本發(fā)明涉及一種風(fēng)電場發(fā)電技術(shù)，尤其是涉及一種提高風(fēng)電場發(fā)電效益的小風(fēng)機規(guī)劃方法。
背景技術(shù)：
：由于國際能源危機、環(huán)境問題的加劇惡化，風(fēng)電正在主導(dǎo)擺脫對化石燃料的依賴。全球風(fēng)電市場正在擴大，2016年將有更多不同的地區(qū)引進風(fēng)電。2015年新增風(fēng)電的國家中，中國增加3050萬千瓦，位居首位。在國家“十三五”風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃中，著重明確推進“中東部”開發(fā)戰(zhàn)略。根據(jù)國家發(fā)展改革委關(guān)于完善陸上風(fēng)電光伏發(fā)電上網(wǎng)標(biāo)桿電價政策的通知(發(fā)改價格[2015]3044號)，至2018年Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類資源區(qū)陸上風(fēng)電標(biāo)桿上網(wǎng)電價將分別由2016年的0.47、0.50、0.54、0.60下調(diào)至0.44、0.47、0.51、0.58。在這個前提下，在中東部風(fēng)電場內(nèi)增設(shè)小風(fēng)機可提高上網(wǎng)電量，進而可規(guī)避風(fēng)電業(yè)主投資風(fēng)險。因此，對已建成投運的風(fēng)電場增設(shè)小風(fēng)機，對完成“十三五”新能源并網(wǎng)規(guī)劃和提高風(fēng)電場收益顯得尤為關(guān)鍵。目前風(fēng)電場在提高發(fā)電效益方面主要采用的有單機最大風(fēng)能捕獲方案，陳家偉等人在中國電機工程學(xué)報上發(fā)表了提名為：變速風(fēng)力發(fā)電機組恒帶寬最大功率跟蹤控制策略的文章，提出了改進的功率反饋MPPT控制策略，使單個機組最大限度捕獲風(fēng)能。王俊等人在電力系統(tǒng)自動化上發(fā)表題為：基于尾流效應(yīng)的海上風(fēng)電場有功出力優(yōu)化的文章，提出了協(xié)調(diào)各機組捕獲的風(fēng)能，從而調(diào)節(jié)風(fēng)電場內(nèi)尾流分布，改善機組間氣動耦合，優(yōu)化風(fēng)電場有功出力效率。徐仕昱在其華北電力大學(xué)碩士畢業(yè)論文中提出，提高風(fēng)功率預(yù)測能力，通過提前預(yù)測風(fēng)電場的有功出力，采用合理安排其他機組組合方式和預(yù)留旋轉(zhuǎn)備用容量的方法來提高系統(tǒng)消納風(fēng)電的能力。改善風(fēng)電機組的有功控制能力，通過提高風(fēng)機的控制水平來改善風(fēng)機的運行性能。改善風(fēng)電場有功控制策略，使風(fēng)電場表現(xiàn)出常規(guī)電源的特性，進而改善含風(fēng)電電力系統(tǒng)的運行。但這些方案共同的缺陷是在風(fēng)電場容量一定的條件下，最大限度捕獲的風(fēng)能是有限的，增加的收益受限于風(fēng)電場的最大容量。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種提高風(fēng)電場發(fā)電效益的小風(fēng)機規(guī)劃方法。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種提高風(fēng)電場發(fā)電效益的小風(fēng)機規(guī)劃方法，該方法包括如下步驟：(1)獲取風(fēng)電場現(xiàn)有大風(fēng)機的安裝位置及技術(shù)參數(shù)；(2)在風(fēng)電場內(nèi)各大風(fēng)機間隙內(nèi)增設(shè)小風(fēng)機，各小風(fēng)機的安裝位置按設(shè)定方案設(shè)置進而構(gòu)成n種小風(fēng)機增設(shè)方案；(3)求取n種小風(fēng)機增設(shè)方案下風(fēng)電場輸出增益，根據(jù)風(fēng)電場輸出增益選取對應(yīng)的小風(fēng)機增設(shè)方案作為提高風(fēng)電場發(fā)電效益的小風(fēng)機規(guī)劃方案。