CN116862176A - 一种风机排布优化方法、装置、设备及介质 - Google Patents

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曾利华
李来龙
孟鹏飞
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Abstract

本发明属于风机安装规划技术领域，具体公开了一种风机排布优化方法、装置、设备及介质，包括以下步骤：获取项目数据；根据主风向和叶轮直径设置约束条件；获取项目范围内的地形图；根据地形图提取山脊线；根据风能密度图谱和山脊线生成第一个风电机组的位置；以第一个风电机组的位置为起点，沿山脊线生成若干满足约束条件的风电机组排布方案；模拟所有风电机组排布方案的发电量；选择发电量最大的风电机组排布方案输出。本发明通过山脊线和风能密度图谱进行风电机组排布，并计算所有排布方案的发电量，得到发电量最大的，符合山地环境的风电机组排布方案，有效解决复杂山地条件下，风机排布方案不合理导致发电量下降的问题。

Description

一种风机排布优化方法、装置、设备及介质
技术领域
本发明属于风机安装规划技术领域，具体涉及一种风机排布优化方法、装置、设备及介质。
背景技术
风能作为一种可再生清洁能源，广泛应用在风力发电领域，在近十几年来，大部分区域都开发有集中式风力发电项目或分散式风力发电项目。随着绿色低碳理念的深入人心，风电项目开发速度进一步加快。
随着风力发电项目的增多，风能资源丰富，地形条件优越的区域逐渐饱和，开发逐渐减少，复杂地形风电项目开发逐渐成为开发的主流。复杂地形主要表现在地形陡峭，起伏较大等。这种地形会造成风电场风能资源分布复杂，现有风机排布方法通常采用风向和风能玫瑰图进行风机间距的设置，保证发电量较大，尾流较小，但在复杂山地条件下，由于高度变化导致现有方法得到的风机间距不准确，风机间距过大会导致风机密度下降，发电量下降，风机间距过小导致尾流增大发电量下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风机排布优化方法、装置、设备及介质，以解决复杂山地条件下风机排布方案不准确导致发电量下降的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：
第一方面，本发明提供一种风机排布优化方法，包括以下步骤：
获取项目数据，项目数据包括项目范围、风能密度图谱、主风向、叶轮直径、装机容量和风能密度利用最小值；
根据主风向和叶轮直径设置约束条件；
获取项目范围内的地形图；
根据地形图提取山脊线；
根据风能密度图谱和山脊线生成第一个风电机组的位置；
以第一个风电机组的位置为起点，沿山脊线生成若干满足约束条件的风电机组排布方案；
根据项目范围、风能密度图谱、装机容量和风能密度利用最小值模拟所有风电机组排布方案的发电量；
对所有风电机组排布方案的发电量进行排序，选择发电量最大的风电机组排布方案输出。
本发明的进一步改进在于：所述根据主风向和叶轮直径设置约束条件的步骤中，所述约束条件为垂直主风向大于等于两倍叶轮直径，平行主风向大于等于四倍叶轮直径。
本发明的进一步改进在于：所述根据地形图提取山脊线的步骤中，具体包括：
A1、根据地形图中的等高线设置两个第一起始点；
A2、根据两个第一起始点查找第一特征点；
A3、计算第一特征点的高程，若第一特征点张角范围内存在任意点的高程大于第一特征点的高程，则将第一特征点记为山谷点；若第一特征点张角范围内不存在任意点的高程大于第一特征点的高程，则将第一特征点记为山脊点；
A4、重复A1～A3在地形图上提取若干特征点；
A5、从若干特征点中选择海拔最低的特征点作为第二起始点；
A6、从若干特征点中选择与第二起始点张角方向差值小于第二角度，位于第二起始点张角范围内，且与第二起始点距离小于等于等高距10倍的点作为第二特征点，并将第二特征点与第二起始点通过直线相连；
A7、以第二特征点作为新的第二起始点，重复A6中的步骤进行迭代，得到一条山脊线；
A8、重复A1～A7中的步骤得到地形图中所有的山脊线。
本发明的进一步改进在于：所述根据两个第一起始点查找第一特征点的步骤中，具体包括：
将两个第一起始点连成直线，记为第一直线；
对等高线上所有的点进行筛选，选择张角小于第一角度的点作为预选点；
获取每个预选点到第一直线的垂距，并将垂距按大小进行排序，选择垂距最大的预选点作为第一特征点。
