本發(fā)明屬于風(fēng)電，具體涉及一種基于協(xié)同偏航控制的漂浮式風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)功率優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、海上風(fēng)能作為一種重要的可再生能源，具有資源儲(chǔ)量豐富、發(fā)電效益高等顯著特點(diǎn)，是支撐各國(guó)推進(jìn)“碳達(dá)峰”、“碳中和”戰(zhàn)略實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的重要能源形式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，水深60m以上的深遠(yuǎn)海域蘊(yùn)藏了近80％的海上風(fēng)能資源。相比于固定式風(fēng)電，漂浮式風(fēng)電在深遠(yuǎn)海域具備更好的適應(yīng)性，應(yīng)用前景廣闊。

2、漂浮式風(fēng)機(jī)在布置設(shè)計(jì)和運(yùn)行控制階段均展現(xiàn)出多樣性和靈活性。目前，lefranc和torud、hu等、jang等、zhang和liu、bashetty和ozcelik(詳見現(xiàn)有文獻(xiàn)1：lefranc，m.，torud，a.，2011.three?wind?turbines?on?one?floating?unit.feasibility,design?andcost，offshore?technology?conference，houston，tx，us；現(xiàn)有文獻(xiàn)2：hu，c.h.，sueyoshi，m.，liu，c.，liu，y.y.，2014.hydrodynamic?analysis?of?a?semi-submersible?typefloating?wind?turbine.journal?of?ocean?and?wind?energy?1(4)，202-208；現(xiàn)有文獻(xiàn)3：jang，h.-k.，park，s.，kim，m.-h.，kim，k.-h.，hong，k.，2019.effects?0f?heave?plateson?the?global?performance?of?a?multi-unit?floating?offshore?wind?turbine，renewable?energy?134，526-537；現(xiàn)有文獻(xiàn)4：zhang,ym，liu，h.x.，2021.a?novelstructural?configuration?of?modular?floating?wind?farms?with?self-adaptiveproperty.journal?of?offshore?mechanics?and?arctic?engineering?143(5)，052002；現(xiàn)有文獻(xiàn)5：bashetty,s.，ozcelik,s.，2022.design?and?stability?analysis?of?anoffshore?floating?multi-wind?turbine?platform.inventions?7(3)，58)提出了一系列多風(fēng)機(jī)的漂浮式平臺(tái)布置型式，這些浮式平臺(tái)通過大密度的風(fēng)機(jī)布置，提高了海域和浮式平臺(tái)的使用效率，對(duì)助力漂浮式風(fēng)電場(chǎng)“降本增效”實(shí)現(xiàn)規(guī)?；_發(fā)具有較大價(jià)值。但是，在這些漂浮式風(fēng)電場(chǎng)中依舊存在顯著的尾流效應(yīng)和功率虧損問題，如何在大密度、高集成的漂浮式平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜海洋風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下的風(fēng)機(jī)高效運(yùn)行，對(duì)提高風(fēng)電場(chǎng)整體發(fā)電效率、推動(dòng)深遠(yuǎn)海風(fēng)電開發(fā)具有重要意義。

3、現(xiàn)有漂浮式風(fēng)電場(chǎng)中的控制技術(shù)均基于低密度風(fēng)機(jī)布置開發(fā)，且大多通過控制漂浮式平臺(tái)的布置位置實(shí)現(xiàn)，缺乏對(duì)平臺(tái)與風(fēng)機(jī)之間的協(xié)同考慮，致使其在大密度布置風(fēng)電場(chǎng)中的提升運(yùn)行效率作用有限。偏航控制作為一種尾流控制技術(shù)，可以通過對(duì)上游風(fēng)機(jī)尾流的控制，降低其對(duì)下游風(fēng)機(jī)的不利影響，進(jìn)而有效改善風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行效率。通過充分利用漂浮式風(fēng)機(jī)靈活性的特點(diǎn)，使其與尾流偏航控制有機(jī)結(jié)合，運(yùn)用協(xié)同控制的方式，對(duì)漂浮式風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)時(shí)功率進(jìn)行優(yōu)化，可以進(jìn)一步提升優(yōu)化效果，對(duì)指導(dǎo)漂浮式風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行、提升發(fā)電效率具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。

