一种基于置信等效功率曲线带的风电建模及性能评估方法技术

本发明专利技术涉及风电数据处理领域，具体涉及一种基于置信等效功率曲线带的风电建模及性能评估方法，包括：对异常数据样本进行初筛剔除；将风速分为三个区域，采用核密度估计法统计每个区域内风速、功率概率分布情况，得到每个区域的Copula函数；采用最大似然估计法得到对应区域的置信等效功率边界模型；采用分段三次Hermite插值法重构缺失数据，完成原始数据样本的清洗；将置信度带宽比的均值作为模型性能评价指标，采用d折交叉验证的方法对不同区域上下边界模型进行验证，当指标基本稳定在某一定值时，确立不同区域的上下边界模型；采用滚动时间窗方法更新数据，以置信度带宽比的偏离度作为触发条件，超出一定阈值时进行上下边界模型更新。

【技术实现步骤摘要】
一种基于置信等效功率曲线带的风电建模及性能评估方法
本专利技术涉及风电数据处理领域，具体涉及一种基于置信等效功率曲线带的风电建模及性能评估方法。
技术介绍
风电并网装机容量快速发展，规模化风电难以消纳，风资源的间歇性和随机性特点引起弃风限电现象严重。此外，风电数据采集、传输及存储过程中难免出现误差，包含大量异常数据会使其概率分布失真，难以正确表征风机真实运行特性，将严重影响到基于风机运行数据的相关应用研究的准确性和可靠性。因此，有必要通过技术手段预处理风机数据，采用一种科学、合理、严谨的方法对风电功率数据中异常数据进行识别剔除，提高风机数据质量，对于基于数据的风电场理论功率恢复等应用研究其精度及可靠性将会显著改善，对合理评价风电场/群运行的安全性和经济性、科学衡量风电消纳情况等具有重大理论和应用指导意义。而目前尚没有合适的基于置信等效功率曲线带的风机数据清洗模型建立及其性能评估方法。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出一种基于置信等效功率曲线带的风电建模及性能评估方法，包括：步骤1：根据风机运行机理将风机运行分为五个不同的阶段，包括切入阶段、最大风能跟踪阶段、过渡阶段、额定功率阶段和切出阶段，基于风机阶段运行参量统计特征，对不同阶段的异常数据样本进行初筛剔除；步骤2：根据风机运行阶段，将风速分为三个区域为区域I、П、Ш，结合步骤1进行异常数据初筛后得到的数据，采用核密度估计法统计每个区域内风速、功率概率分布情况，得到风速-功率的联合概率分布模型，分析其联合分布特性，得到每个区域对应的Copula函数；步骤3：结合步骤2所得到的每个区域对应的Copula函数，采用半参数法，确定风速-功率联合分布函数，给定风速累积概率分布取值，得到功率累计概率分布取值的条件概率分布函数，建立每个区域的理论等效功率曲线的置信水平，采用最大似然估计法求出风速、功率的累积概率分布函数，进而得到对应区域的置信等效功率边界模型；步骤4：基于步骤3得到的风速-功率数据上下边界模型对原始数据样本进行数据剔除，采用分段三次Hermite插值法重构缺失数据，完成原始数据样本的清洗；步骤5：采用置信度带宽比作为数据清洗质量指标，对区域I、П、Ш，分别采用核密度估计法统计并对比其数据清洗前后的概率分布特性；步骤6：将置信度带宽比的均值作为模型性能评价指标，采用3折交叉验证的方法分别对区域I、П、Ш的上下边界模型进行验证，当指标稳定在某一定值时，确立区域I、П、Ш的上下边界模型；步骤7：采用滚动时间窗方法更新数据，并计算区域I、П、Ш时间窗间隔对应的置信度带宽比，以置信度带宽比的偏离度作为触发条件，超出一定阈值时进行区域I、П、Ш上下边界模型更新，重复步骤1-7。