CN108694275A - 一种基于能量成本的风力发电机参数优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于能量成本的风力发电机参数优化方法。选择风力发电机输出功率模型，利用风力发电机年产电量模型对风力发电机的年产电量进行计算，同时利用风力发电机成本模型计算风力发电机的成本；综合年产电量与成本计算确定风力发电机的能量成本；对风力发电机叶片半径进行计算，计算在不同额定风速与额定功率下的能量成本，从中选取使得能量成本最小的额定风速与额定功率，作为得到最佳的额定风速、额定功率。本发明只需知道风场的风速信息就能获得风力发电机的额定功率、额定风速，使该风场的能量成本最小达到最优产电，为风力发电机设计者提供了理论指导。

Description

一种基于能量成本的风力发电机参数优化方法

技术领域

本发明涉及了风力发电机领域的风力发电机优化计算方法，具体涉及了一种基于能量成本的风力发电机参数优化方法。

背景技术

随着化石燃料的不断燃烧，能源枯竭、环境污染等问题日益突出。风能作为一种清洁的可再生能源，储量大、分布广，越来越受到人们的重视。风力发电机是将风能转化为机械能，再将机械能转化为电能的设备。目前变桨变速风力发电机是风力发电机的主流机型。这种风力发电机在额定风速以下时风机运转在最佳叶尖速比下以最大限度的捕获风能，当风机工作在额定风速以上，风机的输出功率维持在额定功率。

目前对风力发电机的优化设计主要集中在两个方面，一是以风力发电机的年产电量最大为目标，如通过对风力发电机的叶片结构或者控制方法进行优化使风力发电机的年产电量最大。这种方法由于风力发电机额定功率、额定风速、叶片半径等参数已经预先选定，年产电量的提高往往有限。并且以上的优化方式并不考虑成本的因素，虽然提成了年产电量，但往往电能的成本也越高。对于一个特定的风场，长期的风速信息可用双参数威布尔分布表示。另一种方法是以单位电能成本最低为目标，根据风场的风速信息对风力发电机参数进行优化设计。胡燕平等人在《变桨距风力发电机额定风速的确定方法》中指出了应考虑到风力发电机成本的因素，以单位电能成本最低为目标设计风力发电机。他们将叶片大小预先设定为90m，塔高设定为70m，对风力发电机的额定风速进行优化。额定风速确定，则额定功率也可求得，它与额定风速的三次方正相关。在他们的研究中并没有考虑到叶片大小对于单位电能成本的影响，这显然是不合理的。叶片越大成本越大，但在通常能够增加风力发电机的年产电量，因此所得的结果并不能使单位发电量的成本最低。针对已知的风速信息，如何对风力发电机额定功率、额定风速、叶片半径等参数进行设计一直成为了风力发电机的行业的一个难点。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种基于能量成本的风力发电机参数优化方法，属于针对风力发电机的最优节能发电的优化计算方法。可针对特定风场的风力发电机的额定功率、额定风速、叶片大小、塔高等参数进行最优设计，来使单位产电量的成本最低。

本发明能够针对特定风场，特定风场是指某一确定地区的风场。

如图2所示，本发明采用的技术方案是：

将风速信息(c₀,k₀,H₀)作为输入量输入，方法步骤如下：

1)选择风力发电机输出功率模型，风力发电机输出功率模型包括风力发电机年产电量模型和风力发电机成本模型，结合输出功率模型与风速信息可以获得风力发电机年产电量模型，利用风力发电机年产电量模型对风力发电机的年产电量进行计算，同时利用风力发电机成本模型计算风力发电机的成本；

2)综合年产电量与成本计算确定风力发电机的能量成本，从而建立风力发电机能量成本模型；

3)对风力发电机的叶片半径进行计算，将风力发电机单位产电量成本模型简化成关于额定风速与额定功率的函数；

风力发电机的塔高高度与风力发电机的叶片半径成正比，风力发电机的叶片半径由风力发电机的额定功率与额定风速计算确定，风力发电机的切入风速、切出风速为一个定值，将风力发电机的单位电能成本模型简化成关于额定风速与额定功率的函数；

4)根据用户预设的额定风速与额定功率的变化范围和额定风速与额定功率每次的变化幅度，计算在不同额定风速与额定功率下的能量成本，从中选取使得能量成本最小的额定风速与额定功率，作为得到最佳的额定风速、额定功率，进而获得叶片大小。

