山地風電場穩態輸出評估方法研究

魏 斌,王海明,曲 瑩,田建艷

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

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山地風電場穩態輸出評估方法研究

魏 斌a,王海明a,曲 瑩a,田建艷b

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

由于山體地形的特殊性,加之風電機組間存在相互遮擋,在風速和風向變化時山地風電場的穩態輸出波動較大,無法充分利用風能。針對以上問題提出一種山地風電場穩態輸出評估方法,該方法首先分別構建了計及尾流效應的山體地形風速模型、風電機組的輸出功率模型和隨機風向模型。在此基礎上,結合ArcGIS開發了一套風電場穩態輸出評估系統。通過該系統分析了風速和風向變化對山地風電場穩態輸出的影響,找出了最佳風向角和最佳風速范圍,從而為山地風電場風電機組的最優布局和提高風電場的風能利用率提供了理論指導。

山地風電場;風速和風向;穩態輸出評估;最佳風向角;最佳風速范圍

隨著風力發電技術的蓬勃發展,風電場的數量和規模均與日俱增。山地和丘陵地區地勢較高,風能資源豐富,因此山地風電場已成為風電場選址的重要組成部分[1]。然而,由于地貌非常復雜,山地風電場的風速和風壓分布極不均衡,各臺風電機組的穩態輸出均不同于平原地區。因此,精確評估山地風電場的穩態輸出,對于合理規劃山地風電場風電機組布局,提高風電場的風能利用率,提升電力系統運行可靠性和經濟性具有重要意義。

近年來,國內外學者對山地風電場穩態輸出的評估進行了大量的研究。徐玉琴等考慮了風機間的尾流效應,并依據其對風機進行分類和合并等值[2],從而建立了風電場的等值模型。鄭瑞敏等[3]通過分析尾流效應和風電場地形對位于風電場內不同位置風機風速的影響,建立了大型風電場穩態輸出模型,并應用于含風電場的電力系統隨機潮流的計算。田琳琳等[4]考慮了山地地形對風速的影響,修正了尾流模型,得到風電場內經過各臺風機的風速,然后建立了風電場的穩態輸出模型,并根據風電場的經濟運行指標,優化了風電機組的布局。HOSSEIN et al[5]基于ARIMA時空模型對風速數據進行了建模,并利用蒙特卡羅濾波法和最大似然估計法校正了風速模型,建立了完整的風電場風速模型和風電場穩態輸出模型。目前,基于風速模型的山地風電場穩態輸出評估方法并未考慮風向和風速變化對風電場穩態輸出的影響,無法準確評估風電場的穩態輸出。而基于實測數據的山地風電場穩態輸出評估方法,由于無法準確描述風電場內不同風機運行特性的差異,其精確性還有待提高。因此,提出更加準確的山地風電場穩態輸出評估方法具有十分重要的意義。

本文提出一種山地風電場穩態輸出評估方法,該方法分別建立計及尾流效應的山體地形風速模型,風電機組的輸出功率模型和隨機風向模型。在此基礎上,結合ArcGIS開發出一套風電場穩態輸出評估系統。通過該系統分析風速和風向變化對山地風電場穩態輸出的影響,找出最佳風向角和最佳風速范圍,從而為山地風電場風電機組的最優布局和提高風電場的風能利用率提供理論指導。

1 計及尾流效應的山體地形風速模型

位于山體地形的風電機組,其輸出功率主要受到山體地形和尾流效應的影響。因此,通過構建計及尾流效應的山體地形風速模型,分析山體地形和尾流效應對風電機組風速的影響,對于準確評估風電場的穩態輸出具有重要的意義[6]。本文構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處的風速;H是山坡的高度;L1為迎風半坡長度;L2為背風半坡長度,一般情況下近似認為L1=L2.則該山體形狀的表達式為:

(1)

風吹過山坡后風速會變快,距離坡面高度為z處的風速vx與v0之間的關系為:

(2)

(3)

