间歇风速下风力发电机输出功率的评估方法技术

本发明专利技术涉及并网风力发电机输出功率的评估，具体为间歇风速下风力发电机输出功率的评估方法。解决现有技术尚无间歇风速下风力发电机输出模型研究，即缺乏间歇风速下风力发电机输出功率的评估方法的问题。本发明专利技术利用混沌理论中的分形维数确定间歇性风速区间。利用功率谱密度函数的湍流动能确定间歇性风速区间内的间歇风速，可以较准确地定位风速数据中的强波动风速。根据动量‑叶素理论，利用桨叶转速和风速评估桨叶吸收的风能，根据风机功率转换效率评估风机输出功率。为高风电渗透率电力系统规划奠定理论基础。与经典风力发电机功率输出模型相比，可以较准确地评估强风速波动情况下风机输出功率。

Evaluation method of wind turbine output power under intermittent wind speed

The invention relates to the evaluation of the output power of a grid connected wind generator, in particular to a method for evaluating the output power of a wind-driven generator under intermittent wind speed. The output model of wind turbine under the condition of no intermittent wind speed is solved, that is, the method of evaluating the output power of wind turbines without intermittent wind speed. The invention utilizes the fractal dimension in the chaos theory to determine the interval of intermittent wind speed. By using the kinetic energy of the power spectrum density function to determine the intermittent wind speed in the intermittent wind speed range, the strong fluctuation wind speed in the wind speed data can be accurately located. According to the momentum blade element theory, using the blade speed and wind speed of wind blade absorption evaluation, according to the fan power conversion efficiency evaluation of wind power output. It lays a theoretical foundation for the planning of high wind permeability power system. Compared with the power output model of the classic wind generator, the output power of the wind turbine can be accurately evaluated under the condition of strong wind speed fluctuations.

