从全生命低度电成本华北电力大学

从全生命低度电成本华北电力大学风电场技术实验室.edu课题组人员组成华北电力大学

风电场技术课题组

隶属于可再生能源学院风电研究中心，是新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)的重要组成部分。智能风电场技术副韩

爽风电场设计、风电场效能评估、风电功率预测李

莉CFD数值模拟、风电场尾流计算葛铭纬CFD数值模拟，尾流模型，风电叶片气动设计风电机组状态监测与故障诊断阎

洁不确定性分析、新能源电力系统优化运行孟

航CFD数值模拟，风电机组叶片流固耦合与疲劳研究生8人，硕士研究生19人，留学生研究生4人1July2019——风电场技术实验室（LaboratoryonWindFarmTechnologies）——2课题组人员组成导师

2006年，参与创办“风能与动力工程”本科生专业华北电力大学可再生能源学院

国际能源署(IEA)WindTask31工作组中国牵头人

兼任

国际电工技术委员会(IEC)SC8A技术分委会WG2工作

中国可再生能源学会风能专业委员会委员

组成员英国工程师协会IETRenewablePowerGeneration

中国电机工程学会可再生能源发电专业委员会

新能源发电并网专业委员会委员

期刊亚太区主编2018年，获得国家科技进步二等奖

中国能源学会可再生能源专委会委员

中国气象学会气象资源应用委员会委员1July2019——风电场技术实验室（LaboratoryonWindFarmTechnologies）——3风电场技术研究方向风电场设计技术风电场运维技术新能源电力系统优化运行•

风能资源特性•

风轮等效风速计算•

风电场尾流数值模拟•

风电场微观选址•

风电场优化控制与运行•

智能风电场功率预测•

风电设备状态诊断与健康管理•

风电场运营效能评价•

风电场后评价•

新能源多能互补运行•

新能源电力系统经济调度实现风力发电全生命电成本最低！1July2019——风电场技术实验室（LaboratoryonWindFarmTechnologies）——4目录风电场设计技术风电场运维技术新能源电力系统优化运行1July2019——风电场技术实验室（LaboratoryonWindFarmTechnologies）——5风能资源特性

低风速地区和复杂地形区域是风电开发的主要增长点。准确、全面、精细的风能资源评估与微观选址，对风电项目实际运营效益的影响愈发显著。

大型风电场群流场测量技术应用激光雷达开展大型风电基地的流场测量，研究尾流效应

风资源特性精细化建模与评估

大气稳定度影响下的自然风特性

复杂多变自然风的湍流特性𝑣(𝑠?)

湍流风速统计数值1800-6湍流风速统计分布图8中长期风速平1600平均风速为7m/s平均风速为14m/s1400均值𝑣𝑠𝑠?

+∑12001000𝑇𝐹,

𝐾𝐹

800白噪声发生器白噪声发生器𝑒𝑠?

𝑣𝑇(𝑠?)

600-4-202464002000-8𝑒𝑠?

湍流计算过程图湍流风速变化量m/s湍流风速统计分布图

m(zL)[ln(zz0)

m(zL)]2015年至2016年不同稳定度下风切变指数

蓝色表示不稳定状态

红色表示中性状态

黑色表示稳定状态1July2019——风电场技术实验室（LaboratoryonWindFarmTechnologies）——6风电出力的时间分布特性四季风电出力图

中长期PIbbaa,

,

,1

2

1

2

a2b2Wabdbda

,

度a1b1

A2

B2A

B1

1Wabdbda

,

相对度RPIbbaa

,

,

,1

2

1

2a2b2Wabdbda

,

a1b1A

b

2

2A

b1

1Wabdbda

,

春夏季季秋冬季季

短期波动性最大波动幅度风波幅值平均波动幅值动电偏移度出性指偏移力标爬坡次数时间爬坡平均爬坡幅度

出力细节波动特性

出力波动幅值

Pt

=Pt

Pt

1

采用核密度估计模型对风电出力波动量的频率分布进行

出力波动变化率

=Pt

Pt

1

拟合，并计算其在不同置信度下的置信上限、置信下限Pt

1

与置信区间。

日出力最大波动

Pmax

Pmax

Pmin1July2019——风电场技术实验室（LaboratoryonWindFarmTechnologies）——7风电出力的空间分布特性

聚合性a)10min

b)30min

当机组数达到11台左右时，风电场内机组群出力波动性的减弱速度基本为零，出力聚合特性趋于稳定。

受自然风时空耦合特性影响，导致风电场间出力的聚合特性弱于风电场。

相关性及传递性

受相对位置影响，风向由北至西北方向逆时针变化时，三个位置点的相关性均逐渐增强。

不仅在输出功率上具有衰减性，在时间轴上也有一定的延迟性，图中延迟时间大约为1min。c)1hd)4h风电场-风电场群全年出力波动情况风电场内不同数量机组全年出力波动情况相关性1#&2#2#&3#1#&3#不同风向下三台风电机组出力相关系数春季0.930.810.82夏季0.920.850.83秋季0.800.830.89冬季0.910.790.73传递性衰减率（与出力最大值相比）2#与3#机组风电出力时间序列图1#2#3#春季7.00%13.80%0夏季13.90%18.80%0秋季13.10%27.20%0冬季9.60%14.40%01July2019——风电场技术实验室（LaboratoryonWindFarmTechnologies）——8风轮等效风速计算

