利用統(tǒng)計學(xué)解決風(fēng)電場運行優(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)電場已先后進行了一、二期建設(shè)，現(xiàn)有風(fēng)機124臺，總裝機容量約20萬千瓦。以此為背景提出了三個問題，本文運用Excel軟件等方法成功解決了這三個問題，通過所給數(shù)據(jù)對該風(fēng)電場的風(fēng)能資源及其利用情況進行評估，判斷新型號風(fēng)機是否比現(xiàn)有風(fēng)機更為適合，并制定維修人員的排班方案與風(fēng)機維護計劃，使各組維修人員的工作任務(wù)相對均衡，且風(fēng)電場具有較好的經(jīng)濟效益。 最后，對所建立的模型和求解方法的優(yōu)缺點給出了客觀的評價，并指出了改進的方法。
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)機安裝處的平均風(fēng)速和風(fēng)電場日實際輸出功率的數(shù)據(jù)對該風(fēng)電場的風(fēng)能資源及其利用情況進行評估，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，運用求平均值公式得出每天平均每15分鐘的功率、風(fēng)速。進一步運算得到每月平均每15分鐘的功率、風(fēng)速，進一步通過圖表曲線進行分析得結(jié)論。
1.2 問題二分析
題目要求從附件2給出了該風(fēng)電場幾個典型風(fēng)機所在處的風(fēng)速信息，其中4#、16#、24#風(fēng)機屬于一期工程，33#、49#、57#風(fēng)機屬于二期工程，它們的主要參數(shù)見附件3。風(fēng)機生產(chǎn)企業(yè)還提供了部分新型號風(fēng)機。我們可以從表中歸納、總結(jié)、計算得出日平均風(fēng)速、月平均風(fēng)速，畫出各風(fēng)機所在處風(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。通過公式可以計算出各種機型在同樣的風(fēng)速下它的實際功率，然后進行比較，從而判斷新型號風(fēng)機是否比現(xiàn)有風(fēng)機更為適合。
1.3 問題三分析
題目要求為安全生產(chǎn)需要，風(fēng)機每年需進行兩次停機維護，兩次維護之間的連續(xù)工作時間不超過270天，每次維護需一組維修人員連續(xù)工作2天。同時風(fēng)電場每天需有一組維修人員值班以應(yīng)對突發(fā)情況。風(fēng)電場現(xiàn)有4組維修人員可從事值班或維護工作，每組維修人員連續(xù)工作時間（值班或維護）不超過6天。請制定維修人員的排班方案與風(fēng)機維護計劃，使各組維修人員的工作任務(wù)相對均衡，且風(fēng)電場具有較好的經(jīng)濟效益，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。進一步運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)速與實際功率關(guān)系時，應(yīng)遵循自然原則：當(dāng)風(fēng)速越大時，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)速起伏波動不大，相對比較穩(wěn)定。
（其中風(fēng)能利用率分析如下：在風(fēng)速變化的同時，實際功率也跟著變化，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)機匹配角度判斷新型號風(fēng)機是否比現(xiàn)有風(fēng)機更為適合。所謂的匹配是機型在實際的環(huán)境中同樣的風(fēng)速誰的實際輸出的功率更大。那么我們就可以先分別比較現(xiàn)有、新型號風(fēng)機中優(yōu)差機型，利用現(xiàn)有機型與新型機號做對比結(jié)果。那么就能從風(fēng)能資源與風(fēng)機匹配角度判斷新型號風(fēng)機中是否有比現(xiàn)有風(fēng)機更為適合的。
首先算出第一二期中每種型號月平均風(fēng)速，4#、16#、24#屬于第一期機號，33#、49#、57#屬于第二期機號。制成表格并統(tǒng)計一二期風(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)機型號及其參數(shù)知道，每種機型都達(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。
通過對現(xiàn)有兩種機型的月均風(fēng)速表知道兩種機型都達(dá)到了切入風(fēng)速，都沒達(dá)到理想額定風(fēng)速。再者對上表（第一二期風(fēng)機型號在不同地點月平均風(fēng)速）的分析與對比，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。
通過對上面的分析與對比、歸納總結(jié)以下結(jié)論：
在同樣風(fēng)速下機型1比機型2輸出功率更為理想，所以機型1比機型2更適合，再者是新型機型型號3、4、5各機的對比，對比出最優(yōu)匹配機型，根據(jù)功率公式
得出結(jié)論新型中3機型更匹配。新型機型中最優(yōu)匹配是否比現(xiàn)有兩種機型都好再利用功率求解，新型機型與現(xiàn)有兩種機型做對比，選取出最佳匹配的