风电场运行状况分析及优化问题研究

风电场运行状况分析及优化问题研究
陈 辉，吴 杰
（ １ ４ ０ ０ ２ ） 安徽商贸职业技术学院，安徽 芜湖 ２
㊀㊀摘㊀要： 为评估风电场的风能资源及其利用情况， 对已安装风机的功率曲线进行归一化拟合， 找到 风机典型参数与功率曲线的内在联系， 得出新型号风机的理论功率曲线， 对新型号风机是否比现有风机 １多目标优化模型， 建立和求解 ０－ 在满足停机维护要求和维修人 更有效利用风能资源作出明确判断； 员值连续工作时间限制等条件下， 制定了维修人员的排班方案与风机维护计划， 使各组维修人员的工作 任务相对均衡且风电场具有较好的经济效益。 关键词： 风电场； 资源评估； 归一化； 曲线拟合； 优化 Ｏ ２ ２ １ 中图分类号： Ａ 文献标志码： 号风机功率曲线的方法； 高永晓
［ ７ ］
引 言
风能作为一种清洁的可再生能源， 越来越受到世界 各国的重视。 中国风能储量很大、 分布面广， 风力发电 作为风能最主要的应用形式， 大力开发有利于缓解我国 能源紧张问题。风力发电机组的实际功率曲线是衡量 机组性能的一个重要指标， 与其发电性能有很密切的关 系。如何根据风机性能参数及运行状态确定与评估风 机功率曲线， 提高风电机组效率、 降低风能发电成本， 不 断引起 了 业 内 人 士 的 广 泛 关 注 和 深 入 研 究。 饶 日 晟 等
( ) ｖ －ｖ （ ｖ ） ＝Ｐ －Ｐ ａ ·( ｆ ) ｖ －ｖ
ｉ ｐ ｎ ｎ · ｎ ｉ
(
)
ｂ
－ｃ Ｐ ｎ
（ ５ ）
Ｉ Ｉ （ ｖ ）还原情况如图 ４所示。 和Ｉ 型风机的 ｆ ｐ
Ｖ ｏ ｌ ２ ９ ㊀Ｎ ｏ ６ Ｄ ｅ ｃ ２ ０ １ ６
１ ６ ７ ３ １ ５ ４ ９ （ ２ ０ １ ６ ） ０ ６ ０ ０ ３ ３ ０ ６ 文章编号：
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． １ １ ８ ６ ３ ／ ｊ ． ｓ ｕ ｓ ｅ ． ２ ０ １ ６ ． ０ ６ ． ０ ７
ｏ ［ １ ５ ］
：
（ ３ ）
ｉ ｂ ｕ ｌ ｌ 图 １ 风速分布与 Ｗｅ 拟合
ｖ 其中， 即切入风速， 小于切入风速风 ｉ为风机启动风速 ， ； ｖ 机没有开启， 输出功率为 ０ 风机发电能 ｎ 为额定风速 ，
９卷第 ６期㊀㊀ ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀陈 辉， 第２ 等： 风电场运行状况分析及优化问题研究 力到达既定额度， 受到发电机的设计限制风速继续超出 （ ｖ ）为风速在 输出功率保持在额定功率 Ｐ 函数 ｆ ｎ 不变 ； ｐ ｖ 输出功率与风速的关系， 反映风机达到 ｉ和 ｖ ｎ 之间时 ， 当风速继续变大， 超出切出风 额定功率前的输出特性； 。Ｉ Ｉ 风轮停机， 输出功率为 ０ 和Ｉ 型风机的功率 速ｖ ｏ 时， 曲线如图 ２所示。
３ ５
（ ｖ ）功率曲线的 图 ３ Ⅰ和Ⅱ型风机的 ｆ ｐ 归一化拟合
使用归一化函数和切入风速、 额定风速、 额定功率 （ ｖ ）还原： 风速可以将 ｆ ｐ