【技术实现步骤摘要】
间歇风速下风力发电机输出功率的评估方法
本专利技术涉及并网风力发电机输出功率的评估，具体为间歇风速下风力发电机输出功率的评估方法。
技术介绍
由于风速的易变性和不可控性，风力发电机(简称风机)几乎时刻遭受较大程度的扰动，这种扰动无论对机组本身还是对与之相联的电力系统，都将产生一定的影响。因此，在研究并网风电场运行、规划及动态特性等有关问题时需要建立与之相适应的风速和风机功率输出模型，从而分析风速变化特性，研究在一定风速条件下风电场功率输出能力。风速模型影响电力系统运行规划问题的解决。工程实际应用中大多以平均风速为基础研究系统运行规划问题，未考虑强波动风速对电力系统的影响。风速的时空分布有很强的间歇性，其不确定性及混沌特性远比负荷强烈。间歇风速是指短时间内剧烈波动的风速。建立准确的间歇性风速模型，确定波动程度大的风速，对解决电力系统规划运行问题至关重要。准确的风力发电机功率输出模型是解决电力系统规划运行问题的关键，为分析间歇风速对风电场输出功率的影响，应建立考虑桨叶转速时滞的风力发电机功率输出模型。传统风机输出模型忽略了风速变化时桨叶转速的滞后性对风机输出功率的影响，认为桨叶转速始终是当前风速对应的最佳转速，风机输出是当前风速对应的最大输出功率，即经典风机输出模型认为桨叶转速阶跃变化，夸大了风速快速变化时风电场输出功率。工程实际应用中大多以稳定风速为基础根据经典风机模型研究风电场输出功率对系统规划运行的影响。考虑间歇风速的风力发电机输出模型尚待研究。
技术实现思路
本专利技术解决现有技术尚无间歇风速下风力发电机输出模型研究，即缺乏间歇风速下风力发电机输出功率的评估方法的问题，提供一种间歇风速下风力发电机输出功率的评估方法。本专利技术是采用如下技术方案实现的：间歇风速下风力发电机输出功率的评估方法，是由如下步骤实现的：一、间歇性风速区间的确定将一定时间长度的历史风速数据分解为时间长度为t的Nk个风速区间,逐一分析每个风速区间的风速波动程度，确定间歇性风速区间；将每个风速区间的风速数据曲线进一步分解为时间长度为Δt的N等分，N的数值越大计算的精确度越高，并以Δt为短边的矩形框将每一等分标出，Nk个风速区间之一，即第i个风速区间的所有矩形框的矩形面积之和Vi为：第i个风速区间的分形维度Ci为：式中：vj,min和vj,max分别为第j个Δt的风速最小值和最大值，j＝1，2，3……N；根据参考文献：程雪玲，全利红，胡非，等.阵风的分形与混沌特征研究[J].气候与环境研究，2007，03：256-266.确定分形维数参考值Cr，如果第i个风速区间的分形维度Ci大于Cr，风速波动性强，定义为间歇性风速区间；二、间歇性风速的确定在间歇性风速区间内，不是所有时间点上的风速均是间歇性风速，有必要逐一分析间歇性风速区间的风速变化强度，将波动性强的风速确定为间歇性风速；在间歇性风速区间，以风速采样时间为依据，将间歇性风速区间分为Nm个风速区段，气象学研究中利用冯卡门功率谱密度函数分析间歇风速的湍流特性[2]，根据功率谱密度函数S(f)将每个风速区段按不同频率分量进行分解，式中：h＝1,2,…,Nm；σh是第h个风速区段的湍流风速标准差；L为湍流尺度，经验值为300米；vh,m,、vh,mx和vh,mn为第h个风速区段的平均风速、最大风速和最小风速；风速波动强度与风速谱密度函数中高频成分提供的湍流动能成正比；独立风速高频分量所提供的湍流动能占总动能的百分比为：式中：fr是高频参考值，根据参考文献：庞加斌，宋丽莉，林志兴，等.风的湍流特性两种分析方法的比较及其应用[J]，同济大学学报(自然科学版)，2006，01：27-32.来确定其数值；如果Ph小于参考值Pr，Pr为经验值，取值为0.3，表示第h个风速区段的风速波动性弱，忽略风速变化对系统运行的影响；如果Ph大于Pr，表示第h个风速区段的风速波动性强，将第h个风速区段的风速定义为间歇性风速；三、间歇风速下的风力发电机输出功率的确定将一定时间长度的历史风速数据分解为时间长度为t的Nk个风速区间，其中间歇性风速区间的数量为NP：间歇性风速区间内有Nm个风速区段，其中间歇性风速的风速区段的数量为NW：风速变化时，桨叶受惯性影响，桨叶转速逐渐变化。经典风机输出模型认为桨叶转速阶跃变化，夸大了风速快速变化时风电场输出功率；根据动量-叶素理论(BladeElement-MomentumTheory,BEMT)[3]，利用桨叶转速和风速评估桨叶吸收的风能，根据风机功率转换效率评估风机输出功率；根据动量-叶素理论，将长度为D/2的风机桨叶在垂直于其长度方向上分为宽度为dr的M个叶素，r为叶素与桨叶转轴之间的距离，c为叶素弦长，D为桨叶最外端旋转轨迹的直径；此时弦长为c位置为r的叶素工作在风速v、转速n的情况下；叶素旋转角速度为Ω，入流风速为v，引入轴向诱导因子a和切向诱导因子a'，通过叶素的水平轴向速度为v(1-a)，切向速度为Ωr(1+a')，轴向速度和切向速度合成相对风速W；α为攻角；β为叶素桨距角(公知：叶素桨距角是曲机桨叶固有参数)；叶素的来流角φ＝α+β，φ＝arctan[v(1-a)/Ωr(1+a′)](9)在相对风速W的作用下，叶素受到的气动力可以分解为垂直于相对风速W方向的升力dFL及平行于相对风速W方向的阻力dFD：式中：ρ为空气密度。根据风力发电机制造厂商提供的翼型空气动力特性曲线查询不同攻角下的叶素升力系数Cl和阻力系数Cd；叶素升力dFL和叶素阻力dFD沿着平行和垂直风机桨叶旋转平面方向进行分解，最终得到驱动叶素旋转的推力dFm和垂直风机桨叶旋转平面的推力dFt：式中：Ct＝(Clsinφ-Cdcosφ)和Cn＝(Clcosφ+Cdsinφ)分别为切向力系数和法向力系数；式中：σ为密实度，即材料的固体物质部分的体积占总体积的比例，σ＝Bc/2πr，B为风机桨叶个数；通过假设轴向诱导因子a和切向诱导因子a'的初始值，根据如下方法求取轴向诱导因子a和切向诱导因子a'的数值：1)设定轴向诱导因子a和切向诱导因子a'的初始值ach和a'ch；2)计算叶素的来流角φ；3)计算攻角α；4)根据确定的攻角查询叶素升力系数Cl和阻力系数Cd；5)计算切向力系数Ct和法向力系数Cn；6)计算新的轴向诱导因子anew和切向诱导因子a'new；7)如果满足：|ach－anew＜ε|和|a'ch－a'new＜ε|，ε为给定的无穷小量，则a＝ach，a'＝a'ch；8)如果不满足：|ach－anew＜ε|和|a'ch－a'new＜ε|，使ach＝anew，a'ch＝a'new，从计算叶素的来流角φ开始重复以上过程，直到满足|ach－anew＜ε|和|a'ch－a'new＜ε|为止；将驱动叶素旋转的推力dFm与力臂相乘，计算第k个叶素的转矩dMk，k＝1，2，……M，将转矩与角速度相乘，计算第k个叶素吸收的风功率dPk，将每一个叶素吸收的风功率相加，获得整个风机吸收的风功率Pblade，式中：M为一个桨叶的叶素总数，B为风机桨叶个数；根据风力发电机功率转换效率，评估风机在风速v、转速n的输出功率PBEMT，PBEMT(v,n)＝η×Pblade(v,n)(18)式中：η为风机功率转换效率。[2]庞本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种间歇风速下风力发电机输出功率的评估方法，其特征在于是由如下步骤实现的：一、间歇性风速区间的确定将一定时间长度的历史风速数据分解为时间长度为t的N

