一种海上风电场的风机排布方法与流程

技术特征：

1.一种海上风电场的风机排布方法，其特征在于：包括步骤：

S1：确定风机的排布阵列；

S2：获取风电场的约束条件数据；

S3：根据风机的排布阵列和风电场的约束条件筛选候选排布方案；

S4：计算各方案的尾流损失；

S5：检验最优方案。

2.根据权利要求1所述的海上风电场的风机排布方法，其特征在于：所述风机的排布阵列包括平行四边形和扇形两类。

3.根据权利要求2所述的海上风电场的风机排布方法，其特征在于：风电场的约束条件数据包括风机排布区域边界数据和风机的数目。

4.根据权利要求3所述的海上风电场的风机排布方法，其特征在于：所述步骤S3进一步包括步骤：

S31：确定西南、西北、东北、东南共4个固定点S1～S4；

S32：确定阵列排布的起始机位P0，坐标记为(X0，Y0)；

S32：确定阵列的行数n和列数m；

S33：计算阵列机位P(i,j)的坐标(Xi，Yj)，其中，i＝1,2,…n，j＝1,2,…m；

S34：剔除位于内、外边界之外的无效机位P″，有效机位P′(i,j)总数记为N′；

S35：循环控制，判断N′是否等于N，如果是，将P′列为候选排布方案，如果否，转到步骤S31。

5.根据权利要求4所述的海上风电场的风机排布方法，其特征在于：所述步骤S4具体包括步骤：

S41：计算单个扇区风速损失；

S42：计算单个扇区功率损失；

S43：尾流计算循环控制，判断是否全部扇区的尾流计算都已经完成，如果是，转到步骤S44，如果否，转到步骤S41；

S44：计算平均尾流损失；

S45：排布方案循环控制，判断是否全部排布方案都已经计算完平均尾流损失，如果是，转到步骤S46，如果否，转到步骤S41；

S46：获得平均尾流损失最低的N个方案，N>1。

6.根据权利要求1至5任一权利要求所述的海上风电场的风机排布方法，其特征在于：步骤S5进一步包括步骤：

S51：建立风向频率变动模型；

S52：计算平均尾流损失；

S53：评价变动度指标；

S54:推荐风机排布方案。

7.根据权利要求6所述的海上风电场的风机排布方法，其特征在于：所述步骤S4具体为：在0°至360°平均划分144个扇区对候选排布方案的逐台风机进行风速损失和功率损失计算，并用平均功率损失表示整个阵列的平均尾流损失。

8.根据权利要求7任一权利要求所述的海上风电场的风机排布方法，其特征在于：所述步骤S5具体为：选出平均尾流损失最低的5个候选排布方案，利用风向频率变动模型重新计算各自的尾流损失，确定平均尾流损失的变化范围，选择变动度最小的候选排布方案作为推荐排布方案。

9.根据权利要求8所述的海上风电场的风机排布方法，其特征在于：所述风机的排布阵列具体为：风机阵列的基本单元定义为风机排布方案中每4台风机的相对位置所形成的平面形态，

若基本单元为平行四边形，长对角线AC称为主对角线，短对角线BD称为次对角线，控制参数包括主对角线的方位角α，主、次对角线间的夹角β，以及主、次对角线的长度d1、d2；

若基本单元为扇形，短弧AD与长弧BC共圆，圆心为O；半径OA称为短径，OB称为长径，直线AB称为始边，直线CD称为终边，控制参数包括扇形始边的方位角α，始、终边间的夹角β，以及长、短径的长度d1、d2。

