專利名稱：平坦地形風力發(fā)電機組優(yōu)化布置方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種風電機組布置技術領域，尤其涉及一種平坦地區(qū)風力發(fā)電機組優(yōu)
化布置方法。
背景技術：
正交實驗法在農業(yè)，電信上的應用特別多，其具有完備的理論基礎，可以節(jié)省大量的人力，物力，時間，取得較優(yōu)的成果。其基本過程為對于一個項目首先選擇若干影響實驗結果的因素，然后對于不同的因素選擇不同的水平來組合，得出相應的實驗結果，通過正交實驗原理對應的數(shù)學分析統(tǒng)計方法，得出一個理論上的各因素最優(yōu)水平的組合。例如對于農業(yè)生產的育種中，光照時間，水分，氮含量，鉀含量，磷含量都是對于其生長極為重要的因素，例如對于5個主要的因素，每個因素選5個值，即通過選擇5種不同的光照時間，5種不同的水分，5種不同的氮含量，5種不同的鉀含量，5種不同的磷含量，然后通過正交實驗方法構成一個正交實驗項目，就會出現(xiàn)25種實驗因素的組合，對這25種組合做實驗，并得出結果，然后通過正交實驗對應的數(shù)學分析方法，得出光照時間，水分，氮含量，鉀含量，磷含量的最優(yōu)值來組合成的就是整個的最優(yōu)方案。比如對于一個5因素，每個因素取5個值，如果計算所有的可能性則需要計算3125種，如果采用正交實驗方法則只需要計算25種，節(jié)約大約99%的工作量。風力發(fā)電機組優(yōu)化布置是指通過一定的方法來實現(xiàn)風力發(fā)電機組如何排布，使其發(fā)電量最大。比如一般情況下山上的風比山下的風要大，那么風力發(fā)電機組放在山上就比山下要發(fā)電量高，該布置方式就比較優(yōu)。而對于在平坦地區(qū)來布置風力發(fā)電機組，由于整個地方風都是一樣大的，施工的費用等基本一致，那么，影響其發(fā)電量，也就是優(yōu)化的結果的因素，就不是海拔的高低，主要就是風力發(fā)電機組相互間的影響，形象的來說就是在前排的風力發(fā)電機組把風擋了一些，后排的接受到的風就小了，這種影響就是通過各個風機所處的相對位置來決定的，平坦地形風力發(fā)電機組優(yōu)化布置方法就是通過一些方法來決定那種風力發(fā)電機組的相對位置是最優(yōu)的，其發(fā)電量是最大的。這種實現(xiàn)過程可以通過完全的列舉法來實現(xiàn)，即計算各種組合的可能性；也可以通過適當人工分析下的實驗方法，即借助數(shù)學統(tǒng)計分析與工程實驗方法來實現(xiàn)。第一種方法較為簡單，但是無法由人工的方法來實現(xiàn)， 只能依靠基于遺傳算法等通過計算機運算來實現(xiàn)，需要大量的工程和時間成本；第二種方法的實現(xiàn)需要借助一些統(tǒng)計分析知識，在工業(yè)應用上有一定的難度，但是可以節(jié)約時間和工程成本。已有的與本發(fā)明最相近似的實現(xiàn)方案就是基于第一種實現(xiàn)形式，即以長時間，利用計算機來尋找各種可能的組合。通常第一步先將一個風機插入到風能資源地圖中發(fā)電量最高的點位。然后再放置一個風機在第二高的點位并考慮排列損失，這時執(zhí)行優(yōu)化過程將一個風機移動使兩臺風機能獲得最大的總發(fā)電量。這個過程將持續(xù)下去直到在給定的限定條件下完成一個區(qū)域布局。這種算法適合于計算機利用大量的資源和時間去尋找足夠多的組合，如果風場內的風機數(shù)量較多的話，組合的可能性將成指數(shù)倍的提高，計算時間將成倍增加。