風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組布局選址方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組布局選址方法，該方法以最大化風(fēng)電場(chǎng)等值功率為目標(biāo)函數(shù)，以風(fēng)電場(chǎng)總面積、風(fēng)機(jī)間最小距離等因素為約束函數(shù)，采用幾何學(xué)理論確定風(fēng)機(jī)上游區(qū)域及計(jì)算風(fēng)機(jī)間的水平和偏移距離，利用帶收縮因子和變異因子的粒子群優(yōu)化算法尋求最優(yōu)布局。其顯著效果是：本發(fā)明計(jì)及了風(fēng)的聯(lián)合分布特性、風(fēng)電機(jī)組間的尾流效應(yīng)等，解決了網(wǎng)格劃分方法中的位置限制以及僅考慮單個(gè)或部分風(fēng)向的不足，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)布局的優(yōu)化效率高，可為風(fēng)電場(chǎng)布局優(yōu)化提供有益參考。
【專利說明】風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組布局選址方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到風(fēng)電場(chǎng)布局優(yōu)化【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說，是一種風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組布局選址方法。

【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)能是清潔的可再生能源，世界上很多國家出臺(tái)相關(guān)政策以激勵(lì)風(fēng)能的開發(fā)和利用，同時(shí)風(fēng)能使用可以減少因傳統(tǒng)能源的消耗給環(huán)境帶來的損害。風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率是風(fēng)速的函數(shù)，由于風(fēng)速的間歇性和隨機(jī)性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率具有不穩(wěn)定性和波動(dòng)性。風(fēng)電場(chǎng)中，由于尾流效應(yīng)的存在，風(fēng)電場(chǎng)中不同位置的風(fēng)速不盡相同，且尾流效應(yīng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量有較大影響，因此與風(fēng)電場(chǎng)輸出功率相關(guān)的研究中需要考慮尾流效應(yīng)的影響，特別是在風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃過程中，通過優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組在風(fēng)電場(chǎng)中的布局以減小尾流效應(yīng)的不利影響。
[0003]然而現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)布局技術(shù)中主要存在以下幾類不足:一、網(wǎng)格劃分法中由于位置限制，未能充分使用風(fēng)電場(chǎng)空間；二、在布局優(yōu)化過程中僅考慮單個(gè)風(fēng)向或獨(dú)立地考慮兩個(gè)風(fēng)向，未能計(jì)及所有潛在的風(fēng)向；三、主觀列出幾種潛在的風(fēng)電場(chǎng)布局方式，從備選風(fēng)電場(chǎng)布局中選出一種年發(fā)電量最大的布局作為最優(yōu)布局，未充分考慮風(fēng)電場(chǎng)的客觀條件；四、米用智能算法優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)布局時(shí)，尾流效應(yīng)中沒有計(jì)及風(fēng)機(jī)葉片掃風(fēng)陰影區(qū)不完全覆蓋時(shí)的情形。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供提出一種風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組布局選址方法，該方法能夠計(jì)及風(fēng)的聯(lián)合分布特性、風(fēng)電機(jī)組間的尾流效應(yīng)等，解決了網(wǎng)格劃分方法中的位置限制、僅考慮單個(gè)或部分風(fēng)向的不足。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明表述一種風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組布局選址方法，具體按照以下步驟進(jìn)行:
[0006]步驟1:輸入Ns個(gè)風(fēng)速數(shù)據(jù)與Nd個(gè)風(fēng)向數(shù)據(jù)，建立風(fēng)速與風(fēng)向的離散聯(lián)合分布律表，表中第i個(gè)風(fēng)向?yàn)棣?i, i = I?Nd,第j個(gè)風(fēng)速表示V」，j = I?Ns,二維變量(Θ j, Vj)的聯(lián)合概率為Pij ;
[0007]步驟2:基于粒子群優(yōu)化算法建立風(fēng)電機(jī)組坐標(biāo)的粒子群，設(shè)置粒子群的粒子數(shù)目為Np，總的維數(shù)為2N，粒子群的迭代次數(shù)為K，第m個(gè)粒子的位置向量為Xni = (Xnil, Ynil, Xni2,ym2，...，xmN? Υπ,ν)，速度向里為 Wm — (wml, Wm2J Wm3J Wm4J...，Wm(n)，wm2N)? 并確定權(quán)子的約束函數(shù)，其中m=l?NP，N為風(fēng)電機(jī)組的數(shù)目，(xfflN, yfflN)為第m個(gè)粒子位于第N臺(tái)風(fēng)電機(jī)組處的坐標(biāo)，(&_)，《_)為第m個(gè)粒子位于第N臺(tái)風(fēng)電機(jī)組處的速度；