所述步骤1具体包括：风机的运行过程包括五个阶段，分别是：切入阶段：0≤V<Vcut_in，P＝0；最大风能跟踪阶段：过渡阶段：额定功率阶段：Vrated≤V<Vcut_out，P＝Prated<Pmax；切出阶段：Vcut_out≤V，P＝0；其中，V为当前风机运行速度；Vcut_in为风机切入阶段最大运行速度；为风机最大风能跟踪阶段最大运行速度；Vrated为风机过渡阶段最大运行速度；Vcut_out为风机额定功率阶段最大运行速度；P为当前风机输出功率；为风机最大风能跟踪阶段最大输出功率；Prated为风机额定功率；Pmax为风机最大输出功率，分别采集相同时间段下相同采样周期的V、P时间序列，风机运行在切入、切出阶段时，剔除风机输出功率非零的异常数据点；风机运行在最大风能跟踪阶段时，采用风速间隔ε将此风速区间均匀划分为k个间隔，间隔风速区间表示为Vsmin＝Vcut_in+(s-1)*ε(1)Vsmax＝Vcut_in+s*ε(2)其中，vs为第s个间隔风速区间的当前风机运行速度；Vsmin为第s个间隔风速区间的风机最小运行速度；Vsmax为第s个间隔风速区间的风机最大运行速度；s＝1，2，…，k，k为自然数；ε为风速间隔，依照风能最大利用率理论，理论最优转速和理论最优出力Ptheor分别为：其中，因此，针对不同Vsmin＜Vs＜Vsmax风速区间，代入式(3)、(5)得到各区间段内风机转速和功率理论值：其中，为第s个间隔风速区间的风机最小理论转速；为第s个间隔风速区间的风机最大理论转速；为第s个间隔风速区间的风机最小理论出力；为第s个间隔风速区间的风机最大理论出力，按照以上风速分段机制针对不同Vs区间，对存在的异常数据点初筛剔除；风机运行在过渡阶段时，输出功率满足采用风速分段实现精确化剔除，其中，κ'为过渡阶段计及波动性的风机出力缩放系数的上限；κ”为过渡阶段计及波动性的风机出力缩放系数的下限，风机运行在额定功率阶段时，输出功率满足Prated-γ′≤P≤Prated+γ″≤Pmax，根据此范围区间对超限数据点进行初筛剔除，其中，γ'为额定功率阶段计及波动性的风机出力缩放系数的上限；γ″为额定功率阶段计及波动性的风机出力缩放系数的下限。所述步骤1还具体包括：风机运行在最大风能跟踪阶段时，考虑一定湍流强度下风轮转速及功率值的波动性，对得到各区间段内风机转速和功率理论值进行缩放：当风机出力其中，ξ′为计及波动性的风机转速缩放系数的上限；ξ″为计及波动性的风机转速缩放系数的下限；η′为计及波动性的风机出力缩放系数的上限；η″为计及波动性的风机出力缩放系数的下限。所述步骤2具体包括：当风机运行于最大风能跟踪阶段时，将此风速段划分为区域I，采用最大风能追踪的控制策略，保持桨距角为0，依据实时风速数据，不断地调整风轮转速，以保证叶轮最佳叶尖比，实现风能最大利用；当风机运行于过渡阶段时，将此风速段划分为区域П，采用恒转速控制策略，通过调节发电机转矩，使风机转速保持基本稳定，实现风机从最大风能跟踪运行状态平稳过渡到额定功率运行状态；当风机运行于额定功率阶段时，将此风速段划分为区域Ш，采用定速变桨控制策略，此过程中风功率受到风轮、发电机及电气转换装置各组件最大负载限制，输出功率被严格限制在机组最大输出功率Pmax；设X1，X2，…，Xn是取自一元连续总体的样本，在任意点x处的总体密度函数f(x)的核密度估计定义为：其中，K(·)为核函数；h为窗宽；n为样本总数；Xi为第i个样本，在此基础上得到风速、功率联合频率直方图，进而依据频率直方图分别判断区域I、П内风速-功率相关结构：区域I具有上尾部特性；区域П具有对称尾部特性，区域Ш具有下尾部特性，分别选取二元GumbelCopula函数、二元FrankCopula函数和二元ClaytonCopula函数。所述步骤3具体包括：步骤31：基于Copula理论分别构造风速-功率联合概率分布函数C(FP(p)，FV(v))，采用半参数法拟合未知参数ψ，确定风速-功率联合分布函数C(FP(p)，FV(v))，给定风速累积概率分布取值，得到功率累计概率分布取值的条件概率分布函数F(FP(p)|FV(v))为：其中，V、P为风速区域I、П、Ш的风速、功率变量；FV(v)、FP(p)分别为区域I、П、Ш上整体风速、功率的累积概率分布函数；C表示由唯一Copula函数连接起来的V、P联合分布函数；F表示风速累计概率分布取本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于置信等效功率曲线带的风电建模及性能评