基于跨尺度台风模拟的海上风电避险时空优化调度方法

本发明涉及海上风电调度，尤其是涉及基于跨尺度台风模拟的海上风电避险时空优化调度方法。

背景技术：

1、随着能源和环境问题的日益突出，海上风电的发展呈现出大规模和高增速的态势。受全球气候变暖等因素的影响，台风等极端气象频发。相比于陆上风电，台风更易侵袭海上风电，导致发电效益下降，甚至毁坏风机设备，因此亟需开展台风气象下海上风电场的运行避险策略的研究。现有利用风机自动切出的避险策略，会导致风机在短时内大规模退出继而引发风电功率爬坡事件，如果此时并网系统备用不足，或者常规机组的发电计划安排不合理，使得无法快速提供功率以弥补功率缺额，很有可能导致大面积的切负荷甚至大停电事故。关于风电不确定性，目前基于wasserstein距离的风电不确定集往往考虑了过多其他气象下的概率分布，不利于准确刻画台风气象下风电的不确定性，这将导致结果过度保守，从而降低分布鲁棒的经济性，增加求解的复杂度。

2、与此同时，中尺度天气研究与预报模式wrf因清晰的动力学机制和模拟真实风况的良好性能，被广泛应用于台风灾害的模拟与评估。但台风风场模拟所采用wrf的网格精度与风机所占面积间存在较大的尺度差异，使所得到的风速难以直接应用于后续避险优化。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于跨尺度台风模拟的海上风电避险时空优化调度方法，考虑了台风路径演化过程中风机运行特性的差异化，科学决策风机退出时刻及规模，提高了海上风电场及并网系统的安全稳定性。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种基于跨尺度台风模拟的海上风电避险时空优化调度方法，包括以下步骤：

4、构建多层嵌套的模拟台风风场结构，该模拟台风风场结构依次进行中尺度台风过程演化和小尺度风场模拟，得到海上风电场风速及风向变化情况；获取台风路径预报信息，基于台风路径预报信息对模拟台风风场结构的物理参数进行动态标定优化；

5、在模拟台风风场结构动态优化后，构建考虑风电场内部机组受风风向和运行状态的尾流模型；基于尾流模型构建海上风电场的尾流有向图，并利用动态谱聚类算法实现机组状态划分，并动态更新机组聚类结果；

6、在机组受风风向和状态变化后，对海上风电场内部机组的风电功率进行预测，构建风电功率预测误差的基于wasserstein距离的风电模糊集；识别模拟台风风场结构的爬坡特征量，改进所述基于wasserstein距离的风电模糊集；基于改进的风电模糊集，通过海上风电避险分布鲁棒优化模型，获取海上风电机组的避险优化策略及常规机组出力计划与功率备用方案。

7、进一步地，所述模拟台风风场结构首先基于ahw模块实现中尺度台风过程演化，演化过程中，模拟台风风场结构根据双向实时网格嵌套原理，最内层网格台风强度求解信息经网格平均后反馈给上一层母网格，从而使母网格计算域中包含更接近实测强度的台风风场结构和路径演化结果；

8、然后基于wrf-les模式进行小尺度风场模拟，模拟过程中将中尺度台风过程演化结果作为最外层计算域的初始边界条件，在内层计算域网格中实施设计的les三维湍流参数化方案，并将海上风电场位置地理信息植入wrf模式中以更新目标计算域中原有的下垫面信息，同时对大气控制运动方程中的求解变量进行空间网格平均处理，采用三维亚格子湍流应力模型表征过滤部分的小尺度涡旋，模拟出时变风速；

9、根据模拟台风风场结构内的风速频率和高于海平面的高度，基于kaimal风速功率密度谱生成零均值脉动风速；将零均值脉动风速与小尺度风场模拟出的时变风速叠加后，得到台风影响期间海上风电场完整的脉动风速场，从而获取海上风电场风速及风向变化情况。

10、进一步地，所述ahw模块进行中尺度台风过程演化过程中，基于空气动力学中粗糙长度与摩擦风速的定量关系描述海面起伏对大气阻力的作用，所述空气动力学中粗糙长度与摩擦风速的定量关系的表达式为：

11、

12、

13、式中，z0为动量粗糙长度，α为charnock系数，u*为摩擦风速，g为重力加速度，v为动能粘性常数，zh为温度粗糙长度，zq为湿度粗糙长度；

14、所述三维亚格子湍流应力模型的空气运动方程为：

15、

16、式中，和为经过滤波处理后的求解风速，表示经纬度和高度方向风速；和ρ分别为滤波后大气气压和密度，xi和xj分别为经纬度和高度方向坐标，为由于高频滤波后产生的亚格子湍流应力；

17、所述kaimal风速功率密度谱的表达式为：

18、

19、式中，sij(f)为顺风向和横风向风速谱，在顺风向风速谱中在横风向风速谱中f和z分别代表风速频率和高于海平面的高度，f*为无量纲频率，uref为参考风速，可由wrf的10min平均模拟结果得到。

