风电场运行状况分析及优化

作者/田茹会，陕西能源职业技术学院

风电场运行状况分析及优化

作者/田茹会，陕西能源职业技术学院

本文计算出风场每个月的平均风速，定义了风能资源的利用率，算出风电场每个月风能资源的利用率来分析风电场风能的利用情况；推导出风能功率的计算公式，用风能功率的大小来判断风能资源与发电机的匹配度；用试探法得到了合理的维修人员的排班方案和风机维护计划。

利用率；风能功率；排班表

引言

问题1，利用文献[1]给出的各风机安装处的平均风速和风电场日实际输出功率对该风电场的风能资源及其利用情况进行评估。

问题2，定义风能资源与风机匹配度，根据附件2、附件3和附件4的数据，判断4#、16#、24#风机，33#、49#、57#风机处，新型号风机和现有风机相比，哪个匹配度更高。

问题3，因为安全生产需要，风机每年需要进行两次停机维护，两次维护之间的连续工作时间应小于等于270天，而且每次维护需一组维修人员连续工作2天。风电场每天需有一组维修人员值班以应对突发情况。风电场共有4组维修人员可从事值班或维护工作，每组维修人员连续工作时间不超过6天。请制定风机维护计划与维修人员的排班方案，使各组维修人员的工作任务相对均衡，且风电场具有较好的经济效益。

1. 模型分析与建立

1.1 问题一分析与求解

风电厂风能资源的情况可以通过平均风速来反映。在风速小于9.4时，平均风速越接高，风能资源情况越好。所以计算每个月的平均风速来分析该风电厂的风能资源。

利用Excel进行计算得到每个月的平均风速：

大部分学生还在单纯依靠背诵的方式学习文化这部分的知识，而不会选择理解、合作讨论、自主探究的方式进行学习，充满被动性，他们更加倾向于把课后所有学习时间放在背诵之前所画的知识点上，出现了本末倒置的错误。这导致学生死记硬背，不能灵活运用知识点，在课后习题和日常考试中，在面对源于知识却又高于知识且变化多端的选择题、材料题时感到无从下手，成绩下降。有一些高中生普遍缺乏文化参与的热情，故而难以在实践中运用、检验所学知识。

表1 月平均风速

对比表2中的年平均风速参考值，2月份等级很高，1、4月份等级高，5、6、9、12月份等级较高 ；3、7、8、10、11月份的平均风速达不到并网发电的风速要求。

表2 风功率密度等级

根据表1和风功率密度等级表2[2]进行数据比对，得出该地区年平均风速为5.55m/s，和国家标准相比，该地区的风能资源较好。

风能资源的利用率=电场实际输出电能/风产生能量=风电场实际输出功率/风能功率。

风能资源的利用率为, 风电场实际输出功率为a，风能功率b ，所以

如果比值c大，说明风能资源的利用率高；如果比值c小，风能资源的利用率就低。

表3 风场的台风机的平均功率

利用Matlab拟合出风速和功率的函数关系[2]：

利用上式及前面计算出的月平均风速，可得出12个月风产生能量的功率。

表4 风产生能量的功率

利用Excel算出风电场每个月的平均实际输出功率，见表5。

表5 电场月平均实际输出功率

所以风能的利用率见表6。

表6 风能的利用率

从上表可以看出，月平均风速高时，风能的利用率低；月平均风速低时，风能的利用率却高。

1.2 问题二的分析与求解

利用Excel软件计算附件二中4#、16#、24#、33#、45#、57#风机点的年平均风速，分别为6.323，6.066，5.743，5.648，6.033，6.196。结合附件3和附件4中五个机型的额定功率和额定速度，利用（1）式可算出4#、16#、24#、33#、45#、57#风机点在不同型号下产生的功率。

表7 4#等六个风机点的功率

通过以上模型得出结论：在4#、16#、24#风机点处机型Ⅰ的输出功率最大，所以此处原有机型比新型号更匹；在33#、49#、57#机位处机型Ⅲ的输出功率最大，所以机型Ⅲ比现有机型更合适，建议将该处机位的机型换为机型Ⅲ。

1.3 问题三的分析与求解

分析前两问得出，2月到5月和8月到11月两时段内的平均风速较低，将维修人员安排在该时段内维护风机可使风电场的效益达到最大化。根据问题所给的风机数量，得出风机维护所需的总天数，制定出以下两种排版方案表8、表9：

表8 维护排班表

表9 值班排班表

表10 各小组年维修天数和值班天数统计表

全部风机维护一次总天数为：124＊2=248天。

以28天为一周期，各小组在一周期内的维护天数为16天，值班天数为8天，休息天数为10天。一周期内所有维修小组总维修天数为64天，维护完所有风机需要3个周期余14天。

所以每次维护完所有风机需要每个小组工作62天，在此期间内每小组的值班天数为28天，休息天数为14天，所以使用表8的总天数为208天，得出用表9的总天数为156天。

表10以24天为一周期，各小组周期内值班天数为6天，休息天数为18天。得出总各小组总值班天数为39天。所以得出年值班天数为95天。

第一次维护最佳时期为2月1日到5月21日，第二次维护最佳时期为8月1日到11月18日。

除过维护风机时间段的排班表（表六）以24天为一周期，在此期间工作三天休息九天。

以此使各组工作人员的工作任务相对均衡且风电场的经济效益较好。

2. 结论

用平均风速来判断风能资源情况，考虑因素少，便于计算；把风能资源与风机的匹配度用风能功率的大小来进行判断，计算方便，区分度好。当数据较多时，用试探法排班容易出现重复、遗漏。

＊ [1]http：//www.mcm.edu.cn

＊ [2]《风电厂风能资源评估方法》（GB/T 18710—2002）

＊ [3]卓金武，李必文，魏永生等，MATLAB在数学建模中的应用（第二版），北京，北京航空航天大学出版社，2014.