[发明专利]基于尾流场优化控制的多台风机阵列年发电量提升方法

权利要求书

1.基于尾流场优化控制的多台风机阵列年发电量提升方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1，采集风场阵列第一台风机的入流风速、入流风向与偏航误差角度，采集第一台风机下游各台风机的双光束激光雷达左、右测风点测量的风速值，确定风场中风机之间的间距与方位角度；

步骤2，根据二维Jensen模型及第一台和第二台风机之间的间距与方位角度，计算第二台风机雷达的测风点所处截面位置在第一台风机尾流区的尾流半径；

步骤3，判断第二台风机雷达的测风点在第一台风机尾流区的位置，是两处测风点均处于自然风速区，是一处测风点处于第一台风机尾流区且另一处测风点处于自然风速区，还是两处测风点均处于第一台风机尾流区，并且判断第二台风机处于第一台风机的尾流中心轴线的左侧还是右侧；

步骤4，根据第二台风机雷达的测风点在第一台风机尾流区的位置，计算第二台风机雷达左、右测风点测量风速的补偿系数，计算补偿后的第二台风机的偏航误差角度；

步骤5，基于步骤2-4的方法，结合补偿后的第二台风机偏航误差角度，计算第三台风机补偿后的偏航误差角度，之后再计算第四台风机补偿后的偏航误差角度，依次重复，直到计算出风场阵列所有风机补偿后的偏航误差角度；

步骤6，设置各台风机的主动偏航角，计算各台风机的风轮平面所处截面位置在不同上游风机尾流区的尾流半径，并且判断风机的风轮平面在不同上游风机尾流区的位置，是完全处于自然风速区，是部分处于尾流区，还是完全处于尾流区；

步骤7，根据各台风机的风轮平面在不同上游风机尾流区的位置，计算风机在不同上游风机尾流区的平均风速；

步骤8，考虑尾流叠加效应，计算各台风机风轮平面的等效入流风速，进一步计算风机阵列的功率输出之和；

步骤9，使用遗传算法，实时计算风机阵列功率之和最大时对应的各台风机的主动偏航角，并使用计算所得的风机主动偏航角去优化控制风机的偏航状态；

步骤2中，根据二维Jensen模型及第一台和第二台风机之间的间距与方位角度，计算第二台风机雷达的测风点所处截面位置在第一台风机尾流区的尾流半径，具体方法为：

定义第一、二台风机连线与第一台风机尾流中心轴线的夹角θ_l，12为：

θ_l，12＝0.3C_T·β₁+θ_FWT，12-θ_x

式中，θ_x为入流风向角，θ_FWT，12为第一台风机相对于第二台风机所在的方位角，β₁为第一台风机的偏航误差角度，C_T为风机升力系数；

定义第二台风机雷达测风点所在截面与第一台风机的垂直距离为L_l，12，计算公式为：

L_l，12＝Ld₁₂cos(θ_l，12)-z₀cos(α)

式中，Ld₁₂为第一、二台风机的机舱连线距离，z₀为风机雷达的测风点与雷达的距离，α为风机雷达激光束与风机中轴线的夹角；

第二台风机雷达测风点所处截面位置的尾流半径R_l，12计算公式为：

R_l，12＝kL_l，12+r₀

式中，k为尾流衰减系数，r₀为风机的风轮半径；

步骤4中，根据第二台风机雷达的测风点在第一台风机尾流区的位置，计算第二台风机雷达左、右测风点测量风速的补偿系数，计算补偿后的第二台风机的偏航误差角度，具体方法为：(1)若第二台风机处于第一台风机尾流中心轴线左侧，且雷达左测风点处于自然风速区、右测风点处于第一台风机尾流区，则右测风点风速补偿系数C_rw，12为：

式中，C_T为风机升力系数，k为尾流衰减系数，r₀为风机的风轮半径，L_l，12为第二台风机雷达测风点所在截面与第一台风机的垂直距离，r_rk，12为右测风点所处位置与第一台风机尾流平面中心线的垂直距离，计算公式为：

r_rk，12＝Ld₁₂sin(θ_l，12)＝z₀sin(α)

式中，Ld₁₂为第一、二台风机的机舱连线距离，θ_l，12为第一、二台风机连线与第一台风机尾流中心轴线的夹角，z₀为风机雷达测风点与雷达的距离，α为风机雷达激光束与风机中轴线的夹角；

补偿后的第二台风机雷达左、右测风点测量的风速值V_a，V_b分别为：

V_a＝V_los1

V_b＝V_los2/C_rw，12

式中，V_los1，V_los2分别为第二台风机雷达左右测风点的实际测量风速值；

(2)若第二台风机处于第一台风机尾流中心轴线右侧，且雷达左测风点处于第一台风机尾流区、右测风点处于自然风速区，则左测风点风速补偿系数C_lw，12为：

式中，r_lk，12为左测风点所处位置与第一台风机尾流平面中心线的垂直距离，计算公式为：

r_lk，12＝Ld₁₂sin(θ_l，12)-z₀sin(α)

