季风气候明显区域的平坦地形风机优化布置方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及风机优化布置技术领域，尤其涉及一种季风气候明显区域的平坦地形风机优化布置方法。
【背景技术】
[0002]风力发电机组(简称“风机”)优化布置是指通过特定的优化算法使风力发电机组的布置更加合理，使整个风电场的综合效益更优。对于季风气候明显的地域来说，平坦地形风力发电机组的优化布置的主要影响因素是风力发电机组相互间的尾流影响，这种影响主要是由各风力发电机组所处的相对位置所引起。风力发电机组的最优位置既可以通过列举法来实现，即计算各种组合的可能性；也可以通过适当人工前期干预下的实验方法来实现，即借助数学统计分析与工程实验方法相结合的方法实现。前一种方法在理论上较为简单，但是只能在基于遗传算法、神经元算法等方法下借助计算机的长时间运算来实现；后一种方法需要把数学统计分析与工程实验方法应用到优化中，可以节约大量时间成本。本发明人曾于2011年6月30日申请了申请号为201110180419.6、名称为《平坦地形风力发电机组优化布置方法》的中国发明专利并得到授权，本申请是对该专利进行的实质性的改进，这种改进主要体现在:本专利进一步根据我国季风气候明显区域的气候特征，对优化中所用到的参数进行了实质性的改变。经过深入的研宄发现:在季风气候明显区域，由于主导风向往往特别的集中，如我国内蒙古区域，主导风能往往集中在西北方向，其他方向的风能分布特别的少，那么对于这样的季风性气候的区域，垂直于主导风向(本领域技术人员可以理解，这里说的垂直是指大体上垂直，比如主导风向为北风，大体上东西排列的风机就垂直于主导风向)的风力发电机组间距离的变化对风力发电机组的发电量的影响特别有限，而由于主导风向风能的集中，前后排风力发电机组的相互影响就特别的大，针对这样气候特征区域就有必要将避免风力发电机组的互相间的影响作为主要解决的问题。本发明与已有专利的第一个主要的区别就是垂直主导风向上风力发电机组的距离、方位不再进行优化，而改为选定固定的值；第二个主要的区别就是根据对于季风性气候风况的研宄强化了对于风力发电机组互相间的影响优化，采用了两个主要的参数，一个表现在风力发电机组相互间的距离上，一个表现在风力发电机组相互间的方位上，以这两个参数的优化来减少风力发电机组相互间的影响。通过这样有针对性，实质的新参数的提出，将大幅降低风力发电机组相互间的影响，使风电场风力发电机组的布局更加优化，发电量更高。
[0003]此外，正交实验设计是根据因子设计的分式原理，采用由组合理论推导而成的正交表来安排设计试验，并对结果进行统计分析设计的多因子试验方法。在多因子试验中，当因子及水平数目增加时，若进行全面试验，将全部处理在一次试验中安排，试验处理个数及试验单元数就会急剧增长，在一次试验内安排全部处理非常困难。如13因素3水平的全面试验将达到1594323次。为了解决多因子全面实施试验次数过多，条件难以控制的问题，有必要选出部分代表性很强的处理组合来做试验，这些具有代表性的部分处理组合，一般可通过正交表来确定，而这些处理通常是线性空间的正交点。自1945年Finney提出分式设计后，许多学者潜心研宄，提出了供分式设计用的正交表，20世纪40年代后期，日本田口玄一首次把正交法应用到日本的电话机试验上，随后在日本各行各业广泛应用，获得丰硕的经济效益。正交实验设计在我国普及使用始于20世纪60年代末，70年代达到高潮，在各行各业逐步展开应用。正交实验设计由于能用少量试验，提取关键信息，并且简单易行，已成为我国多因子最优化的主要方向。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题，就是在季风性气候明显的区域，针对平坦地形的风力发电机组优化布置的问题，即如何通过提取更全面的影响风力发电机组布置的主要因素来实现快速的寻找到一种合理的风力发电机组的相对位置关系。
[0005]为此，本发明提出一种季风气候明显区域的平坦地形风力发电机组优化布置方法，包括步骤Si，获取风电场的原始资料，包括地理信息和风资源信息；首先根据所述地理信息确定风电场的范围并根据风电场的范围确定风力发电机组的排列数，以使得风电场的范围内的风力发电机组数目多于或等于需要的数目；根据所述地理信息获得当地的风资源信息，以便计算风电场的发电量；步骤S2，确定影响季风气候明显的区域中平坦地形风机优化布置的三个影响因素及所述影响因素的合理取值范围，所述影响因素包括排列角α、偏移间距比i以及纵向间距比j ;步骤S3，根据步骤S2确定的影响因素及所述合理取值范围构建正交实验工程并计算相应的发电量，具体包括根据为每个影响因素在其合理取值范围内取的多个值构建正交实验表，并计算对应于每个正交实验条目的电量；步骤S4,对步骤S3得出的正交实验结果进行相关统计分析，确定所述影响因素的最佳取值；步骤S5，根据步骤4中确定的影响因素的最佳取值，得出最优的风电场风力发电机组布置方案。