风电机组呈现低风速和大型化发展趋势，风速在风轮扫掠平面内空间变化明显增加，轮毂高度风速无法代表风轮扫掠面内的风速效应，准确、科学、有效的风轮等效风速计算，对理论发电量计算精度的提高意义重大；现有方法需要多个高度的风速、风向值，且假设风轮是静止的。

低风速风电场特点

基于等效功率的风轮等效风速计算方法塔影效应影响风切变和塔影效应影响

风资源特点

风切变和塔影效应对

高湍流风轮扫掠面内风速的

大切变影响规律分析

低风功率密度

低风速风电机组特点风切变效应影响

高塔筒

长叶片

计及风切变和塔影效应的风轮等效风速计算模型风轮扫掠平面内风速空间风轮等效风速随叶片方位角变化风轮等效风速随风切变系数变化风轮等效风速随轮毂高度风速变化9变化明显增加1July2019——风电场技术实验室（LaboratoryonWindFarmTechnologies）——风电场流场模拟技术

准确的风电场流场模拟是风电场优化设计的关键基础，尤其在复杂地形条件下，精度和计算效率更难以两全，严重限制了工程应用效果。

风电机组群的尾流干涉机理尚不清晰，而商业软件中更尚未能考虑此效应的影响。

风电场流场CFD模拟技术和预计算方法

风电机组尾流干涉研究自由尾流

基于工程嵌套的风电场流场模拟技术

改进了现有半经验尾流模型，实现了尾流的高效准确计算

大气稳定度、尾流模型、湍流模型对发电量计算精度的影响规律

风电机组群尾流非定常精细化数值模拟不稳定稳定中性不同大气稳定度下的风电场流场分布水平方向加密区域网格尾流干涉1July2019——风电场技术实验室（LaboratoryonWindFarmTechnologies）——10基于CFD预计算的风电场微观选址优化

在风电场微观选址优化中需要对风电场内的机组尾流场在短时间内进行高达上万次的模拟，所使用的尾流模拟方法不仅要能保证一定的计算精度，运算效率也必须满足工程要求。

CFD预计算模型CFD模型：致动盘

风轮建模：动量源项二维化分布

湍流模拟：

k-ε湍流模型+湍流耗散率计算域示意图源项插值方法：分段三次

Hermite

插值

选取原则：均匀性、边缘性

样本方案：以风速为变量，取样间隔1m/s

计算域内网格

数据存储方案：机组下游每隔1D位置处的径向速度分布

风电场微观选址优化

优化算法：

萤火虫算法

优化变量：机组排布方案+机组台数

优化目标：单位千瓦成本最低

离散方式：二进制

目标函数：cost

Nt

2

1e

N

33变风向变风速Grady结果校核

Grady布机方案本文计算结果本文布机方案机组总数3945风电场总出力1865021703(kW)目标函数(W-1)技术路线1.44351.40271July2019——风电场技术实验室（LaboratoryonWindFarmTechnologies）——11风电场优化设计研究成果

风能资源特性

研究成果：硕士学位论文8篇；SCI、EI论文6篇；发明专利4项；开发软件系统2套。

主要依托项目①

2018年政府间国际科技创新合作重点专项“蒙古国南戈壁区域风能资源时空特性及中蒙风电合作开发场景研究”(项目编号:2017YFE0109000)

风电场流场模拟技术

研究成果：学位论文5篇；论文15篇，其中SCI、EI论文11篇；发明专利3项。

主要依托项目①国家自然基金项目“风电机组尾流干涉机理研究”②国家自然科学基金“大气稳定度对风力机尾流演化的影响规律研究”③某著名企业科技项目“大型风电基地尾流效应研究”④获2017年度电力建设科学技术进步奖2等奖1July2019——风电场技术实验室（LaboratoryonWindFarmTechnologies）——12目录风电场设计技术风电场运维技术新能源电力系统优化运行1July2019——风电场技术实验室（LaboratoryonWindFarmTechnologies）——13风电场优化控制技术

大型风电场尾流效应明显，严重影响发电量，降低了风电场收益。5551Numberofiterations研究成果：学位论文8篇论文2篇）；论文17篇，其中SCI、EI论文12篇；发明专利2项。②企业委托项目“风电场智能控制系统研发”

提高风电场输出功率为目标的风电场优化控制技术

风电场尾流分布快速计算方法

适用于大型风电场的多智能体优化控制方法

风电场延寿、降低运维成本为目标的风电场优化控制技术

风电机组机械损伤量计算方法

限电条件下，风电场内机械损伤量最小的风电场内机组组合优化模型Outputpower(MW)54TheoptimaloutputpowerofPSOTheoutputpowerwithoutoptimization53winddirection270deg,windspeed8.5m/s52优化后风电场整体输出功率提高了6.8%50050100150200250300350主要依托项目：①国家高技术发展计划（863）项目“风电场.光伏电站集群控制系统研究与应用”1July2019——风电场技术实验室（LaboratoryonWindFarmTechnologies）——14智能风电场功率预测系统

