權(quán)利要求書： 1.一種大型海上風(fēng)電集群風(fēng)機(jī)排布優(yōu)化方法，其特征在于，包括：S1：將大型風(fēng)電集群區(qū)域以平移拼接的方式劃分為多個小型風(fēng)電場區(qū)域，每個小型風(fēng)電場的形狀和內(nèi)部風(fēng)機(jī)排布方式相同；

S2：從所述大型風(fēng)電集群中確定規(guī)模小于所述大型風(fēng)電集群的中型風(fēng)電場作為優(yōu)化對象，所述優(yōu)化對象的形貌與所述大型風(fēng)電集群的形貌相同，且包含至少一個所述小型風(fēng)電場；

S3：以使所述優(yōu)化對象的尾流損失小于第一預(yù)設(shè)損失值為目標(biāo)，利用隨機(jī)搜索算法從風(fēng)機(jī)排布候選點(diǎn)中確定所述小型風(fēng)電場區(qū)域的風(fēng)機(jī)排布；

S4：復(fù)制小型風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)排布作為大型風(fēng)電集群風(fēng)機(jī)排布，計算大型風(fēng)電集群區(qū)域的尾流損失，當(dāng)大型風(fēng)電集群區(qū)域的尾流損失大于第二預(yù)設(shè)損失值時，擴(kuò)大所述優(yōu)化對象的規(guī)模，跳轉(zhuǎn)至步驟S3；當(dāng)大型風(fēng)電集群區(qū)域的尾流損失小于或等于第二預(yù)設(shè)損失值時，以當(dāng)前風(fēng)機(jī)排布作為最優(yōu)排布。

2.如權(quán)利要求1所述的大型海上風(fēng)電集群風(fēng)機(jī)排布優(yōu)化方法，其特征在于，所述小型風(fēng)電場區(qū)域呈六邊形。

3.如權(quán)利要求1所述的大型海上風(fēng)電集群風(fēng)機(jī)排布優(yōu)化方法，其特征在于，步驟S3之前，還包括在所述小型風(fēng)電場區(qū)域內(nèi)篩選所述風(fēng)機(jī)排布候選點(diǎn)，包括：在所述小型風(fēng)電場區(qū)域橫縱方向劃分若干個等距網(wǎng)格；

從所述等距網(wǎng)格的交叉點(diǎn)中篩選出若干個候選點(diǎn)，相鄰候選點(diǎn)之間的最遠(yuǎn)距離不超過風(fēng)機(jī)直徑。

4.如權(quán)利要求3所述的大型海上風(fēng)電集群風(fēng)機(jī)排布優(yōu)化方法，其特征在于，候選點(diǎn)的分布傾向均勻分布于對應(yīng)的小型風(fēng)電場區(qū)域內(nèi)。

5.如權(quán)利要求3所述的大型海上風(fēng)電集群風(fēng)機(jī)排布優(yōu)化方法，其特征在于，所述等距網(wǎng)格的交叉點(diǎn)的數(shù)量超過一萬個。

6.如權(quán)利要求1所述的大型海上風(fēng)電集群風(fēng)機(jī)排布優(yōu)化方法，其特征在于，所述隨機(jī)搜索算法為遺傳算法，所述風(fēng)機(jī)排布候選點(diǎn)的數(shù)量為2的冪次個。

7.如權(quán)利要求1所述的大型海上風(fēng)電集群風(fēng)機(jī)排布優(yōu)化方法，其特征在于，通過計算尾流效率反應(yīng)尾流損失，其中，

在步驟S3中，以使所述優(yōu)化對象的尾流效率大于第一預(yù)設(shè)效率值為目標(biāo)；

在步驟S4中，當(dāng)大型風(fēng)電集群區(qū)域的尾流效率小于第二預(yù)設(shè)效率值時，擴(kuò)大所述優(yōu)化對象的規(guī)模，跳轉(zhuǎn)至步驟S3；當(dāng)大型風(fēng)電集群區(qū)域的尾流效率大于或等于第二預(yù)設(shè)效率值時，以當(dāng)前風(fēng)機(jī)排布作為最優(yōu)排布。

8.如權(quán)利要求7所述的大型海上風(fēng)電集群風(fēng)機(jī)排布優(yōu)化方法，其特征在于，在計算考慮尾流效應(yīng)的發(fā)電量時，先建立二維尾流效應(yīng)模型，計算每個風(fēng)機(jī)考慮尾流效應(yīng)的風(fēng)速，根據(jù)風(fēng)機(jī)風(fēng)速計算考慮尾流效應(yīng)的發(fā)電量；

其中，第 個風(fēng)機(jī)的風(fēng)速 為：

其中， 和 分別為第 個風(fēng)機(jī)的徑向和軸向坐標(biāo)， 和 分別第 個風(fēng)機(jī)的徑向和軸向坐標(biāo)， 為風(fēng)機(jī)葉片半徑， 為風(fēng)電場的入射風(fēng)速，是由當(dāng)?shù)仫L(fēng)力條件決定的常數(shù)， 是與當(dāng)?shù)仫L(fēng)速和第 個風(fēng)機(jī)型號相關(guān)的推力系數(shù)， 是尾流效應(yīng)最大徑向影響范圍隨軸向距離變化的擴(kuò)張系數(shù)， 為第 個風(fēng)機(jī)與第 個風(fēng)機(jī)的距離，k為海水表面摩擦系數(shù)。

