10108.001风电场理论发电量计算方法

Q/CRNE 华 润 新 能 源 控 股 有 限 公 司 企 业 标 准 Q/CRNE 10108.0012013 风电场理论发电量计算方法 2013 - 06 - 20 发布 2013 - 06 - 25 实施 华润新能源控股有限公司 发 布 Q/CRNE 10108.0012013 I 目录目录 前言 . II 1 范围 . 1 2 规范性引用文件 . 1 3 术语和定义 . 1 3.1 轮毂高度（风机） hub height (wind turbine) . 1 3.2 有功功率 active power . 1 3.3 功率曲线 power curve . 1 3.4 风速 wind speed . 1 3.5 风向 wind direction . 1 3.6 地形 terrain . 1 3.7 复杂地形 complex terrain . 1 3.8 地表粗糙度 surface roughness . 2 3.9 障碍物 obstacles . 2 4 测风塔要求 . 2 4.1 测风塔位置 . 2 4.2 测风塔数量 . 2 4.3 数据采集要求 . 2 5 功率曲线 . 2 5.1 空气密度 . 2 5.2 功率曲线的校正 . 3 5.3 功率曲线的拟合 . 3 6 理论发电量计算 . 4 6.1 理论功率计算 . 4 6.2 理论发电量计算 . 5 7 华润新能源理论电量计算方法 . 5 7.1 计算依据 . 5 7.2 计算方法 . 5 7.3 结论 . 9 Q/CRNE 10108.0012013 II 前 言 本标准由华润新能源控股有限公司运营部标准化工作组提出。 本标准由运营部归口并负责解释。 本标准由运营部负责起草。 本标准主要编写人：管理标准工作小组 本标准主要审核人：辛文达、翁廓、袁炜、张艳峰、沃仲磊、万井江、杨喜民、朱宏强、蔡松禹、 张民、李振豹 本标准审定人：刘日新 本标准批准人：张沈文 Q/CRNE 10108.0012013 1 风电场理论发电量计算方法 1 范围 本标准规定了风电场理论发电量的评估方法。 2 规范性引用文件 下列文件对于本标准的应用是必不可少的。 凡是注日期的引用文件， 仅注日期的版本适用于本标准。 凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本标准。 GB/T 18709-2002 风电场风能资源测量方法 GB/T 18710-2002 风电场风能资源评估方法 发改能源20031403 号 风电场风能资源测量和评估技术规定 QX/T 74-2007 风电场气象观测及资料审核、订正技术规范 GB/T 18451.2-2003/IEC 61400-12:1998 风力发电机组 功率特性实验 3 术语和定义 下列术语和定义适用于本文件。 3.1 轮毂高度（风机） hub height (wind turbine) 从地面到风轮扫掠面中心的高度。 3.2 有功功率 active power 发电机发出电能中可转化为热能、光能、机械能或化学能，用于做功被消耗的部分，本规范简称功 率。 3.3 功率曲线 power curve 描绘风电机组有功功率输出与风速的函数关系图和表， 功率曲线包括设计功率曲线、 计算功率曲线。 3.4 风速 wind speed 空气微团的移动速度。根据测量时距的长短，包括瞬时风速、平均风速等，单位为米每秒（m/s） 。 3.5 风向 wind direction 风的来向，单位为度（ ） ，静风以C表示。 3.6 地形 terrain 地表以上分布的固定性物体共同呈现出的高低起伏的各种状态。 3.7 复杂地形 complex terrain Q/CRNE 10108.0012013 2 地形显著变化或有引起气流畸变的障碍物的地带。 3.8 地表粗糙度 surface roughness 因地表起伏不平或地物本身几何形状的影响， 使风速廓线上风速为零的位置并不在地表 （高度为零 处） ，而在离地表一定高度处，这一高度则被定义为地表粗糙度。 3.9 障碍物 obstacles 能引起气流不规则变化的固定物体，如建筑、树林、风机发电机等。 4 测风塔要求 4.1 测风塔位置 a) 测风塔位置应具有代表性，可反映风电场所处区域的风能资源特性； b) 测风塔宜在风电场主导风向的上风向，距离风电机组 1km5km； c) 测风塔应避开障碍物，距离障碍物的距离应为障碍物高度的 10 倍以上。 