本发明属于海上风电场弹性评估研究领域，尤其涉及一种台风及其灾害链作用下的海上风电场弹性评估方法及系统。
背景技术：
1、对海上风电来说，台风灾害链可能导致风电机组损坏、海底电缆断裂等问题，影响海上风电的安全可靠运行。台风带来强大的海浪冲击力可能导致风机结构应力增加，对塔架、浮体等关键组件造成损坏。另外，台风导致的极端波流和海水深度变化，使海缆产生摆动和扭转，极易造成海缆的机械损伤。台风灾害链对海上风电场的影响体现在直接灾害和巡检维修等各个阶段，因此亟需科学评估台风灾害链对海上风力发电系统的影响，研究其在台风灾害链下的抵御能力和快速恢复能力。
2、电力系统弹性是指在小概率高风险事件下，电力系统对扰动的抵抗能力以及系统的快速恢复能力。目前电力系统弹性研究中，弹性模型主要包括弹性三角模型以及弹性梯形模型等。在风力发电系统的弹性评估方面的研究还较少，且多侧重于台风单一灾害对海上风电的影响评估，对台风及其灾害链引起的连锁灾害作用下的风电场弹性影响评估还较少，且未能系统研究台风灾害下海上风力发电系统的弹性。同时，针对海上风机的故障率计算，少有研究关注台风带来的连锁灾害对风机造成的耦合作用的影响。
技术实现思路
1、发明目的：本发明的目的在于提供一种台风及其灾害链作用下的海上风电场弹性评估方法及系统。从结构和负荷两个角度出发，覆盖弹性过程的各个阶段，对台风及其灾害链影响下海上风电场的弹性进行仿真评估，为提升海上风电场应对台风等极端事件的抵御能力和恢复能力，提高风电场的安全运行水平提供参考。
2、技术方案：本发明的一种台风及其灾害链作用下的海上风电场弹性评估方法，包括如下步骤：
3、s1、获取海上风电场所处海域位置、风电机组排布方式及参数，以及集电网络拓扑结构；
4、s2、建立台风及海浪的数学模型，并基于数学模型计算台风及海浪的动态过程；
5、s3、基于仿真获得海上风电场机组所受风速、海浪浪高、海浪波动以及海缆水深的动态环境数据，根据动态环境数据以及海上风电场所处海域的气象和海洋环境历史数据，建立海上风电场以及海缆故障概率模型；
6、s4、根据海上风电场以及海缆故障概率模型计算海上风机和海缆的故障程度，同时计算弹性量化指标；
7、s5、从结构和功能两方面，建立台风及其灾害链作用下海上风电场的弹性多边型模型；
8、s6、根据弹性多边型模型，计算海上风电场的弹性指标。
9、进一步的，步骤s2具体为：台风模拟采用yanmeng风场模型，利用边界层摩擦力修正的压力梯度平衡方程具体为：
10、
11、式中，ρ为空气密度，k为拟合系数，f为coriolis参数，f为边界层摩擦力，v为风速，为台风气压梯度，其中风速v为梯度风速vg和地表摩擦引起的风速vf的矢量和；
12、梯度气压计算采用holland模型，台风风场中某点的气压p表示为：
13、
14、式中，δp为外围气压与中心气压的气压差；pc为台风气旋中心气压；rmax为台风最大风速半径；r为计算点到台风中心的距离，b为holland系数；
15、不同海拔高度下的平均风速vh表示为：
16、
17、式中，vg为holland公式计算出的梯度风场平均风速，h为某点海拔高度，hc为台风中心点的海拔，a为等效粗糙度系数，该值随预测地点的地理环境而变化；
18、海浪模拟采用swan模型，其动态方程表示为：
19、
20、海量波高计算如下：
21、
22、式中，n为波作用量密度，t为时间，λ、σ和θ分别表示海浪的经度、纬度、频率和波向，cλ、cσ和cθ分别表示波浪在上述4个空间中的传播速度，stot为某点的总波能量。
23、进一步的，步骤s3具体为：根据风电场所处海域的气象以及海洋环境历史数据，根据风场模型和海浪模型计算海上风电场机组所受风速、海浪浪高以及海浪波动以及海缆水深的数据，将风速、海浪浪高等数据输入至fast软件，计算海上风机的故障概率模型；根据海缆水深的历史数据，计算海缆的故障概率模型；
24、对于海上风机这类高耸结构而言，在环境荷载作用下，采用顶点位移角指标描述其结构动态，具体为：
25、f(x)＝θlim-θ(x) (6)
26、式中，f表示风机的故障风险，x＝{x1,x2,…,xn}为环境激励强度，n为灾害数量；θ(x)为环境激励下根据风机的结构响应计算得到的顶点位移角，θlim为顶点位移角的极限值，当f(x)＜0时，可判定风机的结构超越安全极限，风机处于失效状态；
27、风机结构失效概率表示为：
28、
29、式中，pf表示风机的失效概率；f(x)为环境灾害强度x的概率密度分布函数；