10.根据权利要求9所述的海上风电场的风机排布方法，其特征在于：所述步骤S3具体的计算方法为：

若风机阵列为平行四边形，P0坐标由两条虚拟线L1、L2相交确定，L1、L2的斜率记为k1、k2，

当0°≤α<90°，L1、L2分别经过S1、S4；当90°≤α<180°，L1、L2分别经过S2、S1；当180°≤α<270°，L1、L2分别经过S3、S2；当270°≤α<360°，L1、L2分别经过S4、S3，P0(X0，Y0)则根据解析几何中的两直线交点公式确定；

n、m由两组虚拟平行线L1、L′1和L2、L′2共同确定，当0°≤α<90°，L′1、L′2分别经过S3、S2；当90°≤α<180°，L′1、L′2分别经过S4、S3；当180°≤α<270°，L′1、L′2分别经过S1、S4；当270°≤α<360°，L′1、L′2分别经过S2、S1；记L1、L′1在东西方向上投影之间的距离为dX，记L2、L′2在南北方向上投影之间的距离为dY，平行四边形的边AB、边AD长度分别为x、y，可由α、β、d1、d2根据三角形余弦定理计算得到；

n、m表达式如下：

n＝dX/x

m＝dY/y

机位P_(i,j)的坐标(X_i，Y_j)表达式如下：

X_i＝X₀+(i–1)×x i＝1,2,…n，

Y_j＝Y₀+(j–1)×y j＝1,2,…m

若风机阵列为扇形，P₀坐标由S₁～S₄经过坐标旋转后确定，坐标旋转角为α+β/2。记旋转后的S₁～S₄为S′₁～S′₄，重新计算X′_min、X′_max、Y′_min、Y′_max。旋转后的(X₀，Y₀)记为(X′₀，Y′₀)，(X′₀，Y′₀)和(X₀，Y₀)表达式如下：

X′₀＝(X′_min+X′_max)/2

Y′₀＝Y′_min–d₂

X₀＝X′₀cos(α+β/2)+Y′₀sin(α+β/2)

Y₀＝X′₀cos(α+β/2)-Y′₀sin(α+β/2)

n、m表达式如下：

$n=\frac{\sqrt{{(X_{\max }^{\&prime;}-X_0^{\&prime;})}^2+{(Y_{\max }^{\&prime;}-Y_0^{\&prime;})}^2}-\sqrt{{(X_{min}^{\&prime;}-X_0^{\&prime;})}^2+{(Y_{min}^{\&prime;}-Y_0^{\&prime;})}^2}}{d_1-d_2}$

$m=\&lsqb;a\tan \left(\frac{X_{\max }^{\&prime;}-X^{\&prime;}}{\sqrt{{(X_{\max }^{\&prime;}-X_0^{\&prime;})}^2+{(Y_{\max }^{\&prime;}-Y_0^{\&prime;})}^2}}\right)-a\tan \left(\frac{X_0^{\&prime;}-X_{\min }^{\&prime;}}{\sqrt{{(X_{\min }^{\&prime;}-X_0^{\&prime;})}^2+{(Y_{inx}^{\&prime;}-Y_0^{\&prime;})}^2}}\right)\&rsqb;\frac{180}{\mathrm{\&pi;}\mathrm{\&beta;}}$

机位P_(i,j)的坐标(X_i，Y_j)表达式如下：

$\begin{array}{c}{X}_j=X_0+\&lsqb;d_2+(i-1)(d_1-d_2)\&rsqb;\sin \&lsqb;a\tan \left(\frac{X_0^{\&prime;}-X_{\min }^{\&prime;}}{\sqrt{{(X_{\min }^{\&prime;}-X_0^{\&prime;})}^2+{(Y_{inx}^{\&prime;}-Y_0^{\&prime;})}^2}}\right)+(j-1)\mathrm{\&beta;}\&rsqb;\cos (\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&beta;}/2)-\\ \&lsqb;d_2+(i-1)(d_1-d_2)\&rsqb;\cos \&lsqb;a\tan \left(\frac{X_0^{\&prime;}-X_{\min }^{\&prime;}}{\sqrt{{(X_{\min }^{\&prime;}-X_0^{\&prime;})}^2+{(Y_{inx}^{\&prime;}-Y_0^{\&prime;})}^2}}\right)+(j-1)\mathrm{\&beta;}\sin (\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&beta;}/2)\end{array}$