4.2 测风塔数量 a) 测风塔数量的确定应综合考虑风场地形条件、气候特征、风场区域范围、装机容量等因素； b) 对于地形较为平坦的中小型风电场（装机容量小于 100MW、风场覆盖范围小于 20km2） ，应至 少配置 1 座测风塔；地形较为复杂的风电场，应适当增加测风塔的数量； c) 对于大型风电基地和风电场群，应沿主导风向在风场两侧各安装 1 座测风塔； d) 对于不具备测风塔安装条件的区域（如海上风电场） ，可考虑使用声雷达（SODAR）或光雷达 （LIDAR） 。 4.3 数据采集要求 测风数据的采集应满足实时性的要求，包括风速、风向、气温、气压等参数。 a) 数据采集频率宜为秒级，自动计算并生成 5min 的平均值及标准差； b) 风速仪至少应安装于 10m、50m 及轮毂高程； c) 风向仪至少应安装于 10m 及轮毂高程； d) 气温和气压传感器应安装在离地面 10m 以上的高程。 5 功率曲线 对于经过认证机构测试的功率特性曲线， 可根据实测空气密度进行校正； 无法提供测试功率曲线的 机型，需根据风机机头风速及单机功率进行拟合。 5.1 空气密度 空气密度可根据实测气温及气压计算得到，平均空气密度可根据逐 5min 空气密度平均得到： 5min 5min 5min B RT （1） Q/CRNE 10108.0012013 3 1 1 N i i N （2） 式中： 5min 5min 平均空气密度； 5min B5min 平均气压； R气体常数 287.05（J/kg.K） ； 5min T5min 平均气温； N样本个数； 平均密度。 5.2 功率曲线的校正 若风电机组的功率特性曲线经过实验验证，且实测空气密度在 1.225kg/m30.05kg/m3范围内，功 率曲线无需校正；若在此范围以外，则功率曲线需根据以下方法进行校正。 5.2.1 失速控制、具有恒定桨矩和转速的风力发电机组 对于失速控制、具有恒定桨矩和转速的风力发电机组，校正功率曲线可利用公式 3 计算： 0 PP 0校正 （3） 5.2.2 功率自动控制的风电机组 对于功率自动控制的风电机组，校正功率曲线可利用公式 4 计算： 1 3 0 VV 0校正 （4） 式中： P 校正折算后的功率； 0 P折算前的功率； 0 标准空气密度（1.225kg/m3） ； 0 V折算前的风速； V校正折算后的风速； 实测平均密度。 5.3 功率曲线的拟合 Q/CRNE 10108.0012013 4 若风电机组的功率特性曲线未经过实验验证，需根据风电机组的机头风速及单机功率进行拟合。 5.3.1 数据选择准则 a) 应选择处于风电场外围、且位于主导风向上风向的风机作为特征风机； b) 应选择机组故障率低、自由运行时间较长的风机作为特征风机； c) 应根据机组运行日志剔除机组故障、人为限制出力、测风设备故障等时段的数据； d) 风速及功率数据宜采用 5min 平均值； e) 不同机型的功率曲线应分别拟合。 5.3.2 功率曲线拟合方法 拟合的功率曲线应采用机头平均风速及单机平均功率，根据 bin 方法（method of bins）进行处理， 采用 0.5m/s bin 宽度为一组，利用每个风速 bin 所对应的功率值根据公式 5、6 计算得到： , 1 1 P i N ii j j i P N （5） , 1 1 V i N ii j j i V N （5） 式中： Pi第 i 个 bin 的平均功率值； , i j P第 i 个 bin 的 j 数据组的功率值； Vi第 i 个 bin 的平均风速值； , i j V第 i 个 bin 的 j 数据组的风速值； i N第 i 个 bin 的 5min 数据组的数据数量。 6 理论发电量计算 6.1 理论功率计算 a) 综合考虑风电场所处区域的地形、 粗糙度变化情况， 结合风电场布局， 建立风电场数字化模型。 b) 采用微观气象学理论或计算流体力学的方法， 将测风塔风速外推至每台风机轮毂高度处， 建立 各风向扇区的风速转化函数： 12 (,) n Vf Vk kk 测风塔外推 （6） 式中： V外推由测风塔外推至风机轮毂高度处的风速； Q/CRNE 10108.0012013 5 V测风塔测风塔实测风速； 12 , n k kk影响因子（地形、粗糙度、尾流效应等） ； f转化函数。 c) 采用历史外推风速及同期的机头风速建立回归方程， 根据最小二乘等优化算法计算得到对应的 回归系数并对外推风速进行修正。 