估方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1：根据风机运行机理将风机运行分为五个不同的阶段，包括切入阶段、最大风能跟踪阶段、过渡阶段、额定功率阶段和切出阶段，基于风机阶段运行参量统计特征，对不同阶段的异常数据样本进行初筛剔除；步骤2：根据风机运行阶段，将风速分为三个区域，分别为区域I、П、Ш，结合步骤1进行异常数据初筛后得到的数据，采用核密度估计法统计每个区域内风速、功率概率分布情况，得到风速‑功率的联合概率分布模型，分析其联合分布特性，得到每个区域对应的Copula函数；步骤3：结合步骤2所得到的每个区域对应的Copula函数，采用半参数法，确定风速‑功率联合分布函数，给定风速累积概率分布取值，得到功率累计概率分布取值的条件概率分布函数，建立每个区域的理论等效功率曲线的置信水平，采用最大似然估计法求出风速、功率的累积概率分布函数，进而得到对应区域的置信等效功率边界模型；步骤4：基于步骤3得到的所述风速‑功率数据上下边界模型对原始数据样本进行数据剔除，采用分段三次Hermite插值法重构缺失数据，完成原始数据样本的清洗；步骤5：采用置信度带宽比作为数据清洗质量指标，对区域I、П、Ш，分别采用核密度估计法统计并对比其数据清洗前后的概率分布特性；步骤6：将置信度带宽比的均值作为模型性能评价指标，采用3折交叉验证的方法分别对区域I、П、Ш的上下边界模型进行验证，当指标稳定在某一定值时，确立区域I、П、Ш的上下边界模型；步骤7：采用滚动时间窗方法更新数据，并计算区域I、П、Ш时间窗间隔对应的置信度带宽比，以置信度带宽比的偏离度作为触发条件，超出一定阈值时进行区域I、П、Ш上下边界模型更新，重复步骤1‑7。...

【技术特征摘要】
1.一种基于置信等效功率曲线带的风电建模及性能评估方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1：根据风机运行机理将风机运行分为五个不同的阶段，包括切入阶段、最大风能跟踪阶段、过渡阶段、额定功率阶段和切出阶段，基于风机阶段运行参量统计特征，对不同阶段的异常数据样本进行初筛剔除；步骤2：根据风机运行阶段，将风速分为三个区域，分别为区域I、П、Ш，结合步骤1进行异常数据初筛后得到的数据，采用核密度估计法统计每个区域内风速、功率概率分布情况，得到风速-功率的联合概率分布模型，分析其联合分布特性，得到每个区域对应的Copula函数；步骤3：结合步骤2所得到的每个区域对应的Copula函数，采用半参数法，确定风速-功率联合分布函数，给定风速累积概率分布取值，得到功率累计概率分布取值的条件概率分布函数，建立每个区域的理论等效功率曲线的置信水平，采用最大似然估计法求出风速、功率的累积概率分布函数，进而得到对应区域的置信等效功率边界模型；步骤4：基于步骤3得到的所述风速-功率数据上下边界模型对原始数据样本进行数据剔除，采用分段三次Hermite插值法重构缺失数据，完成原始数据样本的清洗；步骤5：采用置信度带宽比作为数据清洗质量指标，对区域I、П、Ш，分别采用核密度估计法统计并对比其数据清洗前后的概率分布特性；步骤6：将置信度带宽比的均值作为模型性能评价指标，采用3折交叉验证的方法分别对区域I、П、Ш的上下边界模型进行验证，当指标稳定在某一定值时，确立区域I、П、Ш的上下边界模型；步骤7：采用滚动时间窗方法更新数据，并计算区域I、П、Ш时间窗间隔对应的置信度带宽比，以置信度带宽比的偏离度作为触发条件，超出一定阈值时进行区域I、П、Ш上下边界模型更新，重复步骤1-7。2.