利用統(tǒng)計(jì)學(xué)解決風(fēng)電場運(yùn)行優(yōu)化問題論文
風(fēng)能是一種最具活力的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能最主要的應(yīng)用形式。我國某風(fēng)電場已先后進(jìn)行了一、二期建設(shè)，現(xiàn)有風(fēng)機(jī)124臺(tái)，總裝機(jī)容量約20萬千瓦。以此為背景提出了三個(gè)問題，本文運(yùn)用Excel軟件等方法成功解決了這三個(gè)問題，通過所給數(shù)據(jù)對(duì)該風(fēng)電場的風(fēng)能資源及其利用情況進(jìn)行評(píng)估，判斷新型號(hào)風(fēng)機(jī)是否比現(xiàn)有風(fēng)機(jī)更為適合，并制定維修人員的排班方案與風(fēng)機(jī)維護(hù)計(jì)劃，使各組維修人員的工作任務(wù)相對(duì)均衡，且風(fēng)電場具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。 最后，對(duì)所建立的模型和求解方法的優(yōu)缺點(diǎn)給出了客觀的評(píng)價(jià)，并指出了改進(jìn)的方法。
一、問題分析
1.1 問題一分析
題目要求通過利用附件1給出該風(fēng)電場一年內(nèi)每隔15分鐘的各風(fēng)機(jī)安裝處的平均風(fēng)速和風(fēng)電場日實(shí)際輸出功率的數(shù)據(jù)對(duì)該風(fēng)電場的風(fēng)能資源及其利用情況進(jìn)行評(píng)估，這就要求我們能得出一年基本情況，就要通過附件一給出的每天每 15分鐘的平均功率、平均風(fēng)速，運(yùn)用求平均值公式得出每天平均每15分鐘的功率、風(fēng)速。進(jìn)一步運(yùn)算得到每月平均每15分鐘的功率、風(fēng)速，進(jìn)一步通過圖表曲線進(jìn)行分析得結(jié)論。
1.2 問題二分析
題目要求從附件2給出了該風(fēng)電場幾個(gè)典型風(fēng)機(jī)所在處的風(fēng)速信息，其中4#、16#、24#風(fēng)機(jī)屬于一期工程，33#、49#、57#風(fēng)機(jī)屬于二期工程，它們的主要參數(shù)見附件3。風(fēng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)還提供了部分新型號(hào)風(fēng)機(jī)。我們可以從表中歸納、總結(jié)、計(jì)算得出日平均風(fēng)速、月平均風(fēng)速，畫出各風(fēng)機(jī)所在處風(fēng)速變化趨勢，發(fā)現(xiàn)平均風(fēng)速均沒有超出額定風(fēng)速且已經(jīng)達(dá)到切入風(fēng)速。通過公式可以計(jì)算出各種機(jī)型在同樣的風(fēng)速下它的實(shí)際功率，然后進(jìn)行比較，從而判斷新型號(hào)風(fēng)機(jī)是否比現(xiàn)有風(fēng)機(jī)更為適合。
1.3 問題三分析
題目要求為安全生產(chǎn)需要，風(fēng)機(jī)每年需進(jìn)行兩次停機(jī)維護(hù)，兩次維護(hù)之間的連續(xù)工作時(shí)間不超過270天，每次維護(hù)需一組維修人員連續(xù)工作2天。同時(shí)風(fēng)電場每天需有一組維修人員值班以應(yīng)對(duì)突發(fā)情況。風(fēng)電場現(xiàn)有4組維修人員可從事值班或維護(hù)工作，每組維修人員連續(xù)工作時(shí)間（值班或維護(hù)）不超過6天。請(qǐng)制定維修人員的排班方案與風(fēng)機(jī)維護(hù)計(jì)劃，使各組維修人員的工作任務(wù)相對(duì)均衡，且風(fēng)電場具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，試給出合理的方法和結(jié)果。
二、模型建立和解決
2.1 問題一的模型
2.1.1 模型的準(zhǔn)備
月平均每15分鐘的功率、風(fēng)速確定 根據(jù)題目的意思，通過附件一給出的每天每15分鐘的平均功率、平均風(fēng)速，運(yùn)用求平均值公式得出了每天平均每15分鐘的功率、風(fēng)速。進(jìn)一步運(yùn)算得到了每月平均每15分鐘的功率、風(fēng)速。
此情況下，我們假定風(fēng)力機(jī)的掃掠面積為固定值s，空氣密度為標(biāo)準(zhǔn)P=1.293kg/m3，（在觀察風(fēng)速與實(shí)際功率關(guān)系時(shí)，應(yīng)遵循自然原則：當(dāng)風(fēng)速越大時(shí)，功率也應(yīng)該更大。若不符合，則利用率較低;反之較高。）
2.1.2 模型的建立
我們可以明顯的知道全年的各月平均風(fēng)速起伏波動(dòng)不大，相對(duì)比較穩(wěn)定。
（其中風(fēng)能利用率分析如下：在風(fēng)速變化的同時(shí)，實(shí)際功率也跟著變化，風(fēng)速增加，功率變大;風(fēng)速減小，功率也隨之變小。只是在夏季和和秋季利用率比春季和冬季同比下降）
2.2 問題二的模型
