一种分散式风电场风机优化布置系统及方法
【专利说明】一种分散式风电场风机优化布置系统及方法 所属技术领域
[0001] 本发明属于分散式风力发电规划技术领域，尤其涉及一种分散式风电场风机优化 布置系统及方法。
【背景技术】
[0002] 风电的大规模集中开发带来消纳、弃风、限电问题。分散式风电不以大规模远距离 输送为目的，所产生的电力就近接入电网并在当地消纳，具有减小输配电扩容带来的费用， 提高电网的局部可靠性，改善电网电压等优点。然而，由于风能资源的随机性和波动性，风 电场区域地形的复杂性，尾流效应及湍流强度的变化，接入变电站的限制使得分散式风机 进行布置的复杂性成倍增加。
[0003] 现有风机优化布置方法大都针对集中式风电场，且使用最多的是易陷入早熟和不 成熟收敛的遗传算法，整个风场区域离散化可能会丢失一些较好的风电机组的安装位置。 风机优化布置的目标函数大多选择考虑年发电量的经验函数，只考虑年发电量而未考虑运 行年限。优化的约束条件也未考虑分散式风电相比集中式风电所特有的接入变电站的线路 长度。尾流模型大多采用JENSEN草帽线性尾流模型，其尾流损失风速模型为一个顶帽形 状，没有很好的考虑到湍流的影响，不能很好地反映出上游风机对下游风机的尾流影响。
【发明内容】
[0004] 针对现有方法存在的不足，本发明提出一种分散式风电场风机优化布置系统及方 法。
[0005] 本发明的技术方案是这样实现的：
[0006] -种分散式风电场风机优化布置系统，包括：
[0007] 数据采集模块：用于获得拟建分散式风电场区域内测风塔的任意两个不同高度处 的风速数据和风向数据，并将获得的数据均传送给DSP控制器；
[0008] 地形图数据获取模块：用于根据SRTM数据或GDEM数据得到拟建分散式风电场区 域的等高线地图和高程数据，并将该等高线地图和高程数据传送给DSP控制器；
[0009] DSP控制器：（1)从D5000系统接收拟建分散式风电场接入配电网的电气量信息数 据并进行存储，同时将所述电气量信息数据送入潮流计算模块；所述电气量信息，包括配电 网系统的网络结构、常规机组的旋转备用水平、负荷特性、无功补偿状况；（2)将从最大接 入容量分析模块接收的多次拟建分散式风电场的最大接入容量进行加权修正后得到整个 拟建分散式风电场接入配电网的容量；（3)根据整个拟建分散式风电场接入配电网的容量 及预选风机的型号，确定拟建分散式风电场中风机布置的数量，并将该数量传送至风机优 化布置计算模块（4)根据拟建分散式风电场区域的等高线地图和高程数据，建立拟建分散 式风电场区域的地形图；（5)根据风速数据、风向数据和预选风机的参数，计算测风塔的风 切变系数和风轮廓函数，进而计算出尾流损失，得到实际风速，最后算出威布尔分布函数， 并发送至风机优化布置计算模块；(6)将风机优化布置计算模块给出的风机布置优化方案 中各个风机的坐标设置在拟建分散式风电场区域的地形图的各相应位置上；（7)将布置了 风机的拟建分散式风电场区域的地形图传至图形显示模块进行显示；
[0010] 潮流计算模块：将拟建分散式风电场的节点视作PQ(V)节点，利用依次增加 PQ(V) 节点容量值的方法，分别进行拟建分散式风电场接入配电网后的多次潮流计算，并将每次 的计算结果发送给最大接入容量分析模块，直至接到停止潮流计算命令；
[0011] 最大接入容量分析模块：对于每次的潮流计算，当并网点电压不位于95~107% 仏范围内或者并网点频率不位于49. 8~50. 2Hz范围内时，则发送停止潮流计算命令至潮 流计算模块，并利用本次潮流计算结果，计算出本次拟建分散式风电场允许接入的容量，BP 当次拟建分散式风电场的最大接入容量，并将该容量传送至DSP控制器；所述仏表示节点 的额定电压；
[0012] 风机优化布置计算模块：用于根据风机优化布置的约束条件和目标函数，结合威 布尔分布函数，利用禁忌入侵杂草算法优化布置风机位置，得到风机布置优化方案；
[0013] 图形显示模块：用于对布置了风机的拟建分散式风电场区域的地形图进行显示。
[0014] 采用所述的分散式风电场风机优化布置系统的分散式风电场风机优化布置方法， 包括如下步骤：
[0015] 步骤1 :确定拟建分散式风电场区域，根据当地的风能资源情况、配电网的网络结 构和负荷特性，确定拟建分散式风电场接入配电网的位置、容量及风机数量；
[0016] 步骤1-1 :根据当地的风能资源情况和电网接入条件，宏观确定一片区域，作为拟 建分散式风电场区域；
[0017] 步骤1-2 :根据拟建分散式风电场区域的经炜坐标，找到对应的SRTM或⑶EM数据 文件，并处理生成拟建分散式风电场区域的地形图；
[0018] 步骤1-3 :从D5000系统接收并解析出拟建分散式风电场拟接入配电网的电气量 信息数据；所述电气量信息，包括配电网系统的网络结构、常规机组的旋转备用水平、负荷 特性、无功补偿状况；
[0019] 步骤1-4 :根据该地区的配电网系统的网络结构、常规机组的旋转备用水平、负荷 特性、无功补偿状况，确定拟建分散式风电场接入配电网的末端位置及联结方式；
[0020] 步骤1-5 :根据拟建分散式风电场接入的配电网网络结构、常规机组的旋转备用 水平情况，建立等效的系统网络参数模型，结合步骤1-3采集的电气量数据，将拟建分散式 风电场的节点视作PQ(V)节点，利用依次增加 PQ(V)节点容量值的方法，分别进行拟建分散 式风电场接入配电网后的多次潮流计算；