9.如權(quán)利要求8所述的大型海上風(fēng)電集群風(fēng)機(jī)排布優(yōu)化方法，其特征在于，在計算發(fā)電量時，還建立風(fēng)機(jī)發(fā)電模型，設(shè)定啟動風(fēng)速、額定風(fēng)速和切除風(fēng)速，當(dāng)風(fēng)速在啟動風(fēng)速與額定風(fēng)速之間時，隨著風(fēng)速增大，風(fēng)機(jī)出力指數(shù)增大，當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速與切除風(fēng)速之間時，風(fēng)機(jī)滿發(fā)，當(dāng)風(fēng)速超出切除風(fēng)速或小于啟動風(fēng)速時，風(fēng)機(jī)不發(fā)電。

10.一種大型海上風(fēng)電集群風(fēng)機(jī)排布優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于，包括：分割單元：用于將大型風(fēng)電集群區(qū)域以平移拼接的方式劃分為多個小型風(fēng)電場區(qū)域，每個小型風(fēng)電場的形狀和內(nèi)部風(fēng)機(jī)排布方式相同；

優(yōu)化對象初始化單元：用于從所述大型風(fēng)電集群中確定規(guī)模小于所述大型風(fēng)電集群的中型風(fēng)電場作為優(yōu)化對象，所述優(yōu)化對象的形貌與所述大型風(fēng)電集群的形貌相同，且包含至少一個所述小型風(fēng)電場；

風(fēng)機(jī)排布確定單元，用于以使所述優(yōu)化對象的尾流損失小于第一預(yù)設(shè)損失值為目標(biāo)，利用隨機(jī)搜索算法從風(fēng)機(jī)排布候選點(diǎn)中確定所述小型風(fēng)電場區(qū)域的風(fēng)機(jī)排布；

調(diào)整單元，用于復(fù)制小型風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)排布作為大型風(fēng)電集群風(fēng)機(jī)排布，計算大型風(fēng)電集群區(qū)域的尾流損失，當(dāng)大型風(fēng)電集群區(qū)域的尾流損失大于第二預(yù)設(shè)損失值時，擴(kuò)大所述優(yōu)化對象的規(guī)模并觸發(fā)所述風(fēng)機(jī)排布確定單元重新確定所述小型風(fēng)電場區(qū)域的風(fēng)機(jī)排布；

輸出單元，用于當(dāng)大型風(fēng)電集群區(qū)域的尾流損失小于或等于第二預(yù)設(shè)損失值時，輸出當(dāng)前風(fēng)機(jī)排布作為最優(yōu)排布。

說明書： 一種大型海上風(fēng)電集群風(fēng)機(jī)排布優(yōu)化方法及系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域[0001] 本發(fā)明屬于海上風(fēng)力發(fā)電場設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種大型海上風(fēng)電集群風(fēng)機(jī)排布優(yōu)化方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)[0002] 自提出2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和的雙碳目標(biāo)，各級電網(wǎng)積極響應(yīng)，掀起新能源并網(wǎng)熱潮。中國東部海域風(fēng)力資源豐富，開發(fā)潛力巨大，風(fēng)電場建設(shè)規(guī)?？蛇_(dá)千萬千瓦

級。大規(guī)模海上風(fēng)電場集群將容納上千個風(fēng)機(jī)，尾流效應(yīng)復(fù)雜，排布難度較大，是中國海上

風(fēng)電場建設(shè)和國際學(xué)術(shù)研究未曾遇到的規(guī)模。千萬千瓦級風(fēng)電集群風(fēng)機(jī)數(shù)量巨大，尾流影

響復(fù)雜，尾流損失較大，直接對風(fēng)電集群內(nèi)部所有風(fēng)機(jī)進(jìn)行最優(yōu)排布計算，排布所需計算時

間可逾百小時，優(yōu)化成本較高。因此，需要提出一種既能加快計算速度又能控制尾流損失的

方法以解決大型海上風(fēng)電集群的風(fēng)機(jī)排布問題。

發(fā)明內(nèi)容[0003] 針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種大型海上風(fēng)電集群風(fēng)機(jī)排布優(yōu)化方法及系統(tǒng)，其目的在于解決大型海上風(fēng)電集群的風(fēng)機(jī)排布優(yōu)化耗時長、成本高

的技術(shù)問題。

[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種大型海上風(fēng)電集群風(fēng)機(jī)排布優(yōu)化方法，其包括：

S1：將大型風(fēng)電集群區(qū)域以平移拼接的方式劃分為多個小型風(fēng)電場區(qū)域，每個小

型風(fēng)電場的形狀和風(fēng)機(jī)排布方式相同；

S2：從所述大型風(fēng)電集群中確定規(guī)模小于所述大型風(fēng)電集群的中型風(fēng)電場作為優(yōu)

化對象，所述優(yōu)化對象的形貌與所述大型風(fēng)電集群的形貌相同，且包含至少一個所述小型

風(fēng)電場；

S3：以使所述優(yōu)化對象的尾流損失小于第一預(yù)設(shè)損失值為目標(biāo)，利用隨機(jī)搜索算

法從風(fēng)機(jī)排布候選點(diǎn)中確定所述小型風(fēng)電場區(qū)域的風(fēng)機(jī)排布；

S4：復(fù)制小型風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)排布作為大型風(fēng)電集群風(fēng)機(jī)排布，計算大型風(fēng)電集群

區(qū)域的尾流損失，當(dāng)大型風(fēng)電集群區(qū)域的尾流損失大于第二預(yù)設(shè)損失值時，擴(kuò)大所述優(yōu)化

對象的規(guī)模，跳轉(zhuǎn)至步驟S3；當(dāng)大型風(fēng)電集群區(qū)域的尾流損失小于或等于第二預(yù)設(shè)損失值

時，以當(dāng)前風(fēng)機(jī)排布作為最優(yōu)排布。

[0005] 優(yōu)選地，所述小型風(fēng)電場區(qū)域呈六邊形。[0006] 優(yōu)選地，步驟S3之前，還包括在所述小型風(fēng)電場區(qū)域內(nèi)篩選所述風(fēng)機(jī)排布候選點(diǎn)，包括：

