专利名称：用于增强具有多个风力涡轮机的风电厂布局的方法
技术领域：
本发明总地说来涉及风力涡轮机，更具体地说涉及一种用于增强风电厂中的多个 风力涡轮机的初始布局的方法。
背景技术：
风力涡轮机作为环境安全且相对较低廉的替代能源而获得日益关注。对于这种增 长的兴趣，已经做出了很大的努力来发展可靠、有效且具成本效率的风力涡轮机和风力涡 轮机电厂。风力涡轮机在风电厂中的布置传统上是以最大限度地增加电厂整体能量产出的 单个目标而执行的。例如在设计风电厂时，风力涡轮机最初基于风力资源网而布置在电厂 的地理边界中具有最高风力的位置。利用商业上可获得的风力资源评估或建模软件，例如 WindPro (可从 EMD International A/S, Aalborg, Denmark 公司获得)、WindFarmer (可 从Garrad Hassan,Bristol United Kingdom公司获得)或WindFarm (可从ReSoft Ltd., Banbury,United Kingdom公司获得)可产生风力资源网。然后使用其它设计准则或约束， 例如禁止区域、最小间距约束、噪声限制等等来调整涡轮机的布局。在设计电厂布局时还可考虑其它风电厂的设计目标，例如最大限度地减小风电厂 的成本、最大限度地增加经济规模以及最大限度地减小噪声。在这方面，各种商业软件程序 都是有帮助的。例如，为了解决成本、经济规模和噪声约束，诸如WindProTM、WindFarmerTM或 WindFarm 等软件提供了分析模块，其可用于根据需要而手动地调整涡轮机布局。另外，这 些程序可提供对于固定数量的风力涡轮机和特定的风力涡轮机模型/配置而容许自动地 最大限度地增加能量产出的功能或模块。在这些程序中还可考虑噪声约束和禁止区域。即 使有可用的软件程序，在最终确定涡轮机布局之前还需要补充分析，例如计算各个风力涡 轮机上的机械负载，以确保其在所关注的风力涡轮机模型(一个或多个)/配置(一个或多 个)的设计限制内。公布的PCT申请W02008092462描述了一种用于设计风电厂的方法，其中在电厂中 选择至少一组风力涡轮机，其同另一组风力涡轮机相比，对于相同的风力条件产生非最佳 输出，从而对于整个电厂取得更均勻的输出。例如，电厂中所利用的第一组风力涡轮机被设 计成可在特殊的风力气候中产生最大输出。这第一组由第二组风力涡轮机来补充，该第二 组风力涡轮机被特别设计成在较低的风速下产生最大的功率，并因而在同第一组相比的另 一风力范围窗口中达到其额定功率。设计的目标是通过在不同的风速下使风力涡轮机组具 有额定功率，从而在更宽的风力条件范围内增加电厂总的功率输出。商业上可获得的风电厂程序和W02008092462出版物中所述的方法具有缺点，即 它们将风电厂视为承受整个场所条件的单个功率产生单元，而非一群承受不同风力条件的 独立涡轮机。传统的设计方法通常需要初始的基线布局，其中涡轮机类型和整个场所条件 是已经建立或假定好的。因而，该方法从一开始就受到约束。传统方法不允许考虑电厂中 各个单独的风力涡轮机所经受的独特的风力条件，因而没有考虑到可通过根据各个风力涡轮机位置所经受的实际风力条件调整单独风力涡轮机的特征，例如轮毂高度、涡轮机类型 等等来增加单独涡轮机的输出。因此，需要一种风电厂设计方法，其通过针对电厂所经受的不同的风力条件而调 整单独涡轮机的特征，从而最大限度地增加电厂的全年能量产生量(AEP)。
发明内容
在以下描述中将部分地陈述，或者可从描述中明白，或者可通过本发明的实践学 习到本发明的方面和优势。根据本发明的方面，提供了一种用于确定风电厂中的风力涡轮机布局的方法，其 中多个风力涡轮机产生组合的功率输出。该方法包括确定风电厂场所的任何形式的约束， 并在该场所限定至少一个区域用于布置多个风力涡轮机。通过任何传统方法，例如历史数 据、风力评估程序等等评估该区域的风力状态。一旦确定初始的风力状态，该方法包括通过 利用相应的位置的尾流效应对风力状态进行建模而预测被确定用于布置风力涡轮机的区 域中的可能位置上的实际的风力条件，尾流效应是在该区域或该场所的其它区域的各种位 置上累积布置其它风力涡轮机而引起的。然后依据在各个单独位置上所计算的实际的风力 条件而确定该区域中的单独风力涡轮机的配置和位置，从而增加单独风力涡轮机的功率输 出。