一种提高风电场发电效益的小风机规划方法与流程

本发明涉及一种风电场发电技术，尤其是涉及一种提高风电场发电效益的小风机规划方法。
背景技术：
：由于国际能源危机、环境问题的加剧恶化，风电正在主导摆脱对化石燃料的依赖。全球风电市场正在扩大，2016年将有更多不同的地区引进风电。2015年新增风电的国家中，中国增加3050万千瓦，位居首位。在国家“十三五”风电发展规划中，着重明确推进“中东部”开发战略。根据国家发展改革委关于完善陆上风电光伏发电上网标杆电价政策的通知(发改价格[2015]3044号)，至2018年Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类资源区陆上风电标杆上网电价将分别由2016年的0.47、0.50、0.54、0.60下调至0.44、0.47、0.51、0.58。在这个前提下，在中东部风电场内增设小风机可提高上网电量，进而可规避风电业主投资风险。因此，对已建成投运的风电场增设小风机，对完成“十三五”新能源并网规划和提高风电场收益显得尤为关键。目前风电场在提高发电效益方面主要采用的有单机最大风能捕获方案，陈家伟等人在中国电机工程学报上发表了提名为：变速风力发电机组恒带宽最大功率跟踪控制策略的文章，提出了改进的功率反馈MPPT控制策略，使单个机组最大限度捕获风能。王俊等人在电力系统自动化上发表题为：基于尾流效应的海上风电场有功出力优化的文章，提出了协调各机组捕获的风能，从而调节风电场内尾流分布，改善机组间气动耦合，优化风电场有功出力效率。徐仕昱在其华北电力大学硕士毕业论文中提出，提高风功率预测能力，通过提前预测风电场的有功出力，采用合理安排其他机组组合方式和预留旋转备用容量的方法来提高系统消纳风电的能力。改善风电机组的有功控制能力，通过提高风机的控制水平来改善风机的运行性能。改善风电场有功控制策略，使风电场表现出常规电源的特性，进而改善含风电电力系统的运行。但这些方案共同的缺陷是在风电场容量一定的条件下，最大限度捕获的风能是有限的，增加的收益受限于风电场的最大容量。技术实现要素：本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种提高风电场发电效益的小风机规划方法。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种提高风电场发电效益的小风机规划方法，该方法包括如下步骤：(1)获取风电场现有大风机的安装位置及技术参数；(2)在风电场内各大风机间隙内增设小风机，各小风机的安装位置按设定方案设置进而构成n种小风机增设方案；(3)求取n种小风机增设方案下风电场输出增益，根据风电场输出增益选取对应的小风机增设方案作为提高风电场发电效益的小风机规划方案。步骤(2)中小风机的安装位置包括：横向设置的相邻两个大风机连线的中点位置，纵向设置的相邻两个大风机的连线的中点位置以及组成四边形的四个发风机的对角线交点位置，进而n种小风机增设方案为小风机的安装位置的不同组合。步骤(3)中风电场输出增益P＝P1-P2，其中，P1为采用小风机增设方案下风电场输出功率，P2为采用小风机增设方案前风电场输出功率，所述的风电场输出功率为风电场中各风机输出功率之和。所述的各风机输出功率具体通过下述方式求得：首先，求取各风机处的风速，然后根据各风机处的风速求取各风机的输出功率。所述的各风机处的风速通过部分遮挡尾流效应模型求取，具体为：其中，vj(xij,hj)表示下游风机WTj受到上游风机WTi影响后的风速，xij为下游风机WTj与上游风机WTi之间的距离，hi为上游风机WTi的海拔高度，hj为下游风机WTj的海拔高度，vi为上游风电机WTi处的风速，CT为推力系数，ri为上游风机WTi的风轮半径，rj为下游风机WTj的风轮半径，α为风速随高度变化系数，一般取α＝1/7，Arotor为下游风机WTj风轮扫略面积，Ashad,ij为上游风机和下游风机风轮扫略重叠部分面积。与现有技术相比，本发明具有如下优点：(1)本发明通过风电场增设小风机的方式来提高风电场的发电效益，而对于大风机的控制策略不变，便于实施；(2)在已建成投运的风电场中，增设小风机，如小风机布置数量太少，该区域的风资源将得不到充分利用，但如小风机布置数量太多、盛行风向上风机间距太小，则会由于风机尾流的影响而降低各单台风机的发电效益，从而降低整个风电场开发的经济性，因此通过本发明的方法设计n种小风机增设方案，从而通过几种小风机增设方案下风电场输出增益来规划小风机的数量和位置，提高风电场发电效益。