[發明專利]風電場風機葉片選型優化方法

在審

• 申請號: 201611040673.5
• 申請日: 2016-11-23
• 公開（公告）號: CN106599386A
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發明（設計）人: 黃玲玲;湯華;符楊;劉陽;張開華;張智偉
• 申請（專利權）人: 上海電力學院
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G06Q50/06
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司31001
• 代理人: 吳寶根

1.一種風電場風機葉片選型優化方法，其特征在于，具體包括如下步驟：

1)將整個風電場N臺機組的葉片長度組合作為一個個體，隨機產生由個體形成初始種群,以度電成本最低作為個體適應度，計算種群中每個個體的適應度；計算個體適應度具體步驟為：

A:首先讀取各個風機機組位置坐標，運用威布爾分布得到N個風速、風向序列；

B:讀取其中一個風速、風向序列，

B1)通過直角坐標與極坐標變換求得風機的相對位置關系，以風機給定坐標所在坐標系為初始X、Y軸，以坐標原點為為極點，x軸的正半軸為極軸，建立極坐標系，x_ij為上下游風機機組之間沿垂直于風向方向的距離，d_ij是上下游風機機組之間沿風向方向距離，設第一上游風機機組直角坐標為(x_i，y_i)，極坐標為(ρ_i，θ_i)；第二下游風機機組直角坐標為(x_j，y_j)，極坐標為(ρ_j,θ_j)，α為風向與Y軸夾角，下面為極坐標變為直角坐標，則x_ij、d_ij表示為：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{ij}^{\′}=\sqrt{x_i^2+y_i^2}cos({\tan }^{-1}\frac{y_i}{x_i}+\mathrm{\α})-\sqrt{x_j^2+y_j^2}cos({\tan }^{-1}\frac{y_j}{x_j}+\mathrm{\α})\\ d_{ij}^{\′}=\sqrt{x_i^2+y_i^2}sin({\tan }^{-1}\frac{y_i}{x_i}+\mathrm{\α})-\sqrt{x_j^2+y_j^2}sin({\tan }^{-1}\frac{y_j}{x_j}+\mathrm{\α})\end{array}\right.$

通過令坐標軸隨著風向的改變而變化的方式，機組的相對位置固定表示，從而計算尾流；

B2)根據尾流效應公式計算各個風機機組處的風速，風速計算如下：

下游風機風速v_j計算公式如下：

$v_j=v_i\[1-\left(1-\sqrt{1-C_T}\right){\left(\frac{h_i}{h_j}\right)}^{2\mathrm{\α}}{\left(\frac{r_i}{r_d}\right)}^2\left(\frac{A_s}{A_j}\right)\]{\left(\frac{h_j}{h_i}\right)}^{\mathrm{\α}}$

式中：設上游風機機組初始風速為v_i,上游風機機組與下游風機機組葉片半徑分別為r_i、r_j，上游風機機組與下游風機機組輪轂高度分別為h_i、h_j，C_T為風機的推力系數；A_s為為上游風機機組尾流效應對下游風機機組掃風區域的遮擋面積；A_j為下游風機掃風面積；

多個上游機組對下游機組的共同影響等效風速為：

$v_{eq}=v_0\sqrt{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{(1-\frac{v_j}{v_0})}^2}$

式中：v₀為未經尾流效應影響的風速；v_j為單臺風機影響下處的風速；N為上游共同影響風機機組總臺數；

B3)利用插值法得到各個風機機組的實際功率輸出；

B4)由風玫瑰圖得到n風向，由威布爾分布得到m個風速，再利用全壽命周期發電量模型得到風電場有功出力，全壽命周期中風電場有功出力計算公式如下：

$P_{total}=k\underset{\mathrm{\α}={\mathrm{\α}}_1}{\overset{{\mathrm{\α}}_n}{\Σ}}\left(\underset{v=v_1}{\overset{v_m}{\Σ}}\right(\underset{i=1}{\overset{N_{WT}}{\Σ}}{P}_w\·t\left(v\right))\·p(\mathrm{\α}\left)\right)$

式中：k為全壽命周期年限；α為風向與Y軸夾角，Y軸為風機給定坐標所在坐標系縱軸；v為風速；N_WT為機組臺數；P_w為一臺機組在特定風速及風向下有功出力；t(v)為一年中風速為v的小時數；p(α)為風向為α的概率；

C:然后再選擇另一個風速、風向序列，重復步驟B，直到N個風速、風向序列的實際功率輸出都計算結束；

D：計算此葉片組合下風電場總成本，得到度電成本，即適應度值；

2)將計算完個體適應度的種群進行精英選擇運算、交叉運算、變異運算后，進行數次迭代后得到最優解，即為風電場風機葉片最優選型。

2.根據權利要求1所述風電場風機葉片選型優化方法，其特征在于，所述B2)步驟中的上游風機尾流效應對下游風機掃風區域的遮擋面積為：

$\begin{array}{c}{A}_s=r_d^2\arccos \left(\frac{r_d^2+x_{ij}^2+{\mathrm{\Δh}}^2-r_j^2}{2r_d\sqrt{{\mathrm{\Δh}}^2+x_{ij}^2}}\right)+r_j^2\arccos \left(\frac{r_j^2+x_{ij}^2+{\mathrm{\Δh}}^2-r_d^2}{2r_j\sqrt{{\mathrm{\Δh}}^2+x_{ij}^2}}\right)\\ -r_d\sqrt{{\mathrm{\Δh}}^2+x_{ij}^2}\·\sin \left(\arccos \right(\frac{r_d^2+x_{ij}^2+{\mathrm{\Δh}}^2-r_j^2}{2r_d\sqrt{{\mathrm{\Δh}}^2+x_{ij}^2}}\left)\right)\end{array}$

其中Δh為上下游風機機組之間輪轂高度差,上游風機到下游風機處的尾流半徑r_d為：

r_d＝r_i+k_wd_ij

式中：k_w是尾流下降系數，它與風的湍流強度成正比。