涡轮机配置的选择包括涡轮机轮毂高度的选择，其考虑到在该涡轮机位置上所预测的 实际的 风力条件 而最大限度地减小单独风力涡轮机的尾流损失。本发明还包含一种根据本文所体现的原理而配置的风电厂。风电厂包括一种电厂 场所，其包括至少一个区域，该区域在相应的涡轮机位置具有多个风力涡轮机，多个风力涡 轮机配置成用于产生组合的功率输出。风力涡轮机具有依据各个涡轮机位置上的实际风 力条件而确定的相对于彼此的位置和配置，实际的风力条件是该场所的风力状态和相应的 涡轮机位置上的尾流效应的函数，尾流效应是在该区域中累积布置其它风力涡轮机而产生 的。该区域中的风力涡轮机具有变化的轮毂高度，从而针对相应的涡轮机位置上所确定的 实际风力条件而增加单独风力涡轮机的功率输出，变化的轮毂高度是依据相应的风力涡轮 机位置上的实际风力条件而确定的，实际的风力条件是通过利用尾流效应对该区域的风力 状态进行建模而计算得出的，尾流效应是在该区域的各种位置上累积布置其它风力涡轮机 而产生的。变化的涡轮机轮毂高度被选择以降低单独风力涡轮机的尾流损失。
在参照附图所做的说明书中为本领域中的普通技术人员阐述了本发明的完整且 可应用的公开，包括其最佳模式，其中图1是根据本发明的方面的风电厂的示意图；图2是根据本发明的方面被视为适合风力涡轮机的某一场所的风电厂的平面图；图3是根据本发明的方法实施例的整体过程流程图；图4是图3的其中一个过程步骤的更详细的流程图；图5是图3的其中一个过程步骤的更详细的流程图；图6是图3的流程方面的更详细的流程图；且图7是图3的流程方面的更详细的流程图。
标号列表100涡轮机；102外罩；104塔架；108转子叶片；110旋转轮毂；200风电厂；201中 央控制器；203信号；300风力涡轮机；301海拔等高线；302表面粗糙度线；303禁止区域； 304边界线；305城市或居住地区；400确定约束和禁止区域；402考虑噪声禁止区域；404考 虑地形和地势；406考虑结构、建筑物等；408考虑陆地使用约束；450限定区域；500确定风 力状态；502考虑风速；504考虑风的切变；506考虑气温和气压；508考虑极端风力的可能 性；550对尾流效应建模；600实际风力计算；650单独风力涡轮机的配置和位置计算；652 涡轮机转子的轮毂高度；654考虑最小涡轮机间距；656考虑功率输出；658考虑最大涡轮 机数量；660考虑噪声禁止区域；662考虑成本；664考虑设计负载裕度；700初始涡轮机布 局方案；800最终场所方案设计；802整个电厂能量产出需求；804整个电厂经济模型；806 用户设计准则；808其它设计准则
具体实施例方式现在将详细参考本发明的实施例，图中显示了其一个或多个示例。各个示例是作 为本发明的说明而非本发明的限制而提供的。实际上，本领域中的技术人员应该懂得，在不 脱离本发明的范围或精神的条件下可在本发明中进行各种修改和变化。例如，作为一个实 施例的一部分而被显示或被描述的特征可供另一实施例使用，以产生又一实施例。因而，本 发明将覆盖这种修改和变化，这种修改和变化在权利要求和其等效范围内。如图1中所示，风电厂200包括多个风力涡轮机100。各个涡轮机100通常包括 安装在塔架104顶部上的外罩102的壳体。外罩102通常包括发电机、控制器和其它相关 联的设备。塔架104的高度是基于以下更详细描述的各种因素而选择的，并且可延伸至高 达60米或更高的高度。风力涡轮机100可安装在任何有机会接近具有所需风力条件的区 域的地形上。该地形可能变化很大，并且可包括，但不局限于多山的地形或离岸位置。风力 涡轮机100还包括转子106，其包括一个或多个连接在旋转的轮毂110上的转子叶片108。 本发明所需要的转子叶片108的数量并没有特别的限制。多个风力涡轮机100优选由中央控制器201进行控制和/或监测。信号203可传 递给风力涡轮机100和/或从风力涡轮机100传回，以提供监测数据和/或控制信号。电 厂200中的风力涡轮机100的数量不是受限制的因素，但通常由各种考虑的组合来确定。风 电厂200设置成提供组合的功率输出。参看图2，所示风电厂处于由边界线304界定的风力涡轮机场所300中。场所300 包括设置于其中的多个风力涡轮机100。场所300包括一个或多个不同的区域。在所示的 实施例中，表示出了区域A、B和C。