[发明专利]风电场风机叶片选型优化方法

权利要求书

1.一种风电场风机叶片选型优化方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)将整个风电场N台机组的叶片长度组合作为一个个体，随机产生由个体形成初始种群,以度电成本最低作为个体适应度，计算种群中每个个体的适应度；计算个体适应度具体步骤为：

A:首先读取各个风机机组位置坐标，运用威布尔分布得到N个风速、风向序列；

B:读取其中一个风速、风向序列，

B1)通过直角坐标与极坐标变换求得风机的相对位置关系，以风机给定坐标所在坐标系为初始X、Y轴，以坐标原点为为极点，x轴的正半轴为极轴，建立极坐标系，x_ij为上下游风机机组之间沿垂直于风向方向的距离，d_ij是上下游风机机组之间沿风向方向距离，设第一上游风机机组直角坐标为(x_i，y_i)，极坐标为(ρ_i，θ_i)；第二下游风机机组直角坐标为(x_j，y_j)，极坐标为(ρ_j,θ_j)，α为风向与Y轴夹角，下面为极坐标变为直角坐标，则x_ij、d_ij表示为：

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

通过令坐标轴随着风向的改变而变化的方式，机组的相对位置固定表示，从而计算尾流；

B2)根据尾流效应公式计算各个风机机组处的风速，风速计算如下：

下游风机风速v_j计算公式如下：

$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：设上游风机机组初始风速为v_i,上游风机机组与下游风机机组叶片半径分别为r_i、r_j，上游风机机组与下游风机机组轮毂高度分别为h_i、h_j，C_T为风机的推力系数；A_s为为上游风机机组尾流效应对下游风机机组扫风区域的遮挡面积；A_j为下游风机扫风面积；

多个上游机组对下游机组的共同影响等效风速为：

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

式中：v₀为未经尾流效应影响的风速；v_j为单台风机影响下处的风速；N为上游共同影响风机机组总台数；

B3)利用插值法得到各个风机机组的实际功率输出；

B4)由风玫瑰图得到n风向，由威布尔分布得到m个风速，再利用全寿命周期发电量模型得到风电场有功出力，全寿命周期中风电场有功出力计算公式如下：

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

式中：k为全寿命周期年限；α为风向与Y轴夹角，Y轴为风机给定坐标所在坐标系纵轴；v为风速；N_WT为机组台数；P_w为一台机组在特定风速及风向下有功出力；t(v)为一年中风速为v的小时数；p(α)为风向为α的概率；

C:然后再选择另一个风速、风向序列，重复步骤B，直到N个风速、风向序列的实际功率输出都计算结束；

D：计算此叶片组合下风电场总成本，得到度电成本，即适应度值；

2)将计算完个体适应度的种群进行精英选择运算、交叉运算、变异运算后，进行数次迭代后得到最优解，即为风电场风机叶片最优选型。

2.根据权利要求1所述风电场风机叶片选型优化方法，其特征在于，所述B2)步骤中的上游风机尾流效应对下游风机扫风区域的遮挡面积为：

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

其中Δh为上下游风机机组之间轮毂高度差,上游风机到下游风机处的尾流半径r_d为：

r_d＝r_i+k_wd_ij

式中：k_w是尾流下降系数，它与风的湍流强度成正比。