如权利要求1所述的一种基于置信等效功率曲线带的风电建模及性能评估方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：风机的运行过程包括五个阶段，分别是：切入阶段：0≤V<Vcut_in，P＝0；最大风能跟踪阶段：过渡阶段：额定功率阶段：Vrated≤V<Vcut_out，P＝Prated<Pmax；切出阶段：Vcut_out≤V，P＝0；其中，V为当前风机运行速度；Vcut_in为风机切入阶段最大运行速度；为风机最大风能跟踪阶段最大运行速度；Vrated为风机过渡阶段最大运行速度；Vcut_out为风机额定功率阶段最大运行速度；P为当前风机输出功率；为风机最大风能跟踪阶段最大输出功率；Prated为风机额定功率；Pmax为风机最大输出功率，分别采集相同时间段下相同采样周期的V、P时间序列，风机运行在切入、切出阶段时，剔除风机输出功率非零的异常数据点；风机运行在最大风能跟踪阶段时，采用风速间隔ε将此风速区间均匀划分为k个间隔，间隔风速区间表示为Vsmin<Vs<Vsmax，Vsmin＝Vcut_in+(s-1)*ε(1)Vsmax＝Vcut_in+s*ε(2)其中，Vs为第s个间隔风速区间的当前风机运行速度；Vsmin为第s个间隔风速区间的风机最小运行速度；Vsmax为第s个间隔风速区间的风机最大运行速度；s＝1，2，…，k，k为自然数；ε为风速间隔，依照风能最大利用率理论，理论最优转速和理论最优出力Ptheor分别为：其中，因此，针对不同Vsmin<Vs<Vsmax风速区间，代入式(3)、(5)得到各区间段内风机转速和功率理论值：其中，为第s个间隔风速区间的风机最小理论转速；为第s个间隔风速区间的风机最大理论转速；为第s个间隔风速区间的风机最小理论出力；为第s个间隔风速区间的风机最大理论出力，按照以上风速分段机制针对不同Vs区间，对存在的异常数据点初筛剔除；风机运行在过渡阶段时，输出功率满足采用风速分段实现精确化剔除，其中，κ'为过渡阶段计及波动性的风机出力缩放系数的上限；κ”为过渡阶段计及波动性的风机出力缩放系数的下限，风机运行在额定功率阶段时，输出功率满足Prated-γ'≤P≤Prated+γ”≤Pmax，根据此范围区间对超限数据点进行初筛剔除，其中，γ'为额定功率阶段计及波动性的风机出力缩放系数的上限；γ”为额定功率阶段计及波动性的风机出力缩放系数的下限。3.如权利要求2所述的一种基于置信等效功率曲线带的风电建模及性能评估方法，其特征在于，所述步骤1还具体包括：风机运行在最大风能跟踪阶段时，考虑一定湍流强度下风轮转速及功率值的波动性，对得到各区间段内风机转速和功率理论值进行缩放：当风机出力其中，ξ′为计及波动性的风机转速缩放系数的上限；ξ″为计及波动性的风机转速缩放系数的下限；η′为计及波动性的风机出力缩放系数的上限；η″为计及波动性的风机出力缩放系数的下限。4.如权利要求1所述的一种基于置信等效功率曲线带的风电建模及性能评估方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：当风机运行于最大风能跟踪阶段时，将此风速段划分为区域I，采用最大风能追踪的控制策略，保持桨距角为0，依据实时风速数据，不断地调整风轮转速，以保证叶轮最佳叶尖比，实现风能最大利用；当风机运行于过渡阶段时，将此风速段划分为区域П，采用恒转速控制策略，通过调节发电机转矩，使风机转速保持基本稳定，实现风机从最大风能跟踪运行状态平稳过渡到额定功率运行状态；当风机运行于额定功率阶段时，将此风速段划分为区域Ш，采用定速变桨控制策略，此过程中风功率受到风轮、发电机及电气转换装置各组件最大负载限制，输出功率被严格限制在机组最大输出功率Pmax；设X1，X2，…，Xn是取自一元连续总体的样本，在任意点x处的总体密度函数f(x)的核密度估计定义为：其中，K(·)为核函数；h为窗宽；n为样本总数；Xi为第i个样本，在此基础上得到风速、功率联合频率直方图，进而依据频率直方图分别判断区域I、П、Ш内风速-功率相关结构：区域I具有上尾部特性；区域П具有对称尾部特性，区域Ш具有下尾部特性，分别选取二元GumbelCopula函数、二元Fran...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡阳，乔依林，朱红路，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京,11