基于尾流效应的海上风电场有功出力优化

发布时间：2020-02-08 00:54

【摘要】：以海上风电场风速平稳和尾流效应影响距离远为背景,提出基于尾流效应的海上风电场有功出力优化方案,使风电场各机组有功出力之和大于传统单机最大风能捕获方案。挖掘风电机组有功出力和尾流效应的关系,给出基于有功控制的尾流定量调控方法,并建立了风电场有功出力优化模型;重点研究了基于现有计算资源实现控制策略的方法:根据尾流传播路径,对风电场进行分组,有效降低控制对象数;根据风电机组运行与有功控制特性,降低优化方程求解的搜索空间,抑制计算规模;通过数据拟合,降低优化变量数,将离散域优化问题转化为连续域优化问题,便于使用具有广泛公信力的优化算法。仿真结果表明,提出的方案能有效提升风电场功率,在不增加风电硬件设备投资的前提下,提高风电场效益。
【图文】：

风电场

ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｅｐｓ－ｉｎｆｏ．ｃｏｍ１尾流模型精简的尾流模型对于降低优化计算量和提升风电场有功出力调度实时性至关重要［１１］。海上风电场风能密度大，风速、风向变化缓慢，风况平稳［１２］。机组间的尾流传播具有很强的规律性，顺风向影响距离长，传播路径呈直线［１３］，为方便描述，不妨设某海上风电场的布局如图１所示，用Ａｉ，ｊ表示风电场中第ｉ行第ｊ列机组。图１风电场布局Ｆｉｇ．１Ｌａｙｏｕｔｍｏｄｅｌｏｆｗｉｎｄｆａｒｍ可选用改进的Ｊｅｎｓｅｎ尾流模型描述［１３］尾流：ｖｉ＋１，ｊ＝（１－ｋｉ，ｊＣｉ，ｊＴ）ｖｉ，ｊ（１）ｋｉ，ｊ＝１２１＋ｘ′２（）ｄ－１（２）式中：ｖｉ，ｊ为机组Ａｉ，ｊ的尾流；Ｃｉ，ｊＴ为机组Ａｉ，ｊ的推力系数；ｘ′为同一风向上相邻两台机组之间的距离；ｄ为风电机组叶轮直径；ｋｉ，ｊ由机组间距和叶轮直径确定，对于已经投入运营的风电场，ｘ′和ｄ已确定，则ｋｉ，ｊ为常数。由式（１）可知，影响机组间尾流效应的关键因素是Ｃｉ，ｊＴ。根据输入风速的风向，风电机组之间的气动耦合可以划分为正向耦合和斜向耦合两种情况，，如图１所示。正向耦合是指输入风垂直于行或列，风向为０°，９０°，１８０°，２７０°时同行或同列机组间的气动耦合；斜向耦合是指风向为４５°，１３５°，２２５°，３１５°时，风电场对角斜线上机组间的气动耦合。根据上文对尾流模型的分析，可确定两种耦合路

风电机组,运行曲线,风速,功率

３４０．６４１１５６５．０９１１３９．２０…９９．６１８９９．１２１９８．６７９鐤鐤鐤鐤鐤鐤鐤８９．６３７６９０．６５０４４．６５…１１．４３０１１．４２１１１．４１１８９．８３７９２２．５５１５１．４１…１４．６２１１４．６１１１４．６０１９０．０３８１８５．８５２４６．７９…１７．８１１１７．８０１１７．７９１当捕获风速低于切出风速ｖｏｕｔ时，变速变桨距机组运行状态可分成待机区（Ⅰ）、最大风能捕获区（Ⅱ）以及额定功率运行区（Ⅲ）３个区域，如图２所示。图２风电机组风速?功率运行曲线Ｆｉｇ．２Ｗｉｎｄｓｐｅｅｄ?ｐｏｗｅｒｃｕｒｖｅｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ机组最大风能捕获方案下，当输入风速低于启动风速时，机组处于Ⅰ区的待机状态，不并网发电，有功出力为０ｋＷ；当风速大于切入风速且小于额定风速时，机组处于Ⅱ区，维持最佳尖速比，按最大风能捕获方式运行；当风速大于额定风速时，机组处于Ⅲ区，机组按额定功率方式出力。对变速变桨风电机组而言，同一风速下，不同的转速导致机组输出不同的有功功率，可通过电磁转矩控制实现转速调节，该方法具有动作快、惯性时间常数小的特点，继而可以快速响应机组有功出力控制要求［１６］。当风电场风速大于额定风速，在各机组按传统策略运行时，即使经过尾流衰减，各机组的可用功率仍能达到额定功率。３风电场有功出力优化策略为计算方便，忽略各机组的电学耦合，风电场各机组有功出力之和即为风电场整体有功出力，由ｎ行、ｍ列风电机组组成的风电场有功出力模型可表示为：Ｐａｌｌ＝∑ｎｉ＝１∑ｍｊ＝１Ｐｉ，ｊｗ＝

【参考文献】