CN102235313B - 平坦地形风机规则布置优化方法 - Google Patents

Abstract

提出了提出了一种平坦地形风机规则布置优化方法，属于风力发电场设计技术领域。该方法包括：步骤S1，获得风电场风机的初始布置方案，并计算初始布置方案中各风机位置处的尾流值；步骤S2，获取尾流值最大的风机所在的位置，逐行/逐列调整位于所述尾流值最大的风机的上风向的风机的行列间距：在对每行/列进行调整后，获得使所述尾流值最大的风机所在行或列尾流最小的调整结果，在该调整结果的基础上对下一行/列继续进行调整，并记录每次调整结果以及对应的风电场的总发电量；步骤S3，将记录的总发电量进行排序，获得最佳发电量对应的调整结果。本方法解决了如何减少尾流影响、充分利用风能资源并提高发电量的技术问题。

Description

平坦地形风机规则布置优化方法

技术领域

本发明属于风力发电场设计技术领域，尤其涉及一种平坦地形风机规划布置优化方法。

背景技术

平坦地形一般定义为在风电场区及周围5km半径范围内其地形高度差小于50m，同时地形最大坡度小于3°的地形，实际上，对于周围特别是场址盛行风的上(来)风方向，没有大的山丘或悬崖之类的地形，仍可作为平坦地形来处理。

在风电场规划和建设过程中，风电机组位置排列是非常重要的环节。风电机组位置排列(即风电机组布置)主要有两个基本目的，一是优化电量，主要是充分利用风电场的风能资源；另一个是降低风险，主要是降低由地形或风机间的相互干扰产生的尾流、湍流影响以及避开其他影响风机运行的不安全因素。在对位于平坦地形的风电场进行布置时，一般采用行列或梅花型规则布置，且各行列间的间距相等，采用行列或梅花型布置时，一般建议在平行于主导风向上不超过3排，但实际工作中，由于受风电场自身形状范围限制，常常需要在平行于主导风向上布置3排以上的风机，这常常导致风机中部及下风向的风机尾流过大。所谓的尾流或尾流影响是指风经过风电机组后将部分动能转化为机械能，再转化为电能，从而使风速降低，对后面的风电机组发电量产生影响，即尾流影响。由于尾流的影响，坐落在下风向的风电机组的风速将低于坐落在上风向的风电机组风速，一般称之为尾流效应(Wakeeffects)，如图2所示，风电机组安装在X＝0处，X为沿风速方向距风电机组安装点的距离；R为风电机组叶片半径；RW为X点处的尾流半径；V₀和V_X分别为吹向和离开风电机组的风速。产生尾流效应的原因是风电机组吸收了风中部分能量，造成离开风电机组的风速下降，并且风电机组相距越近，前面的风电机组对后面的风电机组风速的影响越大。美国加州风电场的运行经验表明，尾流造成的能量损失的典型值是10％。为充分利用风能资源和发挥规模效益，大型风电场通常有几十台到数百台风电机组，受场地和其他条件限制这些风电机组又不能相距太远。因此在风电场规划设计以及确定风电场输出功率时必须考虑尾流效应。

现阶段对于平坦地形的风电场，风电机组排列布置的原则如下：

(1)根据风电场风向玫瑰图和风能玫瑰图显示的盛行风向、年平均风速等条件，确定主导风向，机组排列应与主导风向垂直。

(2)对平坦、开阔的场址，可单排或多排布置风电机组，多排布置时应尽量呈“梅花形”排列，以减少风电机组之间尾流的影响。

(3)盛行风向基本不变的风场，采用“梅花形”布置，在盛行风向上机组间距5～9倍风轮直径，垂直盛行风向上机组间距3～5倍风轮直径。

(4)盛行风向不是一个方向的风场，采用对行排列布置和“梅花形”布置。

这种布置方法容易导致位于排列中部及下风向的风机尾流过大(如图1所示，其中箭头所示为上风向，圆圈表示风电机组，方框表示风场范围，不规则六边形表示尾流影响较高区域)，影响风机运行并降低发电量。