如图1所示，所述步骤1)中，利用风力发电机年产电量模型对风力发电机的年产电量进行计算，具体为：

1.1)将风力发电机的输出功率随风速变化分为四个区域，形成变速风力发电机：

a)风速小于切入风速时，风力发电机处于待机状态，风力发电机没有功率输出；

b)风速介于切入风速和额定风速之间，风力发电机最大限度地捕获风能，风力发电机的输出功率处于非额定功率；

c)风速介于额定风速和切出风速之间，风力发电机的输出功率维持在额定功率；

d)风速大于切出风速时，为避免风力发电机损坏风力发电机处于关闭状态，风力发电机没有功率输出；

所述变速风力发电机的输出功率P表示为：

其中，υ表示风速，υ_c为切入风速，υ_r为额定风速，υ_f为切出风速，P_r为额定功率，P(υ)为非额定功率；

1.2)采用以下公式以风速概率分布作为威布尔分布计算风速概率，表示为：

其中，c为尺度参数，k为形状参数，f(υ)表示风速v的概率；

1.3)再采用以下公式计算风力发电机的尺度参数c和形状参数k，尺度参数与形状参数随着高度的变化而变化，计算为：

其中，H表示风力发电机的塔高高度，c₀、k₀分别是参考高度H₀时的尺度参数和形状参数，H₀表示参考高度，α为风切变系数；

风切变系数α计算为：

风速的大小与风力发电机的塔高高度有关，风力发电机的塔高高度越高风速越大，风力发电机的塔高高度越低风速越小。

1.4)结合风力发电机的输出功率与风速概率分布，采用以下公式计算获得风力发电机的平均功率

1.5)采用以下公式计算风力发电机一年中所产生的总电量AEP：

其中，T为一年当中风力发电机的运行时间，μ为风力发电机的损失值，包括了风力发电机的阵列损失、脏污损失、电网损失、可用性损失之和；虽然μ的值会随着风力发电机的结构、风速分布情况等变化，但μ用一个定值表示。

因此，当风速信息确定时，即参考高度H₀下的尺度参数c₀、形状参数k₀已知，风力发电机的年产电量是一个关于风力发电机的额定功率、塔高高度、切入风速、额定风速、切出风速的函数，即：AEP＝G(P_r,H,υ_c,υ_r,υ_f)，G(P_r,H,υ_c,υ_r,υ_f)表示关于额定功率P_r、塔高高度H、切入风速υ_c、额定风速υ_r、切出风速υ_f的函数。

所述步骤1.1)的非额定功率P(υ)采用多项式曲线、四参数逻辑函数或者五参数逻辑函数表示，通过已知采集数据进行拟合计算获得，并且满足条件P(υ_c)＝0，P(υ_r)＝P_r，P_r表示额定功率。因此，无论P(υ)选用哪种表达式，非额定功率P(υ)必可用υ_r和P_r表示。

所述步骤1)中，利用风力发电机成本模型计算风力发电机的总成本Cost，具体公式为：

Cost＝m×ICC+AOE

ICC＝X(R,H,P_r)

AOE＝Y(P_r,AEP)

其中，ICC为风力发电机的部件成本、基础设施成本和安装运输成本之和，AOE为风力发电机每年运行成本，m为固定开支率，X(R,H,P_r)表示关于风力发电机叶片半径R、塔高高度H、额定功率P_r的函数，Y(P_r,AEP)表示关于风力发电机额定功率P_r、年产电量AEP的函数。

年产电量AEP是一个关于风力发电机的额定功率、塔高高度、切入风速、额定风速、切出风速的函数，因此Y(P_r,AEP)又可进一步表示为Z(R,P_r,H,υ_c,υ_r,υ_f)。风力发电机成本是一个关于叶片半径、额定功率、塔高高度、切入风速、额定风速、切出风速的函数，即：Cost＝d(R,P_r,H,υ_c,υ_r,υ_f)，d(R,P_r,H,υ_c,υ_r,υ_f)表示关于风力发电机叶片半径R、额定功率P_r、塔高高度H、切入风速υ_c、额定风速υ_r和切出风速υ_f的函数。

风力发电机成本的包含了风力发电机的部件成本、基础设施成本、安装运输成本和每年运行成本。其中，风力发电机的部件成本、基础设施成本、安装运输成本为建造总成本，需要将成本分摊至每年，将上述成本乘以m。风力发电机每年运行成本包括了部件更新、运行维护和土地租赁的成本。

所述的风力发电机的塔高高度H采用以下公式计算：

H＝KR

其中，K为塔高系数，R为风力发电机的叶片半径。

本发明将风力发电机的能量成本模型分为两个部分：风力发电机年产电量模型和风力发电机成本模型。所述步骤2)中，单位能量成本COE是风力发电机年产电量与风力发电机成本之比，计算为：