[0008]步驟3:隨機(jī)初始化所有粒子的位置向量,并令m = I ;
[0009]步驟4:計(jì)算第m個(gè)粒子的適應(yīng)度，并計(jì)算第m個(gè)粒子對(duì)應(yīng)的風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率，初始化i = j = I ;
[0010]步驟5:確定風(fēng)向?yàn)棣?i時(shí)第k臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的所有上游風(fēng)電機(jī)組，得出第k臺(tái)風(fēng)電機(jī)組和它的所有上游風(fēng)電機(jī)組間的水平距離d與偏移距離h，k = I~N ;
[0011]步驟6:根據(jù)水平距離d、偏移距離h以及風(fēng)速Vj計(jì)算出考慮尾流效應(yīng)影響后吹向第k臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速V，進(jìn)而計(jì)算出風(fēng)速為V時(shí)該臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的輸出功率P (V)，然后計(jì)算出此時(shí)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率P0WF( Θ y Vj, xm)；
[0012]步驟7:將j與Ns進(jìn)行比較，若j < Ns,則設(shè)置j = j+1，返回步驟6 ;若j = Ns,則進(jìn)入步驟8 ；
[0013]步驟8:將i與Nd進(jìn)行比較，若i < Nd，則設(shè)置i = i+Ι，返回步驟5 ;如果i = Nd,則進(jìn)入步驟9 ；
[0014]步驟9:按照

【權(quán)利要求】
1.一種風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組布局選址方法，其特征在于按照以下步驟進(jìn)行: 步驟1:輸入Ns個(gè)風(fēng)速數(shù)據(jù)與Nd個(gè)風(fēng)向數(shù)據(jù)，建立風(fēng)速與風(fēng)向的離散聯(lián)合分布律表，表中第i個(gè)風(fēng)向?yàn)棣?i，i = I~Nd,第個(gè)風(fēng)速表示Vj, j = I~Ns,二維變量(Θ j, Vj)的聯(lián)合概率為Pij ； 步驟2:基于粒子群優(yōu)化算法建立風(fēng)電機(jī)組坐標(biāo)的粒子群，設(shè)置粒子群的粒子數(shù)目為Np，總的維數(shù)為2N，粒子群的迭代次數(shù)為K，第m個(gè)粒子的位置向量為Xm= (xffll, yffll, xffl2,ym2，...，Xiiinj Yun)，速度向里為 Wm — (wml，Wm2J Wm3J Wm4J...，wm(n)，wm2N)，并確定權(quán)子的約束函數(shù)，其中m=l~NP，N為風(fēng)電機(jī)組的數(shù)目，(xfflN, yfflN)為第m個(gè)粒子位于第N臺(tái)風(fēng)電機(jī)組處的坐標(biāo)，(&_)，《_)為第m個(gè)粒子位于第N臺(tái)風(fēng)電機(jī)組處的速度； 步驟3:隨機(jī)初始化所有粒子的位置向量，并令m = I ; 步驟4:計(jì)算第m個(gè)粒子的適應(yīng)度,并計(jì)算第m個(gè)粒子對(duì)應(yīng)的風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率,初始化 i = j = I ; 步驟5:確定風(fēng)向?yàn)棣?i時(shí)第k臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的所有上游風(fēng)電機(jī)組，得出第k臺(tái)風(fēng)電機(jī)組和它的所有上游風(fēng)電機(jī)組間的水平距離d與偏移距離h，k = I~N ; 步驟6:根據(jù)水平距離d、偏移距離h以及風(fēng)速Vj計(jì)算出考慮尾流效應(yīng)影響后吹向第k臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速V，進(jìn)而計(jì)算出風(fēng)速為V時(shí)該臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的輸出功率P (V)，然后計(jì)算出此時(shí)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率POWF( Θ y Vj, xm)； 步驟7:將j與Ns進(jìn)行比較，若j < Ns,則設(shè)置j = j+1，返回步驟6 ;若j = Ns,則進(jìn)入步驟8 ; 步驟8:將i與Nd進(jìn)行比較，若i < Nd，則設(shè)置i = i+Ι，返回步驟5 ;如果i = Nd，則進(jìn)入步驟9 ；

步驟9:按照
計(jì)算出整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的等效功率EPWF，以風(fēng)電場(chǎng)的最大等效功率為目標(biāo)函數(shù)，表示為max EPWF，然后計(jì)算出目標(biāo)函數(shù)取最大值時(shí)第m個(gè)粒子的局部最優(yōu)位置Pm = (Pml，Pm2,…，Pm2N); 步驟10:將m與Np進(jìn)行比較,若m < Np,則設(shè)置m = m+1,并返回步驟4,若m = Np,則進(jìn)入步驟11 ； 步驟11:計(jì)算出目標(biāo)函數(shù)取最大值時(shí)所有粒子的全局最優(yōu)位置Pg= (pgl,Pg2,-,Pg2N); 步驟12:更新粒子位置向量Xm與速度向量Wm，判定算法是否達(dá)到迭代次數(shù)K或者算法得出的最優(yōu)粒子位置連續(xù)不變，若是則輸出風(fēng)電機(jī)組的最優(yōu)坐標(biāo)(Plx，Ply)，(P2x，P2y)，...，(PNx，PNy)，否則返回步驟3循環(huán)計(jì)算，直至得出風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組的最優(yōu)布局。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組布局選址方法，其特征在于:所述步驟2中粒子的約束函數(shù)為:
其中，(xmin, Xmax) > (ymin, ymax)為坐標(biāo)系中風(fēng)電場(chǎng)的區(qū)域范圍，Vniax為粒子飛行速度的上限，2r為風(fēng)電機(jī)組間的最小距離，d為水平距離，h為偏移距離，r為風(fēng)電機(jī)組葉片半徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組布局選址方法，其特征在于:所述步驟5中第k臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的上游機(jī)組的確定方法如下: 步驟5-1:采用風(fēng)向羅盤描述風(fēng)向Θ i，將吹向正北方的風(fēng)向定義為參考風(fēng)向，并定義風(fēng)向Θ j表示在順時(shí)針方向上風(fēng)向偏離北方的角度；步驟5-2:將風(fēng)電場(chǎng)定義在笛卡爾平面坐標(biāo)系內(nèi)，定義第k臺(tái)和其余任意一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組在笛卡爾平面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分別為(xk，yk)和(Xl，yi)，當(dāng)風(fēng)向?yàn)?1時(shí)，按照公式y(tǒng) =cot( Θ ) (X-Xk)+yk計(jì)算出經(jīng)過點(diǎn)(xk,yk)的直線I1的方程式，其中Θ i關(guān)η 31 (η = O, I, 2 );步驟5-3:按照公式y(tǒng) = -tan( Θ ) (x-xk)+yk求出垂直于直線I1且經(jīng)過點(diǎn)(xk，yk)的直 線 I2,其中
步驟5-4:對(duì)于風(fēng)電機(jī)組I的坐標(biāo)(Xpy1)，構(gòu)造一個(gè)函數(shù)R(x，y，Θ J，該函數(shù)表達(dá)式為R(x, y, 9 i) = y+tan ( Θ j) (X-Xk)-yk ； 步驟5-5:將風(fēng)向Θ i和風(fēng)電機(jī)組I的坐標(biāo)(Xl，Y1)代入R(x，y，Θ i)中，根據(jù)R與零的關(guān)系確定風(fēng)電機(jī)組I的坐標(biāo)(Xl，Y1)與直線I2的位置關(guān)系，從而得出風(fēng)電機(jī)組I相對(duì)于風(fēng)電機(jī)組k的位置關(guān)系。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組布局選址方法，其特征在于:所述步驟5中第k臺(tái)風(fēng)電機(jī)組與其上游風(fēng)電機(jī)組間的水平距離d和偏移距離h計(jì)算公式為: 當(dāng)風(fēng)向Θ i滿足0° < Θ j < 360°且Θ i關(guān)180°時(shí)，
水平距離d
偏移足巨尚
當(dāng)風(fēng)向^為0°或180°或360°時(shí)，
水平距離d:d = I X1-Xk I，
偏移距離h:h = I Y1-Yk I。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組布局選址方法，其特征在于:所述步驟6中計(jì)及尾流影響后實(shí)際吹向第k臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速V的計(jì)算公式為: 風(fēng)電機(jī)組位于平坦地形: ! ( Ai ln(z/zo) v = v/" 1K -T , / ,、; 風(fēng)電機(jī)組位于復(fù)雜地形:
其中，Vin和V' ^分別為平坦地形和復(fù)雜地形上吹向第k臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的上游風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速，Asi為第k臺(tái)風(fēng)電機(jī)組落入其上游風(fēng)電機(jī)組陰影區(qū)內(nèi)的面積，df為風(fēng)速下降系數(shù)，Nup為上游風(fēng)電機(jī)組的數(shù)目，Zref和z分別為風(fēng)速觀測(cè)處高度和風(fēng)電機(jī)組輪轂的高度，Z0為地面粗糙度，s為第k臺(tái)風(fēng)電機(jī)組與其上游風(fēng)電機(jī)組的距離，r為風(fēng)電機(jī)組葉輪半徑，α為尾流下降系數(shù)，Ct為推力系數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組布局選址方法，其特征在于:所述步驟6中第k臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的輸出功率P (V)的計(jì)算公式為:
其中:Vc;1、\和V。。分別為風(fēng)電機(jī)組的切入風(fēng)速、額定風(fēng)速和切出風(fēng)速，已為風(fēng)電機(jī)組的額定功率，Cp C2和C3為系數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組布局選址方法，其特征在于:所述步驟12中粒子位置向量Xm的更新公式為:
Xm = xffl+wffl ； 粒子速度向量Wm的更新公式為:
Wm = ω Xff^aXr1X (pm-Xm) +b X r2 X (pg_Xm)； 其中，ω為慣性權(quán)重，r1、r2是介于(O，I)之間的隨機(jī)數(shù)，a、b是學(xué)習(xí)因子。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK104200097SQ201410438111
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月29日
【發(fā)明者】胡博, 謝開貴, 楊賀鈞, 陳婭, 王蔓莉 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)