風電場風電機組布局選址方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種風電場風電機組布局選址方法，該方法以最大化風電場等值功率為目標函數(shù)，以風電場總面積、風機間最小距離等因素為約束函數(shù)，采用幾何學理論確定風機上游區(qū)域及計算風機間的水平和偏移距離，利用帶收縮因子和變異因子的粒子群優(yōu)化算法尋求最優(yōu)布局。其顯著效果是：本發(fā)明計及了風的聯(lián)合分布特性、風電機組間的尾流效應等，解決了網(wǎng)格劃分方法中的位置限制以及僅考慮單個或部分風向的不足，對風電場布局的優(yōu)化效率高，可為風電場布局優(yōu)化提供有益參考。
【專利說明】風電場風電機組布局選址方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及到風電場布局優(yōu)化【技術領域】，具體地說，是一種風電場風電機組布局選址方法。

【背景技術】
[0002]風能是清潔的可再生能源，世界上很多國家出臺相關政策以激勵風能的開發(fā)和利用，同時風能使用可以減少因傳統(tǒng)能源的消耗給環(huán)境帶來的損害。風力發(fā)電機輸出功率是風速的函數(shù)，由于風速的間歇性和隨機性，風力發(fā)電機的輸出功率具有不穩(wěn)定性和波動性。風電場中，由于尾流效應的存在，風電場中不同位置的風速不盡相同，且尾流效應對風電場發(fā)電量有較大影響，因此與風電場輸出功率相關的研究中需要考慮尾流效應的影響，特別是在風電場規(guī)劃過程中，通過優(yōu)化風電機組在風電場中的布局以減小尾流效應的不利影響。
[0003]然而現(xiàn)有風電場布局技術中主要存在以下幾類不足:一、網(wǎng)格劃分法中由于位置限制，未能充分使用風電場空間；二、在布局優(yōu)化過程中僅考慮單個風向或獨立地考慮兩個風向，未能計及所有潛在的風向；三、主觀列出幾種潛在的風電場布局方式，從備選風電場布局中選出一種年發(fā)電量最大的布局作為最優(yōu)布局，未充分考慮風電場的客觀條件；四、米用智能算法優(yōu)化風電場布局時，尾流效應中沒有計及風機葉片掃風陰影區(qū)不完全覆蓋時的情形。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的是提供提出一種風電場風電機組布局選址方法，該方法能夠計及風的聯(lián)合分布特性、風電機組間的尾流效應等，解決了網(wǎng)格劃分方法中的位置限制、僅考慮單個或部分風向的不足。
[0005]為達到上述目的，本發(fā)明表述一種風電場風電機組布局選址方法，具體按照以下步驟進行:
[0006]步驟1:輸入Ns個風速數(shù)據(jù)與Nd個風向數(shù)據(jù)，建立風速與風向的離散聯(lián)合分布律表，表中第i個風向為Θ i, i = I?Nd,第j個風速表示V」，j = I?Ns,二維變量(Θ j, Vj)的聯(lián)合概率為Pij ;
[0007]步驟2:基于粒子群優(yōu)化算法建立風電機組坐標的粒子群，設置粒子群的粒子數(shù)目為Np，總的維數(shù)為2N，粒子群的迭代次數(shù)為K，第m個粒子的位置向量為Xni = (Xnil, Ynil, Xni2,ym2，...，xmN? Υπ,ν)，速度向里為 Wm — (wml, Wm2J Wm3J Wm4J...，Wm(n)，wm2N)? 并確定權子的約束函數(shù)，其中m=l?NP，N為風電機組的數(shù)目，(xfflN, yfflN)為第m個粒子位于第N臺風電機組處的坐標，(&_)，《_)為第m個粒子位于第N臺風電機組處的速度；
[0008]步驟3:隨機初始化所有粒子的位置向量,并令m = I ;
[0009]步驟4:計算第m個粒子的適應度，并計算第m個粒子對應的風電場的輸出功率，初始化i = j = I ;