20、进一步地，所述模拟台风风场结构的物理参数根据台风路径预报信息的预报频次进行动态更新。

21、进一步地，所述尾流模型的表达式为：

22、

23、式中，为海上风电场内机组集合，vm,t为时段t机组m的输入风速；v0,m,t为时段t机组m的外部环境初始风速；xn,t为时段t机组n的运行状态，当xn,t＝1表示风机退出运行，当xn,t＝0表示风机正常运行；βm,n,t为时段t机组n对机组m的尾流遮挡系数；vm,n,t为时段t机组n对机组m产生的尾流风速，参数vm,n,t的计算表达式为：

24、

25、式中，km,n为机组n对机组m的尾流下降系数，由机组间距和叶轮直径确定；ct n,t为时段t机组n的推力系数；

26、参数βm,n,t的计算表达式为：

27、

28、式中，am,n,t为时段t机组n对机组m的尾流遮挡面积；am为机组m所产生的扫风面积。

29、进一步地，所述方法根据尾流模型确定海上风电场各风电机组的受风顺序和输入分速，形成海上风电场的尾流有向图，该尾流有向图包括风电机组v、风电机组之间的尾流分布e和海上风电场网络的邻接矩阵a，该包括作用在下游风机m上的上游风机n的尾流权重值ωmn；

30、构建风速同时性系数体现同一风速穿越海上风电场的等效平均时间，采用谱聚类方法将构建的尾流有向图通过尾流强度加权矩阵转化为图的划分问题，从而将海上风电场内部机组聚类成风速同时性系数相似的风机群，得到机组聚类结果；

31、所述风速同时性系数的计算表达式为：

32、

33、式中，τ为风速同时性系数，t0为首个风机达到切出风速的时刻；tz为第z个风机达到切出风速的时刻，为海上风电场内风机集合，n为海上风电场内风机总数。

34、进一步地，所述尾流权重值ωmn的计算表达式为：

35、

36、式中，dmn为上游风机n和下游风机m的距离；d为风机转子直径。

37、进一步地，所述模拟台风风场结构的爬坡特征量的识别方程为：

38、

39、式中，分别为t时刻风电功率的向上、向下爬坡值；pw,t+δt为，pw,t为；分别为风电功率的向上、向下爬坡阈值；

40、引入爬坡特征量后改进的基于wasserstein距离的风电模糊集的表达式为：

41、

42、

43、式中，为以为球心，r1为球半径的基于1-wasserstein距离的球型模糊集，为随机变量空间ξ中所有满足条件的概率分布集合，为任意分布p和经验分布之间的1-wasserstein距离，fk、fr为模糊集中的任意分布，ef[·]为期望函数。

44、进一步地，所述海上风电分布鲁棒避险优化模型的目标函数为：

45、

46、

47、

48、

49、

50、式中，为期望值，fg,t为t时刻常规机组成本，其中包含δpgi,t功率调整的成本；frd、分别为t时刻常规机组旋转备用成本、避险停运成本、负荷损失成本；ai、bi、ci为常规机组i的煤耗系数，pgi,t为常规机组i在t时刻的输出功率，x为确定性变量集合，ξ为风电不确定变量；为常规机组i的旋转备用容量成本，和分别为t时刻常规机组i的上、下调旋转备用容量；为风电机组j的避险成本，为海上风电机群j在t时刻的预测出力，pwj,t为海上风电机群j在t时刻的计划出力；为负荷d的损失成本，为负荷k在t时刻的功率需求量。

51、进一步地，所述海上风电分布鲁棒避险优化模型的约束条件包括功率平衡约束、火电机组功率输出上下限约束、火电机组爬坡约束、备用需求约束、风机群出力约束、基于线性决策规则的预测误差平衡约束、基于分布鲁棒机会约束的再调度调整约束和状态变量和启停变量约束。

52、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

53、(1)本发明构建多层嵌套的模拟台风风场结构，依次进行中尺度台风过程演化和小尺度风场模拟，并配合多层移动网格双向实时嵌套方案以实现台风演变的准确模拟；小尺度风场模拟过程中，以中尺度模拟结果作为最外层计算域的初始边界条件，并利用les三维湍流参数化方案、gis处理技术和三维亚格子湍流应力模型实现精细化的时变风速预测，并与基于kaimal风速功率密度谱生成的零均值脉动风速叠加，得到完整的脉动风速场，为后续海上风电的实时预警及有序避险计划制定提供了高效精细的数据。

54、(2)本发明结合实时更新的台风路径预报对模拟台风风场结构中的物理参数进行实时更新，在有效地降低模拟复杂度的同时充分挖掘气象变化因素，更加准确地获取海上风电场的风速和风向。

55、(3)相比于常规基于wasserstein距离构造的风电不确定集，本发明考虑了台风情况下的风电功率爬坡事件，对风电不确定集进行改进，能更加准确地刻画风电波动特性。

56、(4)针对传统机组分群对机组运行状态考虑不足的问题，本发明提出的基于尾流有向图的风电机组动态谱聚类，聚类过程中引入风速同时性系数，表征海上风电场内机组风速变化时刻的同一性，实现风机运行状态差异性的量化，能动态跟踪机组运行状态，灵活实现风电机组分群。

57、(5)本发明所提海上风电避险优化调度策略，改进基于wasserstein距离构造的风电不确定集，以台风路径及影响范围为基础，将不同运行特性机组分群后进行时空优化调度，可以更好地决策每一时刻风机停运规模，减缓风电爬坡事件对系统稳定运行的冲击，对台风下电网调度具有参考意义。