用于风电场设计与优化的方法和系统技术方案

提出了一种用于风电场设计与优化的方法和系统，属于风电场设计技术领域，所述方法包括：步骤S1，根据风电场的风资源情况生成风电场理想矩阵；步骤S2，根据风电场的边界和地形对所述风电场理想矩阵进行调整，得到风电场实际矩阵；步骤S3，获得对应于风电场实际矩阵的不同风机行列排布的风电场发电量，得出发电量最大时相应的风机行列排布作为初始优化风电场布置；步骤S4，以发电量最大为目标，移动尾流影响最大的风机所在的行和列；步骤S5，以发电量最大为目标，移动由不同季节主导风向不同而导致的尾流差大于预定阈值的风机；步骤S6，输出风电场最终优化布置与相应的风电场发电量。

【技术实现步骤摘要】
用于风电场设计与优化的方法和系统
本专利技术涉及风电场设计
，尤其涉及一种用于风电场设计与优化的方法和系统。
技术介绍
风电场的微观选址是风电场建设的重要环节。合理的风电场布局不仅能够增加整个风电场的出力，而且能够保证机组的可靠性。上游风力机组在运行过程中会对下游风力机组产生尾流影响，并且一台风力机组会受到多台风力机组的尾流影响。尾流不仅影响整个风电场的出力，而且增加机组的载荷，进而影响机组的使用寿命。风电场微观选址的主要作用就是通过对风力机组进行合理布局，使尾流对风电场的影响减少到最小。目前人们常用的两种风电机组排布方式为均匀排布和利用WAsP排布。均匀排布的规则是风力机组在主风向上以5～8倍风轮直径间距排布，在垂直于主风向上以3～5倍风轮直径间距排布，且相邻两行风力机组对行排布。这种方式不能得到风力机组的出力和尾流影响。WAsP能够根据读入的风速数据和风力机组的坐标得到风力机组的出力和尾流值，但WAsP不具备自主排列风力机组和优化布置方式的功能。WAsP需要人工输入风电机组的位置坐标，然后利用WAsP计算风力机组的出力和尾流，需要多次调整才能最终的分布结果。风电场的微观选址工作迫切需要能够自主化风电机组布置的方法和系统来简化选址工作。目前常用的风电场微观选址方法往往是从全年的风资源来计算风电场的出力，而忽略了不同季节风能资源的变化性。根据多年的数据统计，不同季节主导风向和全年的主导风向呈垂直分布，这样不同季节和冬季会产生很强的尾流差。如果风电机组能够合适的调整，使不同季节的风能资源得到充分的利用，那么会很大程度上提高整个风电场的出力。
技术实现思路
为了解决现有技术存在的上述问题，本专利技术提出了一种用于风电场设计与优化的方法和系统。根据本专利技术的一个方面，提出了一种用于风电场设计与优化的方法，该方法包括：步骤S1，根据风电场的风资源情况生成风电场理想矩阵；步骤S2，根据风电场的边界和地形对所述风电场理想矩阵进行调整，得到风电场实际矩阵；步骤S3，获得对应于风电场实际矩阵的不同风机行列排布的风电场发电量，得出发电量最大时相应的风机行列排布作为初始优化风电场布置；步骤S4，以发电量最大为目标，移动尾流影响最大的风机所在的行和列；步骤S5，以发电量最大为目标，移动由不同季节主导风向不同而导致的尾流差大于预定阈值的风机；步骤S6，输出风电场最终优化布置与相应的风电场发电量。根据本专利技术的一个方面，步骤S1包括：获取风电场的主导风向，确定风电场的范围并根据风电场范围确定风力发电机组行列数，使得风电场范围内的风力发电机组数目多于或等于需要的风电机组数；确定影响风力发电机组布置的三个因素，分别为偏离角、横列面比和纵列面比，其中：所述偏离角是风力发电机组纵向排列面与风电场主导风向的夹角；所述横列面比是纵向排列面上风电场高度中点处向外相邻的两个横向排列面间距的比例；所述纵列面比是横向排列面上风电场长度方向相邻的两个纵向排列面间距的比例。根据本专利技术的一个方面，步骤S2包括：调整偏离角的大小，根据地形的边界条件以及敏感地形的位置，排除不能布置的风电机组，生成风电场实际矩阵。根据本专利技术的一个方面，步骤S3包括：根据各个横列面比取值、各个纵列面比取值、各个偏离角取值以及各个风向区间取值，生成对应的风电场实际矩阵，并在风电场实际矩阵中加入风电机组，计算每台风电机组处的风速以及尾流影响，并根据风电机组的风速-功率曲线，计算出风电场的发电量，获得发电量最大时对应的横列面比、纵列面比以及偏离角，形成风电场的初始优化布置。根据本专利技术的一个方面，所述计算每台风电机组处的风速具体为：假设测风塔处原始风速为ν0，测风层海拔高度为h0，风电机组轮毂高度为h，a处风电机组的风速为νa，海拔高度为Z(a)，α1为考虑地表粗糙度对应的风切变指数，考虑地形影响的风电机组处风速为：所述计算每台风电机组处的尾流影响具体为：单机尾流影响：D(x)＝D0+2kx其中，D(x)为风电机组下游x处的尾流影响区域的直径，D0是风电机组叶轮直径，k为尾流扩散系数，U(x)为下游x处的风电机组轮毂高度处的风速，U0为来流风速，Ct为推力系数；上游多台风机对下游风机的尾流影响：其中，U为下游风机轮毂高度处风速，U0为上游自由来流风速，Ui为上游只有风机i时产生的尾流风速，n为上游风机的数量；所述计算出风电场的发电量具体为：计算出每台风机轮毂高度处风速U后，根据所述风速-功率曲线，采用线性插值，求出每台风机任意风速下的发电功率，累积风电场所有风机一年的逐时发电功率，求和得到风电场全年的理论发电量。