在所述小型風(fēng)電場區(qū)域橫縱方向劃分若干個等距網(wǎng)格；

從所述等距網(wǎng)格的交叉點(diǎn)中篩選出若干個候選點(diǎn)，相鄰候選點(diǎn)之間的最遠(yuǎn)距離不

超過風(fēng)機(jī)直徑。

[0007] 優(yōu)選地，候選點(diǎn)的分布傾向均勻分布于對應(yīng)的小型風(fēng)電場區(qū)域內(nèi)。[0008] 優(yōu)選地，所述等距網(wǎng)格的交叉點(diǎn)的數(shù)量超過一萬個。[0009] 優(yōu)選地，所述隨機(jī)搜索算法為遺傳算法，所述風(fēng)機(jī)排布候選點(diǎn)的數(shù)量為2的冪次個。

[0010] 優(yōu)選地，通過計算尾流效率反應(yīng)尾流損失，其中，在步驟S3中，以使所述優(yōu)化對象的尾流效率大于第一預(yù)設(shè)效率值為目標(biāo)；

在步驟S4中，當(dāng)大型風(fēng)電集群區(qū)域的尾流效率小于第二預(yù)設(shè)效率值時，擴(kuò)大所述

優(yōu)化對象的規(guī)模，跳轉(zhuǎn)至步驟S3；當(dāng)大型風(fēng)電集群區(qū)域的尾流效率大于或等于第二預(yù)設(shè)效

率值時，以當(dāng)前風(fēng)機(jī)排布作為最優(yōu)排布。

[0011] 優(yōu)選地，在計算考慮尾流效應(yīng)的發(fā)電量時，先建立二維尾流效應(yīng)模型，計算每個風(fēng)機(jī)考慮尾流效應(yīng)的風(fēng)速，根據(jù)風(fēng)機(jī)風(fēng)速計算考慮尾流效應(yīng)的發(fā)電量；

其中，第 個風(fēng)機(jī)的風(fēng)速 為：

其中， 和 分別為第 個風(fēng)機(jī)的徑向和軸向坐標(biāo)， 和 分別第 個風(fēng)機(jī)的

徑向和軸向坐標(biāo)，為風(fēng)機(jī)葉片半徑， 為風(fēng)電場的入射風(fēng)速，是由當(dāng)?shù)仫L(fēng)力條件決定

的常數(shù)， 是與當(dāng)?shù)仫L(fēng)速和第 個風(fēng)機(jī)型號相關(guān)的推力系數(shù)， 是尾流效應(yīng)最大徑向

影響范圍隨軸向距離變化的擴(kuò)張系數(shù)， 為第 個風(fēng)機(jī)與第 個風(fēng)機(jī)的距離，k為海水

表面摩擦系數(shù)。

[0012] 優(yōu)選地，在計算發(fā)電量時，還建立風(fēng)機(jī)發(fā)電模型，設(shè)定啟動風(fēng)速、額定風(fēng)速和切除風(fēng)速，當(dāng)風(fēng)速在啟動風(fēng)速與額定風(fēng)速之間時，隨著風(fēng)速增大，風(fēng)機(jī)出力指數(shù)增大，當(dāng)風(fēng)速在

額定風(fēng)速與切除風(fēng)速之間時，風(fēng)機(jī)滿發(fā)，當(dāng)風(fēng)速超出切除風(fēng)速或小于啟動風(fēng)速時，風(fēng)機(jī)不發(fā)

電。

[0013] 按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種大型海上風(fēng)電集群風(fēng)機(jī)排布優(yōu)化系統(tǒng)，其包括：

分割單元：用于將大型風(fēng)電集群區(qū)域以平移拼接的方式劃分為多個小型風(fēng)電場區(qū)

域，每個小型風(fēng)電場的形狀和內(nèi)部風(fēng)機(jī)排布方式相同；

優(yōu)化對象初始化單元：用于從所述大型風(fēng)電集群中確定規(guī)模小于所述大型風(fēng)電集

群的中型風(fēng)電場作為優(yōu)化對象，所述優(yōu)化對象的形貌與所述大型風(fēng)電集群的形貌相同，且

包含至少一個所述小型風(fēng)電場；

風(fēng)機(jī)排布確定單元，用于以使所述優(yōu)化對象的尾流損失小于第一預(yù)設(shè)損失值為目

標(biāo)，利用隨機(jī)搜索算法從風(fēng)機(jī)排布候選點(diǎn)中確定所述小型風(fēng)電場區(qū)域的風(fēng)機(jī)排布；

調(diào)整單元，用于復(fù)制小型風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)排布作為大型風(fēng)電集群風(fēng)機(jī)排布，計算大

型風(fēng)電集群區(qū)域的尾流損失，當(dāng)大型風(fēng)電集群區(qū)域的尾流損失大于第二預(yù)設(shè)損失值時，擴(kuò)

大所述優(yōu)化對象的規(guī)模并觸發(fā)所述風(fēng)機(jī)排布確定單元重新確定所述小型風(fēng)電場區(qū)域的風(fēng)

機(jī)排布；

輸出單元，用于當(dāng)大型風(fēng)電集群區(qū)域的尾流損失小于或等于第二預(yù)設(shè)損失值時，

輸出當(dāng)前風(fēng)機(jī)排布作為最優(yōu)排布。

[0014] 總體而言，不同于現(xiàn)有技術(shù)中將風(fēng)電集群整體風(fēng)機(jī)排布作為優(yōu)化對象，本發(fā)明提出一種權(quán)衡計算速度與尾流損失的千萬千瓦級海上風(fēng)電場集群排布優(yōu)化方法。先將風(fēng)電集

