专利名称：提高风能利用的风机布置优化方法
技术领域：
本发明属于风力发电场设计技术领域，尤其涉及一种提高风能利用的风机布置优
化方法。
背景技术：
中国的大部分地区位于北温带，气候温和，四季分明。大陆性季风气候是中国气候的主要特点。每年9月至次年4月，干寒的冬季风从西伯利亚和蒙古高原吹来，寒冷干燥。 冬季，亚洲陆地辐射冷却很快，形成干冷的西伯利亚高压(又称蒙古高压)，在北太平洋面上为冷湿的阿留申低压，尤其是前者势力十分强大，几乎控制全部亚洲大陆。它是大陆反气旋的中心和干冷的极地大陆气团源地，也是冬季大陆季风的源地。由于冬季副热带高压与大陆高压连成一片，二者复合，势力强大，成为亚洲大陆冬半年气候的主宰。高压干冷气流向外吹散，在太平洋沿岸冬季盛行西北风；夏季，亚洲大陆为热低压所控制，低压中心在印度西北、伊朗南部和阿拉伯，且与赤道低压连为一体。这时夏威夷高压西伸北进，势力最强， 范围最大，一支沿山脉走向，流向我国，扩大了西南季风对我国的影响范围。由以上内容可知道，冬季风向盛行西北风，夏季盛行西南风，风向基本上为垂直关系，由于受地形影响，不同区域风向有所差别，但基本上冬季与夏季盛行风向存在垂直关系或者较大的偏转。在风电场设计中，风电机组布置排列是非常重要的环节。风电机组布置优劣主要有两个评价指标，一是优化电量，主要是充分利用风电场的风资源，尽量使各风机位及整体风电机组布置有最大发电量；另一个是减少尾流损失，主要是降低由地形或风机间的相互干扰产生的尾流，尽量使各风机位及整体风电机组布置产生的尾流控制在合理范围内。风电场设计的基本目标之一是年发电量产出的最大化。根据DL/T5383-2007(风力发电场设计技术规范)的要求，风力发电机组布置尽量紧凑规则整齐，有一定规律，以方便场内配电系统的布置，减少输电线路的长度；风力发电机组通常按照矩阵布置，行必须垂直风能主导方向，同行风力发电机组之间距离不小于3D，其中D为风机直径，行与行之间距离不小于5D，各列风力发电机组之间交错布置。所谓的尾流或尾流影响是指风经过风电机组后将部分动能转化为机械能，再转化为电能，从而使风速降低，对后面的风电机组发电量产生影响，即尾流影响。产生尾流效应的原因是风电机组吸收了风中部分能量，造成离开风电机组的风速下降，并且风电机组相距越近，前面的风电机组对后面的风电机组风速的影响越大。 尾流影响越大直接导致风机发电量降低。因此在风电场规划设计以及确定风电场输出功率时必须考虑尾流效应，一般来说，行列距越大，尾流影响越小，发电量越大。(1)现阶段对于平坦地形的风电场，风电机组排列布置的原则如下根据经订正后的全年的风资源进行风电机组排列布置的输入，得到风电场风向玫瑰图和风能玫瑰图， 确定主导风能方向，行必须垂直主导风能方向，同行风力发电机组之间距离不小于3D，行与行之间距离不小于5D，各列风力发电机组之间交错布置，得到最优布置方案。(2)现阶段对于复杂地形的风电场，风电机组排列布置的原则如下根据经订正后的全年的风资源进行风电机组排列布置的输入，得到风电场风向玫瑰图和风能玫瑰图，确定主导风能方向，主要考虑地形变化的影响，垂直风能主导方向上的风力发电机组之间距离不小于3D，平行于风能主导方向上的风力发电机组之间距离不小于5D，得到最优布置方案。因此主导风能方向对于风机布置有致关重要的影响，利用全年的风资源得到的主导风能方向并没有考虑冬季与夏季盛行方向的差别，由于冬季风速大，夏季风速小，所以从全年数据得到的主导风能方向上看，绝对性的以冬季盛行风向为主，因此得到的风机布置就以冬季主导风能方向进行布置，同时风机的全年发电量主要还是依靠冬天的大风季节， 夏季的风速小，发电量相对较低。