2022全生命周期降低风电度电成本

从全生命周期降低风电度电成本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1

July

2019——风电场技术实验室（Laboratory

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Technologies）——4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周期度电成本最低！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1

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Technologies）——5风能资源特性中长期风速平均值𝑣𝑠

𝑡

白噪声发生器𝑒

𝑡

𝑇𝐹,

𝐾𝐹白噪声发生器𝑒

𝑡

𝑣𝑇(𝑡)∑+𝑣(𝑡)-8-6

-4

-20 24 68020040060080010001200140016001800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复杂多变自然风的湍流特性湍流风速统计分布图湍流计算过程图大气稳定度影响下的自然风特性

m(zL)[ln(z

zO)

m(z

L)]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2O15年至2O16年不同稳定度下风切变指数——风电场技术实验室（Laboratory

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Technologies）——6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

风资源特性精细化建模与评估风电出力的时间分布特性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1

12

2

a

b121

2 A

BA1

B1a

b

2

2W

a,b

dbdaPI

b,b,a,

a

W

a,b

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12

2121

2

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bA

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b

2

2W

a,b

dbdaRPI

b,

b

,

a

,

a

W

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

P

t

=P

t

P

t

1

P

t

=P

t

P

t

1

P

t

1

Pmax

Pmax

Pmin出力波动幅值出力波动变化率日出力最大波动时间——风电场技术实验室（Laboratory

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Technologies）——7风电出力周期强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聚合性相关性及传递性风电场-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1#&

2#

2#&

3#1#&

3#春季O.93 O.81O.82夏季O.92 O.85O.83秋季O.8O O.83O.89冬季O.91 O.79O.732#与3#机组风电出力时间序列图传递性衰减率（与出力最大值相比）1#

2#

3#春季7.OO%13.8O%O夏季13.9O%18.8O%O秋季13.1O%27.2O%O冬季9.6O%14.4O%Oa)

1Omin1

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Technologies）——8b)

3Ominc)

1h

d)

4h风电场内不同数量机组全年出力波动情况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。不同风向下三台风电机组出力相关系数受相对位置影响，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低风速风电场特点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1

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Technologies）——9风电场流场模拟技术风电场流场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1

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Technologies）——10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CFD预计算的风电场微观选址优化率——风电场技术实验室（Laboratory

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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+湍流耗散源项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)1865O217O3目标函数(W-1)1.44351.4O27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风电场微观选址优化离散方式：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213

3

2

O.OO174

Nt

cost

N

e目标函数：风电场优化设计研究成果1

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Technologies）——12研究成果：硕士学位论文8篇；SCl、El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SCl、El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

国家电网科技项目“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等奖目

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Technologies）——13风电场优化控制技术——风电场技术实验室（Laboratory

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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0 50 100 150200 250 300 350505152535455Numberof

iterationsOutputpower(MW)

Theoptimaloutputpowerof

PSO

Theoutputpowerwithout

optimizationwinddirection270deg,windspeed

8.5m/s优化后风电场整体输出功率提高了6.8

%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研究成果：学位论文8篇（其中博士论文2篇）；论文17篇，其中SCl、El论文12篇；发明专利2项。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”②

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。1

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Technologies）——15系统功能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模型丰富，预测精度高12种统计模型中长期、短期、超短期深度学习物理模型CFD流场预计算模型组合模型系统优势适应性强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可靠的预测区间5种概率预测模型蒙特卡罗方法 •

相关向量机分位数回归方法 •

云模型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研究成果：学位论文12篇（其中博士论文4篇）；论文62篇，其中SCl、El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”风电场功率预测风电场多点位数值天气预报修正问题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模型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结果1

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Technologies）——16风电机组故障诊断与健康管理技术——风电场技术实验室（Laboratory

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Technologies）——1717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提出了风电机组传动系统衰退趋势预测方法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

2

J

t2

C

t

K

T

t

kT

k故障特征故障激励矩阵T揭示了风电机组传动系统故障特征变化规律

发明了风电机组传动系统故障迁移诊断方法为全寿命周期健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风电机组故障诊断与健康管理技术18发表学术论文17篇，其中SCl、El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）1

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Technologies）——18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”1

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Technologies）——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1

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Technologies）——20新能源多能互补优化技术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。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多云天气下风光典型出力曲线（互补指数O.83）1

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Technologies）——21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”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