群以平移拼接的方式劃分為多個小型風(fēng)電場，即每個小型風(fēng)電場的形貌和風(fēng)機(jī)排布相同，

在優(yōu)化時，在風(fēng)電集群中確定一個與風(fēng)電集群形貌相同或相似的中型風(fēng)電場作為優(yōu)化對

象，優(yōu)化對象與風(fēng)電集群的形貌相同或相似，更夠更好地模擬風(fēng)電集群形狀對尾流效應(yīng)的

影響，對比不考慮形狀影響的排列方式尾流損失可相對減小10%以上。優(yōu)化對象規(guī)模可根據(jù)

需要變化，且規(guī)模越大，尾流損失越小。通過利用規(guī)模較小的風(fēng)電場替換整個風(fēng)電集群作為

優(yōu)化對象，可以大大縮短優(yōu)化時間和成本，然后將優(yōu)化確定的小型風(fēng)電場緊密排布形成風(fēng)

電集群，并再次計算風(fēng)電集群的尾流損失，當(dāng)風(fēng)電集群的尾流損失不符合要求時，擴(kuò)大優(yōu)化

對象的規(guī)模并再次進(jìn)行優(yōu)化，直至風(fēng)電集群的損失復(fù)合預(yù)期。實(shí)例證明，本文方法較好地平

衡了計算速度和尾流損失。

附圖說明[0015] 圖1是本申請一實(shí)施例中的大型海上風(fēng)電集群風(fēng)機(jī)排布優(yōu)化方法的步驟流程圖。[0016] 圖2是本申請一實(shí)施例中的海上風(fēng)電規(guī)劃邏輯拓?fù)?。[0017] 圖3是本申請一實(shí)施例中的使用小型六邊形風(fēng)電場擬合大型海上風(fēng)電場集群示意圖。

[0018] 圖4是本申請一實(shí)施例中的篩選風(fēng)機(jī)排布候選點(diǎn)的示意圖。[0019] 圖5是本申請一實(shí)施例中的二維尾流效應(yīng)模型圖。[0020] 圖6是本申請一實(shí)施例中風(fēng)機(jī)發(fā)電模型圖。[0021] 圖7是本申請一實(shí)施例中的大型海上風(fēng)電場集群風(fēng)機(jī)排布算法示意圖。[0022] 圖8是本申請一實(shí)施例中的大型海上風(fēng)電集群風(fēng)機(jī)排布優(yōu)化方法的具體過程圖。[0023] 圖9是本申請一實(shí)施例中的不同規(guī)模研究對象的典型排布組成的不同規(guī)模風(fēng)電集群尾流損失對比圖。

[0024] 圖10是本申請一實(shí)施例中的風(fēng)電場尾流效應(yīng)圖。[0025] 圖11是本申請一實(shí)施例中的千萬千瓦級大型海上風(fēng)電集群排布結(jié)果圖。具體實(shí)施方式[0026] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并

不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要

彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

[0027] 如圖1所示為本申請一實(shí)施例中的大型海上風(fēng)電集群風(fēng)機(jī)排布優(yōu)化方法的步驟流程圖，其包括如下步驟：

步驟S100：將大型風(fēng)電集群區(qū)域以平移拼接的方式劃分為多個小型風(fēng)電場區(qū)域，

每個小型風(fēng)電場的形狀和內(nèi)部風(fēng)機(jī)排布方式相同。

[0028] 其中，該大型風(fēng)電集群的規(guī)模可達(dá)千萬千瓦級。[0029] 首先，需要根據(jù)規(guī)劃明確大型風(fēng)電集群的規(guī)模、形貌、發(fā)電要求以及成本投入等信息。一般，風(fēng)電集群的形貌為規(guī)則或近似規(guī)則的形狀，例如三角形、矩形、平行四邊形、梯形

等。

[0030] 其次，對大型風(fēng)電集群進(jìn)行建模。[0031] 為減小風(fēng)電集群拓?fù)涞膹?fù)雜性，將大型風(fēng)電集群區(qū)域以平移拼接的方式劃分為多個小型風(fēng)電場區(qū)域的無縫鑲嵌拓?fù)?，所謂平移拼接的方式，指的是在確定好一個小型風(fēng)電

場后，以該小型風(fēng)電場為典型排布，通過平移的方式緊密鋪滿整個風(fēng)電集群區(qū)域，即，每個

小型風(fēng)電場的形狀和內(nèi)部風(fēng)機(jī)排布方式相同。具體可參考圖2，一旦計算得到小型風(fēng)電場內(nèi)

部排列（下文稱典型排布），即可通過復(fù)制拼接的方式獲得海上風(fēng)電場集群（下文簡稱風(fēng)電

集群）、海上風(fēng)電場基地（下文簡稱風(fēng)電基地）乃至整片海域的風(fēng)機(jī)排布方式。

[0032] 其中，不限定小型風(fēng)電場的拓?fù)?，可為三角形、矩形、六邊形等無縫鑲嵌拓?fù)洹Ｔ诒緦?shí)施例中，選取六邊形的小型海上風(fēng)電場拓?fù)?，原因如下?br>
a.六邊形具有上述三種形狀中最大的周長面積比（周長與面積的比值），可減小