附图说明图1为本发明规划方法的流程框图；图2为尾流效应线性扩张模型；图3不平坦地形下风速模型；图4部分遮挡尾流效应模型；图5安置小风机位置示意图；图6风机尾流影响范围图；图7大风机位置图；图8风电机组输出功率特性曲线；图9本实施例风电场内增设小风机的不同方案。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。实施例如图1所示，一种提高风电场发电效益的小风机规划方法，该方法包括如下步骤：(1)获取风电场现有大风机的安装位置及技术参数；(2)在风电场内各大风机间隙内增设小风机，各小风机的安装位置按设定方案设置进而构成n种小风机增设方案；(3)求取n种小风机增设方案下风电场输出增益，根据风电场输出增益选取对应的小风机增设方案作为提高风电场发电效益的小风机规划方案。本发明中大风机的发电功率范围为1MW～2MW，小风机的发电功率范围为80KW～120KW。步骤(2)中小风机的安装位置包括：横向设置的相邻两个大风机连线的中点位置，纵向设置的相邻两个大风机的连线的中点位置以及组成四边形的四个发风机的对角线交点位置，进而n种小风机增设方案为小风机的安装位置的不同组合。步骤(3)中风电场输出增益P＝P1-P2，其中，P1为采用小风机增设方案下风电场输出功率，P2为采用小风机增设方案前风电场输出功率，风电场输出功率为风电场中各风机输出功率之和。各风机输出功率具体通过下述方式求得：首先，求取各风机处的风速，然后根据各风机处的风速求取各风机的输出功率。各风机处的风速通过部分遮挡尾流效应模型求取，具体为：其中，vj(xij,hj)表示下游风机WTj受到上游风机WTi影响后的风速，xij为下游风机WTj与上游风机WTi之间的距离，hi为上游风机WTi的海拔高度，hj为下游风机WTj的海拔高度，vi为上游风电机WTi处的风速，CT为推力系数，ri为上游风机WTi的风轮半径，rj为下游风机WTj的风轮半径，α为风速随高度变化系数，一般取α＝1/7，Arotor为下游风机WTj风轮扫略面积，Ashad,ij为上游风机和下游风机风轮扫略重叠部分面积。小风机位置设计方法，步骤：(1)构建小风机尾流效应线性扩张模型，如图1所示尾流效应线性扩张模型能够较好地模拟平坦地形的尾流情况，模型假设尾流影响半径为线性扩张，如图2所示为尾流效应线性扩张模型，即后面风机受影响的半径与其距离前面风机的距离呈线性关系，其线性关系可由下述方程得到：式中：r为距离风机x处的尾流影响半径；r0为风机叶片半径；h为风电机组风轮所处高度，z0为地面粗糙度度，为一常数；kw的取值根据当地的地形和气候条件进行选取。当风力机接收到的是自然风速时，kw等于0.04，否则kw等于0.08。由尾流效应线性扩张模型可得，在尾流效应影响下，距离风机x处的风速v(x)为：式中：v0为自然风速；dF为平坦地形的风速下降系数,CT为推力系数。(2)针对小风机塔架高度较低，建立不平坦地形下的风速模型，如图3所示。由于小风机塔高较低，而风速会随高度变化而变化，导致风电场的风速分布不均。针对风电场增设小风机后，建立的不平坦地形下的风速模型模型(见图2)，能够较好地近似模拟有损耗的非均匀风速场。x＝0处没有风机时，位于海拔高度H2处小风机的风速为：式中：h为风机的塔筒高度；α为风速随高度变化系数，一般取α＝1/7。x＝0处安装有风机，受尾流影响，位于海拔高度H处小风机的风速为：vb＝v'0(1-dc)，式中：dc为风速下降系数。dc近似表示为：故x＝0处安装有风机，受尾流影响，位于海拔高度H2处小风机的风速可表示为：(3)针对上游风机在下游风机处尾流影响投影面的重叠情况，建立部分遮挡尾流效应模型，如图4。由尾流效应线性扩张模型可以求得上游风机在下游风机处的尾流影响半径，根据下游风机风轮的扫略面积与上游风机在下游风机处尾流影响投影面的重叠情况，可以把不同风机机组间的相互影响分为种情况：完全遮挡、准完全遮挡、部分遮挡和没有遮挡。其中，准完全遮挡是完全遮挡的特例，指上游风轮面积在下游风机处的投影小于下游风机风轮的扫略面积，所以完全遮挡和准完全遮挡时，风轮的重叠面积分别等于下游风机和上游风机风轮的扫略面积。下面主要分析部分遮挡情况下重叠面积的计算。