常见的尾流效应数学模型有Jensen模型和Lissaman模型，前者较好地模拟了平坦地形尾流效应，而后者更适用于模拟复杂地形。Jensen模型由丹麦里索(Riso)实验室的N.O.Jensen提出，其数学表达式为：

$V_X=V_0[1-(1-\sqrt{1-C_T}){\left(\frac{R}{R+\mathrm{KX}}\right)}^2]$

V_X是C_T的函数，所以尾流效应与风电机组的空气动力特性有关。式中，C_T为风电机组推力系数，与风速和风电机组结构有关；K为尾流下降系数，与风的湍流强度成正比。其中：

$(1-\sqrt{1-C_T}){\left(\frac{R}{R+\mathrm{KX}}\right)}^2=d$

K＝k_w(σ_G+σ₀)/U

式中：d为风速下降系数；σ_G和σ₀分别为风电机组产生的湍流和自然湍流的均方差，通常情况下，σ_G＝0.08U，σ₀＝0.12U，U为平均风速，k_w为一经验常数，计算公式为

$k_w=\frac{0.5}{\ln (h/z)}$

式中：h为轮毂高度；z为地表粗糙度，一般为0.002。

在进行风电场尾流计算时，要计算多台风机间的尾流影响。Katic等人提议，多尾流计算可使用“速度变化的平方和”的尾流综合模型计算。最初用于WindPRO PARK模块和WAsP/Park模块的N.O.Jensen模型用速度变化的平方和计算尾流综合作用。多尾流综合效应为：

$\mathrm{\δ}{V}_n=\sqrt{\underset{k=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\mathrm{\δ}{V}_{\mathrm{kn}}\right)}^2}$

式中，δ_V是速度变化，定义为(1-V/U)，其中U是自由风速；n是上风风电机组数。可以看出风电机组的尾流效应，除了与风机间距有关，在风电场中多台风电机组相互影响时，上风风电机组数也对其有影响。位于下风向的风机由于上风风电机组数较多，其尾流效应对于上风向风机间距变化较位于布置边缘的风机要敏感。故减少边缘风机间距以加宽中部风机间距，导致边缘风机尾流效应升高δ1，同时使中后部风机尾流效应下降δ2，当δ2＞δ1时，可得到总体尾流损失较小而总体发电量较高的优化方案。

发明内容

为了解决如何减少尾流影响、充分利用风能资源并提高发电量的技术问题，本发明对输入的原始布置方案以加宽中部风机间距、减少边缘风机间距为基础，进行各种步长的调整并进行计算，对计算结果进行排序筛选，从而得到尾流更小，发电量更高的风电机组布置方案，该方案的示意图如图3所示，图3中，箭头表示来风方向，圆圈表示风电机组，方框表示风电场。

为此，本发明提出了一种平坦地形风机规则布置优化方法，该方法包括：步骤S1，获得风电场风机的初始布置方案，并计算初始布置方案中各风机位置处的尾流值；步骤S2，获取尾流值最大的风机所在的位置，逐行/逐列调整位于所述尾流值最大的风机的上风向的风机的行列间距：在对每行/列进行调整后，获得使所述尾流值最大的风机所在行或列尾流最小的调整结果，在该调整结果的基础上对下一行/列继续进行调整，并记录每次调整结果以及对应的风电场的总发电量；步骤S3，将记录的总发电量进行排序，获得最佳发电量对应的调整结果。

根据本发明提出方法的一个方面，在步骤S1中，可通过软件计算或人工布置得到初始布置方案，该初始布置方案为规则布置的风机布置矩阵。

根据本发明提出方法的一个方面，根据风电场的盛行风向确定调整行距还是列距，如果盛行风向垂直于列向，需要对列距进行调整，如果盛行风向垂直于行向，需要对行距进行调整，如果盛行风向不垂直于列向也不垂直与行向或者有多个盛行风向，需要对行距和列距两者进行调整，先调整行距再调整列距或先调整列距再调整行距。