現(xiàn)有技術的主要缺點就是只能通過計算機運算來實現(xiàn)整個過程，不僅需要相當?shù)某杀静焕糜趶V泛應用，而且耗費大量的時間。如果以人工來實現(xiàn)全部組合的可能性，更是不可能實現(xiàn)的。目前也有依靠經驗得出影響排布的幾個因素，來計算有限種這些因素的組合來替代上述的計算機運算過程，但即使這樣把所有的這些可能因素的可能取值計算完成， 其工作量也相當繁重，而且無法真正得出最優(yōu)的組合。而通過本方法提出的新的更全面的影響風力發(fā)電機組的因素，借助正交實驗的方法可以使風力發(fā)電機組布置的形式更加多樣化，更合理，而且可以在節(jié)約近66%的工作量的前提下，快速，準確地得出最優(yōu)的方案。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題，就是在平坦地形的風場中，如何通過提取更全面的影響風力發(fā)電機組布置的主要因素來實現(xiàn)快速的尋找到一種合理的風力發(fā)電機組的相對位置關系。為此，本發(fā)明提出一種平坦地形風力發(fā)電機組優(yōu)化布置方法，其包括步驟Si，獲取風電場原始資料；步驟S2，確定影響風電場風力發(fā)電機組優(yōu)化布置的影響因素及所述影響因素的合理取值范圍；步驟S3，根據(jù)步驟S2確定的影響因素及合理取值范圍構建正交實驗工程并計算相應的電量；步驟S4，對步驟S3得出的正交實驗結果進行相應的分析，確定影響因素的最佳取值；步驟S5，綜合影響因素的最佳取值，得出最優(yōu)的風力發(fā)電機組布置方案。根據(jù)本發(fā)明所提出的方法的一個方面，步驟Sl包括獲取風電場的主導風向，確定風電場的范圍并根據(jù)風電場范圍確定風力發(fā)電機組行列數(shù)，使得風電場范圍內的風力發(fā)電機組數(shù)目多于需要的臺數(shù)。根據(jù)本發(fā)明所提出的方法的一個方面，步驟S2包括確定的影響因素包括排列角、橫向間距比和縱向間距比，其中所述排列角是風力發(fā)電機組縱向排列面與風電場主導風向的夾角；橫向間距比是沿著風電場主導風向上相鄰的兩個縱向排列面垂直間距的比值；縱向間距比是縱向基準間距與緊挨其的兩個橫向排列面間距的比值。根據(jù)本發(fā)明所提出的方法的一個方面，步驟S2還包括，確定排列角、橫向間距比和縱向間距比的合理取值范圍，并從合理取值范圍內為每個因素取多個值。根據(jù)本發(fā)明所提出的方法的一個方面，排列角的取值范圍為-45° 45° ；縱向間距比取值范圍為1. 0 1. 5 ；橫向間距比的取值范圍為0. 5 1. 0。根據(jù)本發(fā)明所提出的方法的一個方面，步驟S3包括根據(jù)為每個因素所取的多個值構建正交實驗表，并計算對應于每個正交實驗條目的電量。根據(jù)本發(fā)明所提出的方法的一個方面，步驟S4所述的分析包括直觀分析，對于得出的發(fā)電量對排列角，橫向間距比，縱向間距比進行直觀分析，分別得出對應于每個因素不同值的影響程度，據(jù)此得出對于單個最優(yōu)因素的組合；交互分析，根據(jù)得出的發(fā)電量對排列角，橫向間距比，縱向間距比兩兩分別分析，得出其影響程度，并和直觀分析出的結果進行比較；方差分析，得出各因素對于水平影響的重要程度。根據(jù)本發(fā)明所提出的方法的一個方面，步驟S5包括確定對于發(fā)電量的計算影響最顯著的各因素的取值組合。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明平坦地區(qū)風力發(fā)電機組優(yōu)化布置方法的流程圖2A和2B示出了風電場和風機排布的示意圖；圖3示出了正交實驗表的示意圖。
