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

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

S3：以使所述優(yōu)化對象的尾流損失小于第一預設(shè)損失值為目標，利用隨機搜索算法從風機排布候選點中確定所述小型風電場區(qū)域的風機排布；

S4：復制小型風電場的風機排布作為大型風電集群風機排布，計算大型風電集群區(qū)域的尾流損失，當大型風電集群區(qū)域的尾流損失大于第二預設(shè)損失值時，擴大所述優(yōu)化對象的規(guī)模，跳轉(zhuǎn)至步驟S3；當大型風電集群區(qū)域的尾流損失小于或等于第二預設(shè)損失值時，以當前風機排布作為最優(yōu)排布。

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

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

從所述等距網(wǎng)格的交叉點中篩選出若干個候選點，相鄰候選點之間的最遠距離不超過風機直徑。

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

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

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

7.如權(quán)利要求1所述的大型海上風電集群風機排布優(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設(shè)效率值為目標；

在步驟S4中，當大型風電集群區(qū)域的尾流效率小于第二預設(shè)效率值時，擴大所述優(yōu)化對象的規(guī)模，跳轉(zhuǎn)至步驟S3；當大型風電集群區(qū)域的尾流效率大于或等于第二預設(shè)效率值時，以當前風機排布作為最優(yōu)排布。

8.如權(quán)利要求7所述的大型海上風電集群風機排布優(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，計算每個風機考慮尾流效應(yīng)的風速，根據(jù)風機風速計算考慮尾流效應(yīng)的發(fā)電量；

其中，第 個風機的風速 為：

其中， 和 分別為第 個風機的徑向和軸向坐標， 和 分別第 個風機的徑向和軸向坐標， 為風機葉片半徑， 為風電場的入射風速，是由當?shù)仫L力條件決定的常數(shù)， 是與當?shù)仫L速和第 個風機型號相關(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張系數(shù)， 為第 個風機與第 個風機的距離，k為海水表面摩擦系數(shù)。

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

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

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

風機排布確定單元，用于以使所述優(yōu)化對象的尾流損失小于第一預設(shè)損失值為目標，利用隨機搜索算法從風機排布候選點中確定所述小型風電場區(qū)域的風機排布；

調(diào)整單元，用于復制小型風電場的風機排布作為大型風電集群風機排布，計算大型風電集群區(qū)域的尾流損失，當大型風電集群區(qū)域的尾流損失大于第二預設(shè)損失值時，擴大所述優(yōu)化對象的規(guī)模并觸發(fā)所述風機排布確定單元重新確定所述小型風電場區(qū)域的風機排布；

輸出單元，用于當大型風電集群區(qū)域的尾流損失小于或等于第二預設(shè)損失值時，輸出當前風機排布作為最優(yōu)排布。

說明書： 一種大型海上風電集群風機排布優(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電集群風機排布優(yōu)化方法及系統(tǒng)。

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

級。大規(guī)模海上風電場集群將容納上千個風機，尾流效應(yīng)復雜，排布難度較大，是中國海上

風電場建設(shè)和國際學術(shù)研究未曾遇到的規(guī)模。千萬千瓦級風電集群風機數(shù)量巨大，尾流影

響復雜，尾流損失較大，直接對風電集群內(nèi)部所有風機進行最優(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電集群的風機排布問題。

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

的技術(shù)問題。

[0004] 為實現(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電集群風機排布優(yōu)化方法，其包括：

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

型風電場的形狀和風機排布方式相同；

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

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

風電場；

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

法從風機排布候選點中確定所述小型風電場區(qū)域的風機排布；

S4：復制小型風電場的風機排布作為大型風電集群風機排布，計算大型風電集群

區(qū)域的尾流損失，當大型風電集群區(qū)域的尾流損失大于第二預設(shè)損失值時，擴大所述優(yōu)化

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

時，以當前風機排布作為最優(yōu)排布。

[0005] 優(yōu)選地，所述小型風電場區(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電場區(qū)域內(nèi)篩選所述風機排布候選點，包括：

在所述小型風電場區(qū)域橫縱方向劃分若干個等距網(wǎng)格；

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

超過風機直徑。

[0007] 優(yōu)選地，候選點的分布傾向均勻分布于對應(yīng)的小型風電場區(qū)域內(nèi)。[0008] 優(yōu)選地，所述等距網(wǎng)格的交叉點的數(shù)量超過一萬個。[0009] 優(yōu)選地，所述隨機搜索算法為遺傳算法，所述風機排布候選點的數(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設(shè)效率值為目標；