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

緩坡,即s<0.3時,

(4)

陡坡,即s>0.3時,

(5)

圖2 計及尾流效應的山體地形風速模型Fig.2 The hilly wind speed model considering wake effects

式中:L的取值為,迎風坡面(即x<0時),L=L1;背風坡面(即x>0時),L=L2.建立計及尾流效應的山體地形風速模型如圖2所示。由該模型可知,在風向確定的情況下,風機2可能完全處于風機1的尾流區域內,即完全遮擋,如圖2(a)所示;也可能部分處于風機1的尾流區域內,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處的風速;v1和v2為經過風機1和風機2的風速;x為風機1和風機2之間的水平距離;r為風機葉輪的半徑;rw為風機1對風機2尾流的半徑。

圖2(a)中,經過風機2的風速v2為:

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式中:z0為地表粗糙度,一般取0.002;z為風機輪轂高度。最后,由式(2)、式(6)和式(7)聯立計算可得:

v2=v0(1+abs)×

(13)

圖3 山地風電場風電機組尾流效應遮擋示意圖Fig.3 Shadow areas for wake effects of wind turbine generations on a hilly wind farm

山地風電場風機尾流效應遮擋情況如圖3所示,圖中d為風機1和風機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;Ask為第k臺風電機組對第i臺風電機組的遮擋面積;vki為第i臺風電機組被第k臺風電機組完全遮擋時接收的風速;n為風電機組總臺數。

2 風電機組的輸出功率模型

風電機組的輸出功率同風速和機組特性等密切相關。由于風速具有隨機性,使得風電機組的輸出功率與風速之間呈非線性關系,通常用圖4中曲線近似表示。

圖4 風電機組風速-輸出功率特性曲線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刻下的風速,就可根據該曲線計算該時刻下風電機組的輸出功率,運用分段函數可近似表示為:

(16)

式中:P為風電機組輸出功率;v為某一時刻的風速;Pr為風電機組的額定功率;vci,vr,vco分別為風電機組的切入風速、額定風速以及切出風速;k1,k2,k3為相應參數,其值與風電機組的類型有關,其表達式為:

(17)

3 隨機風向模型

由于風電場內風向具有隨機性,當風向發生改變時,遮擋面積As和遮擋系數βk將難以準確計算。對于圖5中的風電場,當風向角α=0°時,2號風機不被遮擋,而4號風機被1號風機完全遮擋;風向角α=45°時,2號和4號風機被1號風機部分遮擋;風向角α=90°時,4號風機不受遮擋,而2號風機則被1號風機完全遮擋。

圖5 風電場內機組分布Fig.5 The distribution of wind turbine generations in wind farm

(18)

通過構建的隨機風向模型不同風向下各臺風機的位置得到了重新排列,使得計算遮擋面積As和遮擋系數βk更為便捷,更加方便了計算機求解風電場內各臺風機接收的風速和風電場的穩態輸出。

4 風電場穩態輸出評估系統

本文設計的風電場穩態輸出評估系統方案圖如圖6所示。該系統主要包括數據模塊,穩態輸出計算模塊和地圖模塊3大功能模塊。

圖6 評估系統方案圖Fig.6 The scheme map of evaluation system

數據模塊的主要作用是進行風電場內各種物理參數的設置,其主要包含3個部分的參數,分別是風電場參數、風機參數和風況參數。風電場參數包括風電場名稱、風機間最小距離、測風塔高程和測風塔高度。風機參數包括風機類型、風機高度、葉輪半徑、切入風速、額定風速、切出風速和風機額定功率。風況參數則包括了風電場內的風向和風速。

穩態輸出計算模塊的功能是計算風電場的穩態輸出,該模塊的計算依據的是本文建立的計及尾流效應的山體地形風速模型、風電機組的輸出功率模型和隨機風向模型,其程序流程圖如圖7所示。

圖7 穩態輸出計算模塊的程序流程圖Fig.7 The program flow chart of steady-state output calculation module