具體實施例方式圖1示出了本發(fā)明所提出的方法的流程圖。如圖1所示，本發(fā)明所提出的方法包括步驟Si，獲取風電場原始資料，包括風場范圍，測風資料等；步驟S2，確定三個因素及其合理取值范圍，即適合的水平值；步驟S3，使用正交實驗的方法，構建正交實驗工程并利用專業(yè)軟件進行電量計算；步驟S4，進行相關統(tǒng)計分析，確定各因素的最佳水平；步驟S5，綜合各因素的最佳水平，即可以得出最優(yōu)的布置方案。下面，參考圖2-圖3，對上述步驟做出更具體的介紹。圖2示出了風電場和風機排布的示意圖。在步驟Sl中，首先應獲取已知風電場的風資源情況，得出風電場的主導風向，然后根據(jù)風電場范圍(如圖2中的ABCD)，其長度為 L,高度為D，其中長度定義為風電場順著風電場主導風向的距離(如圖2中的AB、CD)，高度定義為風電場垂直風電場主導風向的距離(如圖2中的AD、BC)，確定風力發(fā)電機組行列數(shù)， 應使風場范圍內的風力發(fā)電機組數(shù)目(即行列交匯點)略多于或等于需要的臺數(shù)。然后， 在步驟S2中選定影響風力發(fā)電機組布置的多個因素，在本發(fā)明的具體實施方式
中，提出了影響風力發(fā)電機組布置的三個因素，分別為排列角α，橫向間距比i，縱向間距比j。下面， 對這三個因素及其合理取值范圍做出具體描述?？v向排列面的起始點為主導風向上，長度的起始點，各縱向排列面依次命名為1， 2，···，!!!。其中m為縱向排列面最大命名號，也相當于縱向排列面的總數(shù)；橫向排列面以高度的中點對稱，如橫向排列面總數(shù)為奇數(shù)，則第一橫向排列面通過中點，沿著中點向外依次命名為2，…，k。其中k為橫向排列面的最大命名號，這時橫向排列面總數(shù)η為業(yè)-1 (如圖2Α所示)。如果橫向排列面數(shù)為偶數(shù)，則第一橫向排列面對稱于中點分布，沿著中點向外依次命名為1，2，…，k。其中k為橫向排列面的最大命名號，這時橫向排列面總數(shù)η為業(yè)(如圖2B所示)。排列角α 風力發(fā)電機組縱向排列面與風電場主導風向的夾角。橫向間距比i 縱向排列面上風電場高度中點處向外相鄰的兩個橫向排列面間距的比例。即i = Da+1/Da，其中當橫向排列面總數(shù)為偶數(shù)時，a= 1 k_l，k為橫向排列面的最大命名號，當a = 1時，Da為第1橫向排列面之間的間距，當a > 1時，Da為第a橫向排列面與第a-Ι橫向排列面之間的間距；其中當橫向排列面總數(shù)為奇數(shù)時，a = 1 k_2，k為橫向排列面的最大命名號，Da為第a橫向排列面與第a+Ι橫向排列面之間的間距。縱向間距比j 橫向排列面上風電場長度方向相鄰的兩個縱向排列面間距的比例。即j = LbVLb,其中b = 1 m-l，m為縱向排列面的最大命名號，即縱向排列面的總數(shù)， Lb為第b縱向排列面與第b+Ι縱向排列面之間的間距。對于每個因素分別取3個水平值，所述水平值的取值范圍為α的取值范圍為-45° 45°。i = 0.5 1.0。j = 1.0 1.5。本文中符號“ ”表示的范圍包含了端值。
