本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于概率密度極大值優(yōu)化的風(fēng)電機組功率曲線擬合方法。

背景技術(shù)：

風(fēng)電機組實際功率曲線是描述機組運行時的輸出功率與來流風(fēng)速對應(yīng)關(guān)系的曲線，反映機組正常運行狀態(tài)下的實際發(fā)電能力，通?？捎糜谠u價機組運行性能、考核風(fēng)電機組發(fā)電效能。另外，在風(fēng)電功率預(yù)測及機組故障預(yù)警領(lǐng)域，風(fēng)電機組實際功率曲線也有重要的應(yīng)用。

機組廠家提供的功率曲線，是在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下，通過試驗測試得到的靜態(tài)功率曲線，一定程度上反映機組的設(shè)計功率及出廠性能。然而在實際應(yīng)用中，由于環(huán)境條件及其他因素的影響，實際運行的機組并不能完全按照出廠功率曲線出力。

現(xiàn)有的風(fēng)電機組實際功率曲線擬合方法有很多，包括比恩法、最大概率法、最大值法、最大似然估計法等。這些方法對于正常運行狀態(tài)的機組而言，建模效果差別不大。但是實際運行中風(fēng)電機組運行工況復(fù)雜，造成了功率數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，包括故障檢修造成停機，機組限功率運行造成長時間機組發(fā)電功率與實際能力有較大的差異，另外可能有少量不明原因(傳感器異常記錄、風(fēng)電機組帶故障運行等)造成的出力異常情況。處理上述復(fù)雜情況的數(shù)據(jù)時，用以上方法擬合功率曲線誤差很大，功率曲線會嚴(yán)重偏移實際情況，造成無法準(zhǔn)確描述風(fēng)電機組實際可達的出力狀態(tài)，因此，急需一種考慮復(fù)雜數(shù)據(jù)來源的風(fēng)電機組功率曲線擬合方法。

本發(fā)明提出一種基于概率密度極大值優(yōu)化的風(fēng)電機組功率曲線擬合方法，該方法考慮復(fù)雜數(shù)據(jù)來源時風(fēng)電機組功率曲線擬合，能準(zhǔn)確反映風(fēng)電機組正常運行時的出力情況，并且可進一步為風(fēng)電機組運行數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種基于概率密度極大值優(yōu)化的風(fēng)電機組功率曲線擬合方法，包括以下步驟：

步驟1)：采集指定區(qū)域風(fēng)電機組功率曲線擬合所需數(shù)據(jù)；

步驟2)：將步驟1)采集的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，得到實驗所需的數(shù)據(jù)集；

步驟3)：將步驟2)得到的數(shù)據(jù)集根據(jù)風(fēng)速值劃分為N個模擬區(qū)；

步驟4)：分別在各個模擬區(qū)內(nèi)，擬合功率值的概率密度曲線；

步驟5)：尋找各個模擬區(qū)內(nèi)功率值概率密度曲線的極大值點；

步驟6)：統(tǒng)計上述各模擬區(qū)內(nèi)概率密度極大值出現(xiàn)位置，取極大值點處功率值中的最大功率作為參考功率，得到若干個模擬區(qū)內(nèi)的參考功率；

步驟7)：修正各模擬區(qū)內(nèi)參考功率；

步驟8)：將各個模擬區(qū)內(nèi)代表風(fēng)速與修正參考功率對應(yīng)，繪制功率曲線圖。

進一步，所述步驟1)中所需數(shù)據(jù)包括風(fēng)電機組輪轂高度處來流風(fēng)速、功率數(shù)據(jù)，及環(huán)境溫度、大氣壓強數(shù)據(jù)。

進一步，所述步驟2)中數(shù)據(jù)預(yù)處理的步驟為：

a、根據(jù)環(huán)境溫度、壓強數(shù)據(jù)，將實際功率數(shù)據(jù)修正為標(biāo)準(zhǔn)空氣密度(1.225kg/m³)下的功率值，公式如下：

$\mathrm{\ρ}=\frac{pM}{RT};$

其中，ρ為空氣密度；p為大氣壓強；M為空氣的平均摩爾質(zhì)量；R為比例系數(shù)；T為環(huán)境溫度；P為所提取的功率數(shù)據(jù)；P_修為修正后的功率數(shù)據(jù)；ρ_a為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強；ρ_實為當(dāng)?shù)貙嶋H大氣壓；t_實為實際環(huán)境溫度；t_a為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度，20℃。

b、將每個風(fēng)速-修正功率作為一個數(shù)據(jù)單元，將風(fēng)速小于切入風(fēng)速-0.75m/s或大于切出風(fēng)速+0.25m/s的數(shù)據(jù)單元從數(shù)據(jù)集中去除，將修正功率小于等于0或大于1.05倍額定功率的數(shù)據(jù)單元從數(shù)據(jù)集中去除；