【技术特征摘要】
1.一种间歇风速下风力发电机输出功率的评估方法，其特征在于是由如下步骤实现的：一、间歇性风速区间的确定将一定时间长度的历史风速数据分解为时间长度为t的Nk个风速区间,逐一分析每个风速区间的风速波动程度，确定间歇性风速区间；将每个风速区间的风速数据曲线进一步分解为时间长度为Δt的N等分，N的数值越大计算的精确度越高，并以Δt为短边的矩形框将每一等分标出，Nk个风速区间之一，即第i个风速区间的所有矩形框的矩形面积之和Vi为：第i个风速区间的分形维度Ci为：式中：vj,min和vj,max分别为第j个Δt的风速最小值和最大值，j＝1，2，3……N；根据参考文献：程雪玲，全利红，胡非，等.阵风的分形与混沌特征研究[J].气候与环境研究，2007，03：256-266.确定分形维数参考值Cr，如果第i个风速区间的分形维度Ci大于Cr，风速波动性强，定义为间歇性风速区间；二、间歇性风速的确定在间歇性风速区间，以风速采样时间为依据，将间歇性风速区间分为Nm个风速区段，根据功率谱密度函数S(f)将每个风速区段按不同频率分量进行分解，式中：h＝1,2,…,Nm；σh是第h个风速区段的湍流风速标准差；L为湍流尺度，经验值为300米；vh,m,、vh,mx和vh,mn为第h个风速区段的平均风速、最大风速和最小风速；风速波动强度与风速谱密度函数中高频成分提供的湍流动能成正比；独立风速高频分量所提供的湍流动能占总动能的百分比为：式中：fr是高频参考值，根据参考文献：庞加斌，宋丽莉，林志兴，等.风的湍流特性两种分析方法的比较及其应用[J]，同济大学学报(自然科学版)，2006，01：27-32.来确定其数值；如果Ph小于参考值Pr，Pr为经验值，取值为0.3，表示第h个风速区段的风速波动性弱，忽略风速变化对系统运行的影响；如果Ph大于Pr，表示第h个风速区段的风速波动性强，将第h个风速区段的风速定义为间歇性风速；三、间歇风速下的风力发电机输出功率的确定将一定时间长度的历史风速数据分解为时间长度为t的Nk个风速区间，其中间歇性风速区间的数量为NP：间歇性风速区间内有Nm个风速区段，其中间歇性风速的风速区段的数量为NW：根据动量-叶素理论，将长度为D/2的风机桨叶在垂直于其长度方向上分为宽度为dr的M个叶素，r为叶素与桨叶转轴之间的距离，c为叶素弦长，D为桨叶最外端旋转轨迹的直径；此时弦长为c位置为r的叶素工作在风速v、转速n的情况下；叶素旋转角速度为Ω，入流风速为v，引入轴向诱导因子a和切向诱导因子a'，通过叶素的水平轴向速度...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏，梁琛，韩肖清，秦文萍，宋述勇，王金浩，贾燕冰，
申请(专利权)人：太原理工大学，国网山西省电力公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：山西,14