[发明专利]一种基于机组相关性的风电场功率波动频谱预测模型

权利要求书

1.一种基于机组相关性的风电场功率波动频谱预测模型，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：基于风力机组结构参数及发电机性能，确定风力机惯性时间；

步骤2：对风、风轮和发电机系统三者组成的控制单元进行能量守恒分析，基于瞬时状态下风能、风力机系统动能和电能之间的能量守恒方程，利用阶跃函数、格林函数和傅立叶变换，求解得到单机组输出功率的功率谱密度和速度功率谱密度之间传递函数及传递函数的功率谱密度；

步骤3：测量风力机轮毂高度风电场来流，即第一排风力机来流平均速度U₀，湍流强度I₀和湍流积分时间T₀，基于风电场来流，预测下游第j排风力机轮毂高度来流平均速度U_j-1，湍流强度I_j-1和湍流积分时间T_j-1；

步骤4：基于冯·卡门模型，联立步骤2所述的传递函数，共同建立单机组输出功率的功率谱密度模型；

步骤5：基于机组相关性，求解多机组间的协功率谱密度，进而和步骤4中各单机组输出功率的功率谱密度叠加，求得风电场输出功率的功率谱密度模型。

2.根据权利要求1所述的一种基于机组相关性的风电场功率波动频谱预测模型，其特征是，步骤1中，所述风力机惯性时间表示为：

t_i＝Iω/2τ (1)

式中，I为风力机转动惯量；ω为风力机转速；τ为风力机电磁转矩，τ与ω²呈正比，在转速变化幅度小时，τ与ω成正比。

3.根据权利要求2所述的一种基于机组相关性的风电场功率波动频谱预测模型，其特征是，步骤2中，所述能量守恒方程表示为：

式中，E_rot为风力机旋转动能，E_rot＝0.5Iω²；P(t)为风力机输出功率，P(t)＝τω；0.5C_pρAu³(t)为风力机从空气获得的能量；C_p为风力机获能系数；ρ为空气密度；A为风力机旋转平面的面积；u(t)为风力机轮毂高度来流的瞬时速度；

风力机旋转动能和风力机输出功率之间关系为：

E_rot＝0.5P(t)Iω/τ＝P(t)t_i (3)

能量守恒方程进一步表示为：

利用阶跃函数、格林函数和傅立叶变换，求解得到单机组输出功率频谱和速度频谱密度函数之间传递函数。

4.根据权利要求3所述的一种基于机组相关性的风电场功率波动频谱预测模型，其特征是，步骤2中，通过阶跃函数、格林函数和傅立叶变换求解的单机组风力机输出功率为：

式中，Θ(t)为步骤2所述的阶跃函数：

步骤2所述传递函数表示为：

5.根据权利要求4所述的一种基于机组相关性的风电场功率波动频谱预测模型，其特征是，所述传递函数的功率谱密度表示为：

式中，为传递函数G(t)的傅立叶变换；f为频率；

当f→0，趋于常数当f足够大，趋于f^-2。

6.根据权利要求5所述的一种基于机组相关性的风电场功率波动频谱预测模型，其特征是，步骤4中，所述单机组输出功率的功率谱密度模型表示为：

式中，为第j排风力机轮毂高度来流平均速度的平方；为第j排风力机轮毂高度来流速度的冯·卡门湍流模型；为第j排风力机轮毂高度来流的速度方差。

7.根据权利要求6所述的一种基于机组相关性的风电场功率波动频谱预测模型，其特征是，步骤5中，所述风电场输出功率的功率谱密度模型为

其中，M为风电场风力机的列数；N为风电场风力机的行/排数；表示第k排风力机和第j排风力机输出功率之间的协功率谱密度,k＞j：

式中，τ_jk为第k排风力机和第j排风力机之间的对流时间,k＞j：

τ_jk＝(k-j)S_x/U_k-1 (12)

式中，S_x为风电场行与行之间间距。