根据本发明提出方法的一个方面，步骤S2中，具体的调整方法如下：

a设置调整步长，并将i的初值设置为2，该调整步长是每次行或列移动的距离，i是所述风机布置矩阵沿上风向的行号或列号；

b循环调整所述风机布置矩阵沿上风向的第i行/第i列：将第i行/第i列向第i-1行/第i-1列移动调整步长，记录移动后的调整结果以及对应的总电量值，计算所述尾流值最大的风机所在行/列的尾流值；直到满足下列条件之一时停止该循环调整：在第i行/第i列中有单机尾流高于一第一阈值；在第i行/第i列中与最近行/列的风机间距不足第二阈值；

c对步骤b中计算得到的尾流值排序，获得最小的尾流值对应的调整结果，在该调整结果的基础上，判断i的值是否等于所述尾流值最大的风机所在的行号或列号，如果等于，则停止步骤S2，如果不等于，将i的值加1，继续执行步骤b。

根据本发明提出方法的一个方面，其中，所述第一阈值为10％，所述第二阈值为三倍的叶轮直径。

根据本发明提出方法的一个方面，其中，所述调整步长范围为大于等于0.1倍小于1倍的行距或者列距。

根据本发明提出方法的一个方面，在步骤a之前，若尾流值最大的风机位于沿上风向的第2行或第2列，则不进行调整。

附图说明

图1示出了风电场风机布置初始方案；

图2示出了尾流影响示意图；

图3示出了风电场风机布置优化方案；

图4示出了本发明方法的主要步骤。

具体实施方式

图4示出了本发明方法的主要步骤，如图4所示，本发明所提出的方法包括：步骤S1，获得风电场风机的初始布置方案，并计算初始布置方案中各风机位置处的尾流值；步骤S2，获取尾流值最大的风机所在的位置，逐行和/或逐列调整位于所述尾流值最大的风机的上风向的风机的行列间距：在对每行/列进行调整后，获得使所述尾流值最大的风机所在行或列尾流最小的调整结果，在该调整结果的基础上对下一行/列继续进行调整，并记录每次调整结果以及对应的风电场的总发电量；步骤S3，将记录的总发电量进行排序，获得最佳发电量对应的调整结果。

具体的，本发明所包括的三个步骤如下所述：

步骤S1，由WINDFARMER或WINDSIM等软件计算或通过人工布置得到初始布置方案，并利用风能计算软件计算初始布置方案的尾流，例如，如图1所示，初始布置方案为M行N列的矩阵，共有M×N个风机，并平均布置各行和各列，即各行的行距R相同，各行的列距C相同，利用风能计算软件计算初始布置方案中M×N个风机位置处的尾流。

步骤S2，根据初始布置方案的尾流计算结果对初始布置方案的行列间距进行调整并计算，具体步骤如下：

第一步，找到尾流最大的风机所在的位置，这里，假定该风机位于第m行，第n列；

第二步，设定步长，如设定步长为0.1，则每次调整距离为0.1R或0.1C(R为行间距，C为列间距)，该步长可设置为大于等于0.1倍小于1倍的行距或列距，。

第三步，依据设定的步长调整尾流最大的风机上风向各行列间距，并计算各方案尾流结果。

具体操作如下：

规则布置的风机布置矩阵自上风方向向下风方向定义其为第1行、第2行……第M行，同理可定义第1列、第2列……第N列；由于尾流最大的风机位于第m行，第n列，本发明的方法需要对第2行至第m-1行的风机和/或第2列至第m-1列的风机进行调整，下面假设盛行风向与列垂直，以列为例介绍具体调整方法，：

首先将第2列向上风向依据设定的步长移动，每移动一次进行一次电量计算，记录移动后的布置方案以及相应的电量值，当满足下列条件之一时停止：A在该列中有单机尾流高于10％；B在该列中与最近的风机间距不足三倍的叶轮直径；

