风电场运行状况分析及优化

陈禹默

摘 要：本文通过各种指标的模型和排班问题的数学规划模型建立，对风能资源及其利用情况进行评估，制定了维修人员的排班方案与风机维护计划。为评估风能资源及其利用情况，建立年平均风速、平均功率和风功率密度，风能利用率模型；采用容量系数法，根据风速和实际输出功率数据，模拟出风力机输出特性分段函数。

关键词：风功率密度 容量系数法 规划模型 MATLAB

中图分类号：TM62 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）01（b）-0061-02

1 问题重述

（1）判断一期和二期工程所有机型和新机型该风电场的风能资源的匹配程度。（2）为了安全生产考虑，风机每年要停机维护两次，但两次维护之间的时间不能超过270天，每一次维护需要一组维修人员工作2天，同时电场每天要有一组维修人员以应对突发情况进行值班。现电场有4组维修人员，每组人员连续工作时间不能超过6天，为使各组维修人员的工作任务相对均衡，且使风电场具有良好的经济效益，制定维修人员的排班方案和风机维护计划。

2 模型的建立与求解

2.1 模型的建立

2.1.1 风力机功率输出特性

为使风力机在风速持续增大的情况下不受损坏，就需限制风力机运转速度或停止运行，可用风力机功率的输出特性公式来表示：

（1）

当i=1时表示一期工程建设，当i=2时表示二期工程建设，其中：Vr为风力机的切入风速；Ve为风力机的额定风速；Vc为风力机的切出风速；Pe为风力机的额定输出功率。

当风力机风速大于切入风速Vr、小于额定风速Ve时开始运转输出功率；当风力机风速大于额定风速Ve、小于切出风速Vc时会输出额定功率；当风力机风速大于切出风速Vc时会停止运转。

2.1.2 求机型Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ的在风电场的空气密度下的实际额定风速

根据附件3，可求出机型Ⅰ在风电场空气密度下的额定风速，通过联系附件3和附件4的数据，由参考文献风能密度W为：

W （2）

式（2）中，ρ为空气密度；V为额定风速。

由式（2）可以得出不同空气密度下额定风速的关系：

（3）

式（3）中，ρ为风电场空气密度；ρ2为标准空气密度；Ve为风电场下的额定风速；V2为标准额定风速。

2.1.3 容量系数

基于风能资源特性的容量系数可作为风电场建设中经济型评估和风力机组选型的参数。机型Ⅰ和Ⅱ的容量系数具体计算如下：

（4）

机型Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ没有年平均功率，只能根据《风能资源评估和机组选型在风电场选址中的应用》可求容量系数Cf的具体表达式为：

（5）

通过威布尔参数估计函数对实际风能资源和容量系数进行计算。

（6）

式（6）中，为威布尔分布函数；υ、k、c为参数。

结合模型（12）和模拟出来的年平均输出功率，使用Excel可求出原有机型容量系数Cf；结合模型（13），使用MATLAB可求出新型风机所在处容量系数Cf。

由原有机型和新型机型Cf参数对比可知，4#处机型IIICf值最大，16#处机型IIICf值最大，24#处机型ICf值最大，33#、49#、57#处均是机型IICf值最大，而提高风力机对风能利用率最有效的方法就是提高风力机组的容量系数，因此，在4#、16#处将原有机型替换成新型机型更为合适。

2.2 模型的求解

2.2.1 一周期排班计划

为安全生产需要，风机每年需进行两次停機维护，考虑工作要求，工作任务相对均衡，且风电场具有较好的经济效益，要制定维修人员的排版方案与风机维护计划。考虑较好经济效益即停机维护的天数最少，假设一个排班周期是一周，即一周的工作量最大。由此算出最少天数，然后再来安排风机维护计划。

考虑工作要求和较好经济效益，对于排班问题，建立规划模型，设

目标函数是一周期工作量最大，约束条件是维护工作必须至少连续两天，即相连两天工作量相加为0或为2，维护和值班连续工作时间不超过6天，每天必须有一组值班人员，各组工作人员相对均衡，则建立如下模型：

（7）

2.2.2 最少维修周数：

由排班计划可以计算出一周最大工作量即目标函数，假设维修一台风机所需天数为a，值班量为b，则一周维修台风机的台数：

（8）

一共有124台风机，一年维修两次，则总维修周数可表示为：

（9）

2.2.3 不维修周数Tb，进行值班排班计划：

不维修周数Tb为一年总周数Tz减去维修周数Tw后取整即，

（10）

由于值班至多6天，4组需工作24天，24一循环，用剩余天数除以24，商即就是循环次数H，余数是最后剩余天数将其平分给四组。

（11）

2.2.4 维护计划

为了使风电场具有较好的经济效益，应将维修周数定在风速较小的周里。

周平均风速可表示为：

（12）

式中，v2为周平均风速；每小时平均风速；

利用Excel软件对周平均风速进行排序，找出Tw个风速较小的周数，为维修周数。

3 模型的评价与改进

优点：（1）模型思路清晰，明了易懂，清楚地反映了风电场的运行状况；（2）利用Excel整合数据，SPSS分析数据，LINGO、MATLAB软件求解，使问题的解决清晰明确，利于理解与分析；（3）模型适用性强，规划范围较为全面，适用于很多模型。缺点：（1）计算量较大，需要的数据较多；（2）建立的部分模型相似，思路得不到扩展。

参考文献

[1] GB/T 18710-2002，风电场风能资源评估办法[S].北京：中国标准出版社，2002.

[2] 族旋风能资源评估和机组选型在风电场选址中的应用[D].湖南大学，2011.