线性模型的风电场发电量计算研究

线性模型的风电场发电量计算研究

摘要：风力发电机组电量的计算是风电场性能评估的重要组成部分，而发电量的计算对风电场性能优化以及提高营运效益具有非常重要作用。但是在实际的工作环节中，相关人员不能够正确、合理计算风电场的发电量，进而导致各种问题的出现，致使风电场工作效率得不到提升。基于此，本文通过对线性模型的风电场发电量计算进行研究，以期能够进一步提升风电场经济以及社会经济效益。

关键词：线性模型风电场发电量计算

风力发电机组发电量计算是衡量风力发电机组性能的重要指标。由于风能具有密度低、稳定性差等缺点，所以在实际的工作中，很难确定风机的发电量。对于已经投产发电的风电场来说，不同风况下的发电量是存在差异。在发电机组停工或者降出力工作状态下时，精准计算风电机发电量对提高风电场安全运作以及加强安全管理等具有重要的意义。目前，计算机风电场发电量的方法有样板机计算法、便准曲线计算法以及拟合功率曲线计算法等。

1 样板计算法分析

近年来，风电监察局相继出台风电场风力计算方法的相关标准。风电场弃风电量是指受电网在传输通道以及安全运行所必须的环境影响下，风电场本可以发电而并没有发出的电量，称之为弃风电量不包含风电场由于风机本身故障而导致不能发出的电量。在实际的工作

中，所采用的计算电量的方法受到限制时，应该采用样板计算方法计算受阻的电量，即调度机构在对风电场进行发电量控制时，应该保持样板机不受限制，并将其发电量作为同类型的风机发电的理论基础依据，同时减去风电场弃风受限电量的计算方法，其具体计算方法如下：

式中：

N为样板机组的数量；

为样板机的实际发电量；

N为风电场中所用风电机组的数量；

Q为风电场全场应发电量。

样板计算法规定中风电场由于限电而损失的全场发电量，可以将方法推广应用到限电、故障以及检修等因素导致单台风机损失的电量的计算中，如：

为单台风电机组的应发电量。

2 标准功率曲线计算方法

根据相关标准对标准相关曲线计算法的定义：风电机组功率曲线

是其输出功率与每10分钟平均风速的变化之间的关系曲线图。在对风电机进行设计的过程中，需要对风力发电机的性能进行准确的评估预算，同时还应该对风电发电机的性能进行模拟仿真，在这种情况下，得到的功率曲线被称作为标准功率曲线，其中，风电机组的风速与功率的关系如：

式中：

P为输入风机的能量；

P为空气密度；

A为风电机风叶片扫掠的面积；

V为风速。

根据标准曲线将其转化为应发电量的计算方法如下：

式中：

为单台风电机应发电量；

为风电机组标准功率9曲线。

3 拟合功率曲线计算法

风电场风电机组在运行的过程中，会受到海拔、气温、湿度、空气质量等因素的影响，在这个过程中，应该应用风电机工作时的历史数据对风机工作功率进行曲线拟合，使该风机功率曲线能够符合风机工作运行的特性。如：表1中风电机组拟合功率曲线计算该风场风机实际功率与理论有功功率误差。

在实际工作中，拟合功率曲线的误差会低于标准功率曲线以及样板机组计算法的误差，其中，样板计算法存在的误差最大,如图1。

4 线性模型的风电场发电量模型分析

4.1 流体模型

对风电场内部大气边界层来说，在实际的计算过程中可以根据风电场的物理特性将其简化为无粘性外场以及粘性内场。其中，靠近地表的内场由于受地面粗糙程度的影响，流动较为复杂，而靠近地面的内场又可以划分为应力层和近地层，虽然应力层的剪应力较小，但最大风电机最大绕动速度还是发生在这一层；而近地层作为一薄层，层内的剪应力梯度变化的速度飞快，使风电机的绕动速度取向与零。离地表较远的外场在实际的运作中可以将其视为完全没有粘度的位势流，这就造很大程度上简化了流场的计算。

图2所示的是流过低山的流畅结构图，图2中的各种物理量如

下:W为大气边界层厚度;u0为平面地形上的基本流动,对数方程(5)对其进行描述描述;l为内场厚度,由式(6）确定;z=f(x,y)为障碍物形状函数;h为障碍物高度;L为障碍物特征长度。

式中:z0为地面粗糙度系数;κ≈0.4,为冯·卡门常数;u*为表面摩擦速度,由来流雷诺数决定的常数。对一个典型例子,L=500 m,z0=0.1 m,则内场高度l≈28 m。风电场安装的风机轮毂离地面高度通常都高于50 m,因此，可以认为风机工作主要是在无粘外场。

4.2 尾流模型

对于大型的风电场，在主风向的位置会设置有多排风机共同运转，这就使下游风电机处于上游风电机的尾流中[2]。尾流模型主要研究自由来流，尾流相应发生变化的规律。主要采用经修正过的Park 模型,其是由著名学者Jensen早在1984年就提出的一种理想模型，其计算的原理可以总结为：首先，对风电机的下游提出假设，尾流的变化是线性膨胀；然后，利用一维动量以及质量守恒定律计算风电机下游位置的速度。值得注意的是，Park模型在使用的过程中，只是针对尾流有效，其要求距离应该不小于风电机风轮的直径的2倍，风电机主风向的间距应该大于风电机风轮直径的5倍，垂直于主风向的间距应该不小于风电机直径的3倍。

风电场下游风机会受到上游风机尾流的影响，所以在实际的操作

过程中，应该考虑尾流叠加的问题。如果，研究的风电机的风轮处于上游风电机的尾流中，则风电机的入流风速就是真实的尾流速度；如果，研究的风电机的风轮只有一部分处于上游风电机的尾流中，则风电机流入的速度是尾流速度与自由来流速度的乘积。多排风电机在风电场中，风机之间的距离应该保持一致，使人们在计算下游风机尾流是可以直接推算出上游风机尾流的速度。

总而言之，随着社会经济的不断发展，人们对线性模型的风电场发电量计算越来越注重。但在实际的工作中，不能够科学、合理的计算风电场的发电量，进而导致风电场的工作效率低下、管理水平不高以及计算方法不合理，唯有根据文中提到的几种算法，才能够合理的计算风电场的应发定量、实际发电量以及弃发电量，提高风电场的发电量的计算精度和效益，从而较好地指导业主投资。

参考文献

[1] 王丹,孙昶辉.风电场发电量计算的物理模型[J].中国电力,2011,44(1):94-95.

[2] 王远,陆志良,郭同庆.基于线性模型的风电场发电量计算与分析[J].南京航空航天大学学报,2011,34(5):657-659.