基于尾流解析灵敏度模型的风电场有功出力提升方法

本发明属于风电场优化调度，特别是一种基于尾流解析灵敏度模型的风电场有功出力提升方法。

背景技术：

1、随着风电规模地不断扩大，风电场中尾流效应的影响愈发凸显。若各台风机仍采用传统最大功率点跟踪控制(maximumpowerpointtracking，mppt)，仅以自身发电效益最优为控制目标，将导致到达风场下游的风速明显降低，进而影响下游风机甚至整个风电场的有功出力。对此，研究已从单机控制视角拓展到了多机协同的风电场视角，通过协调各台风机风能捕获，降低风场尾流效应的不利影响，实现整体有功出力提升。

2、目前，围绕风电场有功出力提升的研究主要可以分为两类：基于智能算法的优化方法和基于数值灵敏度的优化方法。前者主要采用不依赖物理模型的启发式算法或深度强化算法，具有良好的适应性，但由于缺乏对风电场有功出力提升机理的探索和利用，这类方法通常需要更长的寻优时间，且优化结果具有一定的随机性和不确定性。后者则主要依靠扰动-测量的方式，计算风电场有功出力关于风机控制参数的数值灵敏度，以此指导优化过程。但是，尾流传播的分钟级延时显著降低了数值灵敏度的计算效率，进而影响寻优速度。此外，同样由于缺少物理机理模型的引导，数值灵敏度的首次计算只能经验性地设定初始扰动，这可能会导致搜索方向出错，影响优化结果。

3、综上可见，面对尾流效应带来的上、下游风机有功出力的复杂耦合特性，上述优化方法存在不足的根源在于忽视了对尾流影响风电场有功出力的物理机理探索，进而缺乏可描述下游风机及风电场出力随尾流变化的解析模型，无法有效指导加速寻优过程。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于尾流解析灵敏度模型的风电场有功出力提升方法。结合工程可调节参数—桨距角，构建了风电场有功出力关于各台风机桨距角的解析灵敏度模型，能够准确刻画尾流效应对风电场有功出力的影响。该模型计算快速，可直接用于指导寻优过程，在保证优化精度的同时，能够大幅提高优化速度，且具有较强的场景适应性。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一方面，提供了一种基于尾流解析灵敏度模型的风电场有功出力提升方法，所述方法包括以下步骤：

3、步骤1，结合解析尾流模型，确定各台风机的尾流影响集合；

4、步骤2，根据各台风机运行状态，计算风机有功出力关于桨距角的解析灵敏度；

5、步骤3，构建描述风电场所有风机的灵敏度矩阵；

6、步骤4，计算风电场整体出力关于各台风机桨距角的解析灵敏度；

7、步骤5，判断步骤4解析灵敏度是否均低于设定阈值，若是，执行步骤6，否则执行步骤7；

8、步骤6，保持风机当前桨距角，不进行额外调节；

9、步骤7，计算风机桨距角调节量，调节风机桨距角。

10、进一步地，步骤1中各台风机的尾流影响集合，具体确定方法如下：

11、对于一个具有n台风机的风电场，场内任意一台风机记为wti，i＝1,2,…,n；

12、将所有经由尾流效应影响风机wti的上游风机定义为风机wti的尾流影响集合，记作gi；判定风电场内其他风机wtk是否属于gi的方法如下：

13、

14、式中，k＝1,2,…,n，和分别表示风机wtk和wti之间平行于风速方向的距离和垂直于风速方向的距离，(xk,yk)和(xi,yi)分别表示风机wtk和wti的位置坐标，d表示风轮直径，dw表示风机尾流扩散直径。

15、进一步地，步骤2中风机有功出力关于桨距角的解析灵敏度，具体计算方法如下：

16、对于风电场内的任意一台风机wti，其有功出力关于上游风机wtj桨距角的解析灵敏度计算如下：

17、

18、式中，j＝1,2,…,n，ρ表示空气密度，a表示风轮扫过区域面积，vin表示风电场来流风速，pi表示风机wti的出力，δvj表示上游风机wtj尾流效应所导致的风机wti的风速衰减量，cp.i表示风机wti的风能利用系数，λi表示风机wti的叶尖速比，ct.j表示上游风机wtj的推力系数，βj表示上游风机wtj的桨距角，δvk表示风机wti的尾流影响集合gi中各台上游风机尾流效应所导致的风速衰减量。

19、进一步地，步骤3构建描述风电场所有风机的灵敏度矩阵的方法如下：

20、对于一个具有n台风机的风电场，灵敏度矩阵sβ表示为一个n×n的矩阵：

21、

22、式中，对角元s(i,i)表示第i台风机wti有功出力关于其自身桨距角的解析灵敏度，具体计算如下：

23、

24、式中，r表示风轮半径，vi表示风机wti的风速，βi表示风机wti的桨距角；

25、非对角元s(i,j)表示第i台风机wti有功出力关于第j台风机wtj桨距角的解析灵敏度，具体计算如下：

26、

27、进一步地，步骤4中风电场整体出力关于各台风机桨距角的解析灵敏度，具体计算方法如下：

28、对于风电场内的任意一台风机wti，风电场整体出力关于其桨距角的解析灵敏度计算公式如下：

29、

30、式中，pf表示风电场整体出力。

31、进一步地，步骤5中的阈值取为风机额定功率的1‰。

32、进一步地，步骤7中风机桨距角调节量的计算方法如下：

33、对于风电场内的任意一台风机wti，其桨距角调节量的计算公式为：

34、

35、式中，δβi表示风机wti的桨距角调节量，k表示增益系数。

36、另一方面，提供了一种基于尾流解析灵敏度模型的风电场有功出力提升系统，所述系统包括顺次执行的：

37、第一模块，用于结合解析尾流模型，确定各台风机的尾流影响集合；

38、第二模块，用于根据各台风机运行状态，计算风机有功出力关于桨距角的解析灵敏度；

39、第三模块，用于构建描述风电场所有风机的灵敏度矩阵；

40、第四模块，用于计算风电场整体出力关于各台风机桨距角的解析灵敏度；

41、第五模块，用于判断第四模块解析灵敏度是否均低于设定阈值，若是，执行第六模块，否则执行第七模块；

42、第六模块，用于保持风机当前桨距角，不进行额外调节；

43、第七模块，用于计算风机桨距角调节量，调节风机桨距角。

44、另一方面，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述基于尾流解析灵敏度模型的风电场有功出力提升方法。

45、另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述基于尾流解析灵敏度模型的风电场有功出力提升方法。

46、本发明与现有技术相比，其显著优点为：

47、1)本发明提供了一种尾流解析灵敏度模型，能够准确刻画风电场尾流效应对有功出力的影响，且可适用于不同的风场布局和尾流场景。相比于现有基于扰动-测量方式确定的数值灵敏度，本模型在计算时不需要等待分钟级的尾流传播延时，能够在数秒内完成计算，大幅缩减了每次迭代计算的时间。

48、2)本发明公开了一种基于尾流解析灵敏度模型的风电场有功出力提升方法，依靠尾流解析灵敏度的计算能够准确指导风电场的优化过程，从而更加有针对性地确定不同位置风机的搜索方向，提高优化效率。而现有基于数值灵敏度的优化方法，只能依靠经验设定初始扰动，这容易导致错误的搜索方向，延长优化时间。

49、下面结合附图对本发明作进一步详细描述。