本发明的进一步改进在于：所述根据地形图中的等高线设置两个第一起始点的步骤中，若等高线为闭合等高线，则以等高线最东和最西的两个点作为第一起始点；
若等高线为非闭合等高线，则等高线的两个端点作为第一起始点。
本发明的进一步改进在于：所述第一角度为165°，所述第二角度为50°。
本发明的进一步改进在于：所述根据风能密度图谱和山脊线生成第一个风电机组的位置步骤中，具体包括：
根据风能密度图谱获取风资源最大点，根据山脊线获取最高点；
风资源最大点位于最高点预设范围内，则将第一个风电机组的位置设置在最高点；
若风资源最大点位于最高点预设范围外，则将第一个风电机组的位置设置在风资源最大点。
第二方面，一种风机排布优化装置，包括：
项目数据获取模块：用于获取项目数据，项目数据包括项目范围、风能密度图谱、主风向、叶轮直径、装机容量和风能密度利用最小值；
约束条件生成模块：用于根据主风向和叶轮直径设置约束条件；
地形图生成模块：用于获取项目范围内的地形图；
山脊线提取模块：用于根据地形图提取山脊线；
初始位置生成模块：用于根据风能密度图谱和山脊线生成第一个风电机组的位置；
风电机组排布方案生成模块：用于以第一个风电机组的位置为起点，沿山脊线生成若干满足约束条件的风电机组排布方案；
发电量模拟模块：用于根据项目范围、风能密度图谱、装机容量和风能密度利用最小值模拟所有风电机组排布方案的发电量；
输出模块：用于对所有风电机组排布方案的发电量进行排序，选择发电量最大的风电机组排布方案输出。
第三方面，一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述的一种风机排布优化方法。
第四方面，一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述的一种风机排布优化方法。
与现有技术相比，本发明至少包括以下有益效果：
1、本发明通过山脊线和风能密度图谱进行风电机组排布，并计算所有排布方案的发电量，得到发电量最大的，符合山地环境的风电机组排布方案，有效解决复杂山地条件下，风机排布方案不合理导致发电量下降的问题；
2、本发明通过叶轮直径和主风向设置约束条件，避免尾流过大，提高风能利用率；
3、本发明提取山脊线时，先提取特征点，再根据特征点进行筛选和迭代，从而得到山脊线，计算结果准确性高。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1为本发明一种风机排布优化方法的流程图；
图2为本发明一种风机排布优化装置的结构框图；
图3为本发明一种风机排布优化方法中闭合等高线的示意图；
图4为本发明一种风机排布优化方法中非闭合等高线的示意图；
图5为本发明一种风机排布优化方法中D点的示意图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
实施例1
一种风机排布优化方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、获取项目数据，项目数据包括项目范围、风能密度图谱、主风向、叶轮直径、装机容量和风能密度利用最小值；
具体的，项目范围通过对项目的WGS84拐点坐标进行处理得到，项目范围为风电机组位置的可利用范围；
具体的，主风向根据项目范围的测风数据得到；
具体的，风能密度利用最小值为人为预设值，根据项目特点进行设置，风能密度利用最小值越大，可选机位越少；
具体的，叶轮直径根据项目要求选用，叶轮直径用于确定风电机组的排布距离；
具体的，装机容量包项目总装机容量和单机容量；
S2、根据主风向和叶轮直径设置约束条件；
具体的，约束条件包括：
垂直主风向大于等于两倍叶轮直径，平行主风向大于等于四倍叶轮直径；
S3、获取项目范围内的地形图；
S4、根据地形图提取山脊线；
具体的，在S4中包括以下步骤：
S41、根据地形图中的等高线设置两个第一起始点；
具体的，在S41中，若等高线为闭合等高线，则以等高线最东和最西的两个点作为第一起始点，如图3所示；
若等高线为非闭合等高线，则等高线的两个端点作为第一起始点，如图4所示；
S42、根据两个第一起始点查找第一特征点；
具体的，在S42中包括以下步骤：
S421、将两个第一起始点连成直线，记为第一直线；
S422、对等高线上所有的点进行筛选，选择张角小于第一角度的点作为预选点；预选点记作C0；
第一角度为一般给定值，常规情况下为165°，如果张角大于165°，在等高线的此处近似为直线；