[0006]根据本发明的一个方面，在所述步骤SI中，确定顺着主导风向依次排列的多排风机，分别为第I排风机、第2排风机、……、第m排风机，以及每排风机所包括的多台风机，并确定每排风机中相邻两台风机之间的间距。
[0007]根据本发明的一个方面，所述排列角α为每排风机所在面即风机排面的垂直线与主导风向的夹角，当所述垂直线相对于主导风向为逆时针时的所述排列角为正值，为顺时针时所述排列角为负值；所述偏移间距比i为偶数排风机排面相对于前一排奇数排风机排面偏移的距离占所述偶数排中两个相邻的风力发电机组间距的比例，当偶数排风机排面相对于奇数排风机排面向逆时针偏移时偏移间距比i为正值，向顺时针偏移时为负值；所述纵向间距比j为风电场顺着主导风向相邻的两个风机排面间距的比例。
[0008]根据本发明的一个方面，步骤S2还包括，确定排列角α、偏移间距比i和纵向间距比j的合理取值范围，并从合理取值范围内为每个因素取多个值。
[0009]根据本发明的一个方面，排列角α的取值范围为-45°?45° ;偏移间距比i的取值范围为-1.0?1.0 ;纵向间距比j的取值范围为0.5?2.0 ;其中符号“?”表示的范围包含了端值。
[0010]根据本发明的一个方面，步骤S4包括:直观分析，对于得出的发电量结果对排列角α、偏移间距比i和纵向间距比j进行直观分析，分别得出对应于每个影响因素不同值的影响程度，据此得出对于单个最优影响因素的组合；交互分析，根据得出的发电量对排列角α、偏移间距比i和纵向间距比j两两分别分析，得出相应的影响程度，并和直观分析出的结果进行比较；方差分析，得出各因素综合的影响程度。
[0011]根据本发明的一个方面，所述排列角α、偏移间距比i以及纵向间距比j对于整个风电场是统一值。
[0012]根据本发明的一个方面，所述排列角α、偏移间距比i以及纵向间距比j对于整个风电场不是统一值，即对于每排风机来说具有相应的排列角α，对于每个偶数排风机来说具有相应的偏移间距比i，对于相邻风机排面间间距具有相应的纵向间距比j。
[0013]由此可见，本方案通过对特有的参数使用正交分析，提出了一种特别适用于季风气候明显区域的平坦地形风力发电机组优化布置方法，并且通过本发明的方法优化后的风力发电机组布置方式发电量更高，尾流更小，风力发电机组相互间的影响更小，风力发电机组所承受的荷载更小，运行寿命更长。
【附图说明】
[0014]图1示出了根据本发明一个实施例的季风气候明显的区域平坦地形风机优化布置方法主要步骤的流程图；
[0015]图2示出了季风气候明显区域的平坦地形风机排布的一个示例图；
[0016]图3示出了正交实验表的示例图。
【具体实施方式】
[0017]图1示出了本发明所提出的方法的大体流程图。
[0018]如图1所示，本发明所提出的方法包括:
[0019]步骤S1:获取风电场的原始资料，包括地理信息和风资源信息，首先根据所述地理信息确定风电场的范围并根据风电场的范围确定风力发电机组的排列数，以使得风电场的范围内的风力发电机组数目多于或等于需要的数目；根据所述地理信息获得当地的风资源信息，以便计算风电场的发电量；
[0020]步骤S2，确定影响季风气候明显的区域中平坦地形风机优化布置的影响因素及所述影响因素的合理取值范围；针对季风气候明显这一特点，本发明确定了三个影响因素及其合理取值范围，即适合的水平值，这将在下文进行详细介绍；
[0021]步骤S3，根据步骤2选定的影响因素和其合理取值范围，使用正交实验的方法，构建正交实验工程并利用专业软件进行发电量计算以得到正交实验结果；具体的，根据为每个影响因素在其合理取值范围内取的多个值构建正交实验表，并计算对应于每个正交实验条目的电量；
[0022]步骤S4，对步骤3得出的正交实验结果进行相关统计分析，确定各影响因素的最佳取值；
[0023]步骤S5，综合所述各影响因素的最佳取值，得出最优的风机布置方案。
[0024]下面，参考图2，对上述步骤做出更具体的介绍。
[0025]图2示出了风电场和风力发电机组排布的一个示例。
[0026]在步骤SI中，首先获取风电场的地理位置和地形图，然后根据风电场范围(如图2中的AB⑶)，其顺着主导风向长度为DZ (即图2中的AB、⑶方向)，垂直主导风向长度为LZ(即图2中的BC、DA)，应使风电场范围内的风力发电机组数目(即行列交汇点)略多于或等于需要的数目。即，从步骤Si中可获得顺着主导风向依次排列的多排风机，分别为第I排风机，第2排风机，……，第m排风机，每排风机包括多台风机。
[0027]如图2所示，所述主导方向例如为北风，所述风电场经过步骤SI后可得到六排风机，分别为第一至第六排风机，图2所示的六排风机中每一排风机所在的面均与主导风向垂直，当然，在经过下文所述的优化布置方法后所得到的优化后布置方式并不一定与主导风向垂直，这里仅作为示例，即步骤SI中仅大体上以主导风向为基准在风电场范围内布置一定量的风机，以使得风机数大于或等于需要