CN109446548A - 一种海上风场自动化机位排布软件及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上风场自动化机位排布软件及其运行方法，为基于科学计算语言Fortran开发的机位排布软件，区分有四大模块，分别为机位排布模块、发电量计算模块、风数据处理模块、风向敏感性分析模块，主要为海上风场设计提供机位排布方案，并编制排布方案报告。本发明软件为海上风场机位排布方面的专业工具，集成了海上风场设计的机位排布模块、发电量计算模块、风数据处理模块、风向敏感性分析模块，实现海上风场项目的机位排布方案寻优、风资源分析、发电量计算、方案敏感性分析的一体化计算分析流程。

Description

一种海上风场自动化机位排布软件及其运行方法

技术领域

本发明涉及海上风场风资源分析的技术领域，尤其是指一种海上风场自动化机位排布软件及其运行方法。

背景技术

对于风电行业，确定机位排布方案是海上风场设计规划的重要步骤。海上风电场前期设计需要根据机位排布设计集电系统方案，评估风场发电量和经济性。目前国内海上风场机位排布主要依赖经验，风场机组布置主要借鉴国外做法按照规则的行列式布局，保证盛行风向的风力发电机组间距较大，垂直盛行风向的风力发电机组间距相应调整；获得机位排布方案后计算风场各机位尾流损失、发电量和风速，检查方案尾流损失是否过大，然后按照手动机位排布→计算发电量→手动调整排布方案→计算发电量的迭代过程完成机位排布设计。这一流程这种方法依赖风资源工程师的经验，风场机组布置工作量大，且所得排布方案无法有效利用风资源数据，不具有说服力。

现在海上风场设计主要是在满足风场范围限制、装机容量的前提下布置行列式排布的机位。依据合理的遍历策略可获得所有满足要求的机位排布方案形成排布方案库，并对方案库做计算比选，从而获得优选方案。排布方案的发电量和尾流损失计算量大，采用科学计算语言Fortran可有效提高遍历寻优效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种可行的海上风场自动化机位排布软件及其运行方法，调高机位排布的效率，使得分析过程系统化、规范化，引入多种限制性条件使得寻优方案具有实际应用价值，摆脱对工程师经验的依赖。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案，如下：

一种海上风场自动化机位排布软件，包括：

机位排布模块，用于生成满足海上风场限制性条件的机位排布方案库；

发电量计算模块，用于计算排布方案库中各方案的发电量和风速信息；

风数据处理模块，用于计算风数据的分布特征；

风向敏感性分析模块，用于计算排布方案对风数据的敏感性，辅助获取优化方案。

进一步，所述机位排布模块包括初始机位生成模块、机位微调模块和参数化方案遍历模块，其中：

所述初始机位生成模块根据风场边界坐标生成覆盖整个风场的初始机位坐标；

所述机位微调模块根据预排布的风力发电机组数目及风场限制性区域调整机位坐标，并引入以下假设：将四台风力发电机组置于平行四边形的四个角点，保持四边形各边的方向不变，四边形的边长按照同一尺度进行缩放，形成多个与之相似的平行四边形，在任意风向下，边长越长，四台风力发电机组所受到的平均尾流效应越不显著；

所述参数化方案遍历模块用于完成排布方案的全局遍历，所述全局遍历是指由此获得的方案库包含所有满足输入条件限制的排布方案。

进一步，所述发电量计算模块包括尾流损失模块和发电量模块，其中：

所述尾流损失模块根据尾流模型计算风力机的尾流损失，所述尾流模型包括单尾流模型和组合尾流模型，所述单尾流模型用于计算一台风力发电机组在另一台风力发电机组下风向的尾流损失，为Jensen尾流模型或WAsP尾流模型或Larsen尾流模型；所述组合尾流模型用于计算一台风力发电机组在多台风力发电机组下风向的尾流损失，采用最大值方法、平方和开根号方法及加和方法中的其中一种；

所述发电量模块计算风场各风力发电机组的尾流前后发电量和风速，包括基于时序风数据的发电量计算模式和基于TAB表的发电量计算模式，其中，采用基于TAB表的发电量计算模式计算尾流损失时有两种方法选择：一种是TAB表直接计权法，另一种是全风速段Weibull拟合法；