步驟(2)中小風(fēng)機的安裝位置包括：橫向設(shè)置的相鄰兩個大風(fēng)機連線的中點位置，縱向設(shè)置的相鄰兩個大風(fēng)機的連線的中點位置以及組成四邊形的四個發(fā)風(fēng)機的對角線交點位置，進而n種小風(fēng)機增設(shè)方案為小風(fēng)機的安裝位置的不同組合。步驟(3)中風(fēng)電場輸出增益P＝P1-P2，其中，P1為采用小風(fēng)機增設(shè)方案下風(fēng)電場輸出功率，P2為采用小風(fēng)機增設(shè)方案前風(fēng)電場輸出功率，所述的風(fēng)電場輸出功率為風(fēng)電場中各風(fēng)機輸出功率之和。所述的各風(fēng)機輸出功率具體通過下述方式求得：首先，求取各風(fēng)機處的風(fēng)速，然后根據(jù)各風(fēng)機處的風(fēng)速求取各風(fēng)機的輸出功率。所述的各風(fēng)機處的風(fēng)速通過部分遮擋尾流效應(yīng)模型求取，具體為：其中，vj(xij,hj)表示下游風(fēng)機WTj受到上游風(fēng)機WTi影響后的風(fēng)速，xij為下游風(fēng)機WTj與上游風(fēng)機WTi之間的距離，hi為上游風(fēng)機WTi的海拔高度，hj為下游風(fēng)機WTj的海拔高度，vi為上游風(fēng)電機WTi處的風(fēng)速，CT為推力系數(shù)，ri為上游風(fēng)機WTi的風(fēng)輪半徑，rj為下游風(fēng)機WTj的風(fēng)輪半徑，α為風(fēng)速隨高度變化系數(shù)，一般取α＝1/7，Arotor為下游風(fēng)機WTj風(fēng)輪掃略面積，Ashad,ij為上游風(fēng)機和下游風(fēng)機風(fēng)輪掃略重疊部分面積。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：(1)本發(fā)明通過風(fēng)電場增設(shè)小風(fēng)機的方式來提高風(fēng)電場的發(fā)電效益，而對于大風(fēng)機的控制策略不變，便于實施；(2)在已建成投運的風(fēng)電場中，增設(shè)小風(fēng)機，如小風(fēng)機布置數(shù)量太少，該區(qū)域的風(fēng)資源將得不到充分利用，但如小風(fēng)機布置數(shù)量太多、盛行風(fēng)向上風(fēng)機間距太小，則會由于風(fēng)機尾流的影響而降低各單臺風(fēng)機的發(fā)電效益，從而降低整個風(fēng)電場開發(fā)的經(jīng)濟性，因此通過本發(fā)明的方法設(shè)計n種小風(fēng)機增設(shè)方案，從而通過幾種小風(fēng)機增設(shè)方案下風(fēng)電場輸出增益來規(guī)劃小風(fēng)機的數(shù)量和位置，提高風(fēng)電場發(fā)電效益。附圖說明圖1為本發(fā)明規(guī)劃方法的流程框圖；圖2為尾流效應(yīng)線性擴張模型；圖3不平坦地形下風(fēng)速模型；圖4部分遮擋尾流效應(yīng)模型；圖5安置小風(fēng)機位置示意圖；圖6風(fēng)機尾流影響范圍圖；圖7大風(fēng)機位置圖；圖8風(fēng)電機組輸出功率特性曲線；圖9本實施例風(fēng)電場內(nèi)增設(shè)小風(fēng)機的不同方案。具體實施方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。