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摘要本文研究了风电场的输出功率特性,提出了尾流系数矩阵、功率特性矩阵以及等效输出功率特性等概念和相应的算法,为大型并网风电场规划奠定了基础。1前言在进行风电机组布置和研究并网风电场规划方面的有关问题(如;潮流计算和随机生产模拟等)时,需要确定风电机组和风电场的输出功率。目前采用的数学模型基本上是,假设风电场内所有风电机组的风速相同,根据风电机组的功率特性曲线求出某一风速下风电机组的输出功率,然后把所有风电机组的输出功率相加作为风电场的输出功率,而没有考虑风电场内风速的变化。本文考虑了风电机组的尾流效应,提出了尾流系数矩阵、功率特性矩阵以及等效输出功率特性等概念和相应的算法,为研究并网风电场规划方面的有关问题奠定了基础。2风电机组的输出功率特性标准空气密度(空气密度是1.225kg/m。)条件下,风电机组的输出功率与风速的关系曲线称为风电机组的标准功率特性曲线。在安装地点条件下,风电机组输出功率与风速的关系曲线称为风电机组的实际输出功率特性曲线。生产厂家提供风电机组的标准功率特性曲线。风电场的空气密度一般与标准空气密度不同,因此,必须对风电机组的标准功率特性曲线进行修正才能得到实际功率特性曲线。为了获得最大能量,风电机组根据输出功率进行控制,当输出功率超过额定值时,变桨距风电机组改变桨距,减少风能的吸收,使风速超过额定风速后,发电机输出功率保持在额定功率附近;而定桨距风电机组依靠叶片本身的空气动力特性减少功率吸收。实际上,风速、空气密度和风电机组输出功率之间具有一定的关系。设风电场的空气密度和风速分别是P和V,标准条件下的空气密度和风速分别是P和V。若两种条件下风功率密度相等,则有称a为风速变换系数。即如果两种条件下吹向风电机组的风功率相等,则空气密度越低对应的风速越高。‘设X(V)和X。(V)分别是风电机组的实际功率特性曲线和标准功率特性曲线,则它们之间的变换关系是即风电机组的实际功率特性曲线可以通过对标准功率特性曲线进行变换来描述。该式的意义也可以这样理解:由于空气密度不同,当风速逐渐增大时,风电机组输出功率达到额定值的风速不是标准条件下的额定风速,即额定风速发生了变化;实际上关机风速和启动风速也应该随之改变。设:Vs、Vr和Vk是风电机组的实际启动风速、额定风速和关机风速,而Vos、VoR和Vo,是标准条件下风电机组的启动风速、额定风速和关机风速,则某风电机组的标准功率特性曲线和空气密度是1.0029kg/m。条件下该机组的实际功率特性曲线如图1所示。在风力发电项目的可行性研究报告中,考虑风电场的空气密度与标准空气密度的差别时,采用的方法是把标准功率特性条件下计算的年发电量乘以lD/P0倍,这实际上是把整个功率特性曲线乘以p/po倍。这意味着,在p<SPAN>时风电机组的实际输出功率最大只能达到功率特性曲线最大值的ID/P。倍:而当P>P0时风电机组的输出功率可以超过功率特性曲线的最大值,并且达到功率特性曲线最大值的ID/P0倍。显然这种处理方法是不合乎实际的。从图1中可见:当风速小于V1时,计算的发电量高于实际发电量;而在风速高于V1时,计算的发电量低于实际发电量。总的计算误差是在平均风速是6.7m/s,威布尔参数是K一2.10和C=7.58m/s以及空气密度是1.0029kg/m。条件下,用这种方法计算的发电量要比实际发电量多8.48%。空气密度和威布尔参数不同时,计算误差也不同。假设风电机组的工作温度是[T。,Th]当风电场气温超过该范围时,风电机组自动停机。则考虑风电场气温时,风电机组的输出功率特性是其中:f是风电场的气温,1(f)是单位阶越函数3风电场的功率特性3.1风电场输出功率特性的定义由于尾流效应,风电场的输出功率不但与风速有关而且和风向有关,所以风电场的输出功率呈现出具有方向性。为了反应这一重要的物理现象,考虑风电场内风速的变化,本文给出下面的定义。假设风电场内有,种型号的风电机组,风速共离散成,段,风向分成D个方位。用小写字母i、d和j分别表示风速v;、风向d和第J种型号风电机组其取值范围是i=1,2…,I;d=1,2,…·D和j=1,2,…,J,为了简化公式的书写,无特殊情况时公式中不再注明它们的取值范围。