区域A-C可由因素的任何组合来限定，但各个区域通 常表示了场所300中的某一地区，在该地区中多个涡轮机位置会承受共同的风力条件和约 束。各个区域A-C包括设置在各种地形上的多个风力涡轮机100。该地形包括海拔等高线 301，其描绘了在场所300或给定区域中的海拔的变化。表面粗糙度由线302表示，并且代 表地被物和其对相应区域A-C中的风力条件的影响。要考虑的一个重要的地形因素是显著 的房屋或工业建筑的存在，例如附近城市或居住地区305。场所300可包括任何形式的禁止区域303，其可能是出于任何原因都不能使风力 涡轮机定位于其上的湖泊、不稳定的土壤、荒凉的地形、受保护的陆地区域或其它地区。此外场所300可能包括或紧密靠近噪声敏感地区，例如地区305，其可能包括家庭、商业、自然 保护区或其它对于噪声敏感或不能容忍噪声或接近风力涡轮机100的地区。应该懂得包括 噪声敏感地区305在内的禁止区域303可能包括任何对于风力涡轮机100、风力涡轮机结构 (例如塔架104)或相关结构或风电厂的支撑要素(例如进出道路或保护栅栏、候鸟路线、各 种动物栖息地区的还原考虑等等)的存在、风电厂所产生的噪声或任何其它与风电厂存在 相关的因素相对敏感或不能容忍的地区。根据本发明的方面，提供了一种用于确定风电厂场所300中的风力涡轮机布局的 方法，其中多个风力涡轮机100产生组合的功率输出。参照图3的流程图，该方法包括在步 骤400中确定对于电厂场所的任何形式的约束。如上面论述的那样，这种约束可能包括限 定的禁止区域303、噪声敏感地区305和总体来说位于场所300中或其附近的对于风力涡轮 机100的存在是敏感或不能容忍的任何地 区。图4表示用于确定特定电厂场所的约束和禁止区域的步骤400的更详细的流程， 并且展示了在确定这种约束或禁止区域时可能考虑到的因素的非穷尽的列表。例如，步骤 402表示考虑场所300中或其附近的任何噪声禁止区域。步骤404表示考虑场所300中的 可能限制风力涡轮机100的布置或分组的地形和地势约束。步骤406表示考虑可能禁止风 力涡轮机100的布置的结构、建筑物、住所周围等等。步骤408表示考虑场所300中或其附 近的任何形式的土地使用约束。一旦已经确定电厂场所的约束，那么就在步骤450中限定该场所中的至少一个或 多个区域(图3)。如上面参照图2所述，这些不同的区域A、B和C可由因素的任何组合来 限定，其中各个区域总体地表示了该场所300中的某一地区，在该地区中多个涡轮机位置 会承受共同的风力条件和约束。应该懂得，场所300可能只包括一个区域，或者可包括多个 区域，如图2中所示。各个区域A-C包括设置在相应区域的地形和地势上的多个可能的风 力涡轮机位置。在图3的步骤500中，对于各个确定的区域确定风力状态。参看图5，在预测这些 区域中的预期的风力状态时可考虑任何因素。例如，步骤502显示了考虑特定区域中的风 速和风向。步骤504表示考虑相应区域中的风的切变。步骤506表示考虑特定区域的气温 和压力。步骤508表示考虑对于这些区域所确定的极端风力可能性。应该懂得，任何给定 区域或整个场所的风力状态可通过本领域中的技术人员所知并所使用的任何传统方法来 确定，包括使用商业上可获得的软件程序、历史气象数据和任何其它类型的可用于得出场 所300和尤其是不同区域A-C的精确的风力资源评估的工具或信息。应该懂得，图5中所 示的步骤和因素是非穷尽的，而且在确定相应区域中的风力状态时可考虑多个附加因素或 考虑事项。再次参看图3，一旦已经确定特定区域的风力状态，就利用各个区域中的各种涡轮 机位置上的尾流效应对风力状态进行建模。尾流建模算法或程序可用于预测给定区域中的 单独涡轮机所经受的累积的尾流效应。尾流效应是在该区域中的各个所确定的位置累积布 置其它风力涡轮机的结果，并且将影响任何一个相应位置上的风力涡轮机100所经受的实 际的风力条件。尾流效应的初始建模可能基于该区域中的所有涡轮机都具有一致的转子高 度的前提上。尾流建模理论在本领域中是已知且被使用过的，并且包括例如Jensen模型和 Ainslie模型。WindFarmer 包含涡流粘度尾流模型(基于Ainslie模型)，而WindPro 利用Park尾流模型(基于Jensen模型)。在本发明的实践中可使用这些程序或相似程序的 尾流建模函数。