拓?fù)渲腥↑c(diǎn)時由于邊界效應(yīng)帶來的樣本偏差；

b.六邊形因為地球曲率的原因?qū)е碌耐負(fù)浠儠　?br>
[0033] 其中，使用小型六邊形風(fēng)電場擬合大型海上風(fēng)電場的結(jié)果如圖3所示，圖3中的（a）為使用小型六邊形風(fēng)電場擬合梯形的大型海上風(fēng)電集群，圖3中的（b）為使用小型六邊

形風(fēng)電場擬合不規(guī)則形的大型海上風(fēng)電集群，圖3中的（c）為使用小型六邊形風(fēng)電場擬合

平行四邊形的大型海上風(fēng)電集群。對于梯形、平行四邊形和不規(guī)則的其他形狀，均可以通過

小型六邊形風(fēng)電場擬合，由此完成大型海上風(fēng)電集群的建模。

[0034] 具體的，將風(fēng)電集群劃分為多個小型風(fēng)電場，小型風(fēng)電場的數(shù)量根據(jù)實(shí)際情況確定，一般，小型風(fēng)電場的數(shù)量越多，排布精度越高，對尾流效應(yīng)的模擬越真實(shí)，但是會影響后

續(xù)的優(yōu)化速度，因此，會根據(jù)計算速度和尾流影響綜合考慮小型風(fēng)電場的規(guī)模。在本實(shí)施例

中，根據(jù)風(fēng)電集群的建設(shè)周期，以建成一期的規(guī)模作為一個小型風(fēng)電場的規(guī)模。

[0035] 步驟S200：從大型風(fēng)電集群中確定規(guī)模小于大型風(fēng)電集群的中型風(fēng)電場作為優(yōu)化對象，優(yōu)化對象的形貌與大型風(fēng)電集群的形貌相同，且包含至少一個所述小型風(fēng)電場。

[0036] 在得到大型海上風(fēng)電集群的基本建模后，從大型海上風(fēng)電集群中確定優(yōu)化對象，優(yōu)化對象至少滿足以下兩個基本條件：

條件1：規(guī)模小于大型風(fēng)電集群，以加快后續(xù)優(yōu)化方法的計算速度。

[0037] 條件2：形貌與大型海上風(fēng)電場的形貌相同，以更好地模擬形貌對尾流效應(yīng)地影響。需要說明的是，此處的相同，并非絕對的相同，允許一定范圍的偏差，相同或近似相同，

都認(rèn)為是相同。

[0038] 其中，大型風(fēng)電集群被分割為多個相同的小型風(fēng)電場，從大型風(fēng)電集群劃分優(yōu)化對象時，優(yōu)化對象包含至少一個小型風(fēng)電場，即優(yōu)化對象中可包含一個小型風(fēng)電場，也可包

含多個小型風(fēng)電場。在一實(shí)施例中，優(yōu)化對象內(nèi)部至少包含兩個小型風(fēng)電場，即包含兩個相

同的典型排布，以更好了模擬小型風(fēng)電場之間的尾流效應(yīng)。

[0039] 步驟S300：以使優(yōu)化對象的尾流損失小于第一預(yù)設(shè)損失值為目標(biāo)，利用隨機(jī)搜索算法從風(fēng)機(jī)排布候選點(diǎn)中確定小型風(fēng)電場區(qū)域的風(fēng)機(jī)排布。

[0040] 首先，在小型風(fēng)電場中確定若干個風(fēng)機(jī)排布候選點(diǎn)，其中，候選點(diǎn)越多，小型風(fēng)電場的取點(diǎn)精度越高，后續(xù)優(yōu)化將越精細(xì)，但同樣會影響優(yōu)化期間的計算速度，因此，還是需

要綜合考慮計算速度和尾流損失確定候選點(diǎn)的數(shù)量。

[0041] 在本實(shí)施例中，通過以下方式確定篩選風(fēng)機(jī)排布候選點(diǎn)：第一步：在小型風(fēng)電場區(qū)域橫縱方向劃分若干個等距網(wǎng)格。

[0042] 其中，等距網(wǎng)格形成一系列交叉點(diǎn)。在本實(shí)施例中，交叉點(diǎn)的數(shù)量超過1萬個，以保證足夠的取點(diǎn)精度。

[0043] 第二步：從等距網(wǎng)格的交叉點(diǎn)中篩選出若干個候選點(diǎn)，相鄰候選點(diǎn)之間的最遠(yuǎn)距離不超過風(fēng)機(jī)直徑。

[0044] 以候選點(diǎn)之間的最遠(yuǎn)距離不超過風(fēng)機(jī)直徑為約束條件，在上述等距網(wǎng)格的交叉點(diǎn)中篩選出一系列符合條件的交叉點(diǎn)作為候選點(diǎn)。具體的，候選點(diǎn)的分布傾向均勻分布于對

應(yīng)的小型風(fēng)電場區(qū)域內(nèi)。

[0045] 結(jié)合圖4，通過一具體實(shí)施例對篩選候選點(diǎn)的過程進(jìn)行說明，分別在六邊形區(qū)域橫縱方向上劃分128個等距網(wǎng)格，并選取所有網(wǎng)格交叉點(diǎn)作為候選點(diǎn)（超過10000個）。在取點(diǎn)

精度條件下篩選候選點(diǎn)到4096個，取點(diǎn)后相鄰點(diǎn)之間的最遠(yuǎn)距離，即海上風(fēng)電場的拓?fù)渚?br>
度大約與風(fēng)機(jī)直徑相當(dāng)，遠(yuǎn)小于學(xué)術(shù)界常用的4倍風(fēng)機(jī)直徑的拓?fù)渚取Y選后的點(diǎn)依次

