一種基於有效風速的風能評估方法
2023-12-02 00:01:16 1
專利名稱：一種基於有效風速的風能評估方法
技術領域：
本發明涉及一種風能評估方法，尤其涉及一種基於有效風速的風能評估方法。
背景技術：
風電場的建設與運營以佔據足夠多的風能資源為前提。準確的風能資源評估對於保證風電場的發電量和經濟效益影響重大。在風電場選址過程中，需要對所在地歷年的氣象記錄進行調查，並設置測風塔實際測量場內的風速，通過統計和分析獲得風電場的風功率特徵。一般而言，針對風電場不同階段的各種應用，需要了解的風功率數據的時間長度與時間間隔亦有所不同。在風電場的運營過程中，為了制定風電場長期發電規劃和備用發電容量計劃，需要數年內的風功率數據，數據點的時間間隔可達小時級；為了滿足電力系統能量調度的要求，需要數周內的風功率數據，數據點的時間間隔一般為分鐘級；而在風電機組的運行控制中，為了保護風電機組不受損壞，平抑其輸出功率的快速波動，維持電力系統的運行穩定性，往往需要數日內的風功率瞬變特性，數據點的時間間隔可短至秒級。風功率與風速密切相關，二者之間呈明顯的非線性關係。在傳統的風能與風功率統計中，所有的風能計算都是基於一段時間內的平均風速進行的。而這種傳統的慣用做法可能給風能統計帶來不可忽視的誤差。一個明顯的不良後果是，由秒級、分鐘級和小時級等不同時間尺度的平均風速計算得到的同一段時間內的風能差別甚大，無法保持一致。
發明內容
本發明的目的是針對上述背景技術存在的缺陷，提供一種基於有效風速的風能評估方法。為實現上述目的，本發明提供的一種基於有效風速的風能評估方法適用於一段時間內空氣密度P相對恆定，且空氣密度P的變化對風能評估的影響特別小的情況，該方法具體包括以下步驟
步驟1 數據採集
採集風電場的具體數據如下通過風速風向儀在一段時間內均勻採集若干個風電場迎風方向的即時風速K、通過溫度傳感器採集風電場的空氣熱力學溫度T、通過溼度傳感器採集風電場的空氣溼度0、通過壓力傳感器採集風電場的溼空氣壓力P，通過乾濕球溫度計採集溼空氣的幹球溫度t(d)；
步驟2 數據處理之查表獲得飽和水蒸氣分壓力P(sat)
利用乾濕球溫度計測量得到的幹球溫度t(d)並通過查表求得對應於幹球溫度t(d)的風電場飽和水蒸氣壓力P (sat)；
步驟3 數據處理之空氣密度歲汁算
根據溫度傳感器、溼度傳感器及壓力傳感器分別採集的T、0、P數據及步驟2中查表獲得的飽和水蒸氣壓力P(sat)，利用上述數據並通過空氣密度P計算公式P= (P/287T) X (1 - 0. 37960 P(sat)/P)計算相應的空氣密度# ；
步驟4 數據處理之最小時間間隔內的若干個有效風速及平均風功率密度計算根據步驟3中得到的空氣密度P，利用流體的物理學定律及動能定理並通過有效風速
1 Fh+^ ,
計算公式V = 3 —J V^dt計算若干個最小時間間隔的有效風速，並通過平均風功率
V 1O h
密度公式Pw = -pvl計算若干最小時間間隔內對應的所有平均風功率密度，式中，、、
JL
'.-T0分別為採集風電場內即時風速K的初始時刻和終止時刻；
步驟5 數據處理之最小時間間隔內的有效風速向任一較大時間間隔內的有效風速的
轉換
將步驟4中計算得到的若干個最小時間間隔內的有效風速％作為計算任一較大時間間隔內的不同有效風速％ ,並通過有效風速轉化公式
速，式中， 為自然數，第i層有效風速序列為ν,(Ι:Χ Γ=; 2 ---，Μ ,每個數據點佔據的時間長度為％ ；第 +1層有效風速序列為Α_(%λ=:υ --- |，每個數據點佔據的時間長
度為巧網；
步驟6 數據處理之任一較大時間間隔內的風能評估
根據步驟3、步驟4及步驟5中計算得出最小時間間隔的有效風速％、最小時間間隔內各有效風速對應的平均風功率密度瓦、較大時間間隔的有效風速,並通過
J) +
I
供
O-bf
wz^l,
II
J