所述发电量计算模块能够考虑周边风场影响、多风场同时排布机位、风场加速比效应这些因素。

进一步，所述风数据处理模块根据测风数据计算Weibull参数、风速分布和风向分布。

进一步，所述风向敏感性分析模块对风数据做定量偏转，计算方案的尾流损失、发电量和机位点风速的变化。

所述海上风场自动化机位排布软件的运行方法，包括以下步骤：

S1、输入必备信息：

S11、目标风场边界参数信息：风场范围拐点坐标；

S12、机组参数信息：预排布机组数目、塔架高度、叶轮半径、功率曲线；

S13、风数据参数信息：测风塔坐标、测风塔高度、风切变、尾流衰减因子、置信系数、全年风速风向数据；

S14、发电量计算参数信息：风速风向扇区/子扇区数目、weibull拟合方法、尾流模型；

S15、优化排布参数信息：遍历范围、提取方案数目、风向偏转角；

S2、机位排布模块根据海上风场限制区域、预装机容量和遍历参数得到局部优化的机位排布方案，将其放入方案库中；

S3、发电量计算模块计算S2所获得方案的尾流损失、尾流前后发电量和机位点风速，将结果放入方案库；

S4、检查遍历参数是否完成，若完成则进入S5；否则在步进遍历参数，进入S2；

S5、选取方案库中整场发电量最高的n个方案，n为正整数，并进入风向敏感性分析模块完成分析，获得推荐方案；

S6、输出结果，完成自动化机位排布，流程结束。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明软件为海上风场机位排布方面的专业工具，集成了海上风场设计的机位排布模块、发电量计算模块、风数据处理模块、风向敏感性分析模块，实现了海上风场项目的机位排布方案寻优、风资源分析、发电量计算、方案敏感性分析的一体化计算分析流程。

2、本软件机位排布采用遍历的方式,保证充分利用有限的海域资源，获得尾流损失较小、发电量较高的行列式排布方案。经测试，对于预置55台风力机的海上风场，计算用时为2～4h，相比传统布机方法动辄数天的耗时，弱化了对风资源工程师经验的依赖，极大提高了设计效率。

3、核心代码包括机位排布和发电量计算两个模块，采用科学计算语言Fortran编制，保证了大规模计算的软件效率，使得遍历寻优策略具有可实现性。

4、机位排布模块依据几何参数化遍历原理设计，将原本不可量化的方案数目缩减至可控范围，保证优化过程的完整性和唯一性。

5、发电量计算模块依据现有规范流程，结合风速风向联合分布方法，内置多种尾流模型(Jensen模型、WAsP模型、Larsen模型)，结果与相关商用软件做了验证，保证计算的准确性。

6、结合实际项目的特点，软件能够考虑多种限制性因素，如：风场内限制区域、周边风场影响、多风场同步排布优化、近海风场加速比效应等。使得计算结果更加符合工程项目的需求，进而使得机位排布结果更具有实际价值。

7、考虑到风资源的不确定性，软件同时提供风向敏感性分析结果，保证方案的实际应用价值。

附图说明

图1为本发明所述海上风场自动化机位排布软件的基本假定示意图。

图2为本发明所述海上风场自动化机位排布软件的行列式排布参数示意图。

图3为本发明所述海上风场自动化机位排布软件的机位排布流程。

图4为本发明所述海上风场自动化机位排布软件的软件主界面。

图5a为本发明所述海上风场自动化机位排布软件的发电量计算模式参数界面图。

图5b为本发明所述海上风场自动化机位排布软件的测风数据参数界面图。

图5c为本发明所述海上风场自动化机位排布软件的机位排布参数界面图。

图6为本发明所述海上风场自动化机位排布软件的风场范围界面。

图7为本发明所述海上风场自动化机位排布软件的风数据统计界面。

图8为本发明所述海上风场自动化机位排布软件的功率曲线显示界面。

图9为本发明所述海上风场自动化机位排布软件的相关机位点信息显示界面。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本实施例所提供的海上风场自动化机位排布软件，基于科学计算语言Fortran编制，区分有四大模块，分别为机位排布模块、发电量计算模块、风数据处理模块、风向敏感性分析模块。

所述机位排布模块包括初始机位生成模块、机位微调模块、参数化方案遍历模块，其中：

所述初始机位生成模块根据风场边界坐标生成覆盖整个风场的初始机位坐标，并引入以下假设(见图1)：将四台风力发电机组置于平行四边形的四个角点，保持四边形各边的方向不变，四边形的边长按照同一尺度进行缩放，形成多个与之相似的平行四边形。在任意风向下，边长越长，四台风力发电机组所受到的平均尾流效应越不显著；