根据本专利技术的一个方面，步骤S4包括：从步骤S3中计算出的每台风电机组处的尾流影响中，找到尾流影响最大的风机所在的纵向排列面和横向排列面；调整风机沿主导风向移动，具体为：对于从沿主导风向的第二纵向排列面开始至尾流影响最大风机所在纵向排列面的前一纵向排列面，移动这些纵向排列面以远离尾流影响最大风机所在纵向排列面；计算每次移动调整后的风电场发电量；获得移动过程中风电场发电量最大的各风机位置；调整风机沿垂直于主导风向移动，具体为：对于从垂直于主导风向的第二横向排列面开始至尾流影响最大风机所在横向排列面的前一横向排列面，移动这些横向排列面以远离尾流影响最大风机所在横向排列面；计算每次移动调整后的风电场发电量；获得移动过程中风电场发电量最大的各风机位置。根据本专利技术的一个方面，每次移动满足距离限制条件和尾流限制条件，不能超出边界并避开敏感地带。根据本专利技术的一个方面，步骤S5包括：利用测风塔处的风速时间序列，按照不同季节计算风电场每台风电机组的发电量与尾流，并计算不同季节每台风电机组的尾流差；对于尾流差大于预定值的风机进行前后左右移动；计算每次移动调整后的风电场发电量；获得移动过程中风电场发电量最大的各风机位置；每次移动满足距离限制条件和尾流限制条件，不能超出边界并避开敏感地带。根据本专利技术的一个方面，将步骤S5得到的风电场最大发电量时对应的布置选择为风电场最终的优化布置，并将计算出来的风电场每台风机的发电量与尾流进行输出。根据本专利技术的一个方面，还提出了一种用于风电场设计与优化的系统，该系统包括：理想矩阵生成模块，用于根据风电场的风资源情况生成风电场理想矩阵；实际矩阵生成模块，用于根据风电场的边界和地形对所述风电场理想矩阵进行调整，得到风电场实际矩阵；初始优化布置模块，用于获得对应于风电场实际矩阵的不同风机行列排布的风电场发电量，得出发电量最大时相应的风机行列排布作为初始优化风电场布置；行列移动模块，用于以发电量最大为目标，移动尾流影响最大的风机所在的行和列；风机移动模块，用于以发电量最大为目标，移动由不同季节主导风向不同而导致的尾流差大于预定阈值的风机；输出模块，用于输出风电场最终优化布置与相应的风电场发电量。根据本专利技术的一个方面，所述理想矩阵生成模块包括：获取子模块，用于获取风电场的主导风向，确定风电场的范围并根据风电场范围确定风力发电机组行列数，使得风电场范围内的风力发电机组数目多于或等于需要的风电机组数；确定子模块，用于确定影响风力发电机组布置的三个因素，分别为偏离角、横列面比和纵列面比，其中：所述偏离角是风力发电机组纵向排列面与风电场主导风向的夹角；所述横列面比是纵向排列面上风电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于风电场设计与优化的方法，其特征在于，该方法包括：步骤S1，根据风电场的风资源情况生成风电场理想矩阵；步骤S2，根据风电场的边界和地形对所述风电场理想矩阵进行调整，得到风电场实际矩阵；步骤S3，获得对应于风电场实际矩阵的不同风机行列排布的风电场发电量，得出发电量最大时相应的风机行列排布作为初始优化风电场布置；步骤S4，以发电量最大为目标，移动尾流影响最大的风机所在的行和列；步骤S5，以发电量最大为目标，移动由不同季节主导风向不同而导致的尾流差大于预定阈值的风机；步骤S6，输出风电场最终优化布置与相应的风电场发电量。

【技术特征摘要】
1.一种用于风电场设计与优化的方法，其特征在于，该方法包括：步骤S1，根据风电场的风资源情况生成风电场理想矩阵，包括获取风电场的风资源情况并得出风电场的主导风向；步骤S2，根据风电场的边界和地形对所述风电场理想矩阵进行调整，得到风电场实际矩阵；步骤S3，获得对应于风电场实际矩阵的不同风机行列排布的风电场发电量，得出发电量最大时相应的风机行列排布作为初始优化风电场布置，包括计算每台风电机组处的尾流影响；步骤S4，找到尾流影响最大的风机所在的纵向排列面和横向排列面；调整风机沿主导风向移动，具体为：对于从沿主导风向的第二纵向排列面开始至尾流影响最大风机所在纵向排列面的前一纵向排列面，移动这些纵向排列面以远离尾流影响最大风机所在纵向排列面；计算每次移动调整后的风电场发电量；获得移动过程中风电场发电量最大的各风机位置；调整风机沿垂直于主导风向移动，具体为：对于从垂直于主导风向的第二横向排列面开始至尾流影响最大风机所在横向排列面的前一横向排列面，移动这些横向排列面以远离尾流影响最大风机所在横向排列面；计算每次移动调整后的风电场发电量；获得移动过程中风电场发电量最大的各风机位置；其中每次移动都满足距离限制条件以及尾流限制条件；步骤S5，以发电量最大为目标，移动由不同季节主导风向不同而导致的尾流差大于预定阈值的风机；步骤S6，输出风电场最终优化布置与相应的风电场发电量。