$\begin{array}{c}{Y}_j=Y_0+\&lsqb;d_2+(i-1)(d_1-d_2)\&rsqb;\cos \&lsqb;a\tan \left(\frac{X_0^{\&prime;}-X_{\min }^{\&prime;}}{\sqrt{{(X_{\min }^{\&prime;}-X_0^{\&prime;})}^2+{(Y_{inx}^{\&prime;}-Y_0^{\&prime;})}^2}}\right)+(j-1)\mathrm{\&beta;}\&rsqb;\cos (\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&beta;}/2)-\\ \&lsqb;d_2+(i-1)(d_1-d_2)\&rsqb;\cos \&lsqb;a\tan \left(\frac{X_0^{\&prime;}-X_{\min }^{\&prime;}}{\sqrt{{(X_{\min }^{\&prime;}-X_0^{\&prime;})}^2+{(Y_{inx}^{\&prime;}-Y_0^{\&prime;})}^2}}\right)+(j-1)\mathrm{\&beta;}\sin (\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&beta;}/2)\end{array}$

11.根据权利要求10所述的海上风电场的风机排布方法，其特征在于：所述步骤S4具体计算方法为：单台风机在单个扇区所受实际风速损失dv′为：

${\mathrm{dv}}^{\&prime;}=\sqrt{\stackrel{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{\left(dv\right)}^2}$

$dv=\mathrm{\&phi;}\&lsqb;1-\sqrt{1-C_T}\&rsqb;{\left(\frac{R}{R+kL}\right)}^2$

其中，n为上风向尾流个数；CT为风机推力系数；R为风机叶轮半径；L为风机间距在风向上的投影距离；k为尾流衰减系数，Φ为尾流遮蔽系数，表明风机被上风向尾流遮蔽的程度，

单台风机在单个扇区所受实际功率损失dP′为：

${\mathrm{dP}}^{\&prime;}={\&Integral;}_{v_s}^{v_e}g\left(v\right)f\left(v\right)dv-{\&Integral;}_{v_s}^{v_e}g\left(v\right)f\&lsqb;v(1-{\mathrm{dv}}^{\&prime;})\&rsqb;dv$

其中，v_s、v_e为风机切入和切出风速；f(v)为风机功率曲线，g(v)为风速在该扇区的概率密度分布，

平均尾流损失dW′为：

${\mathrm{dW}}^{\&prime;}=\frac{\underset{j=1}{\overset{144}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&omega;}}_j\&CenterDot;\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{\mathrm{dP}}_i^{\&prime;}}{N}$

其中，N为风机数目；ω为各个风向扇区的权重，根据海上风电场测风塔在12、16或48个方位的风向频率分布结果平均分配。

12.根据权利要求11所述的海上风电场的风机排布方法，其特征在于：步骤S5具体为：记测风塔的风向频率分布为J(θi)，i＝1,2,…h，h为风向扇区数目；θ为扇区风向，单位为度；主导风向记为θp，相应频率为J(θp)。风向频率变动模型设置8种变动情景，模拟风向在年际、年代际尺度上的变化：

(1)J(θp)增加30％，其余扇区的频率相应平均减少；

(2)J(θp)减少30％，其余扇区的频率相应平均增多；

(3)θp左移一个扇区，J(θp)保持不变；

(4)θp右移一个扇区，J(θp)保持不变；

(5)θp左移一个扇区，J(θp)增加30％，其余扇区的频率相应平均减少；

(6)θp左移一个扇区，J(θp)减少30％，其余扇区的频率相应平均增多；

(7)θp右移一个扇区，J(θp)增加30％，其余扇区的频率相应平均减少；

(8)θp右移一个扇区，J(θp)减少30％，其余扇区的频率相应平均增多。

对以上8种情景重新计算平均尾流损失dWi′,i＝1,2,…8，形成尾流损失区间dWmin′～dWmax′；变动度指标定义为dWmax′/dWmin′。