題意是試從風(fēng)能資源與風(fēng)機(jī)匹配角度判斷新型號(hào)風(fēng)機(jī)是否比現(xiàn)有風(fēng)機(jī)更為適合。所謂的匹配是機(jī)型在實(shí)際的環(huán)境中同樣的風(fēng)速誰的實(shí)際輸出的功率更大。那么我們就可以先分別比較現(xiàn)有、新型號(hào)風(fēng)機(jī)中優(yōu)差機(jī)型，利用現(xiàn)有機(jī)型與新型機(jī)號(hào)做對(duì)比結(jié)果。那么就能從風(fēng)能資源與風(fēng)機(jī)匹配角度判斷新型號(hào)風(fēng)機(jī)中是否有比現(xiàn)有風(fēng)機(jī)更為適合的。
首先算出第一二期中每種型號(hào)月平均風(fēng)速，4#、16#、24#屬于第一期機(jī)號(hào)，33#、49#、57#屬于第二期機(jī)號(hào)。制成表格并統(tǒng)計(jì)一二期風(fēng)速在每月月均風(fēng)速4—7.5（m/s）的頻率。我們可以從附件3中風(fēng)電場風(fēng)機(jī)型號(hào)及其參數(shù)知道，每種機(jī)型都達(dá)到了切入風(fēng)速，而都沒達(dá)到額定風(fēng)速（最佳風(fēng)速），那么我們只需要看每期的風(fēng)速在接近額定風(fēng)速的比例。
通過對(duì)現(xiàn)有兩種機(jī)型的月均風(fēng)速表知道兩種機(jī)型都達(dá)到了切入風(fēng)速，都沒達(dá)到理想額定風(fēng)速。再者對(duì)上表（第一二期風(fēng)機(jī)型號(hào)在不同地點(diǎn)月平均風(fēng)速）的分析與對(duì)比，可以從中發(fā)現(xiàn)在一期的4#、16#比24#風(fēng)能資源更為豐富，在二期中49#、57#比33#風(fēng)能資源更為豐富。
通過對(duì)上面的分析與對(duì)比、歸納總結(jié)以下結(jié)論：
在同樣風(fēng)速下機(jī)型1比機(jī)型2輸出功率更為理想，所以機(jī)型1比機(jī)型2更適合，再者是新型機(jī)型型號(hào)3、4、5各機(jī)的對(duì)比，對(duì)比出最優(yōu)匹配機(jī)型，根據(jù)功率公式
得出結(jié)論新型中3機(jī)型更匹配。新型機(jī)型中最優(yōu)匹配是否比現(xiàn)有兩種機(jī)型都好再利用功率求解，新型機(jī)型與現(xiàn)有兩種機(jī)型做對(duì)比，選取出最佳匹配的兩種機(jī)型。（P1、P2、P3、P4、P5、分別表示第一期型號(hào)、第二期型號(hào)、新型型號(hào)3、4、5）。
2.3 問題三的模型
有發(fā)電機(jī)124臺(tái)，每臺(tái)發(fā)電機(jī)需要一組人員連續(xù)工作兩天，每天需要一組人員值班，有四組工作人員，各組工作連續(xù)不超過6天，減少維修時(shí)間，增加經(jīng)濟(jì)效益，每天至少需要兩組進(jìn)行維修，一組進(jìn)行值班，所以分配方案有以下幾種選出最合理地安排，輪流執(zhí)行最合理的工作安排（表1）：
方案1：我們假設(shè)一天中一組值班工作其他組進(jìn)行維護(hù)
方案一中休息時(shí)間規(guī)定在了一天中，無人值班看護(hù)風(fēng)電場，所以此安排不合理;
方案二：我們假設(shè)一天中一組值班，一組休息，兩組維修且維修為兩天
通過分析與對(duì)比，可以從中發(fā)現(xiàn)，安排圖7更為合適，使每組工作人員工作時(shí)間都沒有超過6天，都有維護(hù)風(fēng)機(jī)、值班與休息的時(shí)間。
三、模型評(píng)價(jià)及改進(jìn)
3.1 模型評(píng)價(jià)
問題一通過大量數(shù)據(jù)建立分析表，主要分析全年風(fēng)速走向圖以及風(fēng)機(jī)輸出功率走向圖得出結(jié)論。該模型運(yùn)用了大量的實(shí)測數(shù)據(jù)，結(jié)論可信度較高，說服力較強(qiáng)。問題二在運(yùn)用了大量數(shù)據(jù)之后，分析出現(xiàn)有機(jī)型中的風(fēng)機(jī)優(yōu)劣，通過公式計(jì)算出新型機(jī)型中風(fēng)機(jī)的優(yōu)劣，進(jìn)行對(duì)比與分析之后得出結(jié)論。問題三在通過問題一得出的表中分析出最佳的維修時(shí)間，人員安排是通過排除多種安排方式得出最佳安排方式。
3.2 模型改進(jìn)
因?yàn)樘幚砹舜罅康臄?shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)精確度降低。問題一中我們?nèi)〉氖瞧骄翟斐傻贸龅慕Y(jié)論準(zhǔn)確度與實(shí)際的結(jié)論有所偏差，在現(xiàn)實(shí)生活中，因該在每月中取大量的真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，這樣得出結(jié)論準(zhǔn)確度會(huì)更高。問題二中由于運(yùn)用了理想的功率公式（P=P*V3*S2），其中的參數(shù)v風(fēng)速、s扇葉掃過的面積。在不同的地方不同發(fā)電機(jī)中有所不同，所以求出的結(jié)果準(zhǔn)確度有所下降，在現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)該取準(zhǔn)確的數(shù)字進(jìn)行計(jì)算。問題三中由于借鑒了問題一中的表，所以精確度有所下降，在人員安排方面進(jìn)行了合理的安排，不管是在假設(shè)中都可以運(yùn)用此方法。
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