基于cfd短期風(fēng)速預(yù)測(cè)風(fēng)電場(chǎng)的扇區(qū)管理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】 [0001] ：本發(fā)明涉及一種基于CFD短期風(fēng)速預(yù)測(cè)的風(fēng)電場(chǎng)扇區(qū)管理方法，尤其 涉及一種適合于地形復(fù)雜的風(fēng)電功率物理預(yù)測(cè)方法以及考慮風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)間尾流影響的扇 區(qū)管理方法。
【背景技術(shù)】 [0002] ：近年來(lái)，我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。風(fēng)電目前是我國(guó)僅次于煤電和水 電的第三大電源，"十二五"規(guī)劃提出，到2015年風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)將達(dá)到1億千瓦以上，2020年 達(dá)到2億千瓦，風(fēng)電是我國(guó)實(shí)現(xiàn)"十二五"和2020年非化石能源發(fā)展目標(biāo)的最重要的可再生 能源之一。2013年，中國(guó)（不包括臺(tái)灣地區(qū)），新增裝機(jī)容量16088. 7MW，同比增長(zhǎng)24. 1%; 累計(jì)裝機(jī)容量91412. 89MW，同比增長(zhǎng)21. 4%。新增裝機(jī)和累計(jì)裝機(jī)兩項(xiàng)數(shù)據(jù)均居世界第 一。當(dāng)前我國(guó)風(fēng)電行業(yè)處于高速發(fā)展時(shí)期，大量機(jī)組集中投產(chǎn)。由于需求量過(guò)大，風(fēng)電設(shè)備 生產(chǎn)企業(yè)將重點(diǎn)放在風(fēng)機(jī)生產(chǎn)制造上，沒(méi)有對(duì)如何提升風(fēng)機(jī)發(fā)電效率進(jìn)行研宄。
[0003] 目前，國(guó)家越來(lái)越重視風(fēng)能利用效率，然而在風(fēng)場(chǎng)建設(shè)中，一部分電力投資公司缺 乏針對(duì)地區(qū)特點(diǎn)（風(fēng)資源情況和優(yōu)化選型的風(fēng)機(jī)性能）的風(fēng)場(chǎng)建設(shè)依據(jù)；風(fēng)力機(jī)布置間距 控制方面主要還是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)。大容量風(fēng)電機(jī)組、大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)己經(jīng)成為現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電的主 要發(fā)展方向，這不可避免的帶來(lái)了一些新的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，尾流效應(yīng)就是其中之一。尾 流不僅對(duì)風(fēng)力機(jī)的出力有影響，并且對(duì)風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)疲勞也有影響。根據(jù)流體力學(xué)理論可 知，流動(dòng)的空氣通過(guò)旋轉(zhuǎn)的風(fēng)力機(jī)葉片后會(huì)有動(dòng)量損失，這時(shí)風(fēng)力機(jī)尾流區(qū)域就會(huì)出現(xiàn)紊 流，尾流區(qū)會(huì)出現(xiàn)湍流、渦流等現(xiàn)象，直接影響下游風(fēng)力機(jī)的發(fā)電效率，使下游風(fēng)力機(jī)性能 下降，不能輸出應(yīng)有的最大功率，最終影響整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的總發(fā)電量。
[0004] 風(fēng)電場(chǎng)電力設(shè)備不能實(shí)時(shí)完全應(yīng)對(duì)風(fēng)電時(shí)變間歇對(duì)電網(wǎng)的沖擊，風(fēng)電功率預(yù)測(cè)技 術(shù)提前提供給風(fēng)電場(chǎng)和調(diào)度風(fēng)電場(chǎng)未來(lái)風(fēng)速和發(fā)電量信息，可以提高風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行效率。 該技術(shù)主要采用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)（NWP)作為數(shù)據(jù)來(lái)源。