風(fēng)資源評(píng)估及數(shù)值分析方法綜述

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

引言

現(xiàn)階段是我國(guó)風(fēng)電規(guī)模化發(fā)展的重要時(shí)期，在2015年全國(guó)并網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)機(jī)年總發(fā)電量超過190TW.H[1]。目前已有的大量風(fēng)資源評(píng)估工作都是對(duì)10-30年為時(shí)間段的風(fēng)資源分布進(jìn)行描述[2]。與當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電，風(fēng)電并網(wǎng)等與電力相關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域的深入研究相比，在風(fēng)資源實(shí)時(shí)估計(jì)方面的研究則相對(duì)較少。因此建立有利于研究人員理解與應(yīng)用的刻畫風(fēng)資源實(shí)時(shí)分布情況的數(shù)學(xué)模型變得尤為重要，這將為風(fēng)電出力、調(diào)度等各方面研究提供基礎(chǔ)信息。

一、基于統(tǒng)計(jì)規(guī)律的風(fēng)資源分布估計(jì)方法

(一)區(qū)域風(fēng)資源的相關(guān)性分析。風(fēng)電場(chǎng)輸出相關(guān)性是影響風(fēng)電特性的一個(gè)主要因素，特別是集群風(fēng)電的輸出量，已經(jīng)被很多學(xué)者關(guān)注，其中主要被應(yīng)用的為相關(guān)性隨距離增加而減弱的規(guī)律。2015年，Hasche等人以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例，擬合得到了風(fēng)場(chǎng)出力相關(guān)系數(shù)與距離之間的指數(shù)函數(shù)關(guān)系[3]。利用此規(guī)律基于地理距離推算出相關(guān)系數(shù)。風(fēng)資源的相關(guān)性是風(fēng)電出力相關(guān)性的主要影響因素，在實(shí)際應(yīng)用中，這一特點(diǎn)多被應(yīng)用于測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)的校正中[4]。

(二)基于風(fēng)資源相關(guān)性的測(cè)風(fēng)塔分組方法。實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)中測(cè)風(fēng)塔分散在整個(gè)區(qū)域，并受風(fēng)電場(chǎng)地形影響，風(fēng)電場(chǎng)整體區(qū)域地形特點(diǎn)類似，地形平坦，每臺(tái)測(cè)風(fēng)塔位置處的風(fēng)資源數(shù)值大小以及波動(dòng)特點(diǎn)也存在差異。為了避免具有不同特性的測(cè)風(fēng)塔對(duì)進(jìn)一步的分析造成影響，對(duì)已知測(cè)風(fēng)塔進(jìn)行分組是最為重要的任務(wù)。

目前，最短距離聚類法在分組聚類方法中最為常用[5]。2016年，喬穎等人結(jié)合甘肅酒泉地區(qū)實(shí)際的風(fēng)資源特點(diǎn)，介紹了該方法[6]。首先，構(gòu)造待聚類的m個(gè)元素的距離矩陣，然后在原來的m×m距離矩陣的非對(duì)角元素中找出兩組距離最近的對(duì)象Gp和Gq并且歸并為一新類Gr，然后按計(jì)算公式

drk=min{dpk,dqk}(k≠p,q)

(1)

計(jì)算原始各個(gè)類別與新類別之間的距離，得到新的(m-1)階的距離矩陣；再從該矩陣中選出最小者dij，把Gi和Gj歸并成新類；繼而計(jì)算每個(gè)類別與新類別之間的距離，直至類別的數(shù)量達(dá)到預(yù)定值為止。

(三)風(fēng)資源分布的實(shí)時(shí)估計(jì)方法。風(fēng)資源數(shù)據(jù)研究中，反距離加權(quán)法作為一種簡(jiǎn)單易行的插值方法得到了廣泛的應(yīng)用。反距離加權(quán)差值法便是以待求點(diǎn)到已知點(diǎn)距離的函數(shù)作為權(quán)重函數(shù)，對(duì)已知點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)得到待求點(diǎn)的估計(jì)值。例如，權(quán)重函數(shù)W(r)為：

(3)

式中：r為未知點(diǎn)與已知點(diǎn)之間的距離；R為影響半徑，表示距離超過該半徑的已知點(diǎn)對(duì)未知點(diǎn)的數(shù)據(jù)沒有參考價(jià)值；m是大于1的整數(shù)。顯然，在這種插值方法中，已知點(diǎn)離未知點(diǎn)越近，則權(quán)重越大。

二、風(fēng)能資源評(píng)估的特征參數(shù)參數(shù)

風(fēng)能資源評(píng)估的主要特征參數(shù)包括:風(fēng)速統(tǒng)計(jì)概率分布、風(fēng)向、平均風(fēng)功率密度、風(fēng)能、有效風(fēng)能、可利用小時(shí)數(shù)等。

(一)風(fēng)速統(tǒng)計(jì)概率分布。通過對(duì)風(fēng)速v概率統(tǒng)計(jì)得出的分布特性是能夠衡量一個(gè)地方風(fēng)能資源分布情況，一般采用weibull分布曲線來擬合不同地區(qū)或不同高度風(fēng)速概率分布[7]，其表達(dá)式為：

(4)

式中:k為形狀參數(shù)，k值越大說明風(fēng)速波動(dòng)越小，越適合風(fēng)力發(fā)電。λ為尺度參數(shù)，用來決定風(fēng)頻曲線峰值大小。

(二)平均風(fēng)功率密度。風(fēng)能密度是衡量一個(gè)地區(qū)風(fēng)能大小和風(fēng)能儲(chǔ)量最有價(jià)值的參考量。風(fēng)功率密度是氣流在單位時(shí)間內(nèi)垂直流過單位截面積中所具有的能量，計(jì)算公式[8]為

(5)

(三)有效風(fēng)能。對(duì)于風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置而言可利用的風(fēng)能是在切入風(fēng)速到切出風(fēng)速之間的風(fēng)速段這個(gè)范圍的風(fēng)能即有效風(fēng)能，該風(fēng)速范圍內(nèi)的平均風(fēng)功率密度即有效風(fēng)功率密度有效風(fēng)功率密度計(jì)算式[9]為

(6)

(四)可利用小時(shí)數(shù)。風(fēng)電場(chǎng)容量系數(shù)的高低由可利用小時(shí)數(shù)決定可利用小時(shí)數(shù)越高則說明風(fēng)電場(chǎng)的投資回報(bào)率也越高統(tǒng)計(jì)代表年測(cè)風(fēng)序列中的有效風(fēng)速的風(fēng)能可利用小時(shí)數(shù)計(jì)算式[10]為

(7)

式中N為統(tǒng)計(jì)時(shí)段的總時(shí)間h其中可利用風(fēng)能資源儲(chǔ)量是通過有效風(fēng)功率密度、風(fēng)電場(chǎng)面積和風(fēng)能利用率之間的關(guān)系計(jì)算得出的

三、風(fēng)能資源評(píng)估方法發(fā)展方向

針對(duì)上述不足,未來風(fēng)能資源評(píng)估的發(fā)展方向如下:

(1)用大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)為風(fēng)能資源評(píng)估提供更有參考價(jià)值的平臺(tái)。

(2)改進(jìn)現(xiàn)有機(jī)組曲線評(píng)估模型增加氣象要素和實(shí)際運(yùn)行曲線模型研究。

(3)當(dāng)前風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量和單機(jī)容量的不斷增大，應(yīng)深入研究尾流疊加模型和湍流擾動(dòng)模型。