編號，分別是0 4095。

~

[0046] 在確定優(yōu)化對象以及優(yōu)化對象內(nèi)部的風(fēng)機(jī)排布候選點(diǎn)之后，再通過隨機(jī)搜索算法從風(fēng)機(jī)排布候選點(diǎn)中確定小型風(fēng)電場區(qū)域的風(fēng)機(jī)排布，以使優(yōu)化對象的尾流損失小于第一

預(yù)設(shè)損失值為目標(biāo)。

[0047] 其中，可選擇不同的指標(biāo)反應(yīng)尾流損失。在本實(shí)施例中，以尾流效率反應(yīng)尾流損失，其中，

尾流效率越高，尾流損失就越小。

[0048] 當(dāng)以尾流效率作為評估標(biāo)準(zhǔn)時，根據(jù)尾流效率的公式，需要計算考慮尾流效應(yīng)的發(fā)電量和不考慮尾流效應(yīng)的發(fā)電量。風(fēng)機(jī)的發(fā)電量與葉片風(fēng)速有一一對應(yīng)的關(guān)系，而風(fēng)電

場中風(fēng)機(jī)之間的相對位置會影響風(fēng)機(jī)葉片感受到的風(fēng)速。只要計算出每個風(fēng)機(jī)的風(fēng)速，便

能計算得到對應(yīng)的發(fā)電量。

[0049] 其中，當(dāng)計算不考慮尾流效應(yīng)的發(fā)電量時，認(rèn)為所有風(fēng)機(jī)的風(fēng)速相同，即下游風(fēng)機(jī)不受上游風(fēng)機(jī)的尾流效應(yīng)影響。

[0050] 當(dāng)計算考慮尾流效應(yīng)的發(fā)電量時，需要考慮上游風(fēng)機(jī)對下游風(fēng)機(jī)的尾流效應(yīng)影響。在本實(shí)施例中，先建立圖5所示的二維尾流效應(yīng)模型，其中，箭頭方向表示風(fēng)向，箭頭長

度表示風(fēng)速，標(biāo)識 為上游風(fēng)機(jī)風(fēng)速， 為下游風(fēng)機(jī)風(fēng)速， 為尾流效應(yīng)擴(kuò)散半徑，

是上游風(fēng)機(jī)與下游風(fēng)機(jī)的軸向距離， 為上游風(fēng)機(jī)與下游風(fēng)機(jī)的徑向距離。本申請人

根據(jù)該二維尾流效應(yīng)模型，通過大量推導(dǎo)分析，得到風(fēng)場中每個風(fēng)機(jī)風(fēng)速的計算公式，其

中，第 個風(fēng)機(jī)的風(fēng)速 為：

其中， 軸為圖5中的徑向坐標(biāo)軸， 軸為圖5中的軸向坐標(biāo)軸， 和 分別為

第 個風(fēng)機(jī)的徑向和軸向坐標(biāo)， 和 分別第 個風(fēng)機(jī)的徑向和軸向坐標(biāo)， 為風(fēng)機(jī)

葉片半徑， 為風(fēng)電場的入射風(fēng)速，是由當(dāng)?shù)仫L(fēng)力條件決定的常數(shù)， 是與當(dāng)?shù)仫L(fēng)速

和第 個風(fēng)機(jī)型號相關(guān)的推力系數(shù)， 是尾流效應(yīng)最大徑向影響范圍隨軸向距離變化的

擴(kuò)張系數(shù)， 為第 個風(fēng)機(jī)與第 個風(fēng)機(jī)的距離，k為海水表面摩擦系數(shù)。

[0051] 進(jìn)一步的，根據(jù)風(fēng)機(jī)發(fā)電的可靠性設(shè)計，還需要建立發(fā)電模型，在計算發(fā)電量時，還需結(jié)合發(fā)電模型進(jìn)行計算。在本實(shí)施例中，建立如圖6所示的發(fā)電模型以反應(yīng)風(fēng)機(jī)發(fā)電量

與風(fēng)速的關(guān)系，在圖中，從上至下的的線條分別表示11MW、9MW、7MW、5MW、3MW風(fēng)機(jī)的發(fā)電量

與風(fēng)速關(guān)系。具體的，風(fēng)機(jī)輸出的功率與風(fēng)速有關(guān)。風(fēng)速小于啟動風(fēng)速時，風(fēng)機(jī)沒有足夠動

力轉(zhuǎn)動發(fā)電；風(fēng)速超過切除風(fēng)速時，風(fēng)機(jī)出于自我保護(hù)不再發(fā)電；風(fēng)速處于啟動風(fēng)速與額定

風(fēng)速之間時，隨著風(fēng)速增大，風(fēng)機(jī)出力指數(shù)增大，并在風(fēng)速大于額定風(fēng)速時滿發(fā)。

[0052] 在一實(shí)施例中，發(fā)電量與風(fēng)速的關(guān)系可由下式表示：上式中，“2”、“12”和“25”分別為啟動風(fēng)速、額定風(fēng)速和切除風(fēng)速。不同風(fēng)機(jī)型號的

數(shù)據(jù)可能會有不同。

[0053] 在一實(shí)施例中，利用隨機(jī)搜索算法從風(fēng)機(jī)排布候選點(diǎn)中確定小型風(fēng)電場區(qū)域的風(fēng)機(jī)排布，其中，最終的風(fēng)機(jī)數(shù)量根據(jù)風(fēng)電場規(guī)劃的裝機(jī)容量確定。

[0054] 上文的隨機(jī)搜索算法可以為常規(guī)算法，例如遺傳算法或是PSO（粒子群優(yōu)化方法）等。

[0055] 以隨機(jī)搜索算法為遺傳算法、以尾流效率反應(yīng)尾流損失為例進(jìn)行說明，當(dāng)選用遺傳算法時，前文所篩選出的候選點(diǎn)的數(shù)量須為2的冪次個，例如4096個，并通過二進(jìn)制進(jìn)行