由于在冬季供暖期间，由于供暖用的汽轮机在抽气供热期间一定要同时发电，必须保障供暖，就必须保证一定比例的火电，因此只有采取调峰，牺牲风电。而调峰对于电场来说，就意味着限电。调峰限电的情况多集中于10月到来年4月供热集中的冬天，风机全年的发电量主要还是依靠冬天的大风季节，所以理论得到的本因多发电的冬天的大风季节却不能正常发电，损失的发电量相当巨大。利用全年风资源得到的主导风能方向进行的风机布置，使垂直于冬季主导风能方向的风机间距较小，而平行于冬季主导风能方向的风机间距较大；到了夏季，夏季的主导风能方向与冬季主导风能方向基本垂直，利用上述得到的风机布置必然导致平行于主导风能方向的风机间距较小，而垂直于主导风能方向的风机间距较大，造成的后果是部分风机的尾流较大，原本夏季风速小，两方面原因导致夏季风机发电量更少；然而夏季却并不限制风机发电，因此夏季的风资源可以合理加以充分利用，以弥补冬季由于限电损失的发电量。原有风机布置的缺点是(1)没有考虑夏季与冬季风能主导方向基本垂直的特点， (2)冬季风速大，造成离开风电机组的风速下降相对较小；同时由于风机到了额定风速会产生变桨偏航，通过调节桨距使风机的发电功率始终保持在额定功率附近；另一方面当突遇大风达到切出风速时，要停机保护，以防止风轮超速，发生飞车；冬季供暖期间采取调峰， 牺牲风电；因此对于冬季风速大的特点完全可以将风机间距适当减小；C3)夏季风速小，造成离开风电机组的风速下降相对较大，因此对于夏季风速小的特点应该将风机间距适当增大。以上均导致不能充分有效的利用风资源。
发明内容
为了解决不能充分有效利用风资源的问题，本发明根据夏季与冬季主导风能方向基本垂直以及冬季风速大、夏季风速小的特点，对利用全年的风资源计算得到的第一布置方案，引入夏季和冬季风资源对得到的第一布置方案进行重新计算，对尾流变化增加较大的机位进行调整，尾流值相差越大说明风机布置的越不合理，需要调整的空间的也越大，对结果变化影响也越明显，适当增加垂直冬季主导风能方向风机间距，适当减小平行冬季主导风能方向风机间距，牺牲冬季较小的发电量可以换来全年和夏季更多的发电！，同时保证各机位及风电场整体机位的尾流损失均在合理范围内，风电场发电量调整前后有所增加。为此，本发明提出了一种提高风能利用的风机布置优化方法，该方法包括步骤 Si，利用全年风资源数据及风机资料确定风电场风机的第一布置方案；步骤S2，利用夏季风资源数据和冬季风资源数据分别对第一布置方案的各个风机位置计算尾流值；步骤S3， 比较利用夏季风资源数据和冬季风资源数据得到的各个风机位置的尾流值，获得相差大于第一阈值的风机位置，并对获得的风机位置进行调整，得到第二布置方案，尾流值相差越大说明风机布置的越不合理，需要调整的空间的也越大，对结果变化影响也越明显；步骤S4，利用全年风资源计算第二布置方案的发电量和尾流值，确定最优布置方案。根据本发明提出的方法的一个方面，步骤Sl具体包括利用全年风资源数据及风机资料计算不同风机布置方案的发电量及尾流值，选择发电量高、尾流损失较小的方案确定为第一布置方案。根据本发明提出的方法的一个方面，步骤S3还包括获取利用夏季风资源数据得到各个风机位置的尾流值大于第二阈值的风机位置；并对获取的风机位置进行调整。根据本发明提出的方法的一个方面，增加垂直冬季主导风能方向的行内的风机间距，减小平行冬季主导风能方向的行内的风机间距。根据本发明提出的方法的一个方面，步骤S4具体包括对于步骤S3中的每次调整所获得的每个第二布置方案计算对应于全年风资源的单机尾流值以及整个风电场的发电量，确定全年发电量最高及尾流损失较小的布置方案作为最优布置方案。根据本发明提出的方法的一个方面，步骤S4具体包括确定单机尾流值不大于第三阈值、整个风电场的平均尾流值不大于第四阈值并且整个风电场的全年发电量不小于第一布置方案的布置方案作为候选最优布置方案，并在候选最优布置方案中选择全年发电量最高的布置方案作为最优布置方案。根据本发明提出的方法的一个方面，第一阈值为3.5%。根据本发明提出的方法的一个方面，第二阈值为8%。根据本发明提出的方法的一个方面，第三阈值为8%，第四阈值为5%。
