[發明專利]一種考慮電纜布局的海上風電場布局優化方法

在審

• 申請號: 202011054331.5
• 申請日: 2020-09-30
• 公開（公告）號: CN112307682A
• 公開（公告）日: 2021-02-02
• 發明（設計）人: 宋翌蕾;吳齊峰;田琳琳;趙寧
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06Q10/04;G06Q50/06;G06F111/04;G06F111/10;G06F113/06;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 王磊

本發明公開了一種考慮電纜布局的海上風電場布局優化方法，包括：步驟1，對各種風向和風速分布下的風電場進行數值模擬，獲得流場的信息并計算風電場年發電量；步驟2，通過離散伴隨方法計算風電場年發電量相對于風力機坐標的梯度；步驟3，通過求解OPVRP得到電纜長度最短的風電場電纜連接布局，并求得電纜長度相對于風力機坐標的梯度；步驟4，獲得步驟2和步驟3的梯度信息后，采用SLSQP優化算法更新風力機坐標；步驟5，重復步驟1到步驟4直至收斂獲得局部最優解。本發明通過兼顧電纜連接布局進行海上風電場布局優化，最終得到的風力機布局既能有效控制風電場建設初期電纜費用的總支出，又能保障后期風電場年發電總量需求，實現經濟利益最大化的目標。

技術領域

本發明屬于風力發電技術領域，具體涉及一種考慮電纜布局的海上風電場布局優化方法。

背景技術

風力機尾流效應會引起下游風速降低、湍流強度增加、風切變加劇等現象。風速減小使得下游機組的輸出功率降低，強湍流和附加的風剪切也會影響下游機組的疲勞載荷、結構性能和使用壽命。對于規模有限的風電場而言，其中的風力機不可避免地處于周圍機組的尾流之中運行，尾流效應成為風電場布局優化時應考慮的重要因素。

在風電場布局設計優化過程中，隨著風力機數目的增加，設計變量和約束條件也會相應的增加，這會降低優化算法的效率。人們通常采用非基于梯度的優化算法，例如遺傳算法、粒子群法等算法來求解風電場布局優化問題，但是這類算法難以應對設計變量較多以及帶有非線性約束的優化問題，它們調用流場計算程序的次數也會隨著設計變量數目的增加成幾何級數增長。

隨著風力發電市場規模的逐步擴大，新規劃的風電場通常超過100臺風力機，意味著風電場布局優化問題的設計變量超過200個并帶有數千個非線性約束。相比而言，基于梯度的優化算法可以應對這種設計變量和約束規模較大的優化問題。

對于海上風電場，設計人員通過調整風力機的位置可以使整個風電場年發電量達到最大，進而獲得最大的經濟回報。但在風電場整個生命周期中，前期的建設投資成本與風力機的位置也有很大的關系，例如電纜成本、電纜鋪設費用、風力機安裝、設備租賃費用等等，其中與電纜相關的費用占據一定的比重。

為了進一步獲得更大的經濟效益，必須降低風電場的初期投資成本，所以需要同時考慮整個風電場的電纜布局，盡量降低連接風力機到變電站所需電纜的長度，進而節約其成本。這樣最終使得海上風電場在獲得最大發電量的同時也降低了投資成本，能夠進一步提高風電場的經濟效益。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，提供一種考慮電纜布局的海上風電場布局優化方法，同時考慮電纜布局與風電場年發電量兩種優化目標，對電纜長度最小化以及風電場年發電量最大化進行多目標優化，獲得局部最優的風電場布局，可用于指導海上風電場的布局設計，從而使風電場經濟效益最大化。

為實現上述技術目的，本發明采取的技術方案為：

一種考慮電纜布局的海上風電場布局優化方法，其特征在于，包括：

步驟1，對各種風向和風速分布下的風電場進行數值模擬，獲得流場的信息并計算風電場年發電量；

步驟2，通過離散伴隨方法計算風電場年發電量P相對于風力機坐標m的梯度；

步驟3，通過求解開放式平面車輛路徑問題(Open Planar Vehicle RoutingProblem，OPVRP)來得到電纜長度最短的風電場電纜連接布局，并通過自動微分技術求得電纜長度相對于風力機坐標的梯度；

步驟4，獲得步驟2和步驟3的梯度信息后，采用最小二乘序列二次規劃(Sequential Least Squares Quadratic Programming,SLSQP)優化算法，更新風力機坐標；

步驟5，重復步驟1到步驟4直至收斂獲得局部最優解。