c、得到風(fēng)速-修正功率的數(shù)據(jù)集。

進一步，所述步驟3)中模擬區(qū)劃分方法為，以0.5m/s為一個風(fēng)速段，以切入風(fēng)速-0.75m/s為起始風(fēng)速、切出風(fēng)速+0.25m/s為終止風(fēng)速，將數(shù)據(jù)集劃分為N個模擬區(qū)，即劃分為(切入風(fēng)速-0.75m/s，切入風(fēng)速-0.25m/s]、(切入風(fēng)速-0.25m/s，切入風(fēng)速+0.25m/s]等多個數(shù)據(jù)單元的集合，各區(qū)間中心風(fēng)速為該模擬區(qū)代表風(fēng)速。若某一個模擬區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)量少于總數(shù)據(jù)的千分之一，則認為無效，該模擬區(qū)不進行后續(xù)步驟。

進一步，所述步驟5)中包括以下步驟：

a、記錄各模擬區(qū)內(nèi)概率密度曲線的極大值位置處坐標(biāo)，即功率值和概率密度；

b、判斷各極大值點處概率密度是否大于k，所述k為設(shè)定的最小有效概率值，根據(jù)取樣數(shù)據(jù)情況給定，若選取的極大值點處概率密度小于k，則將該點記錄為無效點。

進一步，所述步驟6)中包括以下步驟：

a、選擇各模擬區(qū)內(nèi)多個極大值點中功率的最大值，作為該模擬區(qū)內(nèi)代表風(fēng)速對應(yīng)的參考功率；

b、得到N組代表風(fēng)速-參考功率數(shù)據(jù)。

進一步，所述步驟7)中參考功率修正步驟為：記V_i為第i個模擬區(qū)的代表風(fēng)速，P_i為該模擬區(qū)內(nèi)修參考功率。若V_i小于額定風(fēng)速+2m/s且P_i<P_i-1，則將P_i修正為當(dāng)代表風(fēng)速大于額定風(fēng)速+2m/s，將參考功率修正為所有代表風(fēng)速大于額定風(fēng)速+2m/s所對應(yīng)的參考功率的平均值。

本發(fā)明的有益效果：

1、綜合考慮環(huán)境溫度、大氣壓強對空氣密度的影響，將功率修正為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀態(tài)(溫度為20℃、一個大氣壓強)下的功率值。

2、將功率曲線分為多個模擬區(qū)進行擬合，在各個區(qū)間內(nèi)采用概率密度極大值尋優(yōu)的方法得到參考功率值，使功率曲線更符合機組正常運行狀態(tài)下的出力情況，有利于準(zhǔn)確評價機組運行能力。

3、通過記錄不同風(fēng)速區(qū)間內(nèi)功率值概率密度極大值點，有利于風(fēng)電機組運行數(shù)據(jù)的分區(qū)管理，將正常運行數(shù)據(jù)、電網(wǎng)限功率運行數(shù)據(jù)、帶故障運行數(shù)據(jù)進行區(qū)分，為風(fēng)電機組功率預(yù)測數(shù)據(jù)篩選及機組故障預(yù)警提供依據(jù)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于概率密度極大值優(yōu)化的風(fēng)電機組功率曲線擬合方法流程圖。

圖2為本發(fā)明實例中模擬區(qū)(9.25,9.75]的功率值概率密度曲線擬合結(jié)果。

圖3為本發(fā)明實例中4個月歷史數(shù)據(jù)離散數(shù)據(jù)點及擬合功率曲線圖。

圖4為本發(fā)明實例中機組的標(biāo)準(zhǔn)功率曲線和使用本發(fā)明方法擬合的功率曲線對比圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。

一種基于概率密度極大值優(yōu)化的風(fēng)電機組功率曲線擬合方法，包括以下步驟：

步驟1)：采集指定區(qū)域風(fēng)電機組功率曲線擬合所需數(shù)據(jù)；

所需數(shù)據(jù)包括風(fēng)電機組輪轂高度處來流風(fēng)速、功率數(shù)據(jù)，及環(huán)境溫度、大氣壓強數(shù)據(jù)。本例中風(fēng)電機組輪轂高度為70m，風(fēng)電機組切入風(fēng)速為3m/s、額定風(fēng)速為10.3m/s、切出風(fēng)速為22m/s、額定功率為1500kW。選擇該風(fēng)電機組連續(xù)4個月的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分別率為10min。

步驟2)：將步驟1)采集的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，得到實驗所需的數(shù)據(jù)集；

a、根據(jù)環(huán)境溫度、壓強數(shù)據(jù)，將實際功率數(shù)據(jù)修正為標(biāo)準(zhǔn)空氣密度1.225kg/m³下的功率值，公式如下：