目前，對(duì)中尺度NWP數(shù)據(jù)的降尺度處 理主要有以下2種方法：（1)采用診斷模型與解析算法分析風(fēng)電場(chǎng)局地效應(yīng)對(duì)流場(chǎng)的影響， 這種方法計(jì)算量小，但精度不高。（2)采用計(jì)算流體力學(xué)模型動(dòng)態(tài)模擬流場(chǎng)在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的 發(fā)展變化過(guò)程。這種方法可以獲得比解析法更準(zhǔn)確的流場(chǎng)分布，從而提高風(fēng)速及風(fēng)電功率 預(yù)測(cè)精度，但具有如下難題：每次預(yù)測(cè)都需要求解Navier-Stokes方程（N-S方程）計(jì)算流 場(chǎng)，計(jì)算量巨大，難以滿足風(fēng)電功率預(yù)測(cè)時(shí)效性的要求。
[0005] 分散式風(fēng)電場(chǎng)具有接入風(fēng)機(jī)數(shù)量少、接入點(diǎn)分散、接入電壓等級(jí)低等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外 對(duì)分散式風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)沒(méi)有專門的研宄，存在如下3個(gè)技術(shù)難題：（1)如何根據(jù)有限測(cè) 風(fēng)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)區(qū)域資源評(píng)估、微觀選址和功率預(yù)測(cè)；（2)風(fēng)電場(chǎng)建模會(huì)受到地形高程圖、粗糙 度、大氣穩(wěn)定度、邊界層等一系列因素影響。如何建立準(zhǔn)確的能反映風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況的 物理模型；（3)如何根據(jù)氣象數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，基于物理和統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行準(zhǔn)確的功率預(yù)測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0006] 發(fā)明目的：本發(fā)明提供一種基于CFD短期風(fēng)速預(yù)測(cè)風(fēng)電場(chǎng)的扇區(qū)管理方法，其目 的是解決以往的方式所存在的效果不理想的問(wèn)題。
[0007] 技術(shù)方案：
[0008] 一種基于CFD短期風(fēng)速預(yù)測(cè)風(fēng)電場(chǎng)的扇區(qū)管理方法，CFD即計(jì)算流體力學(xué)；
[0009] 該方法包括如下步驟：
[0010] 步驟1，建立風(fēng)電場(chǎng)CFD流場(chǎng)特性數(shù)據(jù)庫(kù)：
[0011] 利用風(fēng)電場(chǎng)地形高程、粗糙度等數(shù)據(jù)，建立風(fēng)電場(chǎng)物理模型，得到CH)插件表，即 風(fēng)加速比數(shù)據(jù)庫(kù)，針對(duì)可能出現(xiàn)的風(fēng)電場(chǎng)來(lái)流條件對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行CFD預(yù)計(jì)算，將計(jì)算獲得的 流場(chǎng)加速比數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，建立風(fēng)電場(chǎng)流場(chǎng)特性加速比數(shù)據(jù)庫(kù)，利用該數(shù)據(jù)庫(kù)可以將 測(cè)風(fēng)塔位置的風(fēng)速外推至每臺(tái)風(fēng)機(jī)輪轂高度處的風(fēng)速，輸出風(fēng)機(jī)輪轂高度處的預(yù)測(cè)風(fēng)速和 風(fēng)速變化趨勢(shì)，避免每次運(yùn)行預(yù)測(cè)模型時(shí)都進(jìn)行建模工作，有效提高預(yù)測(cè)速度；
[0012] 步驟2,建立基于計(jì)算流體力學(xué)修正風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)的虛擬測(cè)風(fēng)塔：