[0010]步驟5:確定風向為Θ i時第k臺風電機組的所有上游風電機組，得出第k臺風電機組和它的所有上游風電機組間的水平距離d與偏移距離h，k = I~N ;
[0011]步驟6:根據(jù)水平距離d、偏移距離h以及風速Vj計算出考慮尾流效應影響后吹向第k臺風電機組的風速V，進而計算出風速為V時該臺風電機組的輸出功率P (V)，然后計算出此時整個風電場的輸出功率P0WF( Θ y Vj, xm)；
[0012]步驟7:將j與Ns進行比較，若j < Ns,則設置j = j+1，返回步驟6 ;若j = Ns,則進入步驟8 ；
[0013]步驟8:將i與Nd進行比較，若i < Nd，則設置i = i+Ι，返回步驟5 ;如果i = Nd,則進入步驟9 ；
[0014]步驟9:按照

【權利要求】
1.一種風電場風電機組布局選址方法，其特征在于按照以下步驟進行: 步驟1:輸入Ns個風速數(shù)據(jù)與Nd個風向數(shù)據(jù)，建立風速與風向的離散聯(lián)合分布律表，表中第i個風向為Θ i，i = I~Nd,第個風速表示Vj, j = I~Ns,二維變量(Θ j, Vj)的聯(lián)合概率為Pij ； 步驟2:基于粒子群優(yōu)化算法建立風電機組坐標的粒子群，設置粒子群的粒子數(shù)目為Np，總的維數(shù)為2N，粒子群的迭代次數(shù)為K，第m個粒子的位置向量為Xm= (xffll, yffll, xffl2,ym2，...，Xiiinj Yun)，速度向里為 Wm — (wml，Wm2J Wm3J Wm4J...，wm(n)，wm2N)，并確定權子的約束函數(shù)，其中m=l~NP，N為風電機組的數(shù)目，(xfflN, yfflN)為第m個粒子位于第N臺風電機組處的坐標，(&_)，《_)為第m個粒子位于第N臺風電機組處的速度； 步驟3:隨機初始化所有粒子的位置向量，并令m = I ; 步驟4:計算第m個粒子的適應度,并計算第m個粒子對應的風電場的輸出功率,初始化 i = j = I ; 步驟5:確定風向為Θ i時第k臺風電機組的所有上游風電機組，得出第k臺風電機組和它的所有上游風電機組間的水平距離d與偏移距離h，k = I~N ; 步驟6:根據(jù)水平距離d、偏移距離h以及風速Vj計算出考慮尾流效應影響后吹向第k臺風電機組的風速V，進而計算出風速為V時該臺風電機組的輸出功率P (V)，然后計算出此時整個風電場的輸出功率POWF( Θ y Vj, xm)； 步驟7:將j與Ns進行比較，若j < Ns,則設置j = j+1，返回步驟6 ;若j = Ns,則進入步驟8 ; 步驟8:將i與Nd進行比較，若i < Nd，則設置i = i+Ι，返回步驟5 ;如果i = Nd，則進入步驟9 ；

步驟9:按照
計算出整個風電場的等效功率EPWF，以風電場的最大等效功率為目標函數(shù)，表示為max EPWF，然后計算出目標函數(shù)取最大值時第m個粒子的局部最優(yōu)位置Pm = (Pml，Pm2,…，Pm2N); 步驟10:將m與Np進行比較,若m < Np,則設置m = m+1,并返回步驟4,若m = Np,則進入步驟11 ； 步驟11:計算出目標函數(shù)取最大值時所有粒子的全局最優(yōu)位置Pg= (pgl,Pg2,-,Pg2N); 步驟12:更新粒子位置向量Xm與速度向量Wm，判定算法是否達到迭代次數(shù)K或者算法得出的最優(yōu)粒子位置連續(xù)不變，若是則輸出風電機組的最優(yōu)坐標(Plx，Ply)，(P2x，P2y)，...，(PNx，PNy)，否則返回步驟3循環(huán)計算，直至得出風電場風電機組的最優(yōu)布局。
2.根據(jù)權利要求1所述的風電場風電機組布局選址方法，其特征在于:所述步驟2中粒子的約束函數(shù)為:
其中，(xmin, Xmax) > (ymin, ymax)為坐標系中風電場的區(qū)域范圍，Vniax為粒子飛行速度的上限，2r為風電機組間的最小距離，d為水平距離，h為偏移距離，r為風電機組葉片半徑。
3.根據(jù)權利要求1所述的風電場風電機組布局選址方法，其特征在于:所述步驟5中第k臺風電機組的上游機組的確定方法如下: 步驟5-1:采用風向羅盤描述風向Θ i，將吹向正北方的風向定義為參考風向，并定義風向Θ j表示在順時針方向上風向偏離北方的角度；步驟5-2:將風電場定義在笛卡爾平面坐標系內(nèi)，定義第k臺和其余任意一臺風電機組在笛卡爾平面坐標系中的坐標分別為(xk，yk)和(Xl，yi)，當風向為91時，按照公式y(tǒng) =cot( Θ ) (X-Xk)+yk計算出經(jīng)過點(xk,yk)的直線I1的方程式，其中Θ i關η 31 (η = O, I, 2 );步驟5-3:按照公式y(tǒng) = -tan( Θ ) (x-xk)+yk求出垂直于直線I1且經(jīng)過點(xk，yk)的直 線 I2,其中
步驟5-4:對于風電機組I的坐標(Xpy1)，構造一個函數(shù)R(x，y，Θ J，該函數(shù)表達式為R(x, y, 9 i) = y+tan ( Θ j) (X-Xk)-yk ； 步驟5-5:將風向Θ i和風電機組I的坐標(Xl，Y1)代入R(x，y，Θ i)中，根據(jù)R與零的關系確定風電機組I的坐標(Xl，Y1)與直線I2的位置關系，從而得出風電機組I相對于風電機組k的位置關系。
4.根據(jù)權利要求3所述的風電場風電機組布局選址方法，其特征在于:所述步驟5中第k臺風電機組與其上游風電機組間的水平距離d和偏移距離h計算公式為: 當風向Θ i滿足0° < Θ j < 360°且Θ i關180°時，
水平距離d
偏移足巨尚
當風向^為0°或180°或360°時，
水平距離d:d = I X1-Xk I，
偏移距離h:h = I Y1-Yk I。
5.根據(jù)權利要求1所述的風電場風電機組布局選址方法，其特征在于:所述步驟6中計及尾流影響后實際吹向第k臺風電機組的風速V的計算公式為: 風電機組位于平坦地形: ! ( Ai ln(z/zo) v = v/" 1K -T , / ,、; 風電機組位于復雜地形:
其中，Vin和V' ^分別為平坦地形和復雜地形上吹向第k臺風電機組的上游風電機組的風速，Asi為第k臺風電機組落入其上游風電機組陰影區(qū)內(nèi)的面積，df為風速下降系數(shù)，Nup為上游風電機組的數(shù)目，Zref和z分別為風速觀測處高度和風電機組輪轂的高度，Z0為地面粗糙度，s為第k臺風電機組與其上游風電機組的距離，r為風電機組葉輪半徑，α為尾流下降系數(shù)，Ct為推力系數(shù)。
6.根據(jù)權利要求1所述的風電場風電機組布局選址方法，其特征在于:所述步驟6中第k臺風電機組的輸出功率P (V)的計算公式為:
其中:Vc;1、\和V。。分別為風電機組的切入風速、額定風速和切出風速，已為風電機組的額定功率，Cp C2和C3為系數(shù)。
7.根據(jù)權利要求1所述的風電場風電機組布局選址方法，其特征在于:所述步驟12中粒子位置向量Xm的更新公式為:
Xm = xffl+wffl ； 粒子速度向量Wm的更新公式為:
Wm = ω Xff^aXr1X (pm-Xm) +b X r2 X (pg_Xm)； 其中，ω為慣性權重，r1、r2是介于(O，I)之間的隨機數(shù)，a、b是學習因子。
【文檔編號】G06F19/00GK104200097SQ201410438111
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月29日 優(yōu)先權日:2014年8月29日
【發(fā)明者】胡博, 謝開貴, 楊賀鈞, 陳婭, 王蔓莉 申請人:重慶大學