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β
=
%J
及 ^、3,^Ai1聯合計算得出任一較大時間
v.c^w=-—-, k=w--,[j
間隔內的基於有效風速的風能，式中為自然數。 綜上所述，本發明一種基於有效風速的風能評估方法適用於一段時間段內空氣密度P相對恆定，且空氣密度#的變化對風能評估的影響特別小的情況，該方法不僅可以準確地對風電場的風能進行評估，而且在進行風能評估時，結果不受時間段長短的影響。
圖1為有效風速與瞬時風速及平均風速的比較示意圖。圖2為基於有效風速、瞬時風速和平均風速的風功率示意圖。圖3為基於10分鐘時間段內有效風速、瞬時風速和平均風速的風能比較對照表。
具體實施例方式為詳細說明本發明的技術內容、構造特徵、所達成目的及效果，以下茲例舉實施例並配合附圖詳予說明。本發明一種基於有效風速的風能評估方法適用於一定時間段內空氣密度#相對恆定，且空氣密度P的變化對風能評估的影響特別小的情況，該方法具體包括以下步驟
步驟1 數據採集
採集風電場的具體數據如下通過風速風向儀在一段時間內均勻採集若干個風電場迎風方向的即時風速K、通過溫度傳感器採集風電場的空氣熱力學溫度T、通過溼度傳感器採集風電場的空氣溼度0、通過壓力傳感器採集風電場的溼空氣壓力P，通過乾濕球溫度計採集溼空氣的幹球溫度t(d)。本具體實施例中，風速風向儀採集風電場迎風方向的即時風速r採樣頻率均為1 秒1次。步驟2 數據處理之查表獲得飽和水蒸氣分壓力P(sat)
利用乾濕球溫度計測量得到的幹球溫度t(d)並通過查表求得對應於幹球溫度t(d)的風電場飽和水蒸氣壓力P (sat)。步驟3 數據處理之空氣密度P計算
根據溫度傳感器、溼度傳感器及壓力傳感器分別採集的τ、0、P數據及步驟2中查表獲得的飽和水蒸氣壓力P(sat)，利用上述數據並通過空氣密度P計算公式P = (P/287T) X (1 - 0. 37960 P(sat)/P)計算相應的空氣密度P。若一定時間段內，在風電場內各影響空氣密度#大小的T、0、P及Pfeat)變化極小， 故空氣密度大小的變化也極小的情況下，可認定空氣密度P是一個恆定值。若一時間段內，Τ、0、Ρ及P(sat)中至少一個變量變化足夠大時，進而使空氣密度# 的大小變化足夠大的情況下，此時，對風能評估的影響不可忽略，就需要對該時間段內τ、0、 P及p(sat)進行從新測量進而獲得新的空氣密度P。當然，本專利技術僅討論空氣密度滬的變化不足以影響風能評估的情形，針對空氣密度滬芟化對風能評估影響的專利技術，將在另一件專利中予以揭露。空氣密度P的具體推導過程如下
根據空氣密度P是由幹空氣和溼空氣兩部分的組成，故這樣的空氣密度P是1 Hl3中所含的幹空氣密度和溼空氣密度之和；即
P =P (da)+ P (ν)X式中，# (da),# (v)分別為幹空氣密度和水蒸氣的密度，單位為Kg/m3。因幹空氣可視為理想氣體，存在於空氣中的水蒸氣因分壓很低、密度很小，也可視為理想氣體。故幹空氣和水蒸氣組成的空氣，同樣可用克拉伯龍公式來表示
PV=RT2
式中，P-溼空氣壓力，單位Pa; V-空氣所佔體積，單位m3; T-熱力學溫度，單位(273. 16+t) ° K。由道爾頓定律，溼空氣的總壓力等於幹空氣的分壓力與水蒸氣的分壓力之和， 即
P=P (da)+P W總
且 P(v)= 0P(sat)
式中，0-空氣中的相對溼度，單位％ ；
P(sat)-對應於幹球溫度t的飽和水蒸氣壓力，單位Pa。由氣態方程可得 P =1/V=P/RT
P (da)= P (da)/R (da) T = (P ~ 0P(sat) ) /R(da)T P (V)= P(V)/ R(V)T=0 Pfeat)/ R(V)T
在標準狀態時，p。=760mm水銀柱=760X 13. 596X9. 81 101366. 3 Pa，T。=273. 16° K,