定义1:风电场的尾流系数是,不同风速和风向时风电场的实际输出功率与不考虑尾流效应时计算的功率之比。尾流系数组成的矩阵称为尾流系数矩阵(EF),它的元素是:(7)其中;.EF(i,d)是风速为Vi、风向在第d个方位上时的尾流系数,W(Vi,D)风速为VI风向在第d个方位上时风电场的实际输出功率。W。(VI)是不考虑尾流效应时计算的输出功率: 其中:X(V)和Nj分别是第j种型号风电机组的功率特性和台数。尾流的影响越大,尾流系数越小。定义2:多台同一型号风电机组的等效功率特性矩阵(X’)是这些风电机组输出功率的均值与风速和风向的关系,它的元素是: 其中:x’(i,d)和X(Vi)分别是风速为vi、风向是d时这些风电机组输出功率的均值和只有一台风电机组时的输出功率。定义3:多台同一型号风电机组的等效功率特性是某一风速下,这些风电机组输出功率的均值与该风速的关系:其中:x(VI)是VI速时风电机组的等效输出功率。P(Vi,d)是风速为Vi风向在第d个方位上的概率,P’(V)是风速为V的概率:定义4:风电场输出功率矩阵和风电场输出功率特性分别是;其中:y(i,d)和y’(V)分别是风电场输出功率矩阵和风电场输出功率特性。所以,风电场的平均输出功率(PP)是:,毫l而不考虑尾流效应时计算的风电场平均输出功率(FP)是 定义5:风电场的尾流损失率或能量损失率(△£)是△L=(FP—PP)/FP(16)风电机组的优化布置就是在场址和机组型号以及台数已经确定的情况下,求解使AL最小的每台风电机组的位置坐标。3.2风电场输出功率特性的计算方法假设已知风电场的风速,则根据尾流模型[1]可以确定每台风电机组的风速,由此求得风电场的功率特性,方法如下:(1)计算尾流系数矩阵。(2)计算风电机组和风电场的功率特性矩阵。(3)根据风速和风向的联合概率分布确定风电机组和风电场的等效功率特性曲线和平均输出功率以及能量损失系数。假设风电场具有36台型号相同的风电机组,它们的具体位置如图2所示,图中坐标的单位是风电机组的直径(D)。风电场的尾流系数矩阵用图形显示在图3中。其中:风速标在图标的右侧;雷达图周围的数字是方位,方位1是正北;坐标是尾流系数。可见:1)风电场的尾流系数与机组布置的关系很大。由于机组的横向间距仅有3D,而纵向间距是10D,所以横向(方位4和10)的尾流系数比纵向(方位1和7)的尾流系数低很多;而在方位3、5、9和11,由于风电机组基本上不受尾流影响,所以尾流系数是。2)尾流系数与风速的关系是,在风速低于风电机组的额定风速时,风速越大尾流系数越高。在风速不是很大和很小时,尾流损失率近似与风电场的输出能量成正比}风速超过额定风速一定量(约0.5m/s)时,后面机组的风速也超过额定风速,因此没有尾流损失;当风速接近启动风速时,后面机组的风速可能低于启动风速,此时,尾流损失所占比例最大3)为了减少尾流影响,在主风向上风电机组应该交错排列。风电场的风速分布参数如表1所示,考虑和不考虑尾流效应时风电机组等效输出功率特性如图4所示,其中:PO和QO是不考虑尾流效应时有功功率和无功功率特性,P和Q是考虑尾流效应时有功功率和无功功率特性,其中无功功率考虑了补偿电容。可见,尾流效应对功率特性有着明显的影响。4结论(1)在进行风电场规划时必须考虑尾流效应。(2)在计算风电机组输出功率和发电量时应该使用实际功率特性曲线。(3)风电场的输出功率具有方向性,即每个方-位对应一条等效功率特性曲线,各个风向的等效功率特性可用矩阵表示。(4)本文的工作为研究大型并网风电场规划方面的有关问题奠定了基础。参考文献[1]Shuyongchen,HuizhtIDai,XiaominBai.XiaoxinZhou,。Evaluation0fGr.dConnectedWindP0werPlants.”Inte卜nationalConfcrenceonPowerSystemTechnology,Aug.18—2l,1998,~ijing·China(SponsoredbyIEEEPES,CSEEandEPRI,China)pp.1208—1212 |
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来源:中国电力技术资讯