編號。此時，以尾流效率作為應(yīng)度函數(shù)，以此篩選尾流損失最小的排布方式，促進(jìn)種群向尾

流損失更小的方向進(jìn)化。交叉和變異操作保證算法不收斂到局部最優(yōu)解。遺傳算法的配置

如表1所示：

通過以上方法對優(yōu)化對象進(jìn)行計算，確定出小型風(fēng)電場內(nèi)部的風(fēng)機(jī)排布后，即確

定出典型排布后，通過典型排布的復(fù)制拼接，便能夠得出整個風(fēng)電集群的風(fēng)機(jī)排布，小型風(fēng)

電場典型排布到風(fēng)電集群的排布關(guān)系具體參見圖7，從風(fēng)電集群中劃分出與風(fēng)電集群形貌

相同的優(yōu)化對象進(jìn)行優(yōu)化，得到小型風(fēng)電場的典型排布，然后根據(jù)典型排布，便能得到整個

風(fēng)電集群的風(fēng)機(jī)排布。

[0056] 步驟S400：復(fù)制小型風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)排布作為大型風(fēng)電集群風(fēng)機(jī)排布，計算大型風(fēng)電集群區(qū)域的尾流損失，當(dāng)大型風(fēng)電集群區(qū)域的尾流損失大于第二預(yù)設(shè)損失值時，擴(kuò)大優(yōu)

化對象的規(guī)模，跳轉(zhuǎn)至步驟S300；當(dāng)大型風(fēng)電集群區(qū)域的尾流損失小于或等于第二預(yù)設(shè)損

失值時，以當(dāng)前風(fēng)機(jī)排布作為最優(yōu)排布。

[0057] 由于最終是考量整個風(fēng)電集群的尾流效應(yīng)，因此，在得到優(yōu)化對象的最佳排布方式后，還需要將風(fēng)機(jī)排布拓展到整個風(fēng)電集群，計算整個風(fēng)電集群的尾流損失。具體的，也

是通過計算尾流效率反應(yīng)尾流損失，計算風(fēng)電集群尾流效率的方式參照上文中計算優(yōu)化對

象尾流效率的方式，在此不再贅述。當(dāng)尾流損失不滿足預(yù)期時，需要進(jìn)一步擴(kuò)大優(yōu)化對象的

規(guī)模，例如從前一周期包含四個小型風(fēng)電場擴(kuò)大到包含九個小型風(fēng)電場，以包含九個小型

風(fēng)電場的優(yōu)化對象重新進(jìn)行計算，直至最后風(fēng)電集群的尾流損失符合預(yù)期，結(jié)束計算，以當(dāng)

前風(fēng)機(jī)排布作為最優(yōu)排布。

[0058] 以下，結(jié)合圖8，以一具體實(shí)施例介紹上述過程。[0059] 步驟S11：確定風(fēng)電集群的劃分，初始化小型風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)排布；步驟S12：初始化優(yōu)化對象，即確定優(yōu)化對象的初始規(guī)模。具體的，可以在初始化階

段令優(yōu)化對象僅包含一個典型排布；

步驟S13：獲取優(yōu)化對象內(nèi)部風(fēng)機(jī)的排布方式；

步驟S14：計算優(yōu)化對象的尾流損失；

步驟S15：判斷適應(yīng)度函數(shù)是否大于95%，若否，跳轉(zhuǎn)至步驟S16，若是，跳轉(zhuǎn)至步驟

S17；

步驟S16：進(jìn)行復(fù)制、交叉、變異后跳轉(zhuǎn)至步驟S13；

步驟S17：將小型風(fēng)電場復(fù)制到49個組成風(fēng)電集群；

步驟S18：計算并判斷風(fēng)電集群的尾流效率是否大于95%，若否，擴(kuò)大優(yōu)化對象規(guī)模

后，結(jié)合小型風(fēng)電場排布重新確定優(yōu)化對象內(nèi)部風(fēng)機(jī)排布，跳轉(zhuǎn)至步驟S13，若是，則結(jié)束計

算。

[0060] 為了進(jìn)一步說明本方案的效果，本發(fā)明研究一個位于中國福建漳州海域的千萬千瓦級平行四邊形大型風(fēng)電集群最優(yōu)風(fēng)機(jī)排布。使用上述算法進(jìn)行大型海上風(fēng)電場最優(yōu)排布

計算。為研究優(yōu)化對象規(guī)模對風(fēng)電集群尾流損失的影響，分別對由1個、4個和9個小型海上

風(fēng)電場組成的優(yōu)化對象優(yōu)化得到典型排布，并對比不同規(guī)模研究對象的典型排布組成的不

同規(guī)模風(fēng)電集群尾流損失。計算結(jié)果如表2及圖9所示：

在圖9中，橫坐標(biāo)為典型排布個數(shù)，縱坐標(biāo)為尾流損失。16個典型排布組成的是百

萬千瓦級風(fēng)電集群，36和49個典型排布組成的是千萬千瓦級風(fēng)電集群。從中可以看出，以9

個小型風(fēng)電場作為優(yōu)化對象，相比于以4個和1個小型風(fēng)電場作為優(yōu)化對象，其尾流損失較

小，優(yōu)化結(jié)果有明顯優(yōu)勢。而對于千萬千瓦級海上風(fēng)電集群，尾流損失每減少1%，將帶來百

億人民幣級收益，因此，在計算時間允許的前提下，可以盡量擴(kuò)大優(yōu)化對象的規(guī)模，以爭取

得到更小的尾流損失。

[0061] 參考圖10，可以直觀反應(yīng)通過上述方法進(jìn)行排布后的尾流效應(yīng)，其中，（a）為九個風(fēng)電場之間尾流效應(yīng)圖，（b）為風(fēng)電場之間尾流效應(yīng)圖，其中，六邊形框表示一個小型風(fēng)電

