電機(jī)組的切入風(fēng)速、額定風(fēng)速以及切出風(fēng)速;k1,k2,k3為相應(yīng)參數(shù),其值與風(fēng)電機(jī)組的類(lèi)型有關(guān),其表達(dá)式為:

(17)

3 隨機(jī)風(fēng)向模型

由于風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)向具有隨機(jī)性,當(dāng)風(fēng)向發(fā)生改變時(shí),遮擋面積As和遮擋系數(shù)βk將難以準(zhǔn)確計(jì)算。對(duì)于圖5中的風(fēng)電場(chǎng),當(dāng)風(fēng)向角α=0°時(shí),2號(hào)風(fēng)機(jī)不被遮擋,而4號(hào)風(fēng)機(jī)被1號(hào)風(fēng)機(jī)完全遮擋;風(fēng)向角α=45°時(shí),2號(hào)和4號(hào)風(fēng)機(jī)被1號(hào)風(fēng)機(jī)部分遮擋;風(fēng)向角α=90°時(shí),4號(hào)風(fēng)機(jī)不受遮擋,而2號(hào)風(fēng)機(jī)則被1號(hào)風(fēng)機(jī)完全遮擋。

圖5 風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組分布Fig.5 The distribution of wind turbine generations in wind farm

(18)

通過(guò)構(gòu)建的隨機(jī)風(fēng)向模型不同風(fēng)向下各臺(tái)風(fēng)機(jī)的位置得到了重新排列,使得計(jì)算遮擋面積As和遮擋系數(shù)βk更為便捷,更加方便了計(jì)算機(jī)求解風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各臺(tái)風(fēng)機(jī)接收的風(fēng)速和風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)輸出。

4 風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)輸出評(píng)估系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)輸出評(píng)估系統(tǒng)方案圖如圖6所示。該系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)模塊,穩(wěn)態(tài)輸出計(jì)算模塊和地圖模塊3大功能模塊。

圖6 評(píng)估系統(tǒng)方案圖Fig.6 The scheme map of evaluation system

數(shù)據(jù)模塊的主要作用是進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各種物理參數(shù)的設(shè)置,其主要包含3個(gè)部分的參數(shù),分別是風(fēng)電場(chǎng)參數(shù)、風(fēng)機(jī)參數(shù)和風(fēng)況參數(shù)。風(fēng)電場(chǎng)參數(shù)包括風(fēng)電場(chǎng)名稱(chēng)、風(fēng)機(jī)間最小距離、測(cè)風(fēng)塔高程和測(cè)風(fēng)塔高度。風(fēng)機(jī)參數(shù)包括風(fēng)機(jī)類(lèi)型、風(fēng)機(jī)高度、葉輪半徑、切入風(fēng)速、額定風(fēng)速、切出風(fēng)速和風(fēng)機(jī)額定功率。風(fēng)況參數(shù)則包括了風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)向和風(fēng)速。

穩(wěn)態(tài)輸出計(jì)算模塊的功能是計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)輸出,該模塊的計(jì)算依據(jù)的是本文建立的計(jì)及尾流效應(yīng)的山體地形風(fēng)速模型、風(fēng)電機(jī)組的輸出功率模型和隨機(jī)風(fēng)向模型,其程序流程圖如圖7所示。

圖7 穩(wěn)態(tài)輸出計(jì)算模塊的程序流程圖Fig.7 The program flow chart of steady-state output calculation module

穩(wěn)態(tài)輸出計(jì)算模塊主要包含2個(gè)命令,分別是計(jì)算功率和查看功率。在數(shù)據(jù)模塊的參數(shù)設(shè)置完成后,選擇“計(jì)算功率”即可求取風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)輸出,通過(guò)“查看功率”即可顯示計(jì)算結(jié)果。

地圖模塊是基于A(yíng)rcGIS設(shè)計(jì)的,ArcGIS是美國(guó)環(huán)境系統(tǒng)研究所在地理信息系統(tǒng)(GIS)的基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)的可伸縮的GIS平臺(tái)[7],具有強(qiáng)大的地圖制作和空間數(shù)據(jù)管理能力。地圖模塊的作用是根據(jù)數(shù)據(jù)模塊的相關(guān)參數(shù)構(gòu)建和顯示直觀(guān)的風(fēng)電場(chǎng)三維地形圖,并且具備地圖縮放和視角調(diào)節(jié)等功能。

5 應(yīng)用

選取風(fēng)電場(chǎng)和風(fēng)機(jī)參數(shù)如下:風(fēng)機(jī)類(lèi)型為“SL1500/82”,風(fēng)機(jī)高度80 m,葉輪半徑r為41.45 m,切入風(fēng)速vci為3 m/s,額定風(fēng)速vr為10.5 m/s,切出風(fēng)速vco為25 m/s,額定功率為1.5 MW .風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)為10臺(tái),風(fēng)機(jī)間最小距離為風(fēng)輪直徑的1.5倍,約為124.35 m,測(cè)風(fēng)塔高程和高度分別為775 m和80 m,以西風(fēng)作為基準(zhǔn)風(fēng)向,風(fēng)向角沿順時(shí)針?lè)较蛑饾u增大。