所述机位微调模块根据预排布风力发电机组数目及风场限制性区域调整机位坐标；

所述参数化方案遍历模块完成排布方案的全局遍历；所述全局遍历指由此获得的方案库包含所有满足输入条件限制的排布方案，遍历参数设计见图2。

所述发电量计算模块包括尾流损失模块和发电量模块，其中：

所述尾流损失模块根据尾流模型计算风力发电机组的尾流损失。尾流模型包括单尾流模型和组合尾流模型。单尾流模型计算一台风力发电机组在另一台风力发电机组下风向的尾流损失，为Jensen尾流模型、WAsP尾流模型和Larsen尾流模型中的其中一种。组合尾流模型计算一台风力发电机组在多台风力发电机组下风向的尾流损失，采用最大值方法、平方和开根号方法及加和方法中的其中一种。

所述发电量模块计算风场各风力发电机组的尾流前后发电量和风速，包括基于时序风数据的发电量计算模式和基于TAB表的发电量计算模式，其中，采用基于TAB表的发电量计算模式计算尾流损失时有两种方法选择：一种是TAB表直接计权法，另一种是全风速段Weibull拟合法。

所述发电量计算模块能够考虑周边风场影响、多风场同时排布机位、风场加速比效应这些因素。

所述风数据处理模块根据测风数据计算Weibull参数、风速分布和风向分布。

所述风向敏感性分析模块对风数据做定量偏转，计算方案的尾流损失、发电量和机位点风速的变化。

参见图3所示，本实施例所提供的海上风场自动化机位排布软件的运行方法，包括以下步骤：

S1、输入必备信息：

S11、目标风场边界参数信息：拐点坐标；

S12、机组参数信息：预排布机组数目、塔架高度、叶轮半径、功率曲线；

S13、风数据参数信息：坐标、测风塔高度、风切变、尾流衰减因子、置信系数、全年风速风向；

S14、发电量计算参数信息：风速风向扇区/子扇区数目、weibull拟合方法、尾流模型；

S15、优化排布参数信息：遍历范围、提取最优数目、风向偏转角。

S2、机位排布模块根据海上风场限制区域、预装机容量和遍历参数得到局部优化的机位排布方案，将其放入方案库中；

S3、发电量计算模块计算S2所获得方案的尾流损失、尾流前后发电量和机位点风速，将结果放入方案库；

S4、检查遍历参数是否完成，若完成则进入S5；否则在遍历参数上做步进，进入S2；

S5、选取方案库中整场发电量最高的n个(n为正整数)方案，并进入风向敏感性分析模块完成分析，获得推荐方案；

S6、输出结果，完成自动化机位排布，流程结束。

本实施例所提供的海上风场自动化机位排布软件，为基于Fortran语言开发的机位排布和发电量计算软件，软件主界面见图4。

本软件的基本输入文件包括5个方面：发电量及寻优参数、风场范围信息、测风数据、功率曲线和相关机位点信息，具体如下：

1、发电量及寻优参数

包含了三个方面的参数设置：

1.1、发电量计算模式参数，见图5a；

1.2、测风数据参数，见图5b；

1.3、机位排布参数，见图5c。

2、风场范围信息

包含设计风场的拐点坐标信息，见图6。将在该限制区域内排布风力机组。

3、测风数据

软件支持常用的2种由风资源软件Windographer导出的测风数据格式文件：时序测风数据文件和TAB表测风数据文件。涉及测风塔信息：x坐标、y坐标、高度层、风切变系数、置信系数。导入后可查看测风数据的风速风向统计信息，见图7。

4、功率曲线

功率曲线包含各风速下的功率和推力系数，同时附有叶轮直径和空气密度信息，见图8。

5、相关机位点信息

包含相关机位点信息：编号、x坐标、y坐标、z坐标、轮毂高度、是否计位于风场内部，需指定尾流因子和环境湍流强度，见图9。

本软件输出文件有5个，分别为：方案库基本信息文件、风向敏感性分析文件、最优方案信息文件、最优方案汇总文件、方案库详情文件，具体如下：

1、方案库基本信息文件

文件包含优化排布过程中各方案的基本信息，包括：方案编号、毛发电量、净发电量、发电效率、方案的列间距、行间距、行列间距比值、列方位角、行方位角、计算时长。文件作用有2个，一是定位最佳方案，二是分析遍历参数。