图1示出了本发明提出的方法的流程图；图2示出了全年风能频率玫瑰图；图3示出了夏季风能频率玫瑰图；图4示出了冬季风能频率玫瑰图；图5示出了风机布置示意图。
具体实施例方式图1示出了本发明提出的复杂地形下提高风能利用的方法的流程图。如图1所示，步骤Si，利用全年风资源数据及风机资料计算不同风机布置方案的发电量及尾流值，选择发电量高、尾流损失较小的方案确定为第一布置方案；步骤S2，考虑到夏季与冬季主导风能方向基本垂直的特点，利用夏季风资源和冬季风资源分别对Sl得到的第一布置方案进行尾流计算；步骤S3，对S2中利用夏季风资源和冬季风资源得到的尾流值进行比较，对相差超过第一阈值及利用夏季风资源计算得到的单机尾流超过第二阈值的风机位置进行重新优化，主要是适当增加垂直冬季主导风能方向风机间距，适当减小平行冬季主导风能方向风机间距，得到第二布置方案；步骤S4，对S3中得到的第二布置方案利用全年风资源进行计算，确定单机尾流值不大于第三阈值、整个风电场的平均尾流值不大于第四阈值并且整个风电场的全年发电量不小于第一布置方案的布置方案作为候选最优布置方案，并在候选最优布置方案中选择全年发电量最高的布置方案作为最优布置方案。下面对上述步骤进行更详细地描述
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在步骤Sl中，全年的风资源数据(例如图2所示的全年风能频率玫瑰图)，风机技术参数，区域地形图，考虑风场地形、地貌，依据风电机组排列布置原则，拟定比如4DX6D、 5DX 5D和5DX 7D (垂直于主导风能的行内的风机间距为4D和5D，平行于主导风能的行内的风机间距为6D、5D和7D)等不同排列布置方式，通过专业软件优化计算得到不同的布置方案，选择发电量高、尾流较小的作为本风电场第一布置方案。在步骤S2中，考虑夏季的主导风能方向与冬季主导风能方向基本垂直的特点(例如图3、图4所示的夏季和冬季风能频率玫瑰图)，分别从全年的风资源数据提取得到夏季风资源数据和冬季风资源数据，利用夏季风资源和冬季风资源分别对Sl得到的第一布置方案进行尾流损失计算。在步骤S3中，对S2中利用夏季风资源和冬季风资源得到的尾流值进行比较，对两者相差超过第一阈值(例如3. 5% )及利用夏季风资源计算得到的风机位置处的单机尾流超过第二阈值(例如8%)及相关联的风机位置利用夏季风资源进行重新优化，尾流值相差越大说明风机布置的越不合理，需要调整的空间的也越大，对结果变化影响也越明显，方法主要是适当增加垂直冬季风能主导风向的行内的风机间距，适当减小平行冬季风能主导风向的行内的风机间距，得到第二布置方案。在步骤S4中，对S3中得到的第二布置方案利用全年风资源进行计算，结果保证单机尾流不超过第三阈值(例如8%)，整个风电场平均尾流不超过第四阈值(5%)；同时风电场年发电量不小于Sl确定的第一布置的布置方案作为候选最优布置方案，并在候选最优布置方案中选择全年发电量最高的布置方案作为最优布置方案。目前风电机组布置的优劣关注的是风电场的发电量、尾流及单机尾流的大小，一年内风速的大小有季节性变化，一般冬季大夏季小；一年内风向的来向也有季节性变化，一般冬季和夏季相差较大；利用全年的风资源数据计算的得到的各项指标均较好，容易忽略季节性风向的变化和季节性风速的变化对风机布置后的发电量的影响，如果考虑不周全， 影响的将是整个风机寿命过程。下面结合具体实例更详细地介绍本发明的方法。利用风电场内经订正后全年的风资源数据进行分析计算，所用单机容量为1500kW 的33台某种型号风机，根据风机技术参数，区域地形图，考虑风场地形、地貌，依据风电机组排列布置原则，拟定4DX6D、5DX5D和5DX7D(行间距布置采用垂直于主导风向4D和 5D，平行于主导风向6D、5D和7D)三种不同排列布置方式，采用专业软件对上述三种方案的年发电量计算结果见表1。表 权利要求