一旦已经对尾流效应建模，那么就在图3和图6的步骤600中针对区域中的各个涡轮机位置计算或确定实际的风力。尾流效应应用于所确定的风力状态，以预测相应涡轮 机位置上的实际的风力条件。在图3的步骤650中，一旦计算出相应涡轮机位置上的实际的风力，就在步骤650 中确定该区域中的单独风力涡轮机的配置和位置。在该区域中各个确定的风力涡轮机位置 上，选择风力涡轮机的配置以增强该位置的风力涡轮机的输出。这个过程包括选择涡轮机 轮毂高度，其依据针对该涡轮机位置所预测的实际的风力条件而最大限度地减小特定位置 上的单独风力涡轮机的尾流损失。因为负面的尾流效应是在确定相应的涡轮机位置上的实 际的风力条件时所考虑的因素，所以可选择涡轮机转子轮毂高度，以便最大限度地减小尾 流损失。应该懂得，因为涡轮机轮毂高度是针对区域中的各种涡轮机位置而选择的，所以 在其它位置的实际的风力条件可由于变化的尾流效应而改变。例如，最初可基于一致的转 子轮毂高度而对尾流效应进行建模。随着轮毂高度变化，尾流效应也发生变化。因此，在改 变了一个或多个涡轮机转子轮毂高度之后，可能需要对其它的涡轮机位置的尾流效应进行 建模。这个过程如图3中的箭头655所示。参看图6，应该懂得，可能需要额外考虑多个涡轮机配置因素。例如，如上面论述的 那样，步骤652表示需要选择涡轮机转子轮毂高度，以便最大限度地减小负面尾流效应。步 骤654表示考虑特定区域中的最小涡轮机间距要求。步骤656表示考虑特定区域所需要的 功率输出，其将影响该区域中的涡轮机的尺寸或数量。步骤658表示考虑可定位在任何给 定的区域中的最大涡轮机数量，其可能是步骤654的最小涡轮机间距要求和步骤656的每 个区域的功率输出的一个因素。步骤660表示考虑靠近可能禁止或限制布置特定尺寸或功 率输出的涡轮机的区域的噪声禁止区域。步骤662表示考虑可能影响该区域中的涡轮机的 类型、数量和配置的成本和任何其它经济限制。步骤664表示考虑任何给定的风力涡轮机 的设计负载裕度、以及负载裕度对于满足该区域的功率输出的组合的影响。从图6中应该 懂得，除了涡轮机轮毂高度的选择之外还可考虑最大限度地减小相应涡轮机的最终配置中 的单独风力涡轮机的尾流损失的多个因素或因素的组合。再次参看图3，一旦已经确定所有单独的涡轮机配置，就在步骤700中为场所300 产生初始的风力涡轮机布局方案。这种初始的风力涡轮机布局方案因而将该场所中的各个 区域作为一群单独的涡轮机进行处理，其依据实际的风力条件确定各个涡轮机的配置以最 大限度地增加单独涡轮机的功率输出，包括最大限度地减小负面尾流效应的特定的转子轮
毂高度。在图3和图7的步骤800中，根据本发明的方面而产生的初始的风力涡轮机布局 方案可用作最终的场所方案，或者可用作进一步的过程的基础。例如，这里产生的初始方 案可用作被商业上可获得的程序，例如上面本公开的背景技术部分中所论述的WindPro 、 WindFarmer 或WindFarm 程序所进一步利用的基本方案。进一步的增强可包括在步骤802 中考虑的整体电厂能量产出需求，以及在步骤804中考虑整个电厂经济模型。在步骤806 中可考虑用户设计准则，以及在步骤808中考虑任何其它设计准则。应该懂得，初始风力涡轮机布局方案的进一步增强并不局限于多个准则或准则的组合。
本发明还包含一种风电厂，在该电厂中的风力涡轮机的布置和风力涡轮机的配置 是根据本文所述的方法来实现的。因而在这方面，本发明包含一种图2中所示类型的风电 厂，其中场所300中的至少一个区域是根据本方法进行配置的。虽然已经参照其特定的示范性实施例和方法详细描述了本发明主题，但是应该懂 得，本领域中的技术人员在获得前文的理解下可以很容易对这种实施例做出变更、变化和 等效。因此，本公开的范围是作为示例而非限制而提供的，并且本公开不排除包含本领域中 的普通技术人员容易领会的这些对本主题的变更、变化和/或增加。
权利要求