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S1包括：获取风电场的主导风向，确定风电场的范围并根据风电场范围确定风力发电机组行列数，使得风电场范围内的风力发电机组数目多于或等于需要的风电机组数；确定影响风力发电机组布置的三个因素，分别为偏离角、横列面比和纵列面比，其中：所述偏离角是风力发电机组纵向排列面与风电场主导风向的夹角；所述横列面比是纵向排列面上风电场高度中点处向外相邻的两个横向排列面间距的比例；所述纵列面比是横向排列面上风电场长度方向相邻的两个纵向排列面间距的比例。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤S2包括：调整偏离角的大小，根据地形的边界条件以及敏感地形的位置，排除不能布置的风电机组，生成风电场实际矩阵。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤S3包括：根据各个横列面比取值、各个纵列面比取值、各个偏离角取值以及各个风向区间取值，生成对应的风电场实际矩阵，并在风电场实际矩阵中加入风电机组，计算每台风电机组处的风速以及尾流影响，并根据风电机组的风速-功率曲线，计算出风电场的发电量，获得发电量最大时对应的横列面比、纵列面比以及偏离角，形成风电场的初始优化布置。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述计算每台风电机组处的风速具体为：假设测风塔处原始风速为ν0，测风层海拔高度为h0，风电机组轮毂高度为h，a处风电机组的风速为νa，海拔高度为Z(a)，α1为考虑地表粗糙度对应的风切变指数，考虑地形影响的风电机组处风速为：所述计算每台风电机组处的尾流影响具体为：单机尾流影响：D(x)＝D0+2kx其中，D(x)为风电机组下游x处的尾流影响区域的直径，D0是风电机组叶轮直径，k为尾流扩散系数，U(x)为下游x处的风电机组轮毂高度处的风速，U0为来流风速，Ct为推力系数；上游多台风机对下游风机的尾流影响：其中，U为下游风机轮毂高度处风速，U0为上游自由来流风速，Ui为上游只有风机i时产生的尾流风速，n为上游风机的数量；所述计算出风电场的发电量具体为：计算出每台风机轮毂高度处风速U后，根据所述风速-功率曲线，采用线性插值，求出每台风机任意风速下的发电功率，累积风电场所有风机一年的逐时发电功率，求和得到风电场全年的理论发电量。6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤S4包括：移动处于对称位置的横向排列面，使得移动后的矩阵中的横向排列面依然是对称的。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：每次移动不能超出边界并避开敏感地带。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S5包括：利用测风塔处的风速时间序列，按照不同季节计算风电场每台风电机组的发电量与尾流，并计算不同季节每台风电机组的尾流差；对于尾流差大于预定值的风机进行前后左右移动；计算每次移动调整后的风电场发电量；获得移动过程中风电场发电量最大的各风机位置；每次移动满足距离限制条件和尾流限制条件，不能超出边界并避开敏感地带。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：将步骤S5得到的风电场最大发电量时对应的布置选择为风电场最终的优化布置，并将计算出来的风电场每台风机的发电量与尾流进行输出。10.一种用于风电场设计与优化的系统，其特征在于，该系统包括：理想矩阵生成模块，用于根据风电场的风资源情况生成风电场理想矩阵，包括获取风电场的风资源情况并得出风电场的主导风向；实际矩阵生...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭怀午，苏婧，韩晓亮，杜燕军，
申请(专利权)人：内蒙古电力勘测设计院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：内蒙古;15