風速模擬研究概述

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風能是一種能量密度較低，穩定性較差的能源。風移動的過程中，既有動能的變化，又有勢能的變化。風速的持續交化在一定時間和空間范圍內是隨機的，從總的和長期統計結果來看，雖然無法從成因和理論上證明它服從于任何分布，但是通過實驗數據分析表明風速的變化仍然具有一定的分布規律。風力發電系統的地面研究涉及高性能的石家莊市風機模擬器，特別是風力發電系統最優控制的解決方案的開發與試驗，時至今日風力發電模擬系統已經成為了風力發電實驗室研究的必要工具。為了模擬作用在石家莊市風機上風速隨時間變化的特征，眾多風速模型應用而生，風速模型與實際風速的近似程度是實驗室內石家莊市風機模擬準確與否的關鍵，利用動態變化或靜態的風速是考察風力發電系統動靜態特性的有效手段，而且準確的風速模型是風力發電系統能量預測系統的衡量標準，所以建立可靠的風速模型非常重要的。
此外風速模型在風力發電系統中具有以下重要意義：(1)能夠預測石家莊市風機發電系統能量輸出；(2)有助于系統能量轉化與系統動特性分析；(3)有利于離網型與并網型風力發電系統的控制策略的開發與實驗等。石家莊市風機以風能作為原動力，風速直接決定了石家莊市風機模擬過程的動態特性。若要整套模擬過程符合實際運行時的動態特性，就必須獲得風電場短期的風速波動數據，如秒級的風速。最早的風速模型是用于資源規劃中，以評價風電的經濟性、持久性以及風電場的電力系統的可靠性，如文獻[26]中對風速模型進行了詳細描述，但這些模型是以平均風速為基礎，不適用于風力發電系統動態性能分析；而且一般氣象臺站所能提供的平均風速數據大都是小時平均風速，因此短時風速只能根據某種算法模擬或實際測量獲得。文獻禾IJ用統計學規律，提取了風速作為一個隨機過程可能符合的分布模式，得出了通常用于擬合風速分布的七種主要模型：瑞利(Rayleigh)分布；F(Gamma)分布；雙參數Weibull分布；三參數Weibull分布；皮爾遜(Pearson)Ill型分布；對數正態分布和耿貝爾(Gumbel)或稱極限I型分布。由于各種風速模型中考慮的因素較多，未知參數多且初始化與更新復雜，實現起來比較困難。
進行石家莊市風機機輸出特性模擬的過程中，從可實現角度，將自然風速簡化為4種典型的風速變化情況，即基本風、陣風、漸變風和隨機風，但其過于簡單，不能包括整個自然風頻帶的所有風速成分，作為風速數值模擬方法不夠完善。通過研究眾多風速建模方法，不難看出其目的無非是為了盡可能全面精確地描述風能的隨機性和間歇性的特點，能夠完成反映風速中短期湍流成分與中長期較平穩風速成分，在整個自然風頻帶上完整的反映風速特性。本節采取不同于傳統的風速描述方式，利用風速功率譜密度進行風速仿真14建模的方法。將空間風速綜合考慮分為中長期風速和短期(湍流)風速兩部分，其中中長期風速成分用某一特定地點的風的功率譜密度來描述，擾動風速成分與中長期風速無關，被定義為一個非平穩隨機過程，反映了風速短期變化的隨機性。這樣的風速模型既避免了利用分布規律計算的復雜性，又能全面反映自然風速特性。依此所建風速模型既能全面描述風能的隨機性和間歇性的特點，又能完全反映風速中短期湍流成分與中長期較平穩風速成分，在整個自然風頻帶上完整的反映風速特性，可以用于研究石家莊市風機在單一或混合風情況下的系統的動特性。