其中，cost表示风力发电机总成本，AEP表示年产电量。

将风力发电机的年产电量与成本代入可见，单位能量成本是一个关于叶片大小、额定功率、塔高高度、切入风速、额定风速、切出风速的函数，表示为：

所述步骤3)中，采用以下公式计算风力发电机成本模型中风力发电机的叶片半径R：

其中，ρ为空气密度，C_p为叶片的功率系数，η_g为风力发电机齿轮箱的满载效率，η_f为风力发电机的满载效率。

在风力发电机额定功率、额定功率确定的情况下，风力发电机叶片大小可由此公式计算。

所述空气密度ρ可根据当地实际情况测量，在未进行测量的情况下可为一个定值(1.225Kg/m³)。所述叶片的功率系数C_p、三级齿轮箱的满载效率η_g、发电机的满载效率η_f均为一个定值。数值大小可根据实际情况选取。切入风速υ_c和切出风速υ_f选为一个定值，切入风速υ_c一般为3～4m/s，切出风速υ_f一般为25m/s。

由于H与R成正比，R是P_r和υ_r的函数，υ_c和υ_f是确定定值，所述的能量成本COE又简化为：

COE＝E(P_r,υ_r)

其中，E(P_r,υ_r)表示为关于额定功率P_r和额定风速υ_r的函数。

因此采用本发明步骤4)取得能量成本最小的额定风速与额定功率，作为得到最佳的额定风速、额定功率。

本发明的有益效果是：

本发明只需知道风场的风速信息，就能确定风力发电机的额定功率、额定风速、叶片大小，使该风场的单位能量成本最小，达到最优产电。

本发明为风力发电机设计者提供了理论指导，计算获得的单位能量成本计算更快速便捷，并能保持准确性。

附图说明

图1为本发明实施例获得的风力发电机的功率曲线。

图2为本发明的流程图。

图3为本发明的一种应用实施例。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图2所示，本发明的实施例及其实施过程是：

选取一个特定的风场，获得该风场的风速信息(参考高度10m时尺度参数为7.18，形状参数为2.7)

非额定功率P(υ)选择多项式曲线中的二次曲线，表示为：

则风力发电机的功率为：

风速概率f(υ)表示为：

风速概率f(υ)中的尺度参数c和形状参数k随着高度的变化而变化，计算为：

其中，H表示风力发电机的塔高高度，α为风切变系数；

风切变系数α计算为：

结合风力发电机的功率和风速概率，计算出风力发电机的平均功率为

具体实施中，参考高度H₀设定为10m，尺度参数c₀设定为7.18，形状参数k₀设定为2.7，风力发电机的能量损失值μ设定为0.17，一年当中风力发电机运行时间T设定为8760；则风力发电机的年产电量可由以下公式计算：

固定开支率m设定为0.1158，风力发电机的成本为：

Cost＝0.1158×ICC+AOE

ICC为风力发电机的部件成本、基础设施成本、安装运输成本之和，AOE为每年运行成本。具体内容如表1、表2中所示。

具体实施中，风力发电机的部件成本、基础设施成本、安装运输成本如下表1所示的方式进行计算，其中R为风力发电机的叶片半径。

表1

具体实施中，风力发电机的部件更新、运行维护和土地租赁组成的每年运行成本如下表2所示的方式进行计算。

表2

结合风力发电机的年产电量与成本，获得风力发电机的能量成本：

塔高系数K设定为2，则风力发电机能量成本COE中的风力发电机塔高高度H可用叶片半径R表示，即：

H＝2R

空气密度ρ设定为1.225Kg/m³；

叶片功率系数C_p设定为0.45；

齿轮箱的满载效率η_g设定为0.96；

发电机的满载效率η_g为0.97；

风力发电机能量成本COE中的风力发电机的叶片半径R可表示为：

风力发电机能量成本COE中的切入风速υ_c设定为3.5m/s，切出风速υ_f设定为25m/s。

最终风力发电机能量成本简化为关于额定功率P_r和额定风速υ_r的函数，即：

COE＝E(P_r,υ_r)

设置风力发电机额定功率的范围为1～3MW，额定风速范围为8～16m/s；

设置额定功率的变化幅度为0.5MW，额定风速的变化幅度为0.5m/s；

依此计算获得风力发电机的额定功率大小为1MW，1.5MW，2.0MW，2.5MW，3MW，额定风速υ_r从8m/s到16.5m/s变化时的风力发电机的能量成本COE。

结果如图3所示，风力发电机的能量成本COE存在着一个最小值。为方便分析将图3结果转化为下表3所示结果：

表3

通过比较上述结果，考虑能量成本最低，风力发电机的额定功率大小应为2.0MW，额定风速为11.5m/s，通过计算叶片的半径为40.4m。此时最小的COE为0.02682美元每千瓦时。从中可见，风机的最小能量成本变化很小，但是风机的年产电量却变化很大。

