考虑复杂地势的三维潮汐流能发电场规划系统技术方案

本发明专利技术公开考虑复杂地势的三维潮汐流能发电场规划系统，主要包括数据获取模块、水下三维地形获取模块、发电机流速计算模块、考虑复杂地势的三维潮汐流能发电场双层规划模块、潮汐流能发电场日输出功率计算模块和三维潮汐流能发电场规划方式确定模块；本发明专利技术通过调节机组布局位置的深浅，可以有效降低机组安装成本；同时利用规划海域的地形条件，使机组之间形成合适的高度差，可以进一步规避尾流效应，提升发电量。

【技术实现步骤摘要】
考虑复杂地势的三维潮汐流能发电场规划系统
本专利技术涉及电力系统规划领域，具体是考虑复杂地势的三维潮汐流能发电场规划系统。
技术介绍
随着全球范围内传统化石燃料及能源的巨大消耗，环境污染日益严重，因此可再生能源的开发利用成为了世界各国应对能源危机与环境污染的战略重点。而潮汐流能以其可预测性强、能流密度大、稳定性高以及分布广泛等优势，成为了一种具有巨大开发潜力的绿色清洁能源。潮汐流能发电场包括潮汐流能发电机组(潮汐流能发电机)、集电系统和输电系统。由于海上建设施工困难、投资成本高，不同的规划方案的综合经济效益可能相差较大。在潮汐流能发电场中，潮汐流机组通常会按一定规则安放以规避尾流效应，并最大化发电量。而各机组的相对位置又在一定程度上决定了海底电缆的敷设长度及拓扑结构。片面追求潮流机组的能量捕获率最大，则极有可能造成集电系统布局困难且成本过高,使得发电场的总体收益下降。因此，合理的规划对潮汐流电场长期盈利能力有重要的影响。目前很多学者对潮汐流能发电场(TCF)规划展开了一系列研究，但是遗憾的是，目前展开的一系列研究都假定规划海域地本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.考虑复杂地势的三维潮汐流能发电场规划系统，其特征在于，主要包括数据获取模块、所述水下三维地形获取模块、发电机流速计算模块、考虑复杂地势的三维潮汐流能发电场双层规划模块、潮汐流能发电场日输出功率计算模块和三维潮汐流能发电场规划方式确定模块。/n所述数据获取模块调取和存储潮汐流能发电场输入数据，并基于潮汐流速各时段均值，生成潮汐流速典型曲线M＝[m

【技术特征摘要】
1.考虑复杂地势的三维潮汐流能发电场规划系统，其特征在于，主要包括数据获取模块、所述水下三维地形获取模块、发电机流速计算模块、考虑复杂地势的三维潮汐流能发电场双层规划模块、潮汐流能发电场日输出功率计算模块和三维潮汐流能发电场规划方式确定模块。
所述数据获取模块调取和存储潮汐流能发电场输入数据，并基于潮汐流速各时段均值，生成潮汐流速典型曲线M＝[m1,m2,…,m24]；
所述数据获取模块将潮汐流能发电场输入数据分别输入至水下三维地形获取模块、发电机流速计算模块、考虑复杂地势的三维潮汐流能发电场双层规划模块、潮汐流能发电场日输出功率计算模块和三维潮汐流能发电场规划方式确定模块；
所述水下三维地形获取模块存储有水下三维地形数学模型；所述水下三维地形数学模型接收潮汐流能发电场输入数据后，建立待规划区域的水下三维地形数学模型，并分别发送至发电机流速计算模块和考虑复杂地势的三维潮汐流能发电场双层规划模块；
所述发电机流速计算模块存储有三维尾流模型；所述三维尾流模型基于水下三维地形数学模型和潮汐流能发电场输入数据计算得到潮汐流能发电场各时段所有发电机的流速，并发送至潮汐流能发电场日输出功率计算模块；
所述考虑复杂地势的三维潮汐流能发电场双层规划模块存储有三维潮汐流能发电场双层规划模型；所述三维潮汐流能发电场双层规划模型包括潮汐流能发电场上层发电机组优化模型和潮汐流能发电场下层集电系统优化模型；
所述潮汐流能发电场上层发电机组优化模型基于水下三维地形数学模型和潮汐流能发电场输入数据，确定若干种潮汐流能发电场上层发电机组优化方式，并发送至三维潮汐流能发电场规划方式确定模块；
所述潮汐流能发电场下层集电系统优化模型接收水下三维地形数学模型和潮汐流能发电场输入数据，确定若干种潮汐流能发电场下层集电系统优化方式，并发送至三维潮汐流能发电场规划方式确定模块；
所述潮汐流能发电场日输出功率计算模块存储有潮汐流能发电场日输出功率计算模型；所述潮汐流能发电场日输出功率计算模型基于潮汐流能发电场各时段所有发电机的流速和潮汐流能发电场输入数据，计算得到潮汐流能发电场日输出功率，并发送至三维潮汐流能发电场规划方式确定模块；
所述三维潮汐流能发电场规划方式确定模块存储有基于遗传算法与混合整数规划算法的三维潮汐流能发电场规划方式确定模型；
所述三维潮汐流能发电场规划方式确定模型基于潮汐流能发电场日输出功率，对若干种潮汐流能发电场上层发电机组优化方式和潮汐流能发电场下层集电系统优化方式进行解算，得到最优潮汐流能发电场规划方式。