在步驟S4中，當大型風電集群區(qū)域的尾流效率小于第二預設(shè)效率值時，擴大所述

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

率值時，以當前風機排布作為最優(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，計算每個風機考慮尾流效應(yīng)的風速，根據(jù)風機風速計算考慮尾流效應(yīng)的發(fā)電量；

其中，第 個風機的風速 為：

其中， 和 分別為第 個風機的徑向和軸向坐標， 和 分別第 個風機的

徑向和軸向坐標，為風機葉片半徑， 為風電場的入射風速，是由當?shù)仫L力條件決定

的常數(shù)， 是與當?shù)仫L速和第 個風機型號相關(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張系數(shù)， 為第 個風機與第 個風機的距離，k為海水

表面摩擦系數(shù)。

[0012] 優(yōu)選地，在計算發(fā)電量時，還建立風機發(fā)電模型，設(shè)定啟動風速、額定風速和切除風速，當風速在啟動風速與額定風速之間時，隨著風速增大，風機出力指數(shù)增大，當風速在

額定風速與切除風速之間時，風機滿發(fā)，當風速超出切除風速或小于啟動風速時，風機不發(fā)

電。

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

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

域，每個小型風電場的形狀和內(nèi)部風機排布方式相同；

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

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

包含至少一個所述小型風電場；

風機排布確定單元，用于以使所述優(yōu)化對象的尾流損失小于第一預設(shè)損失值為目

標，利用隨機搜索算法從風機排布候選點中確定所述小型風電場區(qū)域的風機排布；

調(diào)整單元，用于復制小型風電場的風機排布作為大型風電集群風機排布，計算大

型風電集群區(qū)域的尾流損失，當大型風電集群區(qū)域的尾流損失大于第二預設(shè)損失值時，擴

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

機排布；

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

輸出當前風機排布作為最優(yōu)排布。

[0014] 總體而言，不同于現(xiàn)有技術(shù)中將風電集群整體風機排布作為優(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電場集群排布優(yōu)化方法。先將風電集

群以平移拼接的方式劃分為多個小型風電場，即每個小型風電場的形貌和風機排布相同，

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

象，優(yōu)化對象與風電集群的形貌相同或相似，更夠更好地模擬風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)模較小的風電場替換整個風電集群作為

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

電集群，并再次計算風電集群的尾流損失，當風電集群的尾流損失不符合要求時，擴大優(yōu)化

對象的規(guī)模并再次進行優(yōu)化，直至風電集群的損失復合預期。實例證明，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是本申請一實施例中的大型海上風電集群風機排布優(yōu)化方法的步驟流程圖。[0016] 圖2是本申請一實施例中的海上風電規(guī)劃邏輯拓撲。[0017] 圖3是本申請一實施例中的使用小型六邊形風電場擬合大型海上風電場集群示意圖。

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

[0024] 圖10是本申請一實施例中的風電場尾流效應(yīng)圖。[0025] 圖11是本申請一實施例中的千萬千瓦級大型海上風電集群排布結(jié)果圖。具體實施方式[0026] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實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所示為本申請一實施例中的大型海上風電集群風機排布優(yōu)化方法的步驟流程圖，其包括如下步驟：

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

每個小型風電場的形狀和內(nèi)部風機排布方式相同。

[0028] 其中，該大型風電集群的規(guī)模可達千萬千瓦級。[0029] 首先，需要根據(jù)規(guī)劃明確大型風電集群的規(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，對大型風電集群進行建模。[0031] 為減小風電集群拓撲的復雜性，將大型風電集群區(qū)域以平移拼接的方式劃分為多個小型風電場區(qū)域的無縫鑲嵌拓撲，所謂平移拼接的方式，指的是在確定好一個小型風電

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

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

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

集群）、海上風電場基地（下文簡稱風電基地）乃至整片海域的風機排布方式。

[0032] 其中，不限定小型風電場的拓撲，可為三角形、矩形、六邊形等無縫鑲嵌拓撲。在本實施例中，選取六邊形的小型海上風電場拓撲，原因如下：

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

拓撲中取點時由于邊界效應(yīng)帶來的樣本偏差；

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

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

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

小型六邊形風電場擬合，由此完成大型海上風電集群的建模。

[0034] 具體的，將風電集群劃分為多個小型風電場，小型風電場的數(shù)量根據(jù)實際情況確定，一般，小型風電場的數(shù)量越多，排布精度越高，對尾流效應(yīng)的模擬越真實，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電場的規(guī)模。在本實施例