假使风场当地的电售价已知，此方法也可以用于确认风机最佳的设计参数使风场产电最优化。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于能量成本的风力发电机参数优化方法，其特征在于方法步骤如下：

1)选择风力发电机输出功率模型，风力发电机输出功率模型包括风力发电机年产电量模型和风力发电机成本模型，利用风力发电机年产电量模型对风力发电机的年产电量进行计算，同时利用风力发电机成本模型计算风力发电机的成本；

2)综合年产电量与成本计算确定风力发电机的能量成本，从而建立风力发电机能量成本模型；

3)对风力发电机的叶片半径进行计算，将风力发电机能量成本模型简化成关于额定风速与额定功率的函数；

4)根据用户预设的额定风速与额定功率的变化范围和额定风速与额定功率每次的变化幅度，计算在不同额定风速与额定功率下的能量成本，从中选取使得能量成本最小的额定风速与额定功率，作为得到最佳的额定风速、额定功率。

2.根据权利要求1所述的一种基于能量成本的风力发电机参数优化方法，其特征在于：

所述步骤1)中，利用风力发电机年产电量模型对风力发电机的年产电量进行计算，具体为：

1.1)将风力发电机的输出功率随风速变化分为四个区域，形成变速风力发电机：

a)风速小于切入风速时，风力发电机没有功率输出；

b)风速介于切入风速和额定风速之间，风力发电机的输出功率处于非额定功率；

c)风速介于额定风速和切出风速之间，风力发电机的输出功率维持在额定功率；

d)风速大于切出风速时，风力发电机没有功率输出；

所述变速风力发电机的输出功率P表示为：

其中，υ表示风速，υ_c为切入风速，υ_r为额定风速，υ_f为切出风速，P_r为额定功率，P(υ)为非额定功率；

1.2)采用以下公式以风速概率分布作为威布尔分布计算风速概率，表示为：

其中，c为尺度参数，k为形状参数，f(υ)表示风速v的概率；

1.3)再采用以下公式计算风力发电机的尺度参数c和形状参数k，计算为：

其中，H表示风力发电机的塔高高度，c₀、k₀分别是参考高度H₀时的尺度参数和形状参数，H₀表示参考高度，α为风切变系数；

风切变系数α计算为：

1.4)结合风力发电机的输出功率与风速概率分布，采用以下公式计算获得风力发电机的平均功率

1.5)采用以下公式计算风力发电机年产电量AEP：

其中，μ为风力发电机的损失值，T为一年当中风力发电机的运行时间。

3.根据权利要求2所述的一种基于能量成本的风力发电机参数优化方法，其特征在于：所述步骤1.1)的非额定功率P(υ)采用多项式曲线、四参数逻辑函数或者五参数逻辑函数表示，通过已知采集数据进行拟合计算获得，并且满足条件P(υ_c)＝0，P(υ_r)＝P_r，P_r表示额定功率。

4.根据权利要求1所述的一种基于能量成本的风力发电机参数优化方法，其特征在于：所述步骤1)中，利用风力发电机成本模型计算风力发电机的总成本Cost，具体公式为：

Cost＝m×ICC+AOE

ICC＝X(R,H,P_r)

AOE＝Y(P_r,AEP)

其中，ICC为风力发电机的部件成本、基础设施成本和安装运输成本之和，AOE为风力发电机每年运行成本,m为固定开支率，X(R,H,P_r)表示关于风力发电机叶片半径R、塔高高度H、额定功率P_r的函数，Y(P_r,AEP)表示关于风力发电机额定功率P_r、年产电量AEP的函数。

5.根据权利要求2所述的一种基于能量成本的风力发电机参数优化方法，其特征在于：所述的风力发电机的塔高高度H采用以下公式计算：

H＝KR

其中，K为塔高系数，R为风力发电机的叶片半径。

6.根据权利要求1所述的一种基于能量成本的风力发电机参数优化方法，其特征在于：所述步骤2)中，能量成本COE是风力发电机年产电量与风力发电机成本之比，计算为：

其中，cost表示风力发电机总成本，AEP表示年产电量。

7.根据权利要求1所述的一种基于能量成本的风力发电机参数优化方法，其特征在于：所述步骤3)中，采用以下公式计算风力发电机成本模型中风力发电机的叶片半径R：

其中，ρ为空气密度，C_p为叶片的功率系数，η_g为风力发电机齿轮箱的满载效率，η_f为风力发电机的满载效率。