魏 斌,王海明,曲 莹,田建艳

(太原理工大学 a.电气与动力工程学院，b.信息工程学院，太原 030024)



山地风电场稳态输出评估方法研究

魏 斌a,王海明a,曲 莹a,田建艳b

(太原理工大学 a.电气与动力工程学院，b.信息工程学院，太原 030024)

由于山体地形的特殊性,加之风电机组间存在相互遮挡,在风速和风向变化时山地风电场的稳态输出波动较大,无法充分利用风能。针对以上问题提出一种山地风电场稳态输出评估方法,该方法首先分别构建了计及尾流效应的山体地形风速模型、风电机组的输出功率模型和随机风向模型。在此基础上,结合ArcGIS开发了一套风电场稳态输出评估系统。通过该系统分析了风速和风向变化对山地风电场稳态输出的影响,找出了最佳风向角和最佳风速范围,从而为山地风电场风电机组的最优布局和提高风电场的风能利用率提供了理论指导。

山地风电场;风速和风向;稳态输出评估;最佳风向角;最佳风速范围

随着风力发电技术的蓬勃发展,风电场的数量和规模均与日俱增。山地和丘陵地区地势较高,风能资源丰富,因此山地风电场已成为风电场选址的重要组成部分[1]。然而,由于地貌非常复杂,山地风电场的风速和风压分布极不均衡,各台风电机组的稳态输出均不同于平原地区。因此,精确评估山地风电场的稳态输出,对于合理规划山地风电场风电机组布局,提高风电场的风能利用率,提升电力系统运行可靠性和经济性具有重要意义。

近年来,国内外学者对山地风电场稳态输出的评估进行了大量的研究。徐玉琴等考虑了风机间的尾流效应,并依据其对风机进行分类和合并等值[2],从而建立了风电场的等值模型。郑瑞敏等[3]通过分析尾流效应和风电场地形对位于风电场内不同位置风机风速的影响,建立了大型风电场稳态输出模型,并应用于含风电场的电力系统随机潮流的计算。田琳琳等[4]考虑了山地地形对风速的影响,修正了尾流模型,得到风电场内经过各台风机的风速,然后建立了风电场的稳态输出模型,并根据风电场的经济运行指标,优化了风电机组的布局。HOSSEIN et al[5]基于ARIMA时空模型对风速数据进行了建模,并利用蒙特卡罗滤波法和最大似然估计法校正了风速模型,建立了完整的风电场风速模型和风电场稳态输出模型。目前,基于风速模型的山地风电场稳态输出评估方法并未考虑风向和风速变化对风电场稳态输出的影响,无法准确评估风电场的稳态输出。而基于实测数据的山地风电场稳态输出评估方法,由于无法准确描述风电场内不同风机运行特性的差异,其精确性还有待提高。因此,提出更加准确的山地风电场稳态输出评估方法具有十分重要的意义。

本文提出一种山地风电场稳态输出评估方法,该方法分别建立计及尾流效应的山体地形风速模型,风电机组的输出功率模型和随机风向模型。在此基础上,结合ArcGIS开发出一套风电场稳态输出评估系统。通过该系统分析风速和风向变化对山地风电场稳态输出的影响,找出最佳风向角和最佳风速范围,从而为山地风电场风电机组的最优布局和提高风电场的风能利用率提供理论指导。

1 计及尾流效应的山体地形风速模型

位于山体地形的风电机组,其输出功率主要受到山体地形和尾流效应的影响。因此,通过构建计及尾流效应的山体地形风速模型,分析山体地形和尾流效应对风电机组风速的影响,对于准确评估风电场的稳态输出具有重要的意义[6]。本文构建的山体地形二维模型如图1所示。

图1 山体地形二维模型Fig.1 The two-dimensional model of mountain

图1中,v0为距离地表垂直高度为z处的风速;H是山坡的高度;L1为迎风半坡长度;L2为背风半坡长度,一般情况下近似认为L1=L2.则该山体形状的表达式为:

(1)

风吹过山坡后风速会变快,距离坡面高度为z处的风速vx与v0之间的关系为:

(2)

(3)

式中:a和b均为位置参数,与坡度s和地形条件相关。在二维山坡模型中通常取b=4，对于a有:

缓坡,即s<0.3时,

(4)

