1、刘永前华北电力大学华北电力大学 风电场技术实验室风电场技术实验室从全生命周期降低度电成本从全生命周期降低度电成本教授（博导）刘永前智能风电场技术副教授4人韩爽风电场设计、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，风电叶片气动设计杨志凌风电机组状态监测与故障诊断讲师2人阎洁不确定性分析、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在校博士研究生8人，硕士研究生19人，留学生研究生4人课题组人员组成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)

2、的重要组成部分。1 July 2019风电场技术实验室（Laboratory on Wind Farm Technologies）2课题组人员组成课题组人员组成1 July 2019风电场技术实验室（Laboratory on Wind Farm Technologies）3 兼任 中国可再生能源学会风能专业委员会委员 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 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刘永前教授、博士生导师华北电力大学 可再生能源学院2006年，参与创办“风能与动力工程”本科生专业国际能源署(IEA)Wind Task

3、31工作组中国牵头人国际电工技术委员会(IEC)SC 8A技术分委会WG2工作组成员英国工程师协会IET Renewable Power Generation期刊亚太区主编2018年，获得国家科技进步二等奖风电场技术研究方向风电场技术研究方向1 July 2019风电场技术实验室（Laboratory on Wind Farm Technologies）4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

4、 新能源电力系统经济调度实现风力发电全生命周期度电成本最低！目目录录1 July 2019风电场技术实验室（Laboratory on Wind Farm Technologies）5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能资源特性1 July 2019风电场技术实验室（Laboratory on Wind Farm Technologies）6大型风电场群流场测量技术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。中长期风速平均值 白噪声发生器 ,白噪声发生器 ()+()湍流计算过程图-

5、8-6-4-2024680200400600800016001800湍 流 风 速 变 化 量 m/s湍流风速统计数值湍 流 风 速 统 计 分 布 图 平 均 风 速 为 7m/s平 均 风 速 为 14m/s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蓝色表示不稳定状态蓝色表示不稳定状态红色表示中性状态红色表示中性状态黑色表示稳定状态黑色表示稳定状态湍流风速统计分布图0()ln()()mmz Lz zz L2015年至2016年不同稳定度下风切变指数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风电出力的时间分布特性风电出力的时

6、间分布特性1 July 2019风电场技术实验室（Laboratory on Wind Farm Technologies）7中长期周期性短期波动性四季风电出力周期性图夏季春季冬季秋季221122111212,ababABABW a b dbdaPI b b a aW a b dbda221122111212,ababAbAbW a b dbdaRPI b b a aW a b dbda波动性指标幅值平均波动幅值偏移偏移度爬坡爬坡次数平均爬坡幅度最大波动幅度日出力最大波动 =1P tP tP t 1=1P tP tP tP tmaxmaxminPPP出力波动幅值出力波动变化率时间风电出力周期强

7、度相对周期强度出力细节波动特性采用核密度估计模型对风电出力波动量的频率分布进行拟合，并计算其在不同置信度下的置信上限、置信下限与置信区间。风电出力的空间分布特性风电出力的空间分布特性1 July 2019风电场技术实验室（Laboratory on Wind Farm Technologies）8聚合性相关性及传递性风电场内不同数量机组全年出力波动情况风电场-风电场群全年出力波动情况 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内部。相关性相关性1#&2#2#&3#1#&3#春季0.9

8、30.810.82夏季0.920.850.83秋季0.800.830.89冬季0.910.790.73不同风向下三台风电机组出力相关系数2#与3#机组风电出力时间序列图传递性传递性衰减率（与出力最大值相比）衰减率（与出力最大值相比）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%0a)10minb)30minc)1hd)4h 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。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。风轮等效风速计算风轮等效风速计算

9、1 July 2019风电场技术实验室（Laboratory on Wind Farm Technologies）9低风速风电场特点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。基于等效功率的风轮等效风速计算方法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计及风切变和塔影效应的风轮等效风速计算模型风资源特点高湍流大切变低风功率密度低风速风电机组特点高塔筒长

10、叶片风轮扫掠平面内风速空间变化明显增加风切变效应影响塔影效应影响风切变和塔影效应影响风切变和塔影效应对风轮扫掠面内风速的影响规律分析风电场流场模拟技术风电场流场模拟技术1 July 2019风电场技术实验室（Laboratory on Wind Farm Technologies）10风电场流场CFD模拟技术和预计算方法基于工程嵌套的风电场流场模拟技术大气稳定度、尾流模型、湍流模型对发电量计算精度的影响规律中性稳定不稳定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

11、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。自由尾流风电机组尾流干涉研究改进了现有半经验尾流模型，实现了尾流的高效准确计算风电机组群尾流非定常精细化数值模拟基于基于CFDCFD预计算的风电场微观选址优化预计算的风电场微观选址优化CFD模型：致动盘风轮建模：动量源项二维化分布湍流模拟：k-湍流模型+湍流耗散率源项1 July 2019风电场技术实验室（Laboratory on Wind Farm Technologies）11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

12、必须满足工程要求。CFD预计算模型风电场微观选址优化技术路线变风向变风速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(kW)1865021703目标函数(W-1)1.44351.4027插值方法：分段三次 Hermite 插值选取原则：均匀性、边缘性选取原则：均匀性、边缘性样本方案：以风速为变量，取样间隔1m/s数据存储方案：机组下游每隔1D位置处的径向速度分布计算域示意图计算域内网格 离散方式：二进制 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20.001742133NtcostNe 目标函数：风电场优化设