补偿后的第二台风机雷达左、右测风点测量的风速值V_a，V_b分别为：

V_a＝V_los1/C_lw，12

V_b＝V_los2

(3)若第二台风机处于第一台风机尾流中心轴线左侧且雷达左右测风点均处于第一台风机尾流区，则左右测风点风速补偿系数C_lw，12，C_rw，12分别为：

式中，r_lk，12与r_rk，12分别为左、右测风点所处位置与第一台风机尾流平面中心线的垂直距离，计算公式为：

r_lk，12＝Ld₁₂sin(θ_l，12)+z₀sin(α)

r_rk，12＝|Ld₁₂sin(θ_l，12)-z₀sin(α)|

补偿后的第二台风机雷达左、右测风点测量的风速值V_a，V_b分别为：

V_a＝V_los1/C_lw，12

V_b＝V_los2/C_rw，12

(4)若第二台风机处于第一台尾流中心轴线右侧且雷达左右测风点均处于第一台风机尾流区，则左右测风点风速补偿系数C_lw，12，C_rw，12分别为：

式中，r_lk，12与r_rk，12分别为左、存测风点所处位置与第一台风机尾流平面中心线的垂直距离，计算公式为：

r_lk，12＝|Ld₁₂sin(θ_l，12)-z₀sin(α)|

r_rk，12＝Ld₁₂sin(θ_l，12)+z₀sin(α)

补偿后的第二台风机雷达左、右测风点测量的风速值V_a，V_b分别为：

V_a＝V_los1/C_lw，12

V_b＝V_los2/C_rw，12

(5)若第二台风机雷达左右测风点均处于自然风速区，补偿后的第二台风机雷达左、右测风点测量的风速值V_a，V_b分别为：

V_a＝V_los1

V_b＝V_los2

根据补偿后的第二台风机雷达左、右测风点测量的风速值，计算补偿后的第二台风机的偏航误差角度，具体公式为：

步骤6中，设置各台风机的主动偏航角，计算各台风机的风轮平面所处截面位置在不同上游风机尾流区的尾流半径，并且判断风机的风轮平面在不同上游风机尾流区的位置，是完全处于自然风速区，是部分处于尾流区，还是完全处于尾流区，具体方法为：

取风机阵列某台风机编号为i，其下游某台风机编号为j，定义第i、j台风机连线与第j台风机尾流中心轴线的夹角θ_l，ij为：

θ_l，ij＝0.3C_T·β_set，i+θ_FWT，ij-θ_x

式中，θ_x为入流风向角，θ_FWT，ij为风机i相对于风机j所在的方位角，β_set，i为风机i的主动偏航角度，C_T为风机升力系数；

定义下游风机j风轮平面在垂直于风机i尾流中心线上的投影与其上游风机i的垂直距离为L_w，ij，计算公式为：

L_w，ij＝Ld_ijcos(θ_l，ij)

式中，Ld_ij为风机i、j的机舱连线距离；

下游风机j风轮平面投影所处截面位置相对于风机i的尾流半径R_w，ij计算公式为：

R_w，ij＝kL_w，ij+r₀

式中，k为尾流衰减系数，r₀为风机的风轮半径；

若Ld_ijsin(θ_l，ij)-r_p，ij＞R_w，ij，则下游风机j风轮平面完全处于自然风速区；

若Ld_ijsin(θ_l，ij)-r_p，ij≤R_w，ijLd_ijsin(θ_l，ij)+r_p，ij＞R_w，ij，则下游风机j风轮平面部分处于风机i的尾流区；

若Ld_ijsin(θ_l，ij)-r_p，ij≤R_w，ijLd_ijsin(θ_l，ij)+r_p，ij≤R_w，ij，则下游风机j风轮平面完全处于风机i的尾流区；

其中，r_p，ij为风机j风轮半径在垂直于风机i尾流中心线上的投影长度，计算公式为：

r_p，ij＝r₀cos(0.3C_T·β_set，i+β_set，j)