場，（c）為典型排布內(nèi)部尾流效應(yīng)圖，（d）為典型排布內(nèi)部風(fēng)機(jī)之間尾流效應(yīng)圖。圖中的線條

表示經(jīng)過每個風(fēng)機(jī)的風(fēng)速，線條顏色的深淺表示風(fēng)速的變化，顏色越深，風(fēng)速越大。線條由

深到淺的變化，反應(yīng)風(fēng)速經(jīng)過風(fēng)機(jī)后風(fēng)速由大到小的變化，且線條的范圍表示尾流效應(yīng)的

影響范圍。從圖10的（b）可以看出，本發(fā)明避免風(fēng)電集群中風(fēng)電場間尾流干擾效果顯著，由

圖10的（d）可見，本發(fā)明避免典型排布內(nèi)部風(fēng)機(jī)之間尾流干擾效果顯著。

[0062] 參考圖11，為通過上述優(yōu)化方法得到的49個典型排布組成的大型海上風(fēng)電集群，?2

該大型海上風(fēng)電集群的規(guī)模能夠達(dá)到50×50km，且能量密度在7MW·km 以上，參考廣東省

發(fā)改委2018年印發(fā)的《廣東省海上風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃（2017?2030年）》中能量密度達(dá)到每十萬千

瓦16平方公里的要求，該能量密度已經(jīng)符合“節(jié)約用海”理念，總裝機(jī)容量已經(jīng)超過19吉瓦，

達(dá)到千萬千瓦量級，然而其尾流效應(yīng)損失僅3.45%。由此足以證明本文方法的有效性。

[0063] 本申請還涉及一種大型海上風(fēng)電集群風(fēng)機(jī)排布優(yōu)化系統(tǒng)，其包括：分割單元：用于將大型風(fēng)電集群區(qū)域以平移拼接的方式劃分為多個小型風(fēng)電場區(qū)

域，每個小型風(fēng)電場的形狀和內(nèi)部風(fēng)機(jī)排布方式相同；

優(yōu)化對象初始化單元：從大型風(fēng)電集群中確定規(guī)模小于大型風(fēng)電集群的中型風(fēng)電

場作為優(yōu)化對象，優(yōu)化對象的形貌與大型風(fēng)電集群的形貌相同，且包含至少一個小型風(fēng)電

場；

風(fēng)機(jī)排布確定單元，用于以使優(yōu)化對象的尾流損失小于第一預(yù)設(shè)損失值為目標(biāo)，

利用隨機(jī)搜索算法從風(fēng)機(jī)排布候選點(diǎn)中確定小型風(fēng)電場區(qū)域的風(fēng)機(jī)排布；

調(diào)整單元，用于復(fù)制小型風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)排布作為大型風(fēng)電集群風(fēng)機(jī)排布，計算大

型風(fēng)電集群區(qū)域的尾流損失，當(dāng)大型風(fēng)電集群區(qū)域的尾流損失大于第二預(yù)設(shè)損失值時，擴(kuò)

大優(yōu)化對象的規(guī)模并觸發(fā)風(fēng)機(jī)排布確定單元重新確定小型風(fēng)電場區(qū)域的風(fēng)機(jī)排布；

輸出單元，用于當(dāng)大型風(fēng)電集群區(qū)域的尾流損失小于或等于第二預(yù)設(shè)損失值時，

輸出當(dāng)前風(fēng)機(jī)排布作為最優(yōu)排布。

[0064] 以上大型海上風(fēng)電集群風(fēng)機(jī)排布優(yōu)化系統(tǒng)具體是用于執(zhí)行上文中的大型海上風(fēng)電集群風(fēng)機(jī)排布優(yōu)化方法，其中的每個單元的功能用于實(shí)現(xiàn)優(yōu)化方法中的對應(yīng)步驟，具體

可參考上文介紹，在此不再贅述。

[0065] 綜上，本發(fā)明提出一種權(quán)衡計算速度與尾流損失的千萬千瓦級海上風(fēng)電場集群排布優(yōu)化方法。先將風(fēng)電集群以平移拼接的方式劃分為多個小型風(fēng)電場，即每個小型風(fēng)電場

的形貌和風(fēng)機(jī)排布相同，在優(yōu)化時，在風(fēng)電集群中確定一個與風(fēng)電集群形貌相同或相似的

中型風(fēng)電場作為優(yōu)化對象，優(yōu)化對象與風(fēng)電集群的形貌相同或相似，更夠更好地模擬風(fēng)電

集群形狀對尾流效應(yīng)的影響，對比不考慮形狀影響的排列方式尾流損失可相對減小10%以

上。優(yōu)化對象規(guī)模可根據(jù)需要變化，且規(guī)模越大，尾流損失越小。通過利用規(guī)模較小的風(fēng)電

場替換整個風(fēng)電集群作為優(yōu)化對象，可以大大縮短優(yōu)化時間和成本，然后將優(yōu)化確定的小

型風(fēng)電場緊密排布形成風(fēng)電集群，并再次計算風(fēng)電集群的尾流損失，當(dāng)風(fēng)電集群的尾流損

失不符合要求時，擴(kuò)大優(yōu)化對象的規(guī)模并再次進(jìn)行優(yōu)化，直至風(fēng)電集群的損失復(fù)合預(yù)期。實(shí)

例證明，本文方法較好地平衡了計算速度和尾流損失。

[0066] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本

發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。