ｂ Ｐ （ ｖ ） ｖ －ｖ ｖ －ｖ ｎ －ｆ ｐ ｉ ｉ ＝ｈ （ ｘ ）＝ｈ ＝ａ · ＋ ｃ ｐ ｐ Ｐ ｖ ｖ ｎ ｎ －ｖ ｉ ｎ －ｖ ｉ
［ １ ２ ］
根据风电场的实际运行数据分析风电场风速与风
［ ２ ］
在传统风速区间划分的基础 电场输出功率的统计规律， 郎斌斌 上提出一种风电场功率曲线的优化方法； 聪
［ ３ ］
、 王
使用统计学方法分析了风电机组的实测运行数据，
。 本文通过分析各风机实
在此基础上重新建立了适用于风电机组仿真分析的风 速－ 功率特性曲线， 并使用拟合功率曲线进行风电场经 济性评估； 芮晓明等
ｎ
。 通常， Ｗｅ ｉ ｂ ｕ ｌ ｌ
（ ｖ ）采用双参 分布能很好地描述风速分布。 风速分布 ｆ
２
( )
ｄ 其中， 和ｎ 分别为形状参数和尺度因子
［ １ ３ ］
。
风能大小为： Ｅ＝ １ １ ２ ｔ ２ ３ ３ ＝２ Ｒ ｖ ｄ ｔ＝ π Ｒρ ｖ ｔ π ρ Δ ∑ ｔ ｉ ２ ２ ｉ ＝ １
（ ｖ ）归一化 图 ２ Ⅰ和Ⅱ型风机的功率曲线及 ｆ ｐ
计算各风机的做功情况和对各风机处的风速计算 风能资源量， 得到表 ２结果。
０ １ ５年不同风机输出做功、 表２ ２ 风能资源和利用率
风机 ４ ＃ １ ６ ＃ ２ ４ ＃ ３ ３ ＃ ４ ９ ＃ ５ ７ ＃ Ｊ 风能 ／ ３ ９ ７ ８ ６ ６ ７ ０ ２ ５ ８ ６ ５ ５ ７ ０ ３ ６ １ ７ ５ ５ ０ ６ ５ ２ ２ ６ ６ ４ ６ ０ ４ ４ ４ ５ ０ ０ ０ ３ ７ ２ ３ ４ ４ ８ １ ０ ２ ７ １ ４ ２ ２ ８ ４ ７ ４ ３ ４ ９ ４ １ ０ ３ ７ ８ ７ ８ ０ １ ２ ８ ０ ４ ３ ０ ３ ３ ０ ４ １ ２ ０ ６ ６ ９ ４ １ ０ ２ ８ ６ ２ ３ ０ Ｊ 做功 ／ １ ８ ３ ２ ４ ８ ９ ８ ８ ６ ２ ４ ０ ０ １ ０ １ ７ ０ ３ ６ ９ ４ ４ ７ ３ ６ ４ ４ ３ ３ ０ １ ４ ８ １ ２ ７ ９ ５ ５ ６ ４ ７ ０ ４ ０ ０ １ ２ ２ ２ ９ ４ ５ ７ ９ ７ ６ ０ ０ ０ ０ ０ １ ４ ３ ０ ８ ４ １ １ ５ ４ ４ ６ ４ ０ ０ ０ １ ４ ７ ４ ７ ９ ３ １ ３ ６ ０ ０ ０ ０ ０ ０ 利用率 ４ ６ ０ ６ ％ ４ ７ １ ０ ％ ３ ３ ３ ２ ％ ４ ５ ０ ６ ％ ３ ７ ７ ７ ％ ７ ９ ％ ３ ５
３ ４
㊀㊀㊀㊀㊀ ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２ ０ １ ６年 １ ２月 四川理工学院学报（ 自然科学版）
０ １ ５年不同风机处风速 Ｗｅ ｉ ｂ ｕ ｌ ｌ 分布拟合 表１ ２
风机 ４ ＃ １ ６ ＃ ２ ４ ＃ ３ ３ ＃ ４ ９ ＃ ５ ７ ＃ ｄ ２ １ １ １ ６ ８ ４ １ ９ ６ ２ ０ ２ ９ １ ９ ５ ６ ０ ５ ４ １ ９ ７ ８ ８ ０ ５ １ ９ ０ ７ ６ ７ ６ １ ８ ７ ４ ２ ４ １ ｎ ７ １ ３ ８ ９ ２ ７ ６ ８ １ １ ０ ８ ８ ６ ３ ４ ６ ４ ３ ６ ３ ３ ８ ９ ５ ２ ６ ８ ５ ２ ７ １ ３ ６ ８ ７ ３ ９ １ ５