實施例如圖1所示，一種提高風(fēng)電場發(fā)電效益的小風(fēng)機規(guī)劃方法，該方法包括如下步驟：(1)獲取風(fēng)電場現(xiàn)有大風(fēng)機的安裝位置及技術(shù)參數(shù)；(2)在風(fēng)電場內(nèi)各大風(fēng)機間隙內(nèi)增設(shè)小風(fēng)機，各小風(fēng)機的安裝位置按設(shè)定方案設(shè)置進而構(gòu)成n種小風(fēng)機增設(shè)方案；(3)求取n種小風(fēng)機增設(shè)方案下風(fēng)電場輸出增益，根據(jù)風(fēng)電場輸出增益選取對應(yīng)的小風(fēng)機增設(shè)方案作為提高風(fēng)電場發(fā)電效益的小風(fēng)機規(guī)劃方案。本發(fā)明中大風(fēng)機的發(fā)電功率范圍為1MW～2MW，小風(fēng)機的發(fā)電功率范圍為80KW～120KW。步驟(2)中小風(fēng)機的安裝位置包括：橫向設(shè)置的相鄰兩個大風(fēng)機連線的中點位置，縱向設(shè)置的相鄰兩個大風(fēng)機的連線的中點位置以及組成四邊形的四個發(fā)風(fēng)機的對角線交點位置，進而n種小風(fēng)機增設(shè)方案為小風(fēng)機的安裝位置的不同組合。步驟(3)中風(fēng)電場輸出增益P＝P1-P2，其中，P1為采用小風(fēng)機增設(shè)方案下風(fēng)電場輸出功率，P2為采用小風(fēng)機增設(shè)方案前風(fēng)電場輸出功率，風(fēng)電場輸出功率為風(fēng)電場中各風(fēng)機輸出功率之和。各風(fēng)機輸出功率具體通過下述方式求得：首先，求取各風(fēng)機處的風(fēng)速，然后根據(jù)各風(fēng)機處的風(fēng)速求取各風(fēng)機的輸出功率。各風(fēng)機處的風(fēng)速通過部分遮擋尾流效應(yīng)模型求取，具體為：其中，vj(xij,hj)表示下游風(fēng)機WTj受到上游風(fēng)機WTi影響后的風(fēng)速，xij為下游風(fēng)機WTj與上游風(fēng)機WTi之間的距離，hi為上游風(fēng)機WTi的海拔高度，hj為下游風(fēng)機WTj的海拔高度，vi為上游風(fēng)電機WTi處的風(fēng)速，CT為推力系數(shù)，ri為上游風(fēng)機WTi的風(fēng)輪半徑，rj為下游風(fēng)機WTj的風(fēng)輪半徑，α為風(fēng)速隨高度變化系數(shù)，一般取α＝1/7，Arotor為下游風(fēng)機WTj風(fēng)輪掃略面積，Ashad,ij為上游風(fēng)機和下游風(fēng)機風(fēng)輪掃略重疊部分面積。小風(fēng)機位置設(shè)計方法，步驟：(1)構(gòu)建小風(fēng)機尾流效應(yīng)線性擴張模型，如圖1所示尾流效應(yīng)線性擴張模型能夠較好地模擬平坦地形的尾流情況，模型假設(shè)尾流影響半徑為線性擴張，如圖2所示為尾流效應(yīng)線性擴張模型，即后面風(fēng)機受影響的半徑與其距離前面風(fēng)機的距離呈線性關(guān)系，其線性關(guān)系可由下述方程得到：式中：r為距離風(fēng)機x處的尾流影響半徑；r0為風(fēng)機葉片半徑；h為風(fēng)電機組風(fēng)輪所處高度，z0為地面粗糙度度，為一常數(shù)；kw的取值根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡匦魏蜌夂驐l件進行選取。當(dāng)風(fēng)力機接收到的是自然風(fēng)速時，kw等于0.04，否則kw等于0.08。由尾流效應(yīng)線性擴張模型可得，在尾流效應(yīng)影響下，距離風(fēng)機x處的風(fēng)速v(x)為：式中：v0為自然風(fēng)速；dF為平坦地形的風(fēng)速下降系數(shù),CT為推力系數(shù)。(2)針對小風(fēng)機塔架高度較低，建立不平坦地形下的風(fēng)速模型，如圖3所示。由于小風(fēng)機塔高較低，而風(fēng)速會隨高度變化而變化，導(dǎo)致風(fēng)電場的風(fēng)速分布不均。