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申请/专利权人：重庆大学

摘要：本发明公开考虑复杂地势的三维潮汐流能发电场规划系统，主要包括数据获取模块、水下三维地形获取模块、发电机流速计算模块、考虑复杂地势的三维潮汐流能发电场双层规划模块、潮汐流能发电场日输出功率计算模块和三维潮汐流能发电场规划方式确定模块；本发明通过调节机组布局位置的深浅，可以有效降低机组安装成本；同时利用规划海域的地形条件，使机组之间形成合适的高度差，可以进一步规避尾流效应，提升发电量。

主权项：1.考虑复杂地势的三维潮汐流能发电场规划系统，其特征在于，包括数据获取模块、水下三维地形获取模块、发电机流速计算模块、考虑复杂地势的三维潮汐流能发电场双层规划模块、潮汐流能发电场日输出功率计算模块和三维潮汐流能发电场规划方式确定模块；所述数据获取模块调取和存储潮汐流能发电场输入数据，并基于潮汐流速各时段均值，生成潮汐流速典型曲线M＝[m1,m2,…,m24]；所述数据获取模块将潮汐流能发电场输入数据分别输入至水下三维地形获取模块、发电机流速计算模块、考虑复杂地势的三维潮汐流能发电场双层规划模块、潮汐流能发电场日输出功率计算模块和三维潮汐流能发电场规划方式确定模块；所述水下三维地形获取模块存储有水下三维地形数学模型；所述水下三维地形数学模型接收潮汐流能发电场输入数据后，建立待规划区域的水下三维地形数学模型，并分别发送至发电机流速计算模块和考虑复杂地势的三维潮汐流能发电场双层规划模块；所述发电机流速计算模块存储有三维尾流模型；所述三维尾流模型基于水下三维地形数学模型和潮汐流能发电场输入数据计算得到潮汐流能发电场各时段所有发电机的流速，并发送至潮汐流能发电场日输出功率计算模块；所述考虑复杂地势的三维潮汐流能发电场双层规划模块存储有三维潮汐流能发电场双层规划模型；所述三维潮汐流能发电场双层规划模型包括潮汐流能发电场上层发电机组优化模型和潮汐流能发电场下层集电系统优化模型；所述潮汐流能发电场上层发电机组优化模型基于水下三维地形数学模型和潮汐流能发电场输入数据，确定若干种潮汐流能发电场上层发电机组优化方式，并发送至三维潮汐流能发电场规划方式确定模块；所述潮汐流能发电场下层集电系统优化模型接收水下三维地形数学模型和潮汐流能发电场输入数据，确定若干种潮汐流能发电场下层集电系统优化方式，并发送至三维潮汐流能发电场规划方式确定模块；所述潮汐流能发电场日输出功率计算模块存储有潮汐流能发电场日输出功率计算模型；所述潮汐流能发电场日输出功率计算模型基于潮汐流能发电场各时段所有发电机的流速和潮汐流能发电场输入数据，计算得到潮汐流能发电场日输出功率，并发送至三维潮汐流能发电场规划方式确定模块；所述三维潮汐流能发电场规划方式确定模块存储有基于遗传算法与混合整数规划算法的三维潮汐流能发电场规划方式确定模型；所述三维潮汐流能发电场规划方式确定模型基于潮汐流能发电场日输出功率，对若干种潮汐流能发电场上层发电机组优化方式和潮汐流能发电场下层集电系统优化方式进行解算，得到最优潮汐流能发电场规划方式；建立水下三维地形数学模型的步骤如下：a1确定潮汐能发电场规划区域；a2采用反距离权重法对潮汐能发电场规划区域进行空间插值，得到潮汐能发电场最优规划区域；其中，插值点x0,y0处的估计值如下所示： 式中，Zi表示潮汐能发电场规划区域观测点的值；Qi表示插值点与观测点相对应的权重系数；n表示观测点的个数；a3采用栅格法建立潮汐能发电场最优规划区域的海底三维地形模型，步骤如下：a3.1构造规划空间OMPN-O’M’P’N’；a3.2预设规划空间OMPN-O’M’P’N’的栅格单元数为M*N；沿着边OM对规划空间OMPN-O’M’P’N’进行M等分，沿着边ON对规划空间OMPN-O’M’P’N’的进行N等分，完成规划空间OMPN-O’M’P’N’的栅格单元划分；a3.3依次对规划空间OMPN-O’M’P’N’的栅格单元编号，建立海底三维地形模型；海底三维地形模型的平面坐标和栅格序号共同表征地形高度；建立三维尾流模型的步骤如下：b1计算位于发电机组轴向位置x处的尾流膨胀半径rw，即： 