法、 比恩法和性能可靠度的功率曲线评估方法， 提出了 利用实测功率曲线与年发电量的相关性来考核现有型
２ ０ １ ６ １ ０ １ ２ 收稿日期： ２ ０ １ ５ ｍ ｏ ｏ ｃ １ ５ ４ ； ２ ０ １ ４ ｍ ｏ ｏ ｃ ０ ８ ４ ） 基金项目： 安徽省质量工程项目（ １ ９ ８ ３ ） ， （ Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ） ｈ ｗ ｉ ｅ ｃ ｈ ｅ ｒ ｎ ＠１ ２ ６ ． ｃ ｏ ｍ ； 作者简介： 陈 辉（ 男， 安徽淮南人， 讲师， 硕士， 主要从事代数学方面的研究， １ ９ ８ ９ ） ， （ Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ） ６ ３ ２ ２ ９ ９ ６ ０ ５ ＠ｑ ｑ ． ｃ ｏ ｍ 吴 杰（ 男， 安徽芜湖人， 助教， 硕士， 主要从事多元统计及其应用方面的研究，
２ １
． ５间隔统计获得频率直方图 将全部平均风速按 ０ ｉ ｂ ｕ ｌ ｌ分 布 拟 合，ｄ 和 ｎ 分 别 为 ２ １ ７ ４ ５和 及 其 Ｗｅ ６ １ ７ ０ ２ 。类似地， ０ １ ５年不同风机处风速的 可以获得 ２ ） ， 。 分布（ 图１ 相关参数见表 １
（ １ ）
ｖ ｉ ＝１ ， ２ ， …， ｎ ； ｔ 其中， Δ 为采样时 ｉ为风速的离散采样 ， 间间隔。可以将风力资源的其利用率表示为： ２ Ｐ （ ｔ ） ｄ ｔ ２ Ｐ ｔ Δ ∑ ｉ ｔ Ｗ １ ｉ ＝ ＝ ｔ Ｃ＝ ＝ ｎ Ｅ ２ ３ ２ ３ Ｒ ｖ ｄ ｔ π π ρ Ｒ ｔ ρ Δ ∑ｖ ｉ
１ ２
∫ ∫
ｔ １
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱｔ ２
ｎ
（ ２ ）
ｉ ＝ １
Ｐ ｉ ＝１ ， ２ ， …， ｎ ； ｔ 其中， 为实际功率的离散采样， Δ 为采 ｉ 样时间间隔。 ０ｍ ， 利用采样数据， 风机扇叶半径取 Ｒ ＝４ 空气密 ０ ９ ７ ６ ２ｋ ｇ ／ ｍ， ０ １ ５全年风力资源 可以计算出 ２ 度取 ρ＝
㊀㊀各组数据的频率及拟合概率可以在误差允许的前 提下快速地提高采 样 数 据 的 相 关 计 算。 特 别 地， 使用 Ｗｅ ｉ ｂ ｕ ｌ ｌ 分布修正风速的风电场等效功率特性模型可以 减小因测量造成的误差
［ １ ４ ］
１ 数据的处理与初步分析
５０ ４ ０个数据， 读取风电场平均风速和实际功率 ３ 读 ３ ８ ０个 取六风机处确切风速数据各 ４ ｉ ｂ ｕ ｌ ｌ 数 Ｗｅ 分布， 即 ｆ （ ｖ ）＝
［ １ ］
则基于功率曲线的研
究提出了改进风机有效方案。 与此同时， 过度强调机组 效率， 而忽视机组远期故障几率、 部件损坏及长期度电 可能会得到与初衷相反的效果 成本，
［ ９ ］ ［ ８ ］
， 如何部署风机
维护和维修值班方案也是风电场有效运营的重要课题。 温步瀛 综合了遗传算法、 模拟退火算法等对以发电收