2、為此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于協(xié)同偏航控制的漂浮式風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)功率優(yōu)化方法，基于漂浮式平臺(tái)與風(fēng)機(jī)之間的協(xié)同偏航，對(duì)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)尾流進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，通過計(jì)算各平臺(tái)與風(fēng)機(jī)的最優(yōu)協(xié)同偏航角，優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)整體的實(shí)時(shí)功率輸出，對(duì)指導(dǎo)漂浮式風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行、提升發(fā)電效率具有重要意義。

3、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方式如下：

4、本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于協(xié)同偏航控制的漂浮式風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)功率優(yōu)化方法，所述方法包括：

5、s1、獲取風(fēng)電場(chǎng)環(huán)境參數(shù)和風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)；

6、s2、基于漂浮式平臺(tái)位置坐標(biāo)及風(fēng)機(jī)在平臺(tái)上的布置型式，建立漂浮式平臺(tái)與風(fēng)機(jī)的位置轉(zhuǎn)換矩陣，計(jì)算平臺(tái)各個(gè)偏航角下的風(fēng)機(jī)位置坐標(biāo)；

7、s3、基于風(fēng)機(jī)位置坐標(biāo)和風(fēng)機(jī)偏航角，建立漂浮式風(fēng)電場(chǎng)的尾流分析模型，計(jì)算當(dāng)前環(huán)境參數(shù)下的風(fēng)電場(chǎng)尾流速度分布；

8、s4、基于風(fēng)電場(chǎng)尾流速度分布，建立風(fēng)電場(chǎng)的等效功率模型作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；

9、s5、根據(jù)漂浮式平臺(tái)結(jié)構(gòu)及風(fēng)機(jī)參數(shù)，確定漂浮式平臺(tái)與風(fēng)機(jī)的協(xié)同偏航限制條件；

10、s6、在確定的協(xié)同偏航限制條件下，根據(jù)當(dāng)前偏航角和環(huán)境參數(shù)，利用協(xié)同偏航進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，確定經(jīng)過優(yōu)化的協(xié)同偏航角；

11、s7、根據(jù)優(yōu)化后的協(xié)同偏航角進(jìn)行二次精細(xì)優(yōu)化計(jì)算，確定最優(yōu)協(xié)同偏航角。

12、另外，根據(jù)本發(fā)明的基于協(xié)同偏航控制的漂浮式風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)功率優(yōu)化方法，還可以具有如下附加的技術(shù)特征：

13、在其中的一些實(shí)施方式中，步驟s2中所述風(fēng)機(jī)位置坐標(biāo)根據(jù)漂浮式平臺(tái)的坐標(biāo)、風(fēng)機(jī)與平臺(tái)的相對(duì)坐標(biāo)以及二維旋轉(zhuǎn)矩陣計(jì)算得到；

14、所述二維旋轉(zhuǎn)矩陣根據(jù)平臺(tái)的偏航角確定。

15、在其中的一些實(shí)施方式中，步驟s3中的風(fēng)電場(chǎng)尾流速度根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)輪轂高度入流速度、尾流速度虧損和風(fēng)機(jī)偏航角計(jì)算，計(jì)算方式采用全域尾流模型。

16、在其中的一些實(shí)施方式中，步驟s4中風(fēng)電場(chǎng)的等效功率模型為風(fēng)電場(chǎng)等效功率和該風(fēng)機(jī)在風(fēng)電場(chǎng)輪轂高度入流速度下等效功率的比值。

17、在其中的一些實(shí)施方式中，步驟s4中風(fēng)電場(chǎng)的等效功率模型根據(jù)風(fēng)機(jī)的入流風(fēng)速、風(fēng)電場(chǎng)輪轂高度入流速度、風(fēng)機(jī)數(shù)量、偏航影響系數(shù)和風(fēng)機(jī)的偏航角得到。

18、在其中的一些實(shí)施方式中，步驟s5中協(xié)同偏航限制條件包括漂浮式平臺(tái)最大偏航角及風(fēng)機(jī)最大偏航角γmax。

19、在其中的一些實(shí)施方式中，步驟s6中使用模擬退火算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

20、在其中的一些實(shí)施方式中，步驟s7中使用模式搜索對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行二次精細(xì)優(yōu)化計(jì)算。

21、本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括計(jì)算機(jī)程序，該計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如上任一項(xiàng)所述漂浮式風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)功率優(yōu)化方法的步驟。

