CN105760951B - 一种风机阵列优化方法 - Google Patents

Abstract

提出了一种风机阵列优化方法，属于风机布置优化技术领域，所述方法包括：步骤1，依据预定的设计条件得到对角线平行于主导风向的“回”字形阵列作为基础阵列；步骤2，对基础阵列以“回”字形阵列的每一个矩形阵列为单位，对相邻的矩形阵列的上风向端点之间的间距进行调整并计算发电量和尾流；步骤3，输出得到的发电量最高或尾流最小的布置方案作为最终的最优布置方案。本方法解决了现有技术尾流效应大发电量低等技术问题，可在不增加布置面积的情况下减少尾流并提高发电量。

Description

一种风机阵列优化方法

技术领域

本发明涉及风机布置技术领域，尤其涉及一种风机阵列优化方法。

背景技术

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。

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(Wake effects)，如图1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；R_W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。

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

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：

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：

式中，δV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。由于其上风风电机组数较多，位于下风向的风机对于风机间距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。

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(如下图)，影响风机运行并降低经济效益。图2示出了现有技术的布置方法中尾流影响较高区域的示意图。其中圆圈表示风电机组，而六边形区域是尾流影响较高的区域。

发明内容

本发明提出了一种适用于回字形风机排布的优化布置方法，以减少风机阵列中总的尾流影响值，提高发电量，解决现有技术中存在的上述问题。

根据本发明的一个方面，提出了一种风机阵列优化方法，所述方法包括：步骤1，依据预定的设计条件得到对角线平行于主导风向的“回”字形阵列作为基础阵列，所述“回”字形阵列包括由风机排列成的多个嵌套的矩形阵列，嵌套的矩形阵列的个数为m个，其中最外层的矩形阵列定义为第1层矩形阵列，从外至内依次为第2层矩形阵列、第3层矩形阵列直到第m层矩形阵列；步骤2，对基础阵列以“回”字形阵列的每一个矩形阵列为单位，对相邻的矩形阵列的上风向端点之间的间距a_x进行调整并计算发电量和尾流，所述x的取值范围为[1,m-1]，第x层矩形阵列和第x+1层矩形阵列的上风向端点之间的间距为a_x；步骤3，输出得到的发电量最高或尾流最小的布置方案作为最终的最优布置方案。

根据本发明的一个方面，所述基础阵列根据指定的风机的总数量、每个矩形阵列中两两相邻的风机间距确定，具体为首先固定最外层的矩形的四个顶点处的风机，然后确定最外层的矩形的每个边上的风机位置，然后依次确定嵌套的其他矩形的顶点处的风机和每个边上的风机位置。

根据本发明的一个方面，所述步骤2包括：步骤2.1，设定调整步长；步骤2.2，依据设定的步长调整相邻的矩形阵列的上风向端点之间的间距a_x，并计算调整后的整体风机阵列的发电量及尾流结果。

根据本发明的一个方面，所述调整步长为n，n大于零小于1，a_x的每次调整距离为n*a_x。

根据本发明的一个方面，所述步骤2.2具体包括：1)x＝1；2)保持第x层矩形阵列不动；

3)使用设定的调整步长对a_x进行调整；4)对a_x每调整一次进行一次整体的电量计算，并当满足下列条件之一时停止调整：条件1：存在单机的尾流高于10％；条件2：风电场中任意两个矩形阵列之间最近的风机间距小于三倍的叶轮直径；5)当停止调整后，找出发电量最高或尾流最小的布置方案，在该布置方案基础上设置x＝x+1，当x<＝m-1时执行第2)步，否则停止执行。

根据本发明的一个方面，步骤3)中的调整包括：根据调正步长增大原有的a_x和缩小原有的a_x两种方式。

根据本发明的一个方面，所述步骤3)中的调整还包括：A、随着a_x的调整将第x+1层矩形阵列整体沿着来风方向左右平移；B、随着a_x的调整将第x+1层矩形阵列整体等比例放大或缩小。

由此可见，本方案通过对对角线方向为来风方向的初始回形阵列的两两矩形阵列间上风向端点间距的多种调整，可获得多种布置下的发电量和尾流值，并从中挑选最高的发电量或最小尾流值对应的布置，最终可得到对于回形阵列的最优布置结果。