[0013] 首先對(duì)采集的SCADA系統(tǒng)即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)根據(jù)GB/ T18710-2002并結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際情況，進(jìn)行合理性檢驗(yàn)、相關(guān)性檢驗(yàn)、趨勢(shì)檢驗(yàn)，然后進(jìn) 行數(shù)據(jù)剔除及修正，剔除風(fēng)電機(jī)組不工作或是測(cè)試系統(tǒng)發(fā)生故障的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)可以真 實(shí)反映風(fēng)電機(jī)組的功率輸出情況；然后將所測(cè)機(jī)組嵌套到所建立的物理模型中，利用計(jì)算 流體力學(xué)將機(jī)艙尾部測(cè)風(fēng)設(shè)備所測(cè)得的風(fēng)速推到受較少風(fēng)力發(fā)電機(jī)組尾流影響且與風(fēng)電 機(jī)組功率輸出相關(guān)性較好位置的風(fēng)速，得到經(jīng)過(guò)尾流修正的虛擬測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)后，通過(guò)以下 步驟得到預(yù)測(cè)的虛擬測(cè)風(fēng)塔的氣象信息，首先，利用真實(shí)測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)對(duì)NWP進(jìn)行訂正，保證 CFD模型以及NWP的準(zhǔn)確性，其次，通過(guò)CFD插件表推算出虛擬測(cè)風(fēng)塔各高度處的氣候條件， 最后，將NWP與虛擬測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，并得出虛擬測(cè)風(fēng)塔處未來(lái)氣象數(shù)據(jù)；
[0014] 步驟3,利用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行風(fēng)速預(yù)測(cè)：
[0015] 預(yù)測(cè)模塊首先對(duì)NWP降尺度，通過(guò)氣象神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)修正；將NWP輸入數(shù)據(jù)耦合到參考 測(cè)風(fēng)塔；考慮尾流模型，查詢相近的來(lái)流條件并調(diào)用CFD插件表數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)的流場(chǎng)分布 數(shù)據(jù)，插值計(jì)算該時(shí)刻各臺(tái)風(fēng)電機(jī)組輪轂高度處的預(yù)測(cè)氣象數(shù)據(jù)。按照功率曲線擬合計(jì)算 單臺(tái)風(fēng)機(jī)的預(yù)測(cè)功率，最后計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)單機(jī)和整場(chǎng)的輸出功率。這種預(yù)測(cè)方法將復(fù)雜的 CFD流場(chǎng)數(shù)值模擬放到風(fēng)速預(yù)測(cè)之前完成，合理地解決了 CFD模型的時(shí)效性問(wèn)題。
[0016] 步驟4,基于預(yù)測(cè)信息的風(fēng)電場(chǎng)扇區(qū)管理：
[0017] 根據(jù)預(yù)測(cè)的風(fēng)速和風(fēng)向管理扇區(qū)內(nèi)的風(fēng)機(jī)運(yùn)行，在有尾流影響的扇區(qū)內(nèi)風(fēng)機(jī)采取 停機(jī)和限電管理，在電網(wǎng)限電時(shí)，需要選擇性地關(guān)停一些機(jī)組，才能滿足電網(wǎng)調(diào)度的要求， 限電本身造成發(fā)電企業(yè)經(jīng)濟(jì)損失，這是難以避免的，但是在進(jìn)行限電時(shí)的一些操作可以使 損失降到最低，風(fēng)機(jī)運(yùn)行扇區(qū)管理在限電時(shí)可以關(guān)停受尾流影響較大的機(jī)組，從而較少尾 流中湍流對(duì)風(fēng)機(jī)的損害，延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)的使用壽命。
[0018] 步驟1中：
[0019] 1)風(fēng)電場(chǎng)來(lái)流條件離散，為了覆蓋風(fēng)電場(chǎng)可能出現(xiàn)的來(lái)流條件范圍，將風(fēng)電場(chǎng)空 氣來(lái)流的方向離散為12個(gè)均分的扇區(qū)，從0開始每隔30°劃分一個(gè)風(fēng)向；風(fēng)電場(chǎng)來(lái)流風(fēng)速 離散為1，2, 3…25m/s，每個(gè)風(fēng)速和風(fēng)向的組合構(gòu)成一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)來(lái)流條件，共離散為300個(gè) 來(lái)流條件；