13、计研究成果风电场优化设计研究成果1 July 2019风电场技术实验室（Laboratory on Wind Farm Technologies）12 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)风能资源特性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。主要依托项目国家自然基金项目“风电机组尾流干涉机理研究”国家自然科学基金“大气稳定度对风力机尾流演化

14、的影响规律研究”国家电网科技项目“大型风电基地尾流效应研究”获2017年度电力建设科学技术进步奖2等奖目目录录1 July 2019风电场技术实验室（Laboratory on Wind Farm Technologies）13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电场优化控制技术风电场优化控制技术1 July 2019风电场技术实验室（Laboratory on Wind Farm Technologies）14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05003

15、00350505152535455Number of iterationsOutput power (MW)The optimal output power of PSOThe output power without optimizationwind direction 270 deg,wind speed 8.5m/s优化后风电场整体输出功率提高了6.8%研究成果：学位论文8篇（其中博士论文2篇）；论文17篇，其中SCI、EI论文12篇；发明专利2项。主要依托项目：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。限电条件下，机组操作频繁，疲劳损伤增大，显著影响风电机组寿命，造成维

16、护成本增加。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 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”企业委托项目“风电场智能控制系统研发”智能风电场功率预测系统智能风电场功率预测系统1 July 2019风电场技术实验室（Laboratory on Wind Farm Technologies）15 多点数值天气预报融合与精度提升 多时空尺度预测 预测结果不确定性分析 模型远程自适应更新 爬坡预测 风场景自动识别系统功能系统优势 12种统计模型中长期、短期、超短期深度学习 物理模型CFD流场预计算模

17、型 组合模型模型丰富，预测精度高适应性强可靠的预测区间适用于大型风电场以及区域风电基地适用于已建成的风电场及新建风电场适用于不同地形的风电场适用于陆上及海上风电场 5种概率预测模型 蒙特卡罗方法 分位数回归方法 独立分量法提供任意置信水平下的预测结果不确定性分析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（其中博士论文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：国家863计划“风电场功率预测方法研究及系统开发”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”国家

18、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”相关向量机 云模型风电场功率预测风电场功率预测1 July 2019风电场技术实验室（Laboratory on Wind Farm Technologies）16风电场多点位数值天气预报修正不同风向下的风速波动模式不同数值天气预报波动模式单一恢复地形、粗糙度等微尺度作用多输入多输出的深层神经网络结构多种输入数据特征多源数值天气预报问题模型结果风电机组故障诊断与健康管理技术风电机组故障诊断与健康管理技术1 July 2019风电场技术实验室（Laboratory on Wind Farm Technologies）1717故

19、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 为时变载荷条件下风电机组齿轮传动系统故障诊断和预测提供依据 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 为全寿命周期健康管理奠定理论基础故障激励响应转动惯量矩阵J阻尼矩阵C刚度矩阵K故障动力模型22kJCKttTtkT故障特征故障激励矩阵T 发明了风电机组传动系统故障迁移诊断方法 为构建数据驱动的故障诊断模型提供了新思路风电机组故障诊断与健康管理技术风电机组故障诊断与健康管理技术1 July 2019风电场技术实验室（Laboratory on Wind

20、 Farm Technologies）1818 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）风电场运营效能评价风电场运营效能评价1 July 2019风电场技术实验室（Laboratory on Wind Farm Technologies）19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

21、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：企业委托项目“中电投集团运营风电场后评价研究”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”目目录录1 July 2019风电场技术实验室（Laboratory on Wind Farm Technologies）20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新能源多能互补优化技术新能源多能互补优化技

22、术1 July 2019风电场技术实验室（Laboratory on Wind Farm Technologies）21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。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：国家自然科学基

23、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”1 July 2019风电场技术实验室（Laboratory on Wind Farm Technologies）22新能源电力系统经济调度新能源电力系统经济调度随着风电并网电量的增加，系统燃料成本必然降低，但由于新能源随机性及功率预测误差，电力系统面临更大的不确定性，需要增加旋转备用容量，增加了调度成本。如何量化新能源不确定性引发的成本，权衡增加风电并网的收益与其引入风险，平衡燃料成本

24、和风电不确定性成本间的矛盾，是考虑新能源不确定性的经济调度模型需要解决的问题。数学模型电力系统用于平衡风电场功率预测不确定性造成的风电发电量不足或盈余情况时所支付的额外费用，即风电在平衡市场机制下给电力系统加重的经济负担。风电不确定性成本=平衡风电预测误差所需费用*预测误差出现概率=预测误差*电能平衡价格*预测误差出现概率表征了潜在的平衡成本在整个概率分布中的位置根据历史数据定期更新模型参数区分不同外部天气条件下的风电不确定等级及其成本。“风电不确定性成本”建模“风电不确定性成本”建模定义（WPFUC）季节性新能源电力系统调度决策图1 July 2019风电场技术实验室（Laboratory on Wind Farm Technologies）23新能源电力系统经济调度新能源电力系统经济调度不确定性调度结果与功率预测误差特性相对应：当风电预测出力较小时，可以减少弃风电量；当风电预测出力较大时，可以降低系统的备用容量和快速启动费用；提高电力系统运行的经济性和稳定性。预测功率、实测功率与调度功率时序图经济调度后不同风电出力状态下的风险概率占风电装机容量比例确定性调度不确定性调度ANNRVM春季13%9%-6%夏季16%10%6%秋季-6%-4%-3%冬季-9%-4%3%各季节风电场调度结果THANKS