风电场功率预测精度考核，关系到风电场的奖罚和发电量指标，提升预测精度迫在眉睫。研究成果：学位论文12篇论文4篇）；论文62篇，其中SCI、EI论文51篇；发明专利11项；系统开发1项。主要依托项目：①国家863计划“风电场功率预测方法研究及系统开发”②国家自然科学基金项目“基于CFD数值模拟数据库的风电场功率预测物理方法研究”③国家自然科学基金项目“风电功率预测多尺度不确定性对电力调度成本的影响机理”系统功能模型丰富，预测精度高

系统优势可靠的预测区间

多点数值天气预报融合与精度提升适应性强

12种统计模型适用于大型风电场以及区域风电

5种概率预测模型

多时空尺度预测中长期、短期、超短期

基地

预测结果不确定性分析•

蒙特卡罗方法•

相关向量机深度学习适用于已建成的风电场及新建风

模型远程自适应更新•

分位数回归方法•

云模型

物理模型

电场

爬坡预测•

独立分量法CFD流场预计算模型适用于不同地形的风电场

风场景自动识别提供任意置信水平下的预测结果不确定性分析

组合模型

适用于陆上及海上风电场1July2019——风电场技术实验室（LaboratoryonWindFarmTechnologies）——15风电场功率预测风电场多点位数值天气预报修正问题模型结果16

不同风向下的风速波动模式不同

多输入多输出的深层神经网络结构

数值天气预报波动模式单一

多种输入数据特征

恢复地形、粗糙度等微尺度作用

多源数值天气预报1July2019——风电场技术实验室（LaboratoryonWindFarmTechnologies）——风电机组故障诊断与健康管理技术故障诊断与健康管理是保障风力发电设备安全性和可靠性的关键技术，有助于提高新能源电力系统运行的安全性和稳定性

揭示了风电机组传动系统故障特征变化规律

提出了风电机组传动系统衰退趋势预测方法

发明了风电机组传动系统故障迁移诊断方法

为时变载荷条件下风电机组齿轮传动系统

为全寿命康管理奠定理论基础

为构建数据驱动的故障诊断模型提供了新思路故障诊断和预测提供依据转动惯量矩阵JJ

2

C

K

故障激励响应阻尼矩阵C

t2

t刚度矩阵K

T

t

kT

故障故障激励矩阵T特征k故障动力模型1July2019——风电场技术实验室（LaboratoryonWindFarmTechnologies）——1717风电机组故障诊断与健康管理技术

发表学术论文17篇，其中SCI、EI收录6篇，授权发明专利1项，实用新型专利4项

论文《基于粒子群优化BP神经网络的风电机组齿轮箱故障诊断方法》荣获2016年度中国百篇最具影响力学术论文

研发风电机组状态检修和健康管理系统，并获得广泛应用

研究成果荣获2018年度国家科学技术进步二等奖（第四完成人）1July2019——风电场技术实验室（LaboratoryonWindFarmTechnologies）——1818风电场运营效能评价

针对不同型号风电机组的运行性能以及不同风电场的运营水平进行对标，指出改进方向，提高存量风电场的发电量和收益关键手段。

风电场运行大数据治理技术

数据的回归插补、插值插补、最近距离插补方法

风电机组理论发电量计算方法

风电机组运行状态识别方法

基于机舱风速风电机组理论发电量计算方法

风电场效能评价指标体系

损失电量归因与统计研究成果：学位论文1篇；论文3篇；发明专利2项。主要依托项目：

①

企业委托项目“中电投集团运营风电场后评价研究”②

企业委托项目“风电、光伏项目工程投资和运行成本数据体系建设及分析”1July2019——风电场技术实验室（LaboratoryonWindFarmTechnologies）——19目录风电场设计技术风电场运维技术新能源电力系统优化运行1July2019——风电场技术实验室（LaboratoryonWindFarmTechnologies）——20新能源多能互补优化技术

多能互补和储能技术是支撑可再生能源大规模消纳的战略性技术，是解决弃能难题的有效手段，在提升可再生资源优化配置和系统灵活性方面的重要作用日益明显。

风、光资源及出力的互补特性研究

典型天气条件研究

风、光联合出力模型

风、光功率联合预测及不确定性耦合研究

多能互补联合运行技术研究及技术经济性评价

储能系统运行特性研究

不同运行场景下多能互补联合运行调度模型多云天气下风光典型出力曲线（互补指数0.83）多能互补运行结果研究成果：学位论文4篇；论文3篇；发明专利2项。主要依托项目：

①

国家自然科学基金雅砻江重点项目：雅砻江流域风光水多能互补运行的优化调度方式研究②

国家自然科学基金雅砻江培育项目：流域风光水多能互补运行中风光出力不确定性研究③

国家科技部重大专项“高比例可再生能源并网的电力系统规划与运行基础理论”1July2019——风电场技术实验室（LaboratoryonWindFarmTechnologies）——21新能源电力系统经济调度

随着风电并网电量的增加，系统燃