d) 以修正风速为基础，结合经校正或拟合的功率曲线，计算得到单机的理论功率。 e) 所有风机理论功率累计，得到整场的理论功率。 6.1.1 模型评估 理论发电量及弃风电量计算模型在应用前应经过专业技术部门评估。 模型评估应选择在非限电时段进行。 缺测及异常数据时段不参与统计。 理论发电量模型应以全场功率为基准进行评估， 统计指标至少应包括均方根误差、 平均绝 对误差、最大相对误差等。 理论发电量模型评估指标为电量的相对误差，应以统计时段的理论电量为基准。 弃风电量评估应人为设定特征限电时段， 根据理论弃风电量与计算弃风电量的差值， 以该 时段的理论电量为基准进行相对误差统计。 6.1.2 性能指标 理论发电量的日均方根误差应小于 10%。 理论发电量的最大相对误差应小于 10%。 6.2 理论发电量计算 理论功率通过积分得到计算时段的理论发电量。 7 华润新能源理论电量计算方法 本部分基于matlab软件计算华润新能源运营风力发电机组理论电量的方法。 7.1 计算依据 7.1.1 机组理论电量的计算主要依据每台机组的 10 分钟平均风速和机组的功率曲线，假设在每 10 分 钟内机组维持该平均风速， 将每一个 10 分钟平均风速在功率曲线里对应的功率与 10 分钟相乘即可得到 该机组在十分钟内的发电量（即能量=功率*时间），将一段时间内的所有以 10 分钟为单位的能量（即 发电量）相加就是该机组在该时间段（一般计算一个月）内的发电量。 7.1.2 为计算简便，对于非整数风速，采用线性插值法对应功率曲线。 7.2 计算方法 7.2.1 从风机监控后台导出所有风机 10 分钟平均风速，详见表 1。 Q/CRNE 10108.0012013 6 表1 机 10 分钟平均风速 7.2.2 重新建立一个 excel 表格，版本为 office2003 版，并将 10 分钟平均风速复制在新表格中，注 意格式的调整，调整后的 10 分钟平均风速格式见表 2。 Q/CRNE 10108.0012013 7 表2 调整后的 10 分钟平均风速表 7.2.3 根据不同空气密度下的功率曲线，编制计算程序，以 750kW 机组为例： 750机组标准功率曲线（空气密度1.225千克每立方米） clear; clc; pline=0 0;3 0;4 17;5 48;6 81;7 160;8 257;9 350;10 468;11 566;12 647;13 697;14 745;15 772;16 768;17 764;18 749;19 745;20 743;21 740;22 740;23 736;24 732;25 730;26 0;27 0;50 0; A=importdata(D:2012年月份理论电量风电场2月750.xls); x,y=size(A.data); for i=1:x for j=1:y pow(i,j)=interp1(pline(:,1),pline(:,2),A.data(i,j),spline); end end pow(find(isnan(pow)=1)=0; sumpow=sum(pow)/6; xlswrite(D:2012年月份理论电量风电场2月7501.xls,sumpow,result2) 说明：以上程序中，只有涂有颜色部分的地方可以进行修改，其他数据不允许改动，具体说明见下 面表3。 表3 功率曲线计算公式说明表 Q/CRNE 10108.0012013 8 7.2.4 将修改后的程序导入 matlab 计算软件，即可得到所有风机理论电量数据。 matlab 软件安装完成的电脑界面 安装后打开的画面见表4： 表4 安装完成界面 将修改后的计算程序导入 matlab 软件，软件将自动计算结果。 软件自动计算结果的界面见表5。 表5 软件自动计算界面 7.2.5 不同空气密度功率曲线的折算，见表 6。 表6 空气密度功率曲线表 表 6 中第一列 excel 表格数据为标准功率曲线； Q/CRNE 10108.0012013 9 表 6 中第二列 excel 表格数据为折算后的平均风速， 只需调整现场实际空气密度即可折算相对 应的功率曲线， 即为图四中第三列 excel 表格， 现场实际空气密度的计算按照空气密度计算公 式进行手动计算。 空气密度是气压、气温和湿度的函数，计算公式见表 7： 表7 空气密度计算公式 7.2.6 计算过程中需要注意的几点问题： 10 分钟平均风速必须严格按照表 1 格式进行整理。 编