針對風(fēng)電場增設(shè)小風(fēng)機后，建立的不平坦地形下的風(fēng)速模型模型(見圖2)，能夠較好地近似模擬有損耗的非均勻風(fēng)速場。x＝0處沒有風(fēng)機時，位于海拔高度H2處小風(fēng)機的風(fēng)速為：式中：h為風(fēng)機的塔筒高度；α為風(fēng)速隨高度變化系數(shù)，一般取α＝1/7。x＝0處安裝有風(fēng)機，受尾流影響，位于海拔高度H處小風(fēng)機的風(fēng)速為：vb＝v'0(1-dc)，式中：dc為風(fēng)速下降系數(shù)。dc近似表示為：故x＝0處安裝有風(fēng)機，受尾流影響，位于海拔高度H2處小風(fēng)機的風(fēng)速可表示為：(3)針對上游風(fēng)機在下游風(fēng)機處尾流影響投影面的重疊情況，建立部分遮擋尾流效應(yīng)模型，如圖4。由尾流效應(yīng)線性擴張模型可以求得上游風(fēng)機在下游風(fēng)機處的尾流影響半徑，根據(jù)下游風(fēng)機風(fēng)輪的掃略面積與上游風(fēng)機在下游風(fēng)機處尾流影響投影面的重疊情況，可以把不同風(fēng)機機組間的相互影響分為種情況：完全遮擋、準(zhǔn)完全遮擋、部分遮擋和沒有遮擋。其中，準(zhǔn)完全遮擋是完全遮擋的特例，指上游風(fēng)輪面積在下游風(fēng)機處的投影小于下游風(fēng)機風(fēng)輪的掃略面積，所以完全遮擋和準(zhǔn)完全遮擋時，風(fēng)輪的重疊面積分別等于下游風(fēng)機和上游風(fēng)機風(fēng)輪的掃略面積。下面主要分析部分遮擋情況下重疊面積的計算。假設(shè)某風(fēng)電場下游風(fēng)機WTj和上游風(fēng)機WTi的布局如圖3所示，假設(shè)地形平坦，即H1＝H2＝0，其相互影響為部分遮擋，相距為xij的WTi和WTj的風(fēng)輪所處海拔高度分別為hi、hj，則下游風(fēng)機WTj受到上游風(fēng)機WTi影響后的風(fēng)速計算公式如下：其中，vj(xij,hj)表示下游風(fēng)機WTj受到上游風(fēng)機WTi影響后的風(fēng)速，xij為下游風(fēng)機WTj與上游風(fēng)機WTi之間的距離，hi為上游風(fēng)機WTi的海拔高度，hj為下游風(fēng)機WTj的海拔高度，vi為上游風(fēng)電機WTi處的風(fēng)速，CT為推力系數(shù)，ri為上游風(fēng)機WTi的風(fēng)輪半徑，rj為下游風(fēng)機WTj的風(fēng)輪半徑，α為風(fēng)速隨高度變化系數(shù)，一般取α＝1/7，Arotor為下游風(fēng)機WTj風(fēng)輪掃略面積，Ashad，ij為上游風(fēng)機和下游風(fēng)機風(fēng)輪掃略重疊部分面積。Ashad,ij計算公式可由下式求得：式中：Δh＝|hj-hi|為兩風(fēng)機風(fēng)輪所處的海拔高度差；dij為上游風(fēng)機WTi和下游風(fēng)機WTj之間的水平間距。綜上所述，令則不同風(fēng)電機組間相互影響的4種情況下，風(fēng)輪的重疊面積的計算公式為：(4)設(shè)計小風(fēng)機插入位置，如圖5。位置A：同一排兩臺大風(fēng)機間水平中點處插入一臺小風(fēng)機。位置B：在A插入的小風(fēng)機的情況下，同一列小風(fēng)機中點處插入一臺小風(fēng)機。位置C：同一列大風(fēng)機中點處插入一條小風(fēng)機。安置小風(fēng)機位置示意圖如圖5所示。下面從模型建立、設(shè)計原理、設(shè)計方法、有效性驗證等幾個方面對本發(fā)明做進一步說明。(1)建立風(fēng)電場的數(shù)學(xué)模型根據(jù)部分遮擋尾流效應(yīng)模型，計算風(fēng)電場在額定風(fēng)速下的各個風(fēng)機處的風(fēng)速，根據(jù)風(fēng)機的功率特性曲線得出風(fēng)電場的出力。