30、在相同参考风速下，风机塔顶最大位移角服从对数正态分布，因此风机的故障概率表示为：
31、
32、式中，θmax为最大塔顶位移角；和分别为灾害x作用下lnθmax的均值和标准差，根据不同风机型号在额定切除风速和极限风速时塔顶位移角度，确定失效状态对应的塔顶位移角度极限值θlim；
33、根据风机所在海域位置确定风速范围，取间隔为1m/s；根据风机所在海域位置确定海浪波高范围，取间隔为1m，将风速与海浪波高的组合数据输入至fast软件，计算各组合下的风机故障概率；
34、海缆故障概率示为：
35、
36、式中，t表示t时段，λc为海缆故障率，λc0为海缆正常运行条件下的平均故障率；海缆所在位置的海水深度d，越深γl为大于零的系数，其代表海缆的脆弱程度，γl值越大海缆故障率受影响就越明显，l为海缆长度；基于风电场所处海域的海缆水深数据，结合式(9)计算得到海缆的故障概率。
37、进一步的，步骤s4具体为：基于fast软件进行仿真，计算海上风机和海缆的故障程度，同时进一步计算弹性量化指标；根据海上风机以及海缆的受损程度，结合海上风电场的拓扑结构，从结构和功能上定义其弹性量化指标ri和ro，具体为：
38、
39、其中，ns为风电场机组未损坏数量，nos为风电场机组总数数量；pr为风电场当前出力，ph为稳态风速下风电场总出力，根据元件故障程度、备件状态和技术人员数量确定故障持续时间，根据有效机组数，计算风电场当前出力pr为：
40、pr＝cfpwnw (11)
41、式中nw为风电场有效机组数量，cf为一年中风电场的出力系数，pw为单台风电机组额定功率，有效机组数nw受集电网络母线、海缆以及风机工作状态的影响，计算如下：
42、
43、其中，wi,j表示第i条支路第j台风机状态，lj,k表示第j条支路第k根电缆状态；bi表示母线的状态，各元件状态用0和1表示，元件正常工作则状态为1，失效状态为0，i和j分别表示风电场中的机组排布支路数，每条支路的机组台数为j。
44、进一步的，步骤s5具体为：将台风登陆途经风电场分为3个阶段：
45、阶段1：台风发展阶段，根据台风登陆经纬度、移动速度和方向、以及最大风速半径信息，计算海上风电场的结构和功能弹性指标ri和ro；
46、阶段2：台风持续阶段，当台风风速和波高降至额定值以下，风电场不存在新的失效元件，风电场进入检修与备件阶段，计算海上风电场的结构和功能弹性指标ri和ro；
47、阶段3：恢复阶段，采取紧急和校正控制手段逐步回复海上风电场的风机和海缆，重新计算海上风电场的结构和功能弹性指标ri和ro；
48、综合阶段1～阶段3的结构和功能弹性指标ri和ro，建立台风及其灾害链作用下海上风电场的弹性多边型模型。
49、进一步的，步骤s6具体为：根据建立的弹性多边型模型，根据定义的弹性指标结算各指标值，弹性指标包括：
50、阶段1：台风发展阶段
51、计算结构和功能弹性指标的下降速度，分别为：
52、
53、式中，φi和φo分别为风电场结构弹性和功能弹性的下降速度；λi和λo分别为风电场结构弹性和功能弹性的下降程度；ta和tb分别表示风电场弹性下降开始和结束时刻；
54、阶段2：台风持续阶段
55、此时风电场不存在新的失效元件，海上风电场将进行安全检查、准备和设备维护工作，检修备件阶段持续时间与气象、风电场维护人员数量以及风电场受损严重程度有关；
56、台风持续时间e为：
57、
58、式中，kc为检查人员准备因子；tmc为设备平均巡检所需时间；nf为失效设备数量；ngc为检查人员组数，tpr为备件准备时间，tr为维修人员及备件的海上运输时间，当风速v(t)≤15m/s且浪高h(t)≤2m时，海上风电场对于巡检、维修人员及备件是可及的，维修正常进行；当v(t)>15m/s或浪高h(t)>2m时海上风电场故障点不可及；
59、阶段3：恢复阶段
60、风电场的修复包括基础设施的维修或重建以及风电场供电能力的恢复，分别计算结构恢复速度πi和功能恢复速度πo，具体为：
61、
62、其中，tc和td分别表示风电场恢复开始和结束时刻；
63、恢复阶段的持续时间与天气、季节维修人员、设备冗余以及风电场的受损程度有关；风电场将从距离母线近的元件开始按顺序恢复，风电场恢复时间tre为：
64、
65、式中，tnor为设备在正常天气条件下平均维修时间，nf为失效设备数量，ngr为维修人员组数，系数ω>0用于刻画风速对维修时间的影响，vm为风速阈值，不同季节海上风电场维修人员的工作效率是不同的，定义修复时间季节因素权重系数ks，由历史故障维修记录统计得到，ks取值春秋为1，夏季1.35，冬季1.5；