$\mathrm{\&rho;}=\frac{pM}{RT};$

其中，ρ為空氣密度；p為大氣壓強；M為空氣的平均摩爾質(zhì)量；R為比例系數(shù)；T為環(huán)境溫度；P為所提取的功率數(shù)據(jù)；P_修為修正后的功率數(shù)據(jù)；ρ_a為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強；ρ_實為當(dāng)?shù)貙嶋H大氣壓；t_實為實際環(huán)境溫度；t_a為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度，20℃。

b、將每個風(fēng)速-修正功率作為一個數(shù)據(jù)單元，將風(fēng)速小于2.25m/s或大于22.25m/s的數(shù)據(jù)單元從數(shù)據(jù)集中去除，將修正功率小于等于0或大于1575kW的數(shù)據(jù)單元從數(shù)據(jù)集中去除。

c、得到經(jīng)初步篩選后的風(fēng)速-修正功率的數(shù)據(jù)集。

步驟3)：將步驟2)得到的數(shù)據(jù)集根據(jù)風(fēng)速值劃分為N個模擬區(qū)；

所述步驟3)中模擬區(qū)劃分方法為，以0.5m/s為一個風(fēng)速段劃分模擬區(qū)。例如，將數(shù)據(jù)集劃分(2.25,2.75],(2.75,3.25],...(21.75,22.25],共計40個模擬區(qū)，每個模擬區(qū)的代表風(fēng)速分別為2.5m/s,3m/s,...22m/s。若某一個模擬區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)量少于總數(shù)據(jù)的千分之一，則認為無效，該模擬區(qū)不進行后續(xù)步驟。

步驟4)：分別在各個模擬區(qū)內(nèi)，擬合功率值的概率密度曲線。

例如，在模擬區(qū)(9.25,9.75]，擬合該區(qū)間內(nèi)修正功率值的概率密度曲線(該曲線橫坐標(biāo)為風(fēng)電機組修正功率值，縱坐標(biāo)為概率密度擬合曲線)，本例中將模擬區(qū)內(nèi)功率值分為100個小區(qū)間進行概率密度曲線擬合，該區(qū)間數(shù)量可根據(jù)數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)量大小進行調(diào)整。模擬區(qū)(9.25,9.75]的概率密度曲線擬合結(jié)果如圖2所示。

步驟5)：尋找各個模擬區(qū)內(nèi)功率值概率密度曲線的極大值點；

所述步驟5)中包括以下步驟：

a、記錄各模擬區(qū)內(nèi)概率密度曲線的極大值位置處坐標(biāo)，即功率值和概率密度。如圖2中，模擬區(qū)(9.25,9.75]內(nèi)有5個概率密度極大值點；

b、判斷各極大值點處概率密度是否大于k，本例中k選擇0.0005(k設(shè)定為最小有效概率值，目的是防止尋優(yōu)過程中陷入局部功率值最大的情況，k值大小根據(jù)取樣數(shù)據(jù)情況及模擬區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)量給定)，若選取的極大值點處概率密度小于0.0005，則將該點記錄為無效點，如圖2中功率值為613.5kW處對應(yīng)的極大值點為無效點。

步驟6)：統(tǒng)計上述各模擬區(qū)內(nèi)概率密度極大值出現(xiàn)位置，取極大值點處功率值中的最大功率作為參考功率，得到若干個模擬區(qū)內(nèi)的參考功率。

a、選擇各模擬區(qū)內(nèi)多個極大值點中功率的最大值，作為該模擬區(qū)內(nèi)代表風(fēng)速對應(yīng)的參考功率，如圖2中有效的概率密度極大值點對應(yīng)的功率值分別為425.9kW、811.6kW、971.3kW、1170.8kW，故該模擬區(qū)參考功率為1170.8kW；

b、得到40組代表風(fēng)速-參考功率數(shù)據(jù)，初步得到風(fēng)速-參考功率曲線。

步驟7)：修正各模擬區(qū)內(nèi)參考功率；

所述步驟7)中參考功率修正步驟為：記V_i為第i個模擬區(qū)的代表風(fēng)速，P_i為該模擬區(qū)內(nèi)修參考功率。若V_i小于12.3m/s且P_i<P_i-1，則將P_i修正為將代表風(fēng)速大于12.3m/s所對應(yīng)的參考功率求平均，作為實際運行情況下該機組的額定功率，即為12.3m/s后代表風(fēng)速對應(yīng)的修正參考功率。

步驟8)：將各個模擬區(qū)內(nèi)代表風(fēng)速與修正參考功率對應(yīng)，繪制功率曲線圖，如圖3。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護范圍為準(zhǔn)。