陡坡,即s>0.3时,

(5)

图2 计及尾流效应的山体地形风速模型Fig.2 The hilly wind speed model considering wake effects

式中:L的取值为,迎风坡面(即x<0时),L=L1;背风坡面(即x>0时),L=L2.建立计及尾流效应的山体地形风速模型如图2所示。由该模型可知,在风向确定的情况下,风机2可能完全处于风机1的尾流区域内,即完全遮挡,如图2(a)所示;也可能部分处于风机1的尾流区域内,即部分遮挡,如图2(b)所示。

图2中,v0为距离地表垂直高度为z处的风速;v1和v2为经过风机1和风机2的风速;x为风机1和风机2之间的水平距离;r为风机叶轮的半径;rw为风机1对风机2尾流的半径。

图2(a)中,经过风机2的风速v2为:

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式中:z0为地表粗糙度,一般取0.002;z为风机轮毂高度。最后,由式(2)、式(6)和式(7)联立计算可得:

v2=v0(1+abs)×

(13)

图3 山地风电场风电机组尾流效应遮挡示意图Fig.3 Shadow areas for wake effects of wind turbine generations on a hilly wind farm

山地风电场风机尾流效应遮挡情况如图3所示,图中d为风机1和风机2叶轮中心间的垂直距离,则阴影面积As为:

(14)

(15)

式中:βk为遮挡系数;Ask为第k台风电机组对第i台风电机组的遮挡面积;vki为第i台风电机组被第k台风电机组完全遮挡时接收的风速;n为风电机组总台数。

2 风电机组的输出功率模型

风电机组的输出功率同风速和机组特性等密切相关。由于风速具有随机性,使得风电机组的输出功率与风速之间呈非线性关系,通常用图4中曲线近似表示。

图4 风电机组风速-输出功率特性曲线Fig.4 The characteristic curve of wind speed and output power for wind turbine generations

由图4可知,如果可以确定某一时刻下的风速,就可根据该曲线计算该时刻下风电机组的输出功率,运用分段函数可近似表示为:

(16)

式中:P为风电机组输出功率;v为某一时刻的风速;Pr为风电机组的额定功率;vci,vr,vco分别为风电机组的切入风速、额定风速以及切出风速;k1,k2,k3为相应参数,其值与风电机组的类型有关,其表达式为:

(17)

3 随机风向模型

由于风电场内风向具有随机性,当风向发生改变时,遮挡面积As和遮挡系数βk将难以准确计算。对于图5中的风电场,当风向角α=0°时,2号风机不被遮挡,而4号风机被1号风机完全遮挡;风向角α=45°时,2号和4号风机被1号风机部分遮挡;风向角α=90°时,4号风机不受遮挡,而2号风机则被1号风机完全遮挡。

图5 风电场内机组分布Fig.5 The distribution of wind turbine generations in wind farm

(18)

通过构建的随机风向模型不同风向下各台风机的位置得到了重新排列,使得计算遮挡面积As和遮挡系数βk更为便捷,更加方便了计算机求解风电场内各台风机接收的风速和风电场的稳态输出。

4 风电场稳态输出评估系统

本文设计的风电场稳态输出评估系统方案图如图6所示。该系统主要包括数据模块,稳态输出计算模块和地图模块3大功能模块。

图6 评估系统方案图Fig.6 The scheme map of evaluation system

数据模块的主要作用是进行风电场内各种物理参数的设置,其主要包含3个部分的参数,分别是风电场参数、风机参数和风况参数。风电场参数包括风电场名称、风机间最小距离、测风塔高程和测风塔高度。风机参数包括风机类型、风机高度、叶轮半径、切入风速、额定风速、切出风速和风机额定功率。风况参数则包括了风电场内的风向和风速。

稳态输出计算模块的功能是计算风电场的稳态输出,该模块的计算依据的是本文建立的计及尾流效应的山体地形风速模型、风电机组的输出功率模型和随机风向模型,其程序流程图如图7所示。

图7 稳态输出计算模块的程序流程图Fig.7 The program flow chart of steady-state output calculation module

稳态输出计算模块主要包含2个命令,分别是计算功率和查看功率。在数据模块的参数设置完成后,选择“计算功率”即可求取风电场的稳态输出,通过“查看功率”即可显示计算结果。