附图说明

图1是计算尾流值的示意图；

图2是现有技术尾流影响区域的示意图；

图3是根据本发明一个实施例的风电机组初步布置的示意图；

图4a是根据本发明一个实施例的风电机组调整后的布置的示意图；

图4b是根据本发明另一实施例的风电机组调整后的布置的示意图；

图5是根据本发明一个实施例的风机阵列优化方法的流程图。

具体实施方式

下面参见图3至图5对本发明提出的风机阵列优化方法进行详细介绍。

首先参见图3介绍风机阵列优化方法所针对的基础阵列，所述基础阵列为对角线平行于主导风向的“回”字形阵列。如图3所示，所述基础阵列中，包括由风机围成的多个嵌套的矩形，从而形成所述“回”字形阵列。因此，这里采用的“回”字形并非是指仅有两个嵌套的矩形，而是还可以包括多个嵌套的矩形。如图3所示，所述多个嵌套的矩形被排列为每一个矩形的其中一个对角线的方向为来风方向。

所述基础阵列可以是通过预定的设计条件获得的初步排列，比如根据所指定的风机的总数量、每个矩形中两两相邻的风机间距等，具体的确定方法可以是首先固定最外层的矩形的四个顶点处的风机，然后确定最外层的矩形的每个边上的风机位置，然后依次确定嵌套的其他矩形的顶点处的风机和每个边上的风机位置。获得的基础阵列如图3所示，并定义相邻矩形的上风向端点的间距为a_x，在本文中，最外层矩形定义为第1层矩形；由外向内依次为第2层、第3层、第4层风机并以此类推，第1层和第1层矩形的上风向端点的间距为a₁，第2层和第3层上风向端点的间距为a₂并以此类推。也就是说，如果嵌套的矩形为m个，那么x的最大值为m-1。如图3所示，共有三个嵌套的矩形，因此，存在a₁和a₂两个上风向端点间距。

下面，参见图5的流程图介绍本方案提出的风机阵列优化方法。

步骤1，依据预定的设计条件得到对角线平行于主导风向的“回”字形阵列作为基础阵列。所述“回”字形阵列包括由风机排列成的多个嵌套的矩形阵列，嵌套的矩形阵列的个数为m个，其中最外层的矩形阵列定义为第1层矩形阵列，从外至内依次为第2层矩形阵列、第3层矩形阵列直到第m层矩形阵列。所述基础阵列的形成方法已经在上文中给予了描述，这里不再赘述。

步骤2，对基础阵列以“回”字形阵列的每一个矩形阵列为单位，对相邻的矩形阵列的上风向端点之间的间距a_x进行调整并计算发电量和尾流，所述x的取值范围为[1,m-1]，第x层矩形阵列和第x+1层矩形阵列的上风向端点之间的间距为a_x，具体步骤如下：

步骤2.1，设定调整步长，在一个实施例中，设定调整步长为0.1，则每次调整距离为0.1D，D为要调整的间距a_x。由于a_x是处于逐渐变化中的，所以调整步长也是随着调整在逐渐变化的，这样可做到对a_x的动态可变化调整。

步骤2.2，依据设定的步长调整相邻的矩形阵列的上风向端点之间的间距a_x，并计算调整后的整体风机阵列的发电量及尾流结果。

步骤2.2的具体操作如下：

1)x＝1；

2)保持第x层矩形阵列不动；

3)使用设定的调整步长对a_x进行调整；

步骤3)中的调整具有多种实施方式：

首先，所述调整包括增大原有的a_x以及缩小原有的a_x，即相邻矩形阵列之间的间距可调整为更大或更小；

其次，由于保持第x层矩形阵列不动，也就是说步骤3)中的调整是对第x+1层矩形阵列进行调整，其调整的方式具体可为如下两种实施方式：

A、随着a_x的调整将第x+1层矩形阵列整体沿着来风方向左右平移(如图4a所示)，这一方式调整起来最为简单；

B、随着a_x的调整将第x+1层矩形阵列整体等比例放大或缩小(如图4b所示)，也就是说，保持第x+1层矩形阵列的中心不动，将长和宽等比例或缩小以获得调整后的a_x，这一方式具有的优点在于，例如当等比放大第二层矩形阵列时，位于风电场边缘的风机间距被缩小，而风电场中部风机间距被放大，这样正如背景技术所述，可能会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。