假设某风电场下游风机WTj和上游风机WTi的布局如图3所示，假设地形平坦，即H1＝H2＝0，其相互影响为部分遮挡，相距为xij的WTi和WTj的风轮所处海拔高度分别为hi、hj，则下游风机WTj受到上游风机WTi影响后的风速计算公式如下：其中，vj(xij,hj)表示下游风机WTj受到上游风机WTi影响后的风速，xij为下游风机WTj与上游风机WTi之间的距离，hi为上游风机WTi的海拔高度，hj为下游风机WTj的海拔高度，vi为上游风电机WTi处的风速，CT为推力系数，ri为上游风机WTi的风轮半径，rj为下游风机WTj的风轮半径，α为风速随高度变化系数，一般取α＝1/7，Arotor为下游风机WTj风轮扫略面积，Ashad，ij为上游风机和下游风机风轮扫略重叠部分面积。Ashad,ij计算公式可由下式求得：式中：Δh＝|hj-hi|为两风机风轮所处的海拔高度差；dij为上游风机WTi和下游风机WTj之间的水平间距。综上所述，令则不同风电机组间相互影响的4种情况下，风轮的重叠面积的计算公式为：(4)设计小风机插入位置，如图5。位置A：同一排两台大风机间水平中点处插入一台小风机。位置B：在A插入的小风机的情况下，同一列小风机中点处插入一台小风机。位置C：同一列大风机中点处插入一条小风机。安置小风机位置示意图如图5所示。下面从模型建立、设计原理、设计方法、有效性验证等几个方面对本发明做进一步说明。(1)建立风电场的数学模型根据部分遮挡尾流效应模型，计算风电场在额定风速下的各个风机处的风速，根据风机的功率特性曲线得出风电场的出力。需要的参数有，风机的坐标、风轮半径、切入风速、切除风速、轮毂高度、额定风速。(2)本发明增设小风机的设计原理假设大风机风轮半径35m，小风机半径10m，推力系数假设为0.88，若按v0恢复至90％选取纵向距离,上游风机对其他列风机出力很小或无影响选取横向距离，根据尾流效应线性扩张模型可以求得单台风机的影响范围。大风机风速恢复至初始风的90％时，x＝1362.5m，r＝89.5m。小风机风速恢复至初始风速的90％时，x＝390m，r＝25.6m。风机尾流影响图如图6所示。本算例同一行中两大风机水平平均距离为700m，垂直水平方向(两行大风机之间的距离)平均距离为1000m，风速恢复到初始风速的85.7％，如图6所示，基本符合理论值。将小风机安置在风电场中大风机尾流未覆盖区域，如图5，可以选择三种位置安置小风机，此时大小风机间相互影响小。位置A：同一排两台大风机间水平中点处插入一台小风机。位置B：在A插入的小风机的情况下，同一列小风机中点处插入一台小风机。位置C：同一列大风机中点处插入一条小风机。(3)算例分析为验证风电场增设小风机后风电场的输出增益，通过下面仿真算例进行仿真研究，并与不同位置插入小风机风电场的出力进行比较。算例的大小风机参数值在附表1和附表2中。在这个算例中，以某陆上风电场为例，画出风电场大风机位置图，如图7所示：假设风电场采用的风电机组的额定容量为1.5MW，其主要的技术参数如表1所示。表1大风机主要技术参数风轮半径扫掠面积切入风速额定风速切出风速额定功率轮毂高度r0ArotorvcivrvcoPrh35m3848m24m/s13m/s25m/s1.5MW65m风电机组输出功率特性曲线如图8所示，增设的小风机的技术参数如表2所示。表2小风机主要技术参数风轮半径扫掠面积切入风速额定风速切出风速额定功率轮毂高度r0ArotorvcivrvcoPrh10m314m23m/s10m/s25m/s100KW24m现针对几种不同的分布模型，比较不同方案下的发电收益，如图9所示为本实施例中7种小风机增设方案，依次为图9(a)～(g)代表的方案一～方案七。原有风电场的大风机53台，风电场的额定功率53*1.5MW，计及尾流效应影响下出力78.081MW。各方案发电收益对比如表3所示。表3各方案对比输出增益＝插入小风机后风电场出力-不插入小风机风电场出力。单位风机功率＝输出增益/增加风机台数。由仿真结果可以看出，方案三的单位风机出力最多，是最优方案，方案一次之，与理论分析较吻合。组合方案AB、BC、AC单台风机出力反而较单个方案A、B、C较小，说明小风机并不是插入越多就能带入越多收益。综上，方案三的性价比最高，方案七的输出增益最大，追求最大经济效益推荐使用方案三，追求风电场最大输出推荐方案七。当前第1页1 2 3