2、风向敏感性分析文件

包含所提取方案的风向敏感性分析计算数据。所谓风向敏感性分析是指，在考虑测风数据风向偏转的情况下，排布方案的发电量稳定性。文件中每一区块表示1个方案的风向敏感性计算结果。

3、最优方案信息文件

包括所提取最优方案的机组坐标及发电量等信息。可供后续校验

4、最优方案汇总文件

包括所提取最优方案的编号、行列间距及方位角、尾流损失。

5、方案库详情文件

包括遍历寻优过程中所有符合基本条件的方案的基本信息。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种海上风场自动化机位排布软件，其特征在于，包括：

机位排布模块，用于生成满足海上风场限制性条件的机位排布方案库；

发电量计算模块，用于计算排布方案库中各方案的发电量和风速信息；

风数据处理模块，用于计算风数据的分布特征；

风向敏感性分析模块，用于计算排布方案对风数据的敏感性，辅助获取优化方案。

2.根据权利要求1所述的一种海上风场自动化机位排布软件，其特征在于，所述机位排布模块包括初始机位生成模块、机位微调模块和参数化方案遍历模块，其中：

所述初始机位生成模块根据风场边界坐标生成覆盖整个风场的初始机位坐标；

所述机位微调模块根据预排布的风力发电机组数目及风场限制性区域调整机位坐标，并引入以下假设：将四台风力发电机组置于平行四边形的四个角点，保持四边形各边的方向不变，四边形的边长按照同一尺度进行缩放，形成多个与之相似的平行四边形，在任意风向下，边长越长，四台风力发电机组所受到的平均尾流效应越不显著；

所述参数化方案遍历模块用于完成排布方案的全局遍历，所述全局遍历是指由此获得的方案库包含所有满足输入条件限制的排布方案。

3.根据权利要求1所述的一种海上风场自动化机位排布软件，其特征在于，所述发电量计算模块包括尾流损失模块和发电量模块，其中：

所述尾流损失模块根据尾流模型计算风力机的尾流损失，所述尾流模型包括单尾流模型和组合尾流模型，所述单尾流模型用于计算一台风力发电机组在另一台风力发电机组下风向的尾流损失，为Jensen尾流模型或WAsP尾流模型或Larsen尾流模型；所述组合尾流模型用于计算一台风力发电机组在多台风力发电机组下风向的尾流损失，采用最大值方法、平方和开根号方法及加和方法中的其中一种；

所述发电量模块计算风场各风力发电机组的尾流前后发电量和风速，包括基于时序风数据的发电量计算模式和基于TAB表的发电量计算模式，其中，采用基于TAB表的发电量计算模式计算尾流损失时有两种方法选择：一种是TAB表直接计权法，另一种是全风速段Weibull拟合法；

所述发电量计算模块能够考虑周边风场影响、多风场同时排布机位、风场加速比效应这些因素。

4.根据权利要求1所述的一种海上风场自动化机位排布软件，其特征在于，所述风数据处理模块根据测风数据计算Weibull参数、风速分布和风向分布。

5.根据权利要求1所述的一种海上风场自动化机位排布软件，其特征在于，所述风向敏感性分析模块对风数据做定量偏转，计算方案的尾流损失、发电量和机位点风速的变化。

6.一种权利要求1至5任何一项所述海上风场自动化机位排布软件的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、输入必备信息：

S11、目标风场边界参数信息：风场范围拐点坐标；

S12、机组参数信息：预排布机组数目、塔架高度、叶轮半径、功率曲线；

S13、风数据参数信息：测风塔坐标、测风塔高度、风切变、尾流衰减因子、置信系数、全年风速风向数据；

S14、发电量计算参数信息：风速风向扇区/子扇区数目、weibull拟合方法、尾流模型；

S15、优化排布参数信息：遍历范围、提取方案数目、风向偏转角；

S2、机位排布模块根据海上风场限制区域、预装机容量和遍历参数得到局部优化的机位排布方案，将其放入方案库中；

S3、发电量计算模块计算S2所获得方案的尾流损失、尾流前后发电量和机位点风速，将结果放入方案库；

S4、检查遍历参数是否完成，若完成则进入S5；否则在步进遍历参数，进入S2；

S5、选取方案库中整场发电量最高的n个方案，n为正整数，并进入风向敏感性分析模块完成分析，获得推荐方案；

S6、输出结果，完成自动化机位排布，流程结束。