幹空氣密度歲 J* =1.293 Kg/m3，水蒸氣密度P (0) -.P (vo)=18/22. 4=0. 80357 Kg/m3 幹空氣的氣體常數
R(da)= P0 / ρ =101366. 3/273. 16X1. 293=286. 997 ^ 287J/(Kg 『 K) 水蒸氣的氣體常數
Rw= P0 / 0 ρ (vo)=101366. 3/273. 16X0. 80357=461. 799 ^ 462 J/(Kg · K)
最後可出溼空氣密度的計算公式 P =(P/287T) X (1 - 0. 37960 P(sat)/P)。步驟4 數據處理之最小時間間隔內的若干個有效風速及平均風功率密度計算根據步驟3中得到的空氣密度，利用流體的物理學定律及動能定理並通過有效風速
計算公式 計算若干個最小時間間隔的有效風速，並通過平均風功率
權利要求
1. 一種基於有效風速的風能評估方法，適用於一段時間內空氣密度 P相對恆定，且空氣密度P的變化對風能評估的影響較小的情況，其特徵在於 步驟1 數據採集採集風電場的具體數據如下通過風速風向儀在一段時間內均勻採集若干個風電場迎風方向的即時風速K、通過溫度傳感器採集風電場的空氣熱力學溫度T、通過溼度傳感器採集風電場的空氣溼度0、通過壓力傳感器採集風電場的溼空氣壓力P，通過乾濕球溫度計採集溼空氣的幹球溫度t(d)；步驟2 數據處理之查表獲得飽和水蒸氣分壓力P(sat)利用乾濕球溫度計測量得到的幹球溫度t(d)並通過查表求得對應於幹球溫度t(d)的風電場飽和水蒸氣壓力P (sat)；步驟3 數據處理之空氣密度P計算根據溫度傳感器、溼度傳感器及壓力傳感器分別採集的T、0、P數據及步驟2中查表獲得的飽和水蒸氣壓力P(sat)，利用上述數據並通過空氣密度P計算公式P = (P/287T) X (1 - 0. 37960 P(sat)/P)計算相應的空氣密度歲；步驟4 數據處理之最小時間間隔內的若干個有效風速及平均風功率密度計算根據步驟3中得到的空氣密度#，利用流體的物理學定律及動能定理並通過有效風速計算公式
2.根據權利要求1所述的基於有效風速的風能評估方法，其特徵在於風速風向儀以小於或者等於1秒時間間隔對即時風速進行採集。
3.根據權利要求1所述的基於有效風速的風能評估方法，其特徵在於風速風向儀採集風電場迎風方向的即時風速K的採樣頻率為1秒1次。
4.根據權利要求1所述的基於有效風速的風能評估方法，其特徵在於採用分層數據的形式進行有效風速的統計。
5.根據權利要求4所述的基於有效風速的風能評估方法，其特徵在於採樣時間間隔長短作為不同層級分層劃分的依據。
6.根據權利要求5所述的基於有效風速的風能評估方法，其特徵在於至少包括兩個層級時間間隔，即至少包括具有最小時間間隔的基礎層級與具有較大時間間隔的高層級兩個層級。
7.根據權利要求1所述的基於有效風速的風能評估方法，其特徵在於^tm^ Pm的數據個數相等並具有一一對應的關係，也即Vr、P.的數據個數相等並且一一對應。
全文摘要
本發明公開了一種基於有效風速的風能評估方法，該方法包括步驟1數據採集；步驟2數據處理之查表獲得飽和水蒸氣分壓力P(sat)；步驟3數據處理之空氣密度計算；步驟4針對風電場的空氣密度歷史數據，選定一取值恆定空氣密度作為參考量；步驟5數據處理之最小時間間隔內的若干有效風速及平均風功率密度計算；步驟6數據處理之最小時間間隔內的有效風速向任一較大時間間隔內的有效風速的轉換；步驟7數據處理之任一較大時間間隔內的風能評估。本發明一種基於有效風速的風能評估方法不僅可以準確地對風電場的風能進行評估，而且在進行風能評估時，結果不受時間段長短的影響。
文檔編號G06F19/00GK102495973SQ20111044049
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月26日 優先權日2011年12月26日
發明者柴建雲, 苗強 申請人:成都阜特科技有限公司