L1的定義其為風電場長度方向上第一和第二個縱向排列面的間距，L1 = L/ (1+j+j2+…+jm_2)m為縱向排列面的最大命名號。D1的定義其為風電場高度方向上第一和第二橫向排列面的間距(當橫向排列面總數(shù)為奇數(shù)時)或第一橫向排列面之間的間距(當橫向排列面總數(shù)為偶數(shù)時)，D1 = D/2(l+i+i2+…+ik_2)當橫向排列面總數(shù)為奇數(shù)時D1 = D/2(0. 5+i+i2+…+Ρ—1)當橫向排列面總數(shù)為偶數(shù)時k為橫向排列面的最大命名號。下面執(zhí)行步驟S3，根據(jù)步驟2選定的各個因素及其合理取值范圍構建正交實驗工程并利用專業(yè)軟件進行電量計算。構建出的正交實驗表如圖3所示，并使用本領域所公知的風電場電量計算軟件計算出與該表的各個條目相對應的發(fā)電量。接下來，執(zhí)行步驟S4,對正交實驗表進行數(shù)據(jù)分析，該分析過程為通用的正交實驗數(shù)據(jù)分析過程，共包括三個方面1 直觀分析對于得出的發(fā)電量對排列角α，橫向間距比i，縱向間距比j這3個因素進行直觀分析，分別得出對應于每個因素不同水平的影響程度，據(jù)此可以得出對于單個最優(yōu)因素的組合。2 交互分析交互分析就是為了分析兩個因素的組合的效果，因為可能會有單個的因素的水平不是最優(yōu)的，但是兩個因素的兩個水平的組合會效果更好。根據(jù)得出的發(fā)電量對排列角α， 橫向間距比i，縱向間距比j這3個因素兩兩分別分析，得出其影響程度，并和直觀分析出的結果進行比較。3 方差分析由于各個因素對于結果都有影響，根據(jù)以上的分析結果，只能得出對應于一個因素的不同水平的先后影響順序，通過方差分析則可得出各因素對于各水平影響的重要程度。最后，執(zhí)行步驟S5，綜合各因素的最佳水平，得出最優(yōu)布置方案。綜合上述過程則可以確定對于發(fā)電量的計算影響最顯著的各因素的水平組合(α，i，j)就是優(yōu)化的最終結果。
例如對于一個L = 2500m, D = 1500m的風場，擬排列4排_4列共16臺2000KW的風力發(fā)電機組，根據(jù)上述原則，選擇上述3因素每個因素選擇3不同水平，因素與水平如表 1所示，應用附圖3中的正交實驗表，構建本項目的正交實驗表如表2，應用上述的公式計算的各參數(shù)如表3所示。根據(jù)專業(yè)軟件WASP，輸入風資源，地形圖和各實驗方案得出的風機坐標值，計算的結果如表4所示，對于風電場的發(fā)電量可以有不同的表示方法，本次采用的值為滿小時等效發(fā)電小時數(shù)(h)，其值越大，代表風電場的發(fā)電量越大，其為風力發(fā)電行業(yè)通用的一種表示值。表5為各因素直觀分析結果，通過分析可知對于排列角0，對水平1， 其值為2658. 667，對于水平2，2645. 667，對于水平3，其值為2645. 000則效果最好的是水平1，其直觀分析的結果最大，依次為水平2，水平3。同理對于橫向間距比i，效果最好的是水平1，對于縱向間距比j，效果最好的是水平1。則通過直觀分析最好的組合是排列角α =-22. 5°，縱向間距比j = 1，橫向間距比i = 0. 5。
進一步分析，各因素間的交互作用，對于排列角α與橫向間距比i，交互作用最明顯的是排列角α水平1與橫向間距比i水平1，且其效果大于各單因素值(即直觀分析中的值)。類似的，對于排列角α與縱向間距比j，交互作用最明顯的是排列角α水平1與縱向間距比j水平1 ；對于橫向間距比i與縱向間距比j，交互作用最明顯的是橫向間距比 i水平1與縱向間距比j水平1。通過交互分析分析最好的組合是排列角α = -22. 5°，縱向間距比j = 1，橫向間距比i = 0. 5。對各因素進行方差分析，排列角α對于結果的影響是較明顯，其余因素的影響效果不大。則進一步優(yōu)化時對于排列角α應更細化處理，取更多的值來驗算。通過以上分析，對于本案例，最優(yōu)的方案為排列角α = -22. 5°，縱向間距比j = 1，橫向間距比i = 0. 5。將本方案進一步用專業(yè)發(fā)電量軟件WASP，驗算，其發(fā)電量在所有方案中是最高，也就是實驗1的結果。表1不同參數(shù)的不同水平