S423、获取每个预选点到第一直线的垂距，并将垂距按大小进行排序，选择垂距最大的预选点作为第一特征点，第一特征点记作C；
S43、计算第一特征点的高程，若第一特征点张角范围内存在任意点的高程大于第一特征点的高程，则将第一特征点记为山谷点；若第一特征点张角范围内不存在任意点的高程大于第一特征点的高程，则将第一特征点记为山脊点；
如图5所示，图中D为第一特征点C张角范围内的任意点；
S44、重复S41～S43在地形图上提取若干特征点；
S45、从若干特征点中选择海拔最低的特征点作为第二起始点；
S46、从若干特征点中选择与第二起始点张角方向差值小于第二角度，位于第二起始点张角范围内，且与第二起始点距离小于等于等高距10倍的点作为第二特征点，并将第二特征点与第二起始点通过直线相连；
具体的，第二角度为预设值，第二角度常规设置为50°，若第二角度小于等于50°，则认为第二起始点与第二特征点的张角方向相同；
S47、以第二特征点作为新的第二起始点，重复S46中的步骤进行迭代，得到一条山脊线；
S48、重复S41～S47中的步骤得到地形图中所有的山脊线；
S5、根据风能密度图谱和山脊线生成第一个风电机组的位置；
具体的，在S5中包括以下步骤：
S51、根据风能密度图谱获取风资源最大点，根据山脊线获取最高点；
S52、风资源最大点位于最高点预设范围内，则将第一个风电机组的位置设置在最高点；
若风资源最大点位于最高点预设范围外，则将第一个风电机组的位置设置在风资源最大点；
具体的，预设范围为以最高点为中心，半径10m的范围。
S6、以第一个风电机组的位置为起点，沿山脊线生成若干满足约束条件的风电机组排布方案；
S7、根据项目范围、风能密度图谱、装机容量和风能密度利用最小值模拟所有风电机组排布方案的发电量；
具体的，在S7中采用风电场模拟软件进行发电量模拟，风电场模拟软件包括WT和WindSim等；
S8、对所有风电机组排布方案的发电量进行排序，选择发电量最大的风电机组排布方案输出。
实施例2
一种风机排布优化装置，如图2所示，包括：
项目数据获取模块：用于获取项目数据，项目数据包括项目范围、风能密度图谱、主风向、叶轮直径、装机容量和风能密度利用最小值；
约束条件生成模块：用于根据主风向和叶轮直径设置约束条件；
地形图生成模块：用于获取项目范围内的地形图；
山脊线提取模块：用于根据地形图提取山脊线；
初始位置生成模块：用于根据风能密度图谱和山脊线生成第一个风电机组的位置；
风电机组排布方案生成模块：用于以第一个风电机组的位置为起点，沿山脊线生成若干满足约束条件的风电机组排布方案；
发电量模拟模块：用于根据项目范围、风能密度图谱、装机容量和风能密度利用最小值模拟所有风电机组排布方案的发电量；
输出模块：用于对所有风电机组排布方案的发电量进行排序，选择发电量最大的风电机组排布方案输出。
实施例3
一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述的一种风机排布优化方法，包括以下步骤：
获取项目数据，项目数据包括项目范围、风能密度图谱、主风向、叶轮直径、装机容量和风能密度利用最小值；
根据主风向和叶轮直径设置约束条件；
获取项目范围内的地形图；
根据地形图提取山脊线；
根据风能密度图谱和山脊线生成第一个风电机组的位置；
以第一个风电机组的位置为起点，沿山脊线生成若干满足约束条件的风电机组排布方案；
根据项目范围、风能密度图谱、装机容量和风能密度利用最小值模拟所有风电机组排布方案的发电量；
对所有风电机组排布方案的发电量进行排序，选择发电量最大的风电机组排布方案输出。
实施例4
一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述的一种风机排布优化方法，包括以下步骤：
获取项目数据，项目数据包括项目范围、风能密度图谱、主风向、叶轮直径、装机容量和风能密度利用最小值；
根据主风向和叶轮直径设置约束条件；
获取项目范围内的地形图；
根据地形图提取山脊线；
根据风能密度图谱和山脊线生成第一个风电机组的位置；
以第一个风电机组的位置为起点，沿山脊线生成若干满足约束条件的风电机组排布方案；
根据项目范围、风能密度图谱、装机容量和风能密度利用最小值模拟所有风电机组排布方案的发电量；