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

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

[0036] 在得到大型海上風電集群的基本建模后，從大型海上風電集群中確定優(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，

都認為是相同。

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

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

同的典型排布，以更好了模擬小型風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設(shè)損失值為目標，利用隨機搜索算法從風機排布候選點中確定小型風電場區(qū)域的風機排布。

[0040] 首先，在小型風電場中確定若干個風機排布候選點，其中，候選點越多，小型風電場的取點精度越高，后續(xù)優(yōu)化將越精細，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的數(shù)量。

[0041] 在本實施例中，通過以下方式確定篩選風機排布候選點：第一步：在小型風電場區(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。在本實施例中，交叉點的數(shù)量超過1萬個，以保證足夠的取點精度。

[0043] 第二步：從等距網(wǎng)格的交叉點中篩選出若干個候選點，相鄰候選點之間的最遠距離不超過風機直徑。

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

應(yīng)的小型風電場區(qū)域內(nèi)。

[0045] 結(jié)合圖4，通過一具體實施例對篩選候選點的過程進行說明，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)格交叉點作為候選點（超過10000個）。在取點

精度條件下篩選候選點到4096個，取點后相鄰點之間的最遠距離，即海上風電場的拓撲精

度大約與風機直徑相當，遠小于學術(shù)界常用的4倍風機直徑的拓撲精度。對篩選后的點依次

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)部的風機排布候選點之后，再通過隨機搜索算法從風機排布候選點中確定小型風電場區(qū)域的風機排布，以使優(yōu)化對象的尾流損失小于第一

預設(shè)損失值為目標。

[0047] 其中，可選擇不同的指標反應(yīng)尾流損失。在本實施例中，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] 當以尾流效率作為評估標準時，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。風機的發(fā)電量與葉片風速有一一對應(yīng)的關(guān)系，而風電

場中風機之間的相對位置會影響風機葉片感受到的風速。只要計算出每個風機的風速，便

能計算得到對應(yīng)的發(fā)電量。

[0049] 其中，當計算不考慮尾流效應(yīng)的發(fā)電量時，認為所有風機的風速相同，即下游風機不受上游風機的尾流效應(yīng)影響。

[0050] 當計算考慮尾流效應(yīng)的發(fā)電量時，需要考慮上游風機對下游風機的尾流效應(yīng)影響。在本實施例中，先建立圖5所示的二維尾流效應(yīng)模型，其中，箭頭方向表示風向，箭頭長

度表示風速，標識 為上游風機風速， 為下游風機風速， 為尾流效應(yīng)擴散半徑，

是上游風機與下游風機的軸向距離， 為上游風機與下游風機的徑向距離。本申請人

根據(jù)該二維尾流效應(yīng)模型，通過大量推導分析，得到風場中每個風機風速的計算公式，其

中，第 個風機的風速 為：

其中， 軸為圖5中的徑向坐標軸， 軸為圖5中的軸向坐標軸， 和 分別為

第 個風機的徑向和軸向坐標， 和 分別第 個風機的徑向和軸向坐標， 為風機

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

和第 個風機型號相關(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

擴張系數(shù)， 為第 個風機與第 個風機的距離，k為海水表面摩擦系數(shù)。

[0051] 進一步的，根據(jù)風機發(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)電模型進行計算。在本實施例中，建立如圖6所示的發(fā)電模型以反應(yīng)風機發(fā)電量

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

與風速關(guān)系。具體的，風機輸出的功率與風速有關(guān)。風速小于啟動風速時，風機沒有足夠動

力轉(zhuǎn)動發(fā)電；風速超過切除風速時，風機出于自我保護不再發(fā)電；風速處于啟動風速與額定

風速之間時，隨著風速增大，風機出力指數(shù)增大，并在風速大于額定風速時滿發(fā)。

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

數(shù)據(jù)可能會有不同。

[0053] 在一實施例中，利用隨機搜索算法從風機排布候選點中確定小型風電場區(qū)域的風機排布，其中，最終的風機數(shù)量根據(jù)風電場規(guī)劃的裝機容量確定。

[0054] 上文的隨機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] 以隨機搜索算法為遺傳算法、以尾流效率反應(yīng)尾流損失為例進行說明，當選用遺傳算法時，前文所篩選出的候選點的數(shù)量須為2的冪次個，例如4096個，并通過二進制進行