2.根据权利要求1或2所述的考虑复杂地势的三维潮汐流能发电场规划系统，其特征在于：所述潮汐流能发电场规划的输入数据主要包括实测潮汐流速集合V、流速个数nv、潮汐流能发电机组的切入流速vin、额定流速vrated、切出流速vout、额定输出功率Prated、获能系数Cp、叶片直径D、海水密度ρ、不同类型海底电缆的最大载流量Cape、海底电缆的单位电阻re、海底电缆的单位成本ce、设备折现率r、设备经济寿命α、电缆单位运输成本ct、单位网损成本cpl、机组单位成本Cunit、机组运输成本Ctrans,、电网连接成本Cg、人工成本CL、运维成本Co、保险费用CI、前期准备成本Cpre、拆除成本CD和残值收益Cr；
其中，海底电缆序号e＝1,2,…,Ne；Ne为海底电缆的类别数量；机组序号i＝1,2,…,NT；NT为机组总数。


3.根据权利要求1所述的考虑复杂地势的三维潮汐流能发电场规划系统，其特征在于，潮汐流速t时段的均值mt如下所示：



式中，t＝1,2…,24；nv为潮汐流速实测数据的日样本数；date表示日样本序号；vdt表示第date日第t时段实测的潮汐流速。


4.根据权利要求1所述的考虑复杂地势的三维潮汐流能发电场规划系统，其特征在于，建立水下三维地形数学模型的主要步骤如下：
1)确定潮汐能发电场规划区域；
2)采用反距离权重法对潮汐能发电场规划区域进行空间插值，得到潮汐能发电场最优规划区域；
其中，插值点(x0,y0)处的估计值如下所示：



式中，Zi表示潮汐能发电场规划区域观测点的值；Qi表示插值点与观测点相对应的权重系数；n表示观测点的个数；
3)采用栅格法建立潮汐能发电场最优规划区域的海底三维地形模型，主要步骤如下：
3.1)构造规划空间OMPN-O’M’P’N’；
3.2)预设规划空间OMPN-O’M’P’N’的栅格单元数为M*N；沿着边OM对规划空间OMPN-O’M’P’N’进行M等分，沿着边ON对规划空间OMPN-O’M’P’N’的进行N等分，完成规划空间OMPN-O’M’P’N’的栅格单元划分；
3.3)依次对规划空间OMPN-O’M’P’N’的栅格单元编号，建立海底三维地形模型；海底三维地形模型的平面坐标和栅格序号共同表征地形高度。


5.根据权利要求1所述的考虑复杂地势的三维潮汐流能发电场规划系统，其特征在于，建立三维尾流模型的主要步骤如下：
1)计算位于发电机组轴向位置x处的尾流膨胀半径rw，即：



式中，I0为湍流密度，D为发电机组直径，r0为发电机组半径；
2)计算发电机组后侧速度v0，即：



式中，U0为入射速度；CT为发电机组的推力系数；
3)根据海水的剪切效应建立服从高斯分布的尾流截面任意位置速度计算公式，即：



式中，U0为入射速度；h为前排发电机组高度；H为发电机组之间的高度差值；ζ为剪切系数；df(x)为截面最大速度亏损，数值随机组轴向位置x变化而变化；(x，y，z)表示尾流截面任意位置点的三维坐标；
4)建立流体质量守恒方程，即：



式中，ρ为海水密度；Srw(x)为发电机组在尾流区的膨胀面积；Sr0为发电机组叶片旋转面积；
将公式(5)代入公式(6)，计算得到轴向速度下降系数即截面最大速度亏损df(x)：



式中，rw为发电机组在尾流区的膨胀半径；v0为初始流速；
5)将截面最大速度亏损df(x)带入公式(5)，计算得到机组尾流截面任意位置速度U(x,y,z)；
6)根据公式(5)和公式(6)的计算结果，计算处于多尾流影响下的任意点的流速，即：



式中，Ui(x,y,z)是第i台潮汐流能发电机受到多尾流影响时的流速；U0(z)为入射速度；Uij(x,y,z)为是第i台潮汐流能发电机单独受到第j台潮汐流能发电机尾流效应影响时的流速；βij为考虑遮挡效应的偏尾流因子；
考虑遮挡效应的偏尾流因子βij如下所示：



式中，ra表示潮汐流能发电机半径；Aij为第i台潮汐流能发电机在第j台潮汐流能发电机尾流投影的面积；
其中，第i台潮汐流能发电机在第j台潮汐流能发电机尾流投影的面积Aij如下所示：



式中，rwj为机组j的尾流膨胀半径；Δh＝|hi-hj|表示两机组的高度差；dij为机组的水平间距；
角度θ1和角度θ2为三角形AOO’中的两个锐角，其计算公式如下所示：



式中，点O和点O’分别表示第j台潮汐流能发电机尾流区域中心点和受到第j台潮汐流能发电机尾流效应影响的第i台潮汐流能发电机中心点；点A为过点O’的水平线和过点O的垂直线的...

【专利技术属性】
技术研发人员：任洲洋，颜伟，杨志学，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50