对所有风电机组排布方案的发电量进行排序，选择发电量最大的风电机组排布方案输出。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种风机排布优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取项目数据，项目数据包括项目范围、风能密度图谱、主风向、叶轮直径、装机容量和风能密度利用最小值；
根据主风向和叶轮直径设置约束条件；
获取项目范围内的地形图；
根据地形图提取山脊线；
根据风能密度图谱和山脊线生成第一个风电机组的位置；
以第一个风电机组的位置为起点，沿山脊线生成若干满足约束条件的风电机组排布方案；
根据项目范围、风能密度图谱、装机容量和风能密度利用最小值模拟所有风电机组排布方案的发电量；
对所有风电机组排布方案的发电量进行排序，选择发电量最大的风电机组排布方案输出。
2.根据权利要求1所述的一种风机排布优化方法，其特征在于，所述根据主风向和叶轮直径设置约束条件的步骤中，所述约束条件为垂直主风向大于等于两倍叶轮直径，平行主风向大于等于四倍叶轮直径。
3.根据权利要求1所述的一种风机排布优化方法，其特征在于，所述根据地形图提取山脊线的步骤中，具体包括：
A1、根据地形图中的等高线设置两个第一起始点；
A2、根据两个第一起始点查找第一特征点；
A3、计算第一特征点的高程，若第一特征点张角范围内存在任意点的高程大于第一特征点的高程，则将第一特征点记为山谷点；若第一特征点张角范围内不存在任意点的高程大于第一特征点的高程，则将第一特征点记为山脊点；
A4、重复A1～A3在地形图上提取若干特征点；
A5、从若干特征点中选择海拔最低的特征点作为第二起始点；
A6、从若干特征点中选择与第二起始点张角方向差值小于第二角度，位于第二起始点张角范围内，且与第二起始点距离小于等于等高距10倍的点作为第二特征点，并将第二特征点与第二起始点通过直线相连；
A7、以第二特征点作为新的第二起始点，重复A6中的步骤进行迭代，得到一条山脊线；
A8、重复A1～A7中的步骤得到地形图中所有的山脊线。
4.根据权利要求3所述的一种风机排布优化方法，其特征在于，所述根据两个第一起始点查找第一特征点的步骤中，具体包括：
将两个第一起始点连成直线，记为第一直线；
对等高线上所有的点进行筛选，选择张角小于第一角度的点作为预选点；
获取每个预选点到第一直线的垂距，并将垂距按大小进行排序，选择垂距最大的预选点作为第一特征点。
5.根据权利要求3所述的一种风机排布优化方法，其特征在于，所述根据地形图中的等高线设置两个第一起始点的步骤中，若等高线为闭合等高线，则以等高线最东和最西的两个点作为第一起始点；
若等高线为非闭合等高线，则等高线的两个端点作为第一起始点。
6.根据权利要求4所述的一种风机排布优化方法，其特征在于，所述第一角度为165°，所述第二角度为50°。
7.根据权利要求1所述的一种风机排布优化方法，其特征在于，所述根据风能密度图谱和山脊线生成第一个风电机组的位置步骤中，具体包括：
根据风能密度图谱获取风资源最大点，根据山脊线获取最高点；
风资源最大点位于最高点预设范围内，则将第一个风电机组的位置设置在最高点；
若风资源最大点位于最高点预设范围外，则将第一个风电机组的位置设置在风资源最大点。
8.一种风机排布优化装置，其特征在于，包括：
项目数据获取模块：用于获取项目数据，项目数据包括项目范围、风能密度图谱、主风向、叶轮直径、装机容量和风能密度利用最小值；
约束条件生成模块：用于根据主风向和叶轮直径设置约束条件；
地形图生成模块：用于获取项目范围内的地形图；
山脊线提取模块：用于根据地形图提取山脊线；
初始位置生成模块：用于根据风能密度图谱和山脊线生成第一个风电机组的位置；
风电机组排布方案生成模块：用于以第一个风电机组的位置为起点，沿山脊线生成若干满足约束条件的风电机组排布方案；
发电量模拟模块：用于根据项目范围、风能密度图谱、装机容量和风能密度利用最小值模拟所有风电机组排布方案的发电量；
输出模块：用于对所有风电机组排布方案的发电量进行排序，选择发电量最大的风电机组排布方案输出。
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，处理器执行计算机程序时实现权利要求1～7中任一项所述的一种风机排布优化方法。
10.一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，计算机程序被处理器执行时实现权利要求1～7中任一项所述的一种风机排布优化方法。
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