需要的參數(shù)有，風(fēng)機的坐標(biāo)、風(fēng)輪半徑、切入風(fēng)速、切除風(fēng)速、輪轂高度、額定風(fēng)速。(2)本發(fā)明增設(shè)小風(fēng)機的設(shè)計原理假設(shè)大風(fēng)機風(fēng)輪半徑35m，小風(fēng)機半徑10m，推力系數(shù)假設(shè)為0.88，若按v0恢復(fù)至90％選取縱向距離,上游風(fēng)機對其他列風(fēng)機出力很小或無影響選取橫向距離，根據(jù)尾流效應(yīng)線性擴張模型可以求得單臺風(fēng)機的影響范圍。大風(fēng)機風(fēng)速恢復(fù)至初始風(fēng)的90％時，x＝1362.5m，r＝89.5m。小風(fēng)機風(fēng)速恢復(fù)至初始風(fēng)速的90％時，x＝390m，r＝25.6m。風(fēng)機尾流影響圖如圖6所示。本算例同一行中兩大風(fēng)機水平平均距離為700m，垂直水平方向(兩行大風(fēng)機之間的距離)平均距離為1000m，風(fēng)速恢復(fù)到初始風(fēng)速的85.7％，如圖6所示，基本符合理論值。將小風(fēng)機安置在風(fēng)電場中大風(fēng)機尾流未覆蓋區(qū)域，如圖5，可以選擇三種位置安置小風(fēng)機，此時大小風(fēng)機間相互影響小。位置A：同一排兩臺大風(fēng)機間水平中點處插入一臺小風(fēng)機。位置B：在A插入的小風(fēng)機的情況下，同一列小風(fēng)機中點處插入一臺小風(fēng)機。位置C：同一列大風(fēng)機中點處插入一條小風(fēng)機。(3)算例分析為驗證風(fēng)電場增設(shè)小風(fēng)機后風(fēng)電場的輸出增益，通過下面仿真算例進行仿真研究，并與不同位置插入小風(fēng)機風(fēng)電場的出力進行比較。算例的大小風(fēng)機參數(shù)值在附表1和附表2中。在這個算例中，以某陸上風(fēng)電場為例，畫出風(fēng)電場大風(fēng)機位置圖，如圖7所示：假設(shè)風(fēng)電場采用的風(fēng)電機組的額定容量為1.5MW，其主要的技術(shù)參數(shù)如表1所示。表1大風(fēng)機主要技術(shù)參數(shù)風(fēng)輪半徑掃掠面積切入風(fēng)速額定風(fēng)速切出風(fēng)速額定功率輪轂高度r0ArotorvcivrvcoPrh35m3848m24m/s13m/s25m/s1.5MW65m風(fēng)電機組輸出功率特性曲線如圖8所示，增設(shè)的小風(fēng)機的技術(shù)參數(shù)如表2所示。表2小風(fēng)機主要技術(shù)參數(shù)風(fēng)輪半徑掃掠面積切入風(fēng)速額定風(fēng)速切出風(fēng)速額定功率輪轂高度r0ArotorvcivrvcoPrh10m314m23m/s10m/s25m/s100KW24m現(xiàn)針對幾種不同的分布模型，比較不同方案下的發(fā)電收益，如圖9所示為本實施例中7種小風(fēng)機增設(shè)方案，依次為圖9(a)～(g)代表的方案一～方案七。原有風(fēng)電場的大風(fēng)機53臺，風(fēng)電場的額定功率53*1.5MW，計及尾流效應(yīng)影響下出力78.081MW。各方案發(fā)電收益對比如表3所示。表3各方案對比輸出增益＝插入小風(fēng)機后風(fēng)電場出力-不插入小風(fēng)機風(fēng)電場出力。單位風(fēng)機功率＝輸出增益/增加風(fēng)機臺數(shù)。由仿真結(jié)果可以看出，方案三的單位風(fēng)機出力最多，是最優(yōu)方案，方案一次之，與理論分析較吻合。組合方案AB、BC、AC單臺風(fēng)機出力反而較單個方案A、B、C較小，說明小風(fēng)機并不是插入越多就能帶入越多收益。綜上，方案三的性價比最高，方案七的輸出增益最大，追求最大經(jīng)濟效益推薦使用方案三，追求風(fēng)電場最大輸出推薦方案七。當(dāng)前第1頁1 2 3