1.一种提高风能利用的风机布置优化方法，其特征在于，该方法包括步骤Si，利用全年风资源数据及风机资料确定风电场风机的第一布置方案；步骤S2，利用夏季风资源数据和冬季风资源数据分别对第一布置方案的各个风机位置计算尾流值；步骤S3，比较利用夏季风资源数据和冬季风资源数据得到的各个风机位置的尾流值， 获得相差大于第一阈值的风机位置，对获得的风机位置进行调整，得到第二布置方案；步骤S4，利用全年风资源计算第二布置方案的发电量和尾流值，确定最优布置方案。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，步骤Sl具体包括利用全年风资源数据及风机资料计算不同风机布置方案的发电量及尾流值，选择发电量高、尾流损失小的方案确定为第一布置方案。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，步骤S3还包括获取利用夏季风资源数据得到各个风机位置的尾流值大于第二阈值的风机位置，并对获取的风机位置进行调整。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于，步骤S3的调整具体包括增加垂直冬季风能主导风向的行内的风机间距，减小平行冬季风能主导风向的行内的风机间距。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于，步骤S4具体包括对于步骤S3中的每次调整所获得的每个第二布置方案计算对应于全年风资源的单机尾流值以及整个风电场的发电量，确定全年发电量最高及尾流损失较小的布置方案作为最优布置方案。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于，步骤S4中的确定包括确定单机尾流值不大于第三阈值、整个风电场的平均尾流值不大于第四阈值并且整个风电场的全年发电量不小于第一布置方案的布置方案作为候选最优布置方案，并在候选最优布置方案中选择全年发电量最高的布置方案作为最优布置方案。
7.根据权利要求1的方法，其特征在于第一阈值为3.5%。
8.根据权利要求3的方法，其特征在于第二阈值为8%。
9.根据权利要求6的方法，其特征在于第三阈值为8%，第四阈值为5%。
全文摘要
提出了一种提高风能利用的风机布置优化方法，属于风力发电场设计技术领域。该方法包括步骤S1，利用全年风资源数据及风机资料确定风电场风机的第一布置方案；步骤S2，利用夏季风资源数据和冬季风资源数据分别对第一布置方案的各个风机位置计算尾流值；步骤S3，比较利用夏季风资源数据和冬季风资源数据得到的各个风机位置的尾流值，获得相差大于第一阈值的风机位置，并对该风机位置进行调整，得到第二布置方案；步骤S4，利用全年风资源计算第二布置方案的发电量和尾流值，确定最优布置方案。本发明提出的方法解决了不能充分有效利用风能资源的问题。
文档编号G06F17/50GK102289539SQ20111018045
公开日2011年12月21日 申请日期2011年6月30日 优先权日2011年6月30日
发明者孙少军, 孙立新, 彭怀午, 杜燕军, 聂维新 申请人:内蒙古电力勘测设计院