[发明专利]基于计算流体力学模型的风电场功率物理预测方法

说明书

技术领域

本发明属于风电场功率预测预报技术领域，尤其涉及一种基于计算流体力学模型的风电场功率物理预测方法。

背景技术

我国风力发电经历了跨越式发展，未来依然将保持较快发展势头，十二五期间我国风电装机预计每年新增1000万千瓦以上。但是，风力发电固有的间歇性、随机波动性严重威胁电力系统运行的经济性、稳定性和供电质量。风电场功率预测是减轻风电对电网造成的不利影响、提高电网中风电装机比例的一种有效途径。国家对风电场功率预测已提出强制性要求，《风电场预测预报管理暂行办法》规定：新建风电场要同步建设风电预测预报体系，各风电场预测预报系统从2012年7月1日起正式开始运行。

根据是否需要风电场历史数据的支持，风电场功率预测可以分为两大类方法：一类是基于历史数据的统计模型方法，一类是不需要历史数据的物理模型方法。统计模型是在若干个历史数据和未来风电场功率之间建立一种映射关系，由历史数据或其他输入参数(如数值天气预报数据)外推得到未来一段时间的风电场功率。近年来，国内外统计模型方法的相关研究较多，常用方法有时间序列法、持续性算法、神经网络及支持向量基等。国内现有的预测系统均属于统计模型方法，但是，这种方法需要大量历史数据的支持，且对历史数据变化规律的一致性有很高的要求，否则将使功率预测的误差增大，甚至导致样本训练失败。因此，统计模型无法用于缺少历史记录的大量新建风电场。

基于物理模型的风电场功率预测方法不需要风电场历史功率数据的支持，它采用气象部门提供的数值天气预报(numerical weather prediction--NWP)数据，通过考虑地形条件等因素，建立空气动力学模型描述流场，求取风电机组轮毂高度处的风速和风向，然后根据风电机组功率曲线进行风电场功率预测。因此，它既适用于新建风电场、也适用于已有风电场的功率预测。风电场功率物理预测方法最关键的环节在于：将NWP给出的风速、风向等参数准确地计算为风电机组轮毂高度水平的风速和风向，即NWP数据的精细化处理。它是风电功率预测的基础，也直接决定了风电功率预测的精度。对NWP数据的精细化处理主要采用以下两种方法：(1)采用诊断模型与解析算法分析风电场局地效应对流场的影响，即在假设的基础上解析求解简化的大气运动方程，这种方法计算量小，但是结果精度不高。(2)中尺度气象模式结合计算流体力学(Computational Fluid Dynamics-CFD)模型，动态模拟流场在风电场内的发展变化过程。这种方法可以获得比解析法更准确的流场分布，从而提高风电场功率预测精度。

计算流体力学模型(CFD模型)已经成功地应用于换热器内流动、汽车及飞行器的绕流等多种流体工程中，在风资源的评估中也有人利用CFD模型做了初步的尝试。但是，当它用于风电场功率预测时，每次预测都需要求解Navier-Stokes方程(N-S方程)进行流场计算，计算量巨大，难以满足预测时效的要求。因此，尽管CFD模型可以提高预测的精度，到目前为止还没有成功用于风电场功率预测领域的例子。

为此，本发明提出一种基于CFD模拟数据库的风电场功率预测新方法：它将风电场可能出现的风况离散化，以离散化的风况为依据建立“风况-各台风电机组轮毂高度风速风向及发电功率数据库”；然后以中尺度NWP数据为输入数据，利用该数据库完成风电场功率预测工作。这种方法有如下创新之处：

(1)本预测方法采用微尺度CFD模型求解N-S方程计算风速和风向分布，风速预测精度高；同时将耗时的CFD数值计算工作放到预测之前完成，预测过程计算量小，有效地解决了CFD方法的预测时效问题。

(2)采用单台风电机组功率预测、运行风电机组功率叠加获得风电场发电功率的预测原理，有效地解决了风电机组可利用率问题。风电机组可用率是影响风电场输出功率的重要因素之一，目前国内外的预测系统都未考虑风电机组可用率的问题。所谓风电机组可利用率，是指由于限电、故障等原因，每个风场内运行的风电机组数量是不断变化的，往往有部分风电机组处于停机状态，不能同时全部运行。随着风电机组的装机容量不断增加，在某些地方的限电现象时有发生，尤其是在东北和内蒙等地区的采暖季，为保证供热，不得不采取限制风电机组出力的调度措施，严重时一个风电场会有一半甚至更多的机组被限制出力。因此，在进行风电场功率预测时，限电或故障造成的风电机组可利用率已经成为一个必须考虑的问题，否则会严重影响预测精度。

发明内容

本发明的目的在于，针对当前预测风电场功率的方法存在的问题，提供一种基于计算流体力学模型的风电场功率物理预测方法。