[0021] 步骤1-6 :对于每次的潮流计算，当并网点电压不位于95~107% Un范围内或者 并网点频率不位于49. 8~50. 2Hz范围内时，则利用当次潮流计算结果，计算当次拟建分散 式风电场的最大接入容量，将多次计算的最大接入容量进行加权修正后得到整个拟建分散 式风电场接入配电网的容量S wf:
[0022]
CD
[0023] 式中：1^为总的潮流计算次数；S ^1+1、51+2为第i、i+l、i+2次的潮流计算得出的 拟建分散式风电场接入配电网的容量；與' Al分别为31与S 1+1差值的绝对值、S 1+1 与S1+2差值的绝对值、S 1与S 1+2差值的绝对值；〇为加权修正次数，为自然数；
[0024] 步骤1-7 :根据整个拟建分散式风电场接入配电网的容量Swf，结合预选风机机型， 确定整个拟建分散式风电场中可进行风机布置的数量N。
[0025] 步骤2 :在拟建分散式风电场区域至少立一台测风塔，计算测风塔的风切变系数 和风轮廓函数，进而计算出尾流损失，得到实际风速，最后算出威布尔分布函数；
[0026] 步骤2-1 :在拟建分散式风电场区域至少立一台测风塔，采集测风塔两个不同高 度处一段时间内的风速数据和风向数据；
[0027] 步骤2-2 :利用步骤2-1得到的数据，计算测风塔处的风切变系数；
[0028] 步骤2-3 :由风切变系数，确定测风塔的风轮廓函数，由式（3)表示；
[0029] vh= mh ° (3)
[0030] 式中，Vh代表测风塔h高度处的风速;m为修正系数；α为测风塔处的风切变系 数；
[0031] 步骤2-4 :根据测风塔的风轮廓函数，利用式（4)所示的尾流模型计算出每个风机 周围的尾流损失Κ，进而通过式（5)得到风机轮毂高度处的实际风速ν' h;
[0032] ⑴
[0033]
[0034] 其中Ct是风机的推力系数；D表示风机叶片的直径；δ表示顺风距离，即当前该风 机与其后面的被该风机挡风的风机之间的距离；y，ζ表示对应的当前该风机的水平坐标和 垂直坐标；Z h为风机的轮毂高度，P表示尾流增长率；Av为由尾流效应造成的风速损失；
[0035] 步骤2-5 :利用步骤2-4得到的风机轮毂高度h处的风速ν' h，即测风塔h高度处 的风速，求取威布尔分布函数。
[0036] 步骤3 :建立风机优化布置的约束条件和目标函数；
[0037] 步骤3. 1 :建立风机优化布置的约束条件，包括：
[0038] 1)风机接入变电站的线路长度需满足的条件为：
[0039] Lnin^ Lline^ Lnax (9)
[0040] 其中Lmin、Lmax分别为待选风机安装点距接入现有配电网中变电站线路的最短 距离和最长距离；
[0041] 2)在不同的风向上，风机之间的间距约束为：
[0042] (X1-Xj)2+(Y1-Y j) (PD)2 (10)
[0043] 其中（Xl，yi)、（Xj，yj)分别为上游风机坐标和下游风机坐标；在垂直于主导风向 上，P取4. 5 ;有下风向风机时，P取5 ;若考虑风电场场地尺寸限制并结合计算结果，P可在 3~6之间变化取值；
[0044] 3)待选风机安装点的土壤承载力约束为：
[0045] Fs+ n b λ (b-3) + n d λ n (d-o. 5) ^ Fwto (11)
[0046] 其中匕为土壤承载力标准值，ri b、rid分别为风机安装位置区域宽度和深度修正 系数，λ为基底下土的重度，λ n风机安装位置区域上土的加权平均重度，b为风机安装位 置区域宽度，d为风机安装位置区域深度；F wto为风机正常安全运行时需要的最小的土壤承 受力，根据预选风机型号确定；
[0047] 4)机组中塔筒承受的风载应满足的约束为：
[0048] Fwtt^ 0. 613 · γ s · T h · vh · S (12)
[0049] 其中ys、yh分别为风载荷形状、高度参数；S为塔筒结构垂直于风向的面积；F wtt 为机组塔筒承受的风载；
[0050] 步骤3-2 :建立风机优化布置的目标函数：
[0051]
[0052] 式中：E11U, t)为初始投资成本，包括电缆等投资且必须考虑变电站的影响；AEP 为整个风电场的每年所有机组年发电量；P为每千瓦时的出售价格；Imt(X)为清洁能源发 展机制产生的环境效益；E cini(X，t)为分散式风电场的年运行和维护成本；i为折现率，一般 取为基准折现率；T为分散式风电场使用寿命；t为风机投入运行的第几年；X表示风机数 量。
[0053] 步骤4 :根据风机优化布置的约束条件和目标函数，结合威布尔分布函数，利用禁 忌入侵杂草算法优化布置风机位置，得到风机布置优化方案；
[0054] 步骤4-1 :确定拟建分散式风电场的预选风机参数、最大种群数M、维数D、最大迭 代次数和禁忌表长度；
[0055] 步骤4-2 :置空禁忌表，随机初始化杂草个体位置，每个杂草个体的位置代表风机 坐标的候选解；
[0056] 步骤4-3 :在拟建分散式风电场区域的D维搜索空间内随机产生η个风机位置的 坐标可行解，其中η小于等于最大种群数M ;
[0057] 步骤4-4 :判断风机位置的坐标可行解是否满足约束条件，是，则执