根据一个实施例，可实验步骤3)中的每一种调整方式，这样在下面就能够获得尽可能多的布置方案，从中选取最符合要求的方案作为最优方案时得到的结果会更好。

4)对a_x每调整一次进行一次整体的电量计算，并当满足下列条件之一时停止调整：

条件1：存在单机的尾流高于10％；

条件2：风电场中任意两个矩形阵列之间最近的风机间距小于三倍的叶轮直径；

5)当停止调整后，找出发电量最高或尾流最小的布置方案，在该布置方案基础上设置x＝x+1，当x<＝m-1时执行第2)步，否则停止执行。

步骤3，输出得到的发电量最高或尾流最小的布置方案作为最终的最优布置方案。

本发明的上述步骤可通过软件、硬件、固件等具体实施方式在计算机或服务器中编程实现，故而也包括了执行上述方法的装置，该装置的每个单元或子单元可分别用于执行上述方法的每一步骤和子步骤，这里不再赘述。

本发明提出的布置方案能有效减少风机间尾流效应，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。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。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。

上文提出的特定实施例仅为对本发明提出的方案的说明，这些实施例并不限制本发明的保护范围，本领域技术人员可在具体情况下对特定实施例进行调整、修改，所形成的其他实施方式也应当落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种风机阵列优化方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1，依据预定的设计条件得到对角线平行于主导风向的“回”字形阵列作为基础阵列，所述“回”字形阵列包括由风机排列成的多个嵌套的矩形阵列，嵌套的矩形阵列的个数为m个，其中最外层的矩形阵列定义为第1层矩形阵列，从外至内依次为第2层矩形阵列、第3层矩形阵列直到第m层矩形阵列；

步骤2，对基础阵列以“回”字形阵列的每一个矩形阵列为单位，对相邻的矩形阵列的上风向端点之间的间距a_x进行调整并计算发电量和尾流，所述x的取值范围为[1,m-1]，第x层矩形阵列和第x+1层矩形阵列的上风向端点之间的间距为a_x，所述基础阵列根据指定的风机的总数量、每个矩形阵列中两两相邻的风机间距确定，具体为首先固定最外层的矩形的四个顶点处的风机，然后确定最外层的矩形的每个边上的风机位置，然后依次确定嵌套的其他矩形的顶点处的风机和每个边上的风机位置；所述调整包括：保持第x层矩阵阵列不动，将第x+1层矩形阵列整体沿着来风方向左右平移或者将第x+1层矩形阵列整体等比例放大或缩小；

步骤3，输出得到的发电量最高或尾流最小的布置方案作为最终的最优布置方案。

2.根据权利要求1所述的风机阵列优化方法，其特征在于：

所述步骤2包括：

步骤2.1，设定调整步长；

步骤2.2，依据设定的步长调整相邻的矩形阵列的上风向端点之间的间距a_x，并计算调整后的整体风机阵列的发电量及尾流结果。

3.根据权利要求2所述的风机阵列优化方法，其特征在于：

所述调整步长为n，n大于零小于1，a_x的每次调整距离为n*a_x。

4.根据权利要求2所述的风机阵列优化方法，其特征在于：

所述步骤2.2具体包括：

1)x＝1；

2)保持第x层矩形阵列不动；

3)使用设定的调整步长对a_x进行调整；

4)对a_x每调整一次进行一次整体的电量计算，并当满足下列条件之一时停止调整：

条件1：存在单机的尾流高于10％；

条件2：风电场中任意两个矩形阵列之间最近的风机间距小于三倍的叶轮直径；

5)当停止调整后，找出发电量最高或尾流最小的布置方案，在该布置方案基础上设置x＝x+1，当x<＝m-1时执行第2)步，否则停止执行。

5.根据权利要求4所述的风机阵列优化方法，其特征在于：

步骤3)中的调整包括：根据调整步长增大原有的a_x和缩小原有的a_x两种方式。