Weibull适用于风机动态分析的脉动风速模拟(4)

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目前，用于风电系统仿真的短期风速模型比较常用的有两种，一是由基本风速、渐变风速、阵风和随机风四种分量合成风速模型，其中阵风是风速变化的主要分量；另一个是由平均风速与湍流风速叠加而成。前者无法确定风速变化的具体参数，只能简单描述风速的变化情况，而后者具有特定的参数描述风速变化的特征，是电力系统动态仿真中常用的风速模型。源[自[751``论`文]网·www.751com.cn/

2 风速模型

风是自然界空气流动的结果，具有易变性和不可控性。风为矢量，既有大小又有方向。所以在测量风速的时候既有风速大小又有风向。但和风向相比，风速的大小变化是风场研究的重点，风速直接影响着风场风能资源的等级，以及发电量的多少。

虽然人们目前还无法对风进行有效的控制，但是风速的变化也是有一定的规律可循的。简言之，风速可分解为缓慢变化的分量和快速变化的分量。在一定的时间尺度上，风速的平均值可认为是不变的，是缓慢变化的分量。如人们常取600s的风速平均值进行研究，通过长年累月的风速观测，用该平均值来估计观测地风力资源的状况。风能研究领域中常用来表示风速统计状况的Weibul1分布就是这种风速平均值的一种反映。当需要从风能资源的角度进行研究时，Weibul1分布是一种非常有效的工具，但是由于它表示的是风速在600s甚至更长时间内的平均值，而这样的时间尺度已经大大超过了风力发电系统绝大部分动态过程的时间常数，使得Weibul1分布不足以用于风力发电系统的动态仿真研究。所以在动态仿真中，需要对风速的快速变化分量进行研究和建模。

2.1 风速模型

由于大气流动具有较强的随意性，由此产生的风速也将随之波动。根据学者对脉动风速变化规律的统计研究表明，风速可分解为缓慢变化的分量与快速变化的分量。其中，缓慢变化的分量即为风速的平均值，而大气的湍流是快速变化分量即湍流风速。

脉动风速模型可以看作是具有特定统计特性的平稳随机离散序列。设一段时间内的风速序列为vk，k=1,2,……,n，其平均值为，方差为。则风速模型可以描述为：

其中为湍流分量，随时间变化。

上述统计特性描述了风速在平均值附近的分布。

2.2 平均风速

平均风速可以表示为：

平均风速随时间和空间变化,其分布具有一定的统计规律。平均风速的分布可以用概率密度函数来描述,通常用威布尔(wethull)分布和瑞利(Rayeigh)分布来描述平均风速的分布。

威布尔分布可以较好地拟合大部分情况下的风速分布,但是对于有些情况下却不能有效地拟合。而且要得到准确的平均风速的概率密度曲线,需要大量的风速实测数据。

2.3 湍流风速

大气运动是一个随机过程,是一种湍流运动。湍流风中随时间和空间的变化是随机的,可以用数理统计的方法研究湍流风的特性。根据式(1),湍流风是指空间某点上的瞬时风速与平均风速的差值：

通常将湍流风速假定为具有零均值的平稳随机过程。湍流风的统计特性包括湍流强度、湍流尺度和功率谱密度等。文献综述

2.3.1 湍流强度

湍流强度描述了风速随时间和空间变化的程度,反映湍流风速的相对强度,是描述大气湍流运动特性的最重要的特征量。湍流强度的定义如下：

2.3.2 湍流尺度

大气湍流运动是由许多不同尺度的涡旋运动组合而成的;不同大气尺度的涡旋在大气运动中起着不同的作用。湍流积分尺度是与湍流速度有关的涡旋的平均尺度。当两点间距离小于湍流积分尺度时,则两点经常处于同一个涡旋内,因此,两点的湍流速度是相关的,涡旋的作用将增强;反之,当空间两点间距大于湍流积分尺度时,则两点经常处于不同的涡旋,因此,两点的湍流速度是不相关的,涡旋作用会减弱。