地图模块是基于ArcGIS设计的,ArcGIS是美国环境系统研究所在地理信息系统(GIS)的基础之上设计的可伸缩的GIS平台[7],具有强大的地图制作和空间数据管理能力。地图模块的作用是根据数据模块的相关参数构建和显示直观的风电场三维地形图,并且具备地图缩放和视角调节等功能。

5 应用

选取风电场和风机参数如下:风机类型为“SL1500/82”,风机高度80 m,叶轮半径r为41.45 m,切入风速vci为3 m/s,额定风速vr为10.5 m/s,切出风速vco为25 m/s,额定功率为1.5 MW .风电场内风机台数为10台,风机间最小距离为风轮直径的1.5倍,约为124.35 m,测风塔高程和高度分别为775 m和80 m,以西风作为基准风向,风向角沿顺时针方向逐渐增大。

表1 山地风电场不同风向下的稳态输出

表1所示为山地风电场模型在不同风向下(v=10.5 m/s)的稳态输出。从表1中可以看到,风电场的总发电量为39.282 MW·h,当风向角为120°时,各台风电机组之间的相互遮挡最小,风电场的输出功率和出力百分比达到最大,分别为13.687 MW和91.25%,因此该山地风电场模型的最佳风向角为120°.

当风向角为120°时,该山地风电场模型的稳态输出变化曲线如图8所示。从图中可以看到,风速3≤v≤12.2 m/s期间,随着v的逐渐增大,风电场的输出功率也逐渐增大,当v达到12.2 m/s时,风电场的稳态输出达到额定值15 MW;当v达到24.6 m/s时,风电场的稳态输出开始下降,因此最佳风速范围为12.2～24.6 m/s .

图8 山地风电场不同风速下的稳态输出Fig.8 Steady-state outputs of wind farm at different wind speeds

通过分析上述山地风电场模型在不同风速和不同风向下的稳态输出结果不难发现:通过调整风电场内风电机组的布局,使风电场的最佳风向角与风电场所处地区的主导风向一致且尽可能增大最佳风向角下风电场的最佳风速范围,可以有效提高山地风电场的风能利用率。

6 结论

提出了一种山地风电场稳态输出评估方法,该方法综合考虑了山地风电场内各台风电机组所处地形以及相互之间尾流遮挡的影响,并分别构建了计及尾流效应的山体地形风速模型、风电机组的输出功率模型和随机风向模型。在此基础上,结合ArcGIS开发了一套风电场稳态输出评估系统。最后,通过该系统分析了风速和风向变化对山地风电场稳态输出的影响,找出了最佳风向角和最佳风速范围,从而为山地风电场风电机组的最优布局和提高风电场的风能利用率提供了理论指导。

[1] 汪阳.山地风电场风能资源评估研究[D].长沙:中南大学,2013.

[2] 徐玉琴,张林浩,王娜.计及尾流效应的双馈机组风电场等值建模研究[J].电力系统保护与控制,2014,42(1):70-76.

[3] 郑瑞敏,李建华,李作红，等.考虑尾流效应的风电场建模以及随机潮流计算[J].西安交通大学学报,2008,42(2):1515-1520.

[4] 田琳琳,赵宁,武从海，等.复杂地形风电场的机组布局优化[J].南京航空航天大学学报,2013,45(4):503-509.

[5] HOSSEIN H S,CHOON Y T,JOHN N J.Calibration of a wind farm wind speed model with incomplete wind data[J].IEEE Trans on Sustainable Energy,2014,5(1):343-350.

[6] HAN Xiaoqing,QU Ying,WANG Peng,et al.Four-dimensional wind speed model for adequacy assessment of power system with wind farms[J].IEEE Trans on Power System,2013,28(3):2978-2985.

[7] 张雪英,成韶辉,李凤莲，等.基于ArcGIS Engine的矿井突水预警信息系统[J].煤矿安全,2014,45(6):100-103.

(编辑：刘笑达)

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

国家自然科学基金资助项目：基于融合决策的风电场建模策略与方法研究(51277127)

魏斌(1989-),男,山西太谷人，博士生,主要从事风电场建模和电力系统可靠性分析研究,(E-mail)weibin279@sina.cn

TM76

A

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