表1 山地風(fēng)電場(chǎng)不同風(fēng)向下的穩(wěn)態(tài)輸出

表1所示為山地風(fēng)電場(chǎng)模型在不同風(fēng)向下(v=10.5 m/s)的穩(wěn)態(tài)輸出。從表1中可以看到,風(fēng)電場(chǎng)的總發(fā)電量為39.282 MW·h,當(dāng)風(fēng)向角為120°時(shí),各臺(tái)風(fēng)電機(jī)組之間的相互遮擋最小,風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率和出力百分比達(dá)到最大,分別為13.687 MW和91.25%,因此該山地風(fēng)電場(chǎng)模型的最佳風(fēng)向角為120°.

當(dāng)風(fēng)向角為120°時(shí),該山地風(fēng)電場(chǎng)模型的穩(wěn)態(tài)輸出變化曲線(xiàn)如圖8所示。從圖中可以看到,風(fēng)速3≤v≤12.2 m/s期間,隨著v的逐漸增大,風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率也逐漸增大,當(dāng)v達(dá)到12.2 m/s時(shí),風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)輸出達(dá)到額定值15 MW;當(dāng)v達(dá)到24.6 m/s時(shí),風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)輸出開(kāi)始下降,因此最佳風(fēng)速范圍為12.2～24.6 m/s .

圖8 山地風(fēng)電場(chǎng)不同風(fēng)速下的穩(wěn)態(tài)輸出Fig.8 Steady-state outputs of wind farm at different wind speeds

通過(guò)分析上述山地風(fēng)電場(chǎng)模型在不同風(fēng)速和不同風(fēng)向下的穩(wěn)態(tài)輸出結(jié)果不難發(fā)現(xiàn):通過(guò)調(diào)整風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組的布局,使風(fēng)電場(chǎng)的最佳風(fēng)向角與風(fēng)電場(chǎng)所處地區(qū)的主導(dǎo)風(fēng)向一致且盡可能增大最佳風(fēng)向角下風(fēng)電場(chǎng)的最佳風(fēng)速范圍,可以有效提高山地風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能利用率。

6 結(jié)論

提出了一種山地風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)輸出評(píng)估方法,該方法綜合考慮了山地風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各臺(tái)風(fēng)電機(jī)組所處地形以及相互之間尾流遮擋的影響,并分別構(gòu)建了計(jì)及尾流效應(yīng)的山體地形風(fēng)速模型、風(fēng)電機(jī)組的輸出功率模型和隨機(jī)風(fēng)向模型。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合ArcGIS開(kāi)發(fā)了一套風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)輸出評(píng)估系統(tǒng)。最后,通過(guò)該系統(tǒng)分析了風(fēng)速和風(fēng)向變化對(duì)山地風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)輸出的影響,找出了最佳風(fēng)向角和最佳風(fēng)速范圍,從而為山地風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組的最優(yōu)布局和提高風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能利用率提供了理論指導(dǎo)。

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(編輯：劉笑達(dá))

Research on Steady-state Output Assessment Method for Hilly Wind Farm

WEI Bina,WANG Haiminga,QU Yinga,TIAN Jianyanb

(a.College of Electric and Power Engineering,b.CollegeofInformationEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

Owing to the particularity of hillside and interactions between wind turbine generators (WTGs), the steady-state outputs of WTGs fluctuate greatly when wind speed and wind direction change, and the wind energy is not utilized fully. Aiming at the issue this paper proposes,a steady-state output assessment method for hilly wind farm.Firstly, the hilly wind speed model considering wake effects, output power model of WTGs and random wind model are established.On the basis of these, a steady-state output evaluation system for a wind farm is designed combining with ArcGIS. Finally, this system is used to analyze the steady-state output of a hilly wind farm.The optimum wind directions and ranges of wind speed are obtained.It provides theoretical guidance for the optimal distribution of WTGs and the improvement of wind energy efficiency.

hilly wind farm;wind speed and wind direction;steady-state output evaluation;the best wind direction;the best ranges of wind speed

1007-9432(2016)04-0527-05

2015-12-11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目：基于融合決策的風(fēng)電場(chǎng)建模策略與方法研究(51277127)

魏斌(1989-),男,山西太谷人，博士生,主要從事風(fēng)電場(chǎng)建模和電力系統(tǒng)可靠性分析研究,(E-mail)weibin279@sina.cn

TM76

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.04.018