22、本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括：存儲(chǔ)器、處理器以及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序以實(shí)現(xiàn)如上任一項(xiàng)所述漂浮式風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)功率優(yōu)化方法的步驟。

23、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：

24、本發(fā)明實(shí)施例中，所提供的基于協(xié)同偏航控制的漂浮式風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)功率優(yōu)化方法，基于漂浮式平臺(tái)與風(fēng)機(jī)之間的協(xié)同偏航，對(duì)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)尾流進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，通過計(jì)算各平臺(tái)與風(fēng)機(jī)的最優(yōu)協(xié)同偏航角，優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)整體的實(shí)時(shí)功率輸出，對(duì)指導(dǎo)漂浮式風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行、提升發(fā)電效率具有重要意義；

25、本發(fā)明實(shí)施例中，所提供的基于協(xié)同偏航控制的漂浮式風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)功率優(yōu)化方法，采用適用范圍廣、預(yù)測(cè)精度高的全域尾流模型建立風(fēng)電場(chǎng)的尾流分析模型，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的尾流速度分布進(jìn)行預(yù)測(cè)，相比現(xiàn)有技術(shù)中廣泛使用的jensen模型，該模型在近場(chǎng)及遠(yuǎn)場(chǎng)距離的尾流區(qū)域均具備較好的預(yù)測(cè)精度(風(fēng)電場(chǎng)功率預(yù)測(cè)精度提升可達(dá)8.1％)，使本發(fā)明既適用于任意密度及間距的風(fēng)電場(chǎng)布置情況，同時(shí)具有較高的優(yōu)化計(jì)算精度；

26、本發(fā)明實(shí)施例中，所提供的基于協(xié)同偏航控制的漂浮式風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)功率優(yōu)化方法，其采用的協(xié)同偏航控制，是通過風(fēng)力機(jī)偏航對(duì)尾流進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制的同時(shí)，漂浮式平臺(tái)通過旋轉(zhuǎn)中心進(jìn)行偏航，使上游風(fēng)力機(jī)偏離下游風(fēng)力機(jī)軸向位置，控制上游風(fēng)力機(jī)尾流進(jìn)一步遠(yuǎn)離下游風(fēng)力機(jī)，從而提升下游風(fēng)力機(jī)的入流風(fēng)速和運(yùn)行效率，相比現(xiàn)有技術(shù)中基于控制漂浮式平臺(tái)布置位置的方法，可以更大幅度地控制尾流的偏移距離，使風(fēng)電場(chǎng)獲得更高的功率提升和運(yùn)行效率(風(fēng)電場(chǎng)等效功率提升可增加5％)；

27、本發(fā)明實(shí)施例中，所提供的基于協(xié)同偏航控制的漂浮式風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)功率優(yōu)化方法，通過s4中的風(fēng)電場(chǎng)等效功率模型作為目標(biāo)函數(shù)，將風(fēng)電場(chǎng)整體的實(shí)時(shí)功率作為優(yōu)化目標(biāo)，通過對(duì)風(fēng)電場(chǎng)中各個(gè)平臺(tái)和風(fēng)機(jī)偏航角進(jìn)行統(tǒng)一考慮、協(xié)同調(diào)整，使風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)時(shí)功率獲得提升，相比僅以單一風(fēng)機(jī)功率為優(yōu)化目標(biāo)的偏航對(duì)風(fēng)技術(shù)，可大幅提升風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)時(shí)功率(風(fēng)電場(chǎng)等效功率提升可達(dá)9％)。

28、本發(fā)明實(shí)施例中，所提供的基于協(xié)同偏航控制的漂浮式風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)功率優(yōu)化方法，通過s6和s7的模擬退火算法和模式搜索的兩步優(yōu)化計(jì)算確定最優(yōu)解，一方面可避免優(yōu)化結(jié)果落入局部極值點(diǎn)，另一方面具有更高的計(jì)算效率，使優(yōu)化計(jì)算快速收斂于全局最優(yōu)解。

29、本發(fā)明的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品、計(jì)算機(jī)設(shè)備均能夠經(jīng)處理器運(yùn)行實(shí)現(xiàn)所述的漂浮式風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)功率優(yōu)化方法的步驟，因而至少具有所述的漂浮式風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)功率優(yōu)化方法的所有特征及優(yōu)勢(shì)，在此不再贅述。本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。