一种风电场风机叶片选型优化方法技术

本发明专利技术涉及一种风电场风机叶片选型优化方法，包括以下步骤：1)获取风电场机组容量，根据所述容量获得可选风电机组类型及其对应风电机组叶片长度；2)以风电场全寿命周期度电成本最低为目标，以离散的风电机组叶片长度为约束，建立目标函数；3)通过遗传算法对所述目标函数进行求解，获得最优风电机组类型组合。与现有技术相比，本发明专利技术综合考虑了风电场的风速分布、风向分布和机组之间的尾流效应以及风电场全寿命周期成本，能够在相同风电场容量的条件下降低风电场的度电成本，为陆上风电场及海上风电场的风机叶片选型提供依据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于风力发电
，尤其是涉及一种风电场风机叶片选型优化方法。
技术介绍
随着风电技术的快速发展，风力发电已成为继火电、水电之后的第三大电源。到2020年，我国风电预计装机将达200GW。风电技术的快速发展与资源的激烈竞争使得度电成本成为风电行业发展关注的重要指标之一。度电成本取决于总成本与发电量。风电场的发电量是由风电机组从风中吸收能量的大小决定的，其中，风机叶片是风机转化风能的关键部件，相同容量条件下，叶片长度是影响风电场发电量的关键参数。更长的叶片长度意味着风电机组更强的风能吸收效率，但同时也意味着更高的风机成本与更大的尾流影响。因此，在给定风电场装机容量的条件下，如何合理的选择叶片长度、降低风电场的度电成本是风电场项目在规划与设计阶段需考虑的主要问题之一。目前已有很多专家与学者从不同的角度对降低风电场度电成本的方法展开研究。对现有文献检索发现，许昌等在中国电机工程学报，2013,33(31):58-64发表的复杂地形风电场微观选址优化采用优化风机选址的方法以减少尾流效应影响以提高发电量，降低度电成本。谭伦农等在太阳能学报，2011,32(7):980-984发表的风电场风力机选型与经济可行性研究采用优化风机选型方法将反映机组发电量与成本两方面的目标参数相结合,以减少度电成本。但是，以上研究中都是在风电场中的风机都属于相同型号、叶片长度相同的基础上开展的，较少有研究对风电场风机叶片长度进行选型与优化。实际上，当前每个风机厂家，相同容量的风电机组存在多种不同叶片长度的风机可供选择，以3WM系列风机产品为例，相同3MW的风电机组有45、50、55、57.5等多种半径长度的机型可供选择。在风电场装机容量不变的条件下，如何科学合理地进行风机叶片长度选择是风电场规划阶段需要解决的主要问题之一，也是影响风电场后续度电成本的关键因素之一。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种风电场风机叶片选型优化方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种风电场风机叶片选型优化方法，包括以下步骤：1)获取风电场机组容量，根据所述容量获得可选风电机组类型及其对应风电机组叶片长度；2)以风电场全寿命周期度电成本最低为目标，以离散的风电机组叶片长度为约束，建立目标函数；3)通过遗传算法对所述目标函数进行求解，获得最优风电机组类型组合。所述目标函数具体为：式中：Ccost为风电机组总成本，与机组叶片半径相关；Ptotal为全寿命周期中整个风电场的发电量，与机组叶片半径相关；R为机组叶片半径，Rf为所有可供选择叶片半径的集合。所述风电机组总成本Ccost表示为：式中，CW为单台风电机组造价，Cf为风电场投资成本，Cm为运行维护费用，N为风电机组台数。所述全寿命周期中整个风电场的发电量Ptotal表示为：式中：k为全寿命周期年限，θ为风向与Y轴夹角，v为风速，N为风电机组台数，Pw为一台机组在特定风速及风向下的有功出力，t(v)为一年中风速为v的小时数，p(θ)为风向为θ的概率。计算所述全寿命周期中整个风电场的发电量时，风向与Y轴夹角由风向玫瑰图获得，风速由威布尔分布获得。计算所述全寿命周期中整个风电场的发电量时，风速考虑尾流效应，经尾流效应影响后的风速的表达式为：式中：vi为初始风速，经尾流效应影响后的下游风机风速vj，hi、hj分别为上游风机与下游风机的轮毂高度，rd为距上游风机dij处的尾流半径，dij为机组沿风向方向距离，As为遮挡部分面积，Aj为下风向风轮扫略面积，ri为上游风机半径，CT为风机推力系数。通过直角坐标与极坐标变换求得两风电机组的相对位置关系，简化所述经尾流效应影响后的风速的计算过程，具体地，当风向变化时，Lissaman模型中参数vi、ri、rj、hi、hj均不变，rj为下游风机半径，只有代表风机相对位置的xij、dij随风向变化而改变，通过坐标轴的旋转，令坐标轴与风向变化一致，利用极坐标变换表示风向变化角与机组的横纵向距离xij、dij的关系：式中，(xi，yi)、(xj，yj)分别为两风电机组的直角坐标，(ρi,θi)、(ρj,θj)分别为两风电机组的极坐标，进而，简化后的风速的表达式为：vj＝f(vi,hi,hj,ri,rj,xij,dij)。计算所述全寿命周期中整个风电场的发电量时，一台机组在特定风速及风向下的有功出力的获取方式为：获得多台相同系列风电机组的功率曲线，将所述功率曲线进行拟合，再利用插值法获得相应风速及风向下的有功出力。