一种用于确定风电厂(200)中的风力涡轮机布局的方法，其中多个风力涡轮机(100)产生组合的功率输出，所述方法包括确定电厂场所(300)的约束，并且在所述场所中限定至少一个区域(A-C)用于布置多个风力涡轮机(100)；确定所述场所的区域中的风力状态；在所述区域的可能的位置上通过利用相应位置上的尾流效应对风力状态进行建模而确定实际的风力条件，所述尾流效应是由于在所述区域的各种位置上累积布置其它风力涡轮机而引起的；以及依据各个单独位置上的实际的风力条件而选择所述区域中单独风力涡轮机的配置和位置以增强所述单独风力涡轮机的功率输出，所述涡轮机配置的选择包括选择涡轮机轮毂高度，所述选择涡轮机轮毂高度能够依据所述涡轮机位置上的实际风力条件而降低所述单独风力涡轮机的尾流损失。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述场所(300)的约束的步骤包括为 了放置风力涡轮机(100)而考虑在所述场所中限定禁止区域的因素。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述区域(A-C)中的风力状态的步骤 包括对风速、风向、风的切变、风湍流强度、空气密度和气象条件的任何组合的评估。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述区域(A-C)中的风力涡轮机(100)的 数量是依据单独涡轮机之间的最小所需间距、所选择的涡轮机配置的设计负载裕度、针对 所述区域(A-C)的功率输出要求以及成本约束等的任何组合而确定的。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述选择涡轮机配置的步骤还包括选择 转子面积、转子叶片轮廓、转子叶片桨距、涡轮机控制和设计负载裕度的任何组合。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，其特征在于，还包括在选择所述单独 涡轮机的位置和配置之后对所述风力涡轮机布局应用其它的设计准则，以进一步改进电厂 (200)。
7.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，其特征在于，在所述场所(300)中确定 多个不同的区域(A-C)，并且确定所述区域中的风力状态、确定所述涡轮机位置上的实际风 力条件、以及依据各个单独位置的实际风力条件而选择所述区域中的单独风力涡轮机的配 置和位置的步骤是在各个区域中执行的，并且其中，确定实际风力条件的步骤包括对所述 场所的其它区域中的涡轮机所引起的影响相应的不同区域中的实际风力条件的尾流效应 进行建模。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括在后续的电厂增强中利用所选择 的风力涡轮机的位置和配置作为初始的风力涡轮机布局。
9.一种包括电厂场所(300)的风电厂(200)，所述电厂场所(300)包括至少一个区域 (A-C)，所述区域(A-C)在相应的涡轮机位置上具有多个风力涡轮机(100)，所述多个风力 涡轮机(100)配置成用于产生组合的功率输出，并且其中，所述涡轮机位置是根据权利要 求1至5中的任一项所述的方法来确定的。
10.根据权利要求9所述的风电厂(200)，其特征在于，在所述电厂场所中还包括多个 不同的所述区域(A-C)，各个所述区域在相应的涡轮机位置上具有多个风力涡轮机，所述多 个风力涡轮机配置成用于为所述电厂产生组合的功率输出，各个所述区域中的所述风力涡轮机具有依据各个所述涡轮机位置上的实际风力条件而确定的相对于彼此的位置和配置， 所述实际风力条件依据所述场所的风力状态和所述相应的涡轮机位置上的尾流效应，所述 尾流效应是由于在所有所述区域中累积布置其它风力涡轮机而引起的。
全文摘要
本发明涉及用于增强具有多个风力涡轮机的风电厂布局的方法。风电厂中的风力涡轮机的布局和配置包括确定电厂场所的约束(400)，并在该场所中限定至少一个区域用于布置多个风力涡轮机(450)。确定该场所中的该区域中的风力状态(500)。通过在相应的风力涡轮机位置上利用尾流效应对风力状态进行建模(550)可确定该场所中各种可能的风力涡轮机位置上的实际的风力条件(600)。然后在该区域中依据各个单独风力涡轮机位置的实际风力条件而选择区域中的单独风力涡轮机的配置和位置(650)，从而优化单独风力涡轮机的功率输出。
文档编号F03D1/00GK101876289SQ201010175289
公开日2010年11月3日 申请日期2010年4月30日 优先权日2009年4月30日
发明者C·H·贡德林 申请人:通用电气公司