[发明专利]一种考虑尾流效应的风电场布局优化方法

说明书

本发明公开了一种考虑尾流效应的风电场布局优化方法，获取计及尾流效应时风电场中各风电机输入风速，结合构建的发电量之和模型和成本之和模型，构建目标函数，根据预设的与各风电机数量所对应的风电机排布方案，基于遗传算法，应用目标函数获取目标函数值最小的风电机排布方案，将其作为风电场中最优的风电场排布方案。本发明提供的方法简单准确，解决了多重尾流效应下风电场布局的问题。

技术领域

本发明涉及风电领域，具体涉及一种考虑尾流效应的风电场布局优化方法。

背景技术

在现代风电场的设计规划中，往往将几十台风电机组依照一定规律排列。当间距和排列方式不合理时，尾流效应就会大大影响发电效率。风轮后尾流区的产生，是由于气流通过上游的风电机风轮后湍流强度会增加、风速会降低。尾流区的尾流效应主要从两个方面影响风电机组：首先是尾流区风速降低会造成尾流区内风电机组发电量损失。其次是湍流强度的增加，其影响风电机组的疲劳载荷和气动性能。国外研究表明，完全工作在尾流环境中的风电机组效率损失最高能达10％～20％。因此，开展风电场尾流计算方法的研究继而优化风电机排布方式，实现风电机效率最大化具有重要的学术价值和经济效益。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供解决多重尾流效应下风电场布局问题的一种新的优化方法。

技术方案：本发明提供的一种考虑尾流效应的风电场布局优化方法，用于获取目标风电场中风电机的最优排布方案，目标风电场为地形平坦的正方形区域，且目标风电场中的各风电机的风轮尺寸彼此相等，各风电机的发电效率η彼此相等；方法包括如下步骤：

步骤1：基于吹入目标风电场中的自然风速v、风电机的数量N，以及各个风电机的发电效率η，构建目标风电场中各风电机在预设时间段T内的发电量之和模型p_total(v,N,η,T)：

基于风电机的数量N，构建各个风电机的成本之和模型cost(N)：

将各个风电机的成本之和模型cost(N)和各个风电机在预设时间段T内的发电量之和模型p_total(v,N,η,T)的比作为目标函数；

步骤2：以风电场的大小和风电机安装的最小间距为约束条件，获取一组风电机数量，进而获取一组与各风电机数量相对应的预设风电机排布方案；

步骤3：采集吹入目标风电场中的自然风速v，根据各个风电机排布方案，基于遗传算法，应用目标函数获取与各个风电机排布方案所对应的目标函数值，将目标函数值最小的风电机排布方案作为目标风电场中风电机的最优排布方案。

作为本发明的一种优选方案，在步骤1中，所述目标风电场中各风电机在预设时间段T内的发电量之和模型p_total(v,N,η,T)为：

其中，r为风电机的风轮半径，ρ为风电机所处区域的空气密度，v_i为第i个风电机的输入风速，i＝1,2...N；v为不考虑尾流影响时风电机i的输入风速；各风电机的风轮所在平面与吹入目标风电场中的自然风的风向相垂至，β_ki为风电机i的上游的第k个风电机在风电机i处的投影面积A_sh与风电机i的风轮外周构成的圆形区域面积的比值，所述第k个风电机在风电机i处的投影为：风电机i的上游的第k个风电机的各风轮外周构成的圆形区域沿着吹入目标风电场中的自然风的风向在风电机i的风轮所在平面的垂直投影；v_w-ki为第k个风电机的尾流区在第i个风电机处的风速。

作为本发明的一种优选方案，在步骤2中，构建的风电机排布模型为：

目标风电场中电机的数量N的算数平方根为n，n为整数；