与现有技术相比，本专利技术从全寿命周期度电成本角度对风电场各台机组进行叶片选型，具有以下有益效果：(1)与单一叶片选型相比，混合叶片选型能够提高风电场整体捕获的风能。(2)无论是在平坦地形还是复杂地形，本专利技术方法都能有效提升风电场功率，在不改变风电场装机容量的前提下，提高了风电场效益，降低了度电成本。(3)本专利技术综合考虑了风电场的风速分布、风向分布和机组之间的尾流效应以及风电场全寿命周期成本，能够在相同风电场容量的条件下降低风电场的度电成本，为陆上风电场及海上风电场的风机叶片选型提供依据。(4)本专利技术针对风机厂家给出的相同系列风机的功率曲线，将机组功率曲线进行拟合，再利用插值法得出相应风速下的有功出力，解决了相同容量风电机组下由于叶片长度的不同引起的风力机有功功率曲线变化不十分明显的问题。(5)本专利技术通过直角坐标与极坐标变换求得风机的相对位置关系计算尾流效应，达到了简化多风向尾流计算的目的。附图说明图1为部分遮挡尾流效应模型示意图；图2为不同风向下机组相对位置示意图；图3为遗传算法计算流程图；图4为风机位置及编号示意图；图5为风速概率密度分布图；图6为风向玫瑰图；图7为四种型号机组功率曲线；图8为平坦地形发电量进化图；图9为不同叶片组合方案下风电场度电成本示意图；图10为平坦地形最优风机叶片分布图；图11为复杂地形不同叶片组合方案下风电场度电成本示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。本实施例提供一种风电场风机叶片选型优化方法，包括以下步骤：1)获取风电场机组容量，根据所述容量获得可选风电机组类型及其对应风电机组叶片长度；2)以风电场全寿命周期度电成本最低为目标，以离散的风电机组叶片长度为约束，建立目标函数；3)通过遗传算法对所述目标函数进行求解，获得最优风电机组类型组合。该方法建立了风电场全寿命周期度电成本计算模型。其中，总成本计算主要考虑单台风电机组造价、风电场投资成本和与叶片维护与更换有关的运行维护费用。风电场发电量先根据尾流效应模型计算风机处风速，再根据风机有功出力模型求得相应风速下发电量，发电量包含风电场全寿命周期20-25年的发电量计算。该方法以风电场全寿命周期度电成本最低为目标，在充分考虑风电场的风速分布、风向分布以及机组之间的尾流效应的前提下，对风电场内各台风机的叶片长度进行优化选择，并采用遗传算法对该优化问题进行求解。本方法建立的目标函数为：式中：Ccost为风电机组总成本；Ptotal为全寿命周期中整个风电场的发电量。R为机组叶片半径；Rf为所有可供选择叶片半本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种风电场风机叶片选型优化方法，其特征在于，包括以下步骤：1)获取风电场机组容量，根据所述容量获得可选风电机组类型及其对应风电机组叶片长度；2)以风电场全寿命周期度电成本最低为目标，以离散的风电机组叶片长度为约束，建立目标函数；3)通过遗传算法对所述目标函数进行求解，获得最优风电机组类型组合。

【技术特征摘要】
1.一种风电场风机叶片选型优化方法，其特征在于，包括以下步骤：1)获取风电场机组容量，根据所述容量获得可选风电机组类型及其对应风电机组叶片长度；2)以风电场全寿命周期度电成本最低为目标，以离散的风电机组叶片长度为约束，建立目标函数；3)通过遗传算法对所述目标函数进行求解，获得最优风电机组类型组合。2.根据权利要求1所述的风电场风机叶片选型优化方法，其特征在于，所述目标函数具体为：object=min(CcostPtotal)s.t.R∈Rf]]>式中：Ccost为风电机组总成本，与机组叶片半径相关；Ptotal为全寿命周期中整个风电场的发电量，与机组叶片半径相关；R为机组叶片半径，Rf为所有可供选择叶片半径的集合。3.根据权利要求2所述的风电场风机叶片选型优化方法，其特征在于，所述风电机组总成本Ccost表示为：式中，CW为单台风电机组造价，Cf为风电场投资成本，Cm为运行维护费用，N为风电机组台数。4.根据权利要求2所述的风电场风机叶片选型优化方法，其特征在于，所述全寿命周期中整个风电场的发电量Ptotal表示为：Ptotal=kΣθ=θ1θ(Σv=v1vm(Σi=1NPw·t(v))·p(θ))]]>式中：k为全寿命周期年限，θ为风向与Y轴夹角，v为风速，N为风电机组台数，Pw为一台机组在特定风速及风向下的有功出力，t(v)为一年中风速为v的小时数，p(θ)为风向为θ的概率。5.根据权利要求4所述的风电场风机叶片选型优化方法，其特征在于，计算所述全寿命周期中整个风电场的发电量时，风向与Y轴夹角由风向玫瑰图获得，风速由威布尔分布获得。6.根据权利要求4所述的风电场风机叶片选型优化方法，其特征在于，计算所述全寿命周...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄玲玲，汤华，符杨，刘阳，张开华，张智伟，
申请(专利权)人：上海电力学院，上海绿色环保能源有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31