66、平均海底电缆修复时间tnor与海底电缆长度的线性拟合函数为：
67、tnor＝597.75+26.2l (19)
68、根据阶段1～阶段3弹性功能指标的面积ar，计算风电场在台风及其灾害链作用下的弹性下降程度，即
69、
70、本发明还公开一种台风及其灾害链作用下的海上风电场弹性评估系统，包括：
71、建模模块，建立模拟台风动态的yanmeng模型以及模拟海浪动态的swan模型；
72、仿真模块：基于fast仿真平台，仿真不同风速以及浪高下风机的顶点位移角，根据顶点位移角是否越限判断风机是否受损；
73、指标模块：从结构和功能上定义海上风电的弹性指标，据此建立弹性多边形模型；根据弹性多边形模型，建立弹性下降速度和下降程度、台风持续时间、弹性恢复速度以及弹性面积指标。
74、本发明还公开一种计算机装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以实现本发明方法的步骤。
75、本发明还公开一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现本发明方法的步骤。
76、本发明还公开一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现本发明方法的步骤。
77、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
78、本发明提出的一种考虑台风灾害链多重因素的海上风电场弹性评估方法，针对海上风电场，提出了在台风及其灾害链多重灾害影响下的弹性评估方法。首先对台风及其海浪灾害链进行数值模拟，然后从海上风电场设施和功能两个角度出发，对海上风电场进行弹性评估。建立了台风及其引起的巨浪灾害链模型，提出台风及海浪多重致灾因素下海上风电场元件故障率计算方法。提出了台风及海浪多重作用下海上风电场弹性评估多边形模型，确定灾害各阶段的弹性评估指标。针对某一实际台风数据，在台风及其灾害链多重致灾因素下评估了海上风电场弹性，比较单一台风灾害以及台风及其灾害链多重致灾因素下的弹性指标结果，指出在海上风电场弹性评估时计及台风灾害链的必要性。
1.一种台风及其灾害链作用下海上风电场弹性评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种台风及其灾害链作用下海上风电场弹性评估方法，其特征在于，步骤s2具体为：台风模拟采用yanmeng风场模型，利用边界层摩擦力修正的压力梯度平衡方程，具体为：
3.根据权利要求1所述的一种台风及其灾害链作用下海上风电场弹性评估方法，其特征在于，步骤s3具体为：根据风电场所处海域的气象以及海洋环境历史数据，根据风场模型和海浪模型计算海上风电场机组所受风速、海浪浪高以及海浪波动以及海缆水深的数据，将风速、海浪浪高的数据输入至fast软件，计算海上风机的故障概率模型；根据海缆水深的历史数据，计算海缆的故障概率模型；
4.根据权利要求1所述的一种台风及其灾害链作用下海上风电场弹性评估方法，其特征在于，步骤s4具体为：基于fast软件进行仿真，计算海上风机和海缆的故障程度，同时计算弹性量化指标；根据海上风机以及海缆的受损程度，结合海上风电场的拓扑结构，从结构和功能上定义其弹性量化指标ri和ro，具体为：
5.根据权利要求1所述的一种台风及其灾害链作用下海上风电场弹性评估方法，其特征在于，步骤s5具体为：将台风登陆途经风电场分为3个阶段：
6.根据权利要求1所述的一种台风及其灾害链作用下海上风电场弹性评估方法，其特征在于，步骤s6具体为：根据建立的弹性多边型模型，根据定义的弹性指标结算各指标值，弹性指标包括：
7.一种台风及其灾害链作用下的海上风电场弹性评估系统，其特征在于，包括：
8.一种计算机装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序以实现权利要求1-6所述方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序/指令，其特征在于，该计算机程序/指令被处理器执行时实现权利要求1-6所述方法的步骤。
10.一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，其特征在于，该计算机程序/指令被处理器执行时实现权利要求1-6所述方法的步骤。