当第2列停止后，找出使尾流最大的风机所在列尾流最小的方案，在此方案基础上按照同样的原则移动第3列并计算尾流和电量值，记录每次移动后的布置方案以及相应的电量值，以此类推，分别将初始布置方案中尾流最大的风机之前的各列都向上风向移动并计算尾流和电量值；

如果风电场有多个盛行风向，则继续调整行间距，调整方法与列的调整方法相同。

步骤S3.将上面计算出的各发电量结果进行排序，从而得到最优布置方案。

如上文所示，本发明对原始布置方案以加宽中部风机间距、减少边缘风机间距为基础，进行各种步长的调整并进行计算来优化布置方案。本发明具有如下优点：1.由于在增加中间风机间距的同时缩小了边缘的风机间距，在优化时可以做到首排风机与末排风机间的总间距不变，故不会增加布置区域面积，换言之可以在相同布置面积下较常规等行列距方法减少尾流，提高发电量；2.由于该方法可以降低尾流，故可以在控制尾流、发电量的情况下较常规等行列距方法减少布置范围，节省占地面积；3.该方法不需额外投入，且几乎不会增加集电线路和道路实施的费用，易实施。

本发明所示出的上述具体调整行/列的方法仅为示例性的，并不作为对本发明保护范围的限定，本领域技术人员根据各种实际情况可对本发明做出修改和调整，这些修改和调整同样落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种平坦地形风机规划布置优化方法，其特征在于，该方法包括：

步骤S1，获得风电场风机的初始布置方案，并计算初始布置方案中各风机位置处的尾流值；

步骤S2，获取尾流值最大的风机所在的位置，逐行和/或逐列调整位于所述尾流值最大的风机的上风向的风机的行列间距：在对每行和/或列进行调整后，获得使所述尾流值最大的风机所在行或列尾流最小的调整结果，在该调整结果的基础上对下一行和/或列继续进行调整，并记录每次调整结果以及对应的风电场的总发电量；

步骤S3，将记录的总发电量进行排序，获得最佳发电量对应的调整结果。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，该方法进一步包括：

在步骤S1中，可通过软件计算或人工布置得到初始布置方案，该初始布置方案为规则布置的风机布置矩阵。

3.根据权利要求2的方法，其特征在于，该方法进一步包括：

根据风电场的盛行风向确定调整行距还是列距，如果盛行风向垂直于列向，需要对列距进行调整，如果盛行风向垂直于行向，需要对行距进行调整，如果盛行风向不垂直于列向也不垂直于行向或者有多个盛行风向，需要对行距和列距两者进行调整，先调整行距再调整列距或先调整列距再调整行距。

4.根据权利要求2的方法，其特征在于，该方法进一步包括：

步骤S2中，具体的调整方法如下：

a设置调整步长，并将i的初值设置为2，该调整步长是每次行或列移动的距离，i是所述风机布置矩阵沿上风向的行号或列号；

b循环调整所述风机布置矩阵沿上风向的第i行和/或第i列：将第i行和/或第i列向第i-1行和/或第i-1列移动调整步长，记录移动后的调整结果以及对应的总电量值，计算所述尾流值最大的风机所在行和/或列的尾流值；直到满足下列条件之一时停止该循环调整：在第i行和/或第i列中有单机尾流高于一第一阈值；在第i行和/或第i列中与最近行和/或列的风机间距不足第二阈值；

c对步骤b中计算得到的尾流值排序，获得最小的尾流值对应的调整结果，在该调整结果的基础上，判断i的值是否等于所述尾流值最大的风机所在的行号或列号，如果等于，则停止步骤S2，如果不等于，将i的值加1，继续执行步骤b。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，其中，所述第一阈值为10％，所述第二阈值为三倍的叶轮直径。

6.根据权利要求4的方法，其特征在于，其中，所述调整步长为大于等于0.1倍小于1倍的行距或者列距。

7.根据权利要求4的方法，其特征在于，在步骤a之前，若尾流值最大的风机位于沿上风向的第2行或第2列，则不进行调整。

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