權利要求
1.一種平坦地形風力發(fā)電機組優(yōu)化布置方法，其特征在于，該方法包括 步驟Si，獲取風電場原始資料；步驟S2，確定影響風電場風力發(fā)電機組優(yōu)化布置的影響因素及所述影響因素的合理取值范圍；步驟S3，根據(jù)步驟S2確定的影響因素及合理取值范圍構建正交實驗工程并計算相應的電量；步驟S4，對步驟S3得出的正交實驗結果進行相應的分析，確定影響因素的最佳取值； 步驟S5，綜合影響因素的最佳取值，得出最優(yōu)的風力發(fā)電機組布置方案。
2.根據(jù)權利要求1的方法，其特征在于步驟Sl包括獲取風電場的主導風向，確定風電場的范圍并根據(jù)風電場范圍確定風力發(fā)電機組行列數(shù)，使得風電場范圍內的風力發(fā)電機組數(shù)目多于或等于需要的臺數(shù)。
3.根據(jù)權利要求2的方法，其特征在于步驟S2包括確定的影響因素包括排列角、橫向間距比和縱向間距比，其中所述排列角是風力發(fā)電機組縱向排列面與風電場主導風向的夾角；橫向間距比是縱向排列面上風電場高度中點處向外相鄰的兩個橫向排列面間距的比例。縱向間距比是橫向排列面上風電場長度方向相鄰的兩個縱向排列面間距的比例。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于，其中步驟S2還包括，確定排列角、橫向間距比和縱向間距比的合理取值范圍，并從合理取值范圍內為每個因素取多個值。
5.根據(jù)權利要求4的方法，其特征在于，其中 排列角的取值范圍為-45° 45° ；橫向間距比取值范圍為0. 5 1. 0 ； 縱向間距比的取值范圍為1. 0 1. 5。
6.根據(jù)權利要求4的方法，其特征在于步驟S3包括根據(jù)為每個因素所取的多個值構建正交實驗表，并計算對應于每個正交實驗條目的電量。
7.根據(jù)權利要求5的方法，其特征在于 步驟S4所述的分析包括直觀分析，對于得出的發(fā)電量對排列角，橫向間距比，縱向間距比進行直觀分析，分別得出對應于每個因素不同值的影響程度，據(jù)此得出對于單個最優(yōu)因素的組合；交互分析，根據(jù)得出的發(fā)電量對排列角，橫向間距比，縱向間距比兩兩分別分析，得出其影響程度，并和直觀分析出的結果進行比較；方差分析，得出各因素對于水平影響的重要程度。
8.根據(jù)權利要求6的方法，其特征在于步驟S5包括確定對于發(fā)電量的計算影響最顯著的各因素的取值組合。
全文摘要
提出了一種平坦地區(qū)風力發(fā)電機組優(yōu)化布置方法，屬于風電機組布置技術領域，所述方法包括獲取風電場原始資料；確定影響風電場風力發(fā)電機組優(yōu)化布置的影響因素及所述影響因素的合理取值范圍；根據(jù)確定的影響因素及合理取值范圍構建正交實驗工程并計算相應的電量；對得出的正交實驗結果進行相應的分析，確定影響因素的最佳取值；綜合影響因素的最佳取值，得出最優(yōu)的風力發(fā)電機組布置方案。本方法解決了如何快速尋找到合理的風力發(fā)電機組的相對位置關系的技術問題。
文檔編號G06F17/50GK102289538SQ201110180419
公開日2011年12月21日 申請日期2011年6月30日 優(yōu)先權日2011年6月30日
發(fā)明者姜世平, 孫少軍, 孫立新, 彭懷午, 杜燕軍, 韓曉亮 申請人:內蒙古電力勘測設計院