式中，I0为湍流密度，D为发电机组直径，r0为发电机组半径；b2计算发电机组后侧速度v0，即： 式中，U0为入射速度；CT为发电机组的推力系数；b3根据海水的剪切效应建立服从高斯分布的尾流截面任意位置速度计算公式，即： 式中，U0为入射速度；h为前排发电机组高度；H为发电机组之间的高度差值；ζ为剪切系数；dfx为截面最大速度亏损，数值随机组轴向位置x变化而变化；x，y，z表示尾流截面任意位置点的三维坐标；b4建立流体质量守恒方程，即： 式中，ρ为海水密度；Srwx为发电机组在尾流区的膨胀面积；Sr0为发电机组叶片旋转面积；将公式4代入公式5，计算得到轴向速度下降系数即截面最大速度亏损dfx： 式中，rw为发电机组在尾流区的膨胀半径；v0为发电机组后侧速度；b5将截面最大速度亏损dfx带入公式4，计算得到机组尾流截面任意位置速度Ux,y,z；b6根据公式4和公式5的计算结果，计算处于多尾流影响下的任意点的流速，即： 式中，Uix,y,z是第i台潮汐流能发电机受到多尾流影响时的流速；U0z为入射速度；Uijx,y,z为是第i台潮汐流能发电机单独受到第j台潮汐流能发电机尾流效应影响时的流速；βij为考虑遮挡效应的偏尾流因子；考虑遮挡效应的偏尾流因子βij如下所示： 式中，ra表示潮汐流能发电机半径；Aij为第i台潮汐流能发电机在第j台潮汐流能发电机尾流投影的面积；其中，第i台潮汐流能发电机在第j台潮汐流能发电机尾流投影的面积Aij如下所示： 式中，rwj为机组j的尾流膨胀半径；Δh＝|hi-hj|表示两机组的高度差；dij为机组的水平间距；角度θ1和角度θ2为三角形AOO’中的两个锐角，其计算公式如下所示： 式中，点O和点O’分别表示第j台潮汐流能发电机尾流区域中心点和受到第j台潮汐流能发电机尾流效应影响的第i台潮汐流能发电机中心点；点A为过点O’的水平线和过点O的垂直线的交点；三维潮汐流能发电场规划方式确定模型解算得到最优潮汐流能发电场规划方式的步骤如下：c1分别从数据获取模块、水下三维地形获取模块、发电机流速计算模块、考虑复杂地势的三维潮汐流能发电场双层规划模块、潮汐流能发电场日输出功率计算模块获取潮汐流速历史数据、潮汐流能发电场规模参数、机组参数、电缆参数和不可行区域顶点参数；输入遗传算法的交叉概率和变异概率，并设定迭代终止条件；c2设置迭代次数T＝1，初始化种群个体；一个个体包含一种潮汐流能发电场机组布局方式；种群个体采用实数编码；c3基于潮汐流能发电场上层发电机组优化模型，计算潮汐流能发电场系列日等效投资成本；基于潮汐流能发电机的位置信息和尾流模型，计算潮汐流能发电场的日输出功率DEP；c4基于潮汐流能发电场上层发电机组规划位置，采用遗传算法求解发电机组之间的电缆铺设的最优路径与最短铺设距离；c5基于发电机组位置信息与机组之间电缆铺设的最短路径信息，解算潮汐流能发电场下层集电系统优化模型，得到电缆的拓扑结构、电缆选型信息和集电系统日等效投资费用；c6计算每个个体的适应度函数值即潮汐流能发电场单位发电费用LCOE；c7进行遗传算子操作：选择、交叉、变异，更新种群个体，令T＝T+1；c8判断是否达到最大迭代次数，若是，则结束迭代，并输出最优潮汐流能发电场规划方式，若否，则返回步骤c3。

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