其中，β_set，j为第j台风机的主动偏航角度；

步骤7中，根据各台风机的风轮平面在不同上游风机尾流区的位置，计算风机在不同上游风机尾流区的平均风速，具体方法为：

(1)若下游风机j风轮平面完全处于自然风速区，则下游风机j风轮平面没有尾流速度亏损；

(2)若下游风机j风轮平面部分处于风机i尾流区，则下游风机风轮平面投影处于尾流区的面积S_ij为：

其中，R_w，ij为下游风机j风轮平面投影所处截面位置相对于风机i的尾流半径，r_p，ij为风机j风轮半径在垂直于风机i尾流中心线上的投影长度；

令O₁，O₂为下游风机j风轮平面处的尾流中心和下游风机j风轮中心，将下游风机j在垂直于风机i尾流中心线上的投影近似的看成圆形，B为下游风机j风轮平面处的尾流区域边缘与下游风机i风轮投影边缘的任意一个交点，θ₁为连线O₁O₂与连线O₁B的夹角，θ₂为连线O₁O₂与连线O₂B的夹角，计算公式为：

其中，L_R，ij为下游风机j中心距离上游风机i尾流中心线的垂直距离：

L_R，ij＝Ld_ijsin(θ_l，ij)

其中，Ld_ij为第i、j台风机的机舱连线距离，θ_l，ij为第i、j台风机连线与上游风机i尾流中心轴线的夹角；

风机j风轮面积为：

S_j＝πr₀²

其中，r₀为风机风轮半径；

风轮在垂直风机i的尾流中心线上的投影面积为：

S_p，ij＝πr_p，ij²

其中，r_p，ij为风机j风轮半径在垂直于风机i尾流中心线上的投影长度；

尾流区的风速u_r，ij计算公式为：

式中，C_T为风机升力系数，k为尾流衰减系数，r₀为风机的风轮半径，L_w，ij为下游风机j风轮平面在垂直于风机i尾流中心线上的投影与其上游风机i的垂直距离，r_ij为下游风机i风轮平面任意一点与风机i尾流平面中心线的垂直距离，u_i为上游风机i的入流风速；

下游风机j在风机i尾流区的平均风速计算公式为：

其中，r为尾流区某点到尾流中心线的垂直距离；a，b为积分上下限，取值为：

a＝L_R，ij-r_p，ij

b＝R_w，ij

(3)若下游风机j风轮平面完全处于风机i尾流区，则下游风机j在风机i尾流区的平均风速：

其中，

步骤8中，考虑尾流叠加效应，计算各台风机风轮平面的等效入流风速，进一步计算风机阵列的功率输出之和，具体方法为：

考虑尾流叠加效应，风机j的等效入流风速u_j计算公式为：

其中，u₀为第一台风机的入流风速，为下游风机j在风机i尾流区的平均风速，u_i为上游风机i的等效入流风速，N为风机阵列中风机的台数；

λ_ij为下游风机j风轮受上游机组i尾流影响的面积占风轮扫掠面的比值，计算公式为：

其中，S_ij为下游风机风轮平面投影处于尾流区的面积，S_p，ij为风轮在垂直风机i的尾流中心线上的投影面积；

风机j的功率输出值计算公式为：

其中，ρ为空气密度，S_j为风机j的风轮面积，C_p为风机功率利用系数，u_j为风机j的等效入流风速，β_set，j为下游风机j的主动偏航角度；

风机阵列的功率输出之和P_farm：

步骤9中，使用算法实时计算风机阵列功率之和最大时对应的各台风机的主动偏航角，并使用计算所得的风机主动偏航角去优化控制风机的偏航状态，具体方法为：

以风机阵列的功率输出之和P_farm作为优化单目标函数，并利用遗传算法对上述单目标函数进行优化求解，优化过程为：

1)设置群体规模、交叉概率、变异概率，进化终止代数，设置各台风机主动偏航角度的取值范围，并进行染色体编码；

2)将转化后的单目标函数作为遗传算法的适应度函数，计算染色体适应度函数值；

遗传算法的适应度函数Fit(x)为：

Fit(x)＝-P_farm

其中，P_farm为风机阵列的功率输出之和；

3)染色体交叉变异，在交叉变异前，对各子代适应度进行排序，保留适应度最小的两个子代不进行交叉变异操作，其中，交叉采用单点交叉，变异也采用单点变异；

3.1)对各台风机主动偏航角度在取值范围内随机赋值，生成初始种群；

3.2)调整染色体种群为可行解；

3.3)计算染色体适应度值并记录适应度值最小的个体；

3.4)判断是否达到进化终止代数，如是则计算结束，如否则进行下一步；

3.5)对染色体进行选择、交叉和变异操作，并返回3.2)；

4)计算结束后，解码输出各台风机适应度值最小时对应的各台风机的主动偏航角；

根据遗传算法实时求解不同入流风向下，风机阵列功率之和最大时对应的各台风机的主动偏航角；

将计算所得的各台风机主动偏航角度与补偿后的各台风机雷达测量偏航误差角进行比较，根据风机主动偏航角度与补偿后的各台风机偏航误差角的差值，优化控制各台风机的偏航状态，以获得风电场功率输出之和的最大值。