[0020] 2) CFD流場(chǎng)預(yù)計(jì)算，包括入口邊界條件、數(shù)值地理模型模擬和數(shù)值CFD模擬計(jì)算 三部分，CFD計(jì)算區(qū)域以風(fēng)電場(chǎng)為中心，在水平方向上沿風(fēng)電場(chǎng)邊界外擴(kuò)5km以上，高度方 向大于風(fēng)電機(jī)組總高度的20倍，風(fēng)電場(chǎng)及周邊地區(qū)的地形及粗糙度數(shù)字化模型由等高線 數(shù)據(jù)建立，流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域劃分空間網(wǎng)格，網(wǎng)格以六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格為主，風(fēng)電機(jī)組附近網(wǎng)格加 密，水平分辨率約50~70m，風(fēng)電場(chǎng)周邊地區(qū)網(wǎng)格較稀疏；
[0021] 3)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，在風(fēng)電場(chǎng)中對(duì)測(cè)風(fēng)塔、各臺(tái)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行數(shù)字化定位，對(duì)于每個(gè) 計(jì)算獲得的流場(chǎng)，提取其來(lái)流條件的風(fēng)速和風(fēng)向、測(cè)風(fēng)塔及各臺(tái)風(fēng)電機(jī)組輪轂高度的風(fēng)速 和風(fēng)向等重要數(shù)據(jù)，存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，CFD預(yù)計(jì)算所獲得的所有流場(chǎng)的特征數(shù)據(jù)，形成風(fēng)電場(chǎng) 流場(chǎng)加速比數(shù)據(jù)庫(kù)，即CFD插件表；
[0022] CFD插件表為求解基于雷諾平均的Navier-Stokes方程得到的一組風(fēng)速加速比數(shù) 據(jù)庫(kù)，即從測(cè)風(fēng)塔處風(fēng)速和風(fēng)向推算到各風(fēng)機(jī)點(diǎn)位所有扇區(qū)的比例值，如下：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于CFD短期風(fēng)速預(yù)測(cè)風(fēng)電場(chǎng)的扇區(qū)管理方法，包括如下步驟： 步驟1，建立風(fēng)電場(chǎng)CFD流場(chǎng)特性數(shù)據(jù)庫(kù)： 利用風(fēng)電場(chǎng)地形高程、粗糙度等數(shù)據(jù)，建立風(fēng)電場(chǎng)物理模型，得到CFD插件表，即風(fēng)加 速比數(shù)據(jù)庫(kù)，針對(duì)可能出現(xiàn)的風(fēng)電場(chǎng)來(lái)流條件對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行CFD預(yù)計(jì)算，將計(jì)算獲得的流場(chǎng) 加速比數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，建立風(fēng)電場(chǎng)流場(chǎng)特性加速比數(shù)據(jù)庫(kù)，利用該數(shù)據(jù)庫(kù)可以將測(cè)風(fēng) 塔位置的風(fēng)速外推至每臺(tái)風(fēng)機(jī)輪轂高度處的風(fēng)速，輸出風(fēng)機(jī)輪轂高度處的預(yù)測(cè)風(fēng)速和風(fēng)速 變化趨勢(shì)，避免每次運(yùn)行預(yù)測(cè)模型時(shí)都進(jìn)行建模工作，有效提高預(yù)測(cè)速度； 步驟2,建立基于計(jì)算流體力學(xué)修正風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)的虛擬測(cè)風(fēng)塔： 首先對(duì)采集的SCADA系統(tǒng)即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)根據(jù)GB/T18710-2002并結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際情況，進(jìn)行合理性檢驗(yàn)、相關(guān)性檢驗(yàn)、趨勢(shì)檢驗(yàn)，然后進(jìn) 行數(shù)據(jù)剔除及修正，剔除風(fēng)電機(jī)組不工作或是測(cè)試系統(tǒng)發(fā)生故障的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)可以真 實(shí)反映風(fēng)電機(jī)組的功率輸出情況；然后將所測(cè)機(jī)組嵌套到所建立的物理模型中，利用計(jì)算 流體力學(xué)將機(jī)艙尾部測(cè)風(fēng)設(shè)備所測(cè)得的風(fēng)速推到受較少風(fēng)力發(fā)電機(jī)組尾流影響且與