穩態輸出計算模塊主要包含2個命令,分別是計算功率和查看功率。在數據模塊的參數設置完成后,選擇“計算功率”即可求取風電場的穩態輸出,通過“查看功率”即可顯示計算結果。

地圖模塊是基于ArcGIS設計的,ArcGIS是美國環境系統研究所在地理信息系統(GIS)的基礎之上設計的可伸縮的GIS平臺[7],具有強大的地圖制作和空間數據管理能力。地圖模塊的作用是根據數據模塊的相關參數構建和顯示直觀的風電場三維地形圖,并且具備地圖縮放和視角調節等功能。

5 應用

選取風電場和風機參數如下:風機類型為“SL1500/82”,風機高度80 m,葉輪半徑r為41.45 m,切入風速vci為3 m/s,額定風速vr為10.5 m/s,切出風速vco為25 m/s,額定功率為1.5 MW .風電場內風機臺數為10臺,風機間最小距離為風輪直徑的1.5倍,約為124.35 m,測風塔高程和高度分別為775 m和80 m,以西風作為基準風向,風向角沿順時針方向逐漸增大。

表1 山地風電場不同風向下的穩態輸出

表1所示為山地風電場模型在不同風向下(v=10.5 m/s)的穩態輸出。從表1中可以看到,風電場的總發電量為39.282 MW·h,當風向角為120°時,各臺風電機組之間的相互遮擋最小,風電場的輸出功率和出力百分比達到最大,分別為13.687 MW和91.25%,因此該山地風電場模型的最佳風向角為120°.

當風向角為120°時,該山地風電場模型的穩態輸出變化曲線如圖8所示。從圖中可以看到,風速3≤v≤12.2 m/s期間,隨著v的逐漸增大,風電場的輸出功率也逐漸增大,當v達到12.2 m/s時,風電場的穩態輸出達到額定值15 MW;當v達到24.6 m/s時,風電場的穩態輸出開始下降,因此最佳風速范圍為12.2～24.6 m/s .

圖8 山地風電場不同風速下的穩態輸出Fig.8 Steady-state outputs of wind farm at different wind speeds

通過分析上述山地風電場模型在不同風速和不同風向下的穩態輸出結果不難發現:通過調整風電場內風電機組的布局,使風電場的最佳風向角與風電場所處地區的主導風向一致且盡可能增大最佳風向角下風電場的最佳風速范圍,可以有效提高山地風電場的風能利用率。

6 結論

提出了一種山地風電場穩態輸出評估方法,該方法綜合考慮了山地風電場內各臺風電機組所處地形以及相互之間尾流遮擋的影響,并分別構建了計及尾流效應的山體地形風速模型、風電機組的輸出功率模型和隨機風向模型。在此基礎上,結合ArcGIS開發了一套風電場穩態輸出評估系統。最后,通過該系統分析了風速和風向變化對山地風電場穩態輸出的影響,找出了最佳風向角和最佳風速范圍,從而為山地風電場風電機組的最優布局和提高風電場的風能利用率提供了理論指導。

[1] 汪陽.山地風電場風能資源評估研究[D].長沙:中南大學,2013.

[2] 徐玉琴,張林浩,王娜.計及尾流效應的雙饋機組風電場等值建模研究[J].電力系統保護與控制,2014,42(1):70-76.

[3] 鄭瑞敏,李建華,李作紅，等.考慮尾流效應的風電場建模以及隨機潮流計算[J].西安交通大學學報,2008,42(2):1515-1520.

[4] 田琳琳,趙寧,武從海，等.復雜地形風電場的機組布局優化[J].南京航空航天大學學報,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] 張雪英,成韶輝,李鳳蓮，等.基于ArcGIS Engine的礦井突水預警信息系統[J].煤礦安全,2014,45(6):100-103.

(編輯：劉笑達)

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

國家自然科學基金資助項目：基于融合決策的風電場建模策略與方法研究(51277127)

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

TM76

A

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