断。为了风电场安全和有效的生产需要， 在满足风机每 年需进行两次停机维护， 两次维护之间的连续工作时间 ７ ０天， 不超 过 ２ 每次维护需一组维修人员连续工作 ２ 天， 同时风电场每天需有一组维修人员值班以应对突发 风电场现有 ４组维修人员可 从 事 值 班 或 维 护 工 情况， 作， 每组维修人员连续工作时间 （ 值班或维护 ） 不超过 ６ 天等条件下， 通过多目标优化模型的建立和求解， 制定 了维修人员的排班方案与风机维护计划， 使各组维修人 员的工作任务相对均衡， 且风电场具 有 较 好 的 经 济 效 益。
９卷第 ６期 第２ ２ ０ １ ６年 １ ２月
自然科学版） 四川理工学院学报（
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｓ ｉ ｃ ｈ ｕ ａ ｎＵ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ＆Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ （ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅＥ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ）
［ ４ ６ ］
际运行数据， 评估了该风电场的风能 资 源 及 其 利 用 情 况。经过对已安装风机的功率曲线进行归一化拟合， 找 由此得出新 到了风机典型参数与功率曲线的内在联系， 型号风机的理论功率曲线， 并从风能资源与风机匹配角 度对新型号风机是否比现有风机更为适合作出明确判
构建了基于最大值法、 最大概率
－ １ ｖｄ ｄ ｖｄ － （ ） ｎ ｅ ｎ ｎ ［ １ ２ ］
。
２ 风力资源及其利用率
２ １ 风力资源的评估 ， ， ｔ 若风速为 γ 风机扇面半径为 Ｒ 则时间 ｄ 内通过 Ｒρ ｖ ｄ ｔ ， 风机扇面的空气质量为 π 其中 ρ 为空气密度， 可 Ｅ＝ 利用的风能 ｄ １ ２ ３ Ｒρ ｖ ｄ ｔ 。 ｔ ， ｔ ］内的 π 则某时间段 ［ １ ２ ２
益最大化为目标的发电机组启停机计划的数学模型进 １ 行讨论， 而涉及到风机维护和人员分配的多目标 ０－ 规划模型的求解并非易事
［ １ ０ １ １ ］
。
２ ０ １ ６年全国大学生数学建模竞赛 Ｄ题考察了某风 ５分钟的各风机安 电场， 给出了该风电场 １年内每隔 １ 装处的平均风速和风电场日实际输出功率以及该风电 场几个典型风机所在处的风速信息， 同时风机生产企业 还提供了部分新型号风机
１ ５ ３ １ ０ ５２ ２ ４ˑ １ ０ Ｊ ， ０ １ ５全年风机实际利用 为Ｅ 而２ ｓ ｕ ｍ ＝ １ ５ ２ ０ ７２ ２ˑ１ ０ Ｊ ， 的风 力 资 源 为 Ｗｓ 利用率 Ｃ ＝ ｕ ｍ ＝１ ３
３ ８ ８ ７ ７ １ ％。 ２ ２ 现有风机的风能资源利用率 ＃ 、 １ ６ ＃ 、 ２ ４ ＃ ３ ＃ 、 ４ ９ ＃ 、 ５ ７ ＃ 针对 ４ 和３ 各风机具体情况， 可以通过风速 －功率曲线获得不同风速的实际功率输 出。风速 － 功率曲线用数学公式为 ， ０≤ ｖ＜ｖ ｉ ０ （ ｖ ） ， ｖ ｆ ｐ ｉ≤ ｖ＜ｖ ｎ Ｐ （ ｖ ） ＝ Ｐ， ㊀ｖ ≤ｖ ｎ≤ ｖ ｏ ｎ ０ ， ｖ ＜ｖ