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，促進種群向尾

流損失更小的方向進化。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)化對象進行計算，確定出小型風電場內(nèi)部的風機排布后，即確

定出典型排布后，通過典型排布的復制拼接，便能夠得出整個風電集群的風機排布，小型風

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

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

風電集群的風機排布。

[0056] 步驟S400：復制小型風電場的風機排布作為大型風電集群風機排布，計算大型風電集群區(qū)域的尾流損失，當大型風電集群區(qū)域的尾流損失大于第二預設(shè)損失值時，擴大優(yōu)

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

失值時，以當前風機排布作為最優(yōu)排布。

[0057] 由于最終是考量整個風電集群的尾流效應(yīng)，因此，在得到優(yōu)化對象的最佳排布方式后，還需要將風機排布拓展到整個風電集群，計算整個風電集群的尾流損失。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。當尾流損失不滿足預期時，需要進一步擴大優(yōu)化對象的

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

風電場的優(yōu)化對象重新進行計算，直至最后風電集群的尾流損失符合預期，結(jié)束計算，以當

前風機排布作為最優(yōu)排布。

[0058] 以下，結(jié)合圖8，以一具體實施例介紹上述過程。[0059] 步驟S11：確定風電集群的劃分，初始化小型風電場的風機排布；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)部風機的排布方式；

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：進行復制、交叉、變異后跳轉(zhuǎn)至步驟S13；

步驟S17：將小型風電場復制到49個組成風電集群；

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

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

算。

[0060] 為了進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電集群最優(yōu)風機排布。使用上述算法進行大型海上風電場最優(yōu)排布

計算。為研究優(yōu)化對象規(guī)模對風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，橫坐標為典型排布個數(shù)，縱坐標為尾流損失。16個典型排布組成的是百

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

個小型風電場作為優(yōu)化對象，相比于以4個和1個小型風電場作為優(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)通過上述方法進行排布后的尾流效應(yīng)，其中，（a）為九個風電場之間尾流效應(yīng)圖，（b）為風電場之間尾流效應(yīng)圖，其中，六邊形框表示一個小型風電

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

表示經(jīng)過每個風機的風速，線條顏色的深淺表示風速的變化，顏色越深，風速越大。線條由

深到淺的變化，反應(yīng)風速經(jīng)過風機后風速由大到小的變化，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)明避免風電集群中風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)部風機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電集群，?2

該大型海上風電集群的規(guī)模能夠達到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《廣東省海上風電發(fā)展規(guī)劃（2017?2030年）》中能量密度達到每十萬千

瓦16平方公里的要求，該能量密度已經(jīng)符合“節(jié)約用?！崩砟?，總裝機容量已經(jīng)超過19吉瓦，

達到千萬千瓦量級，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電集群風機排布優(yōu)化系統(tǒng)，其包括：分割單元：用于將大型風電集群區(qū)域以平移拼接的方式劃分為多個小型風電場區(qū)

域，每個小型風電場的形狀和內(nèi)部風機排布方式相同；

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

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

場；

風機排布確定單元，用于以使優(yōu)化對象的尾流損失小于第一預設(shè)損失值為目標，

利用隨機搜索算法從風機排布候選點中確定小型風電場區(qū)域的風機排布；

調(diào)整單元，用于復制小型風電場的風機排布作為大型風電集群風機排布，計算大

型風電集群區(qū)域的尾流損失，當大型風電集群區(qū)域的尾流損失大于第二預設(shè)損失值時，擴

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

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

輸出當前風機排布作為最優(yōu)排布。

[0064] 以上大型海上風電集群風機排布優(yōu)化系統(tǒng)具體是用于執(zhí)行上文中的大型海上風電集群風機排布優(yōu)化方法，其中的每個單元的功能用于實現(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電場集群排布優(yōu)化方法。先將風電集群以平移拼接的方式劃分為多個小型風電場，即每個小型風電場

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

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

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)?？筛鶕?jù)需要變化，且規(guī)模越大，尾流損失越小。通過利用規(guī)模較小的風電

場替換整個風電集群作為優(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

型風電場緊密排布形成風電集群，并再次計算風電集群的尾流損失，當風電集群的尾流損

失不符合要求時，擴大優(yōu)化對象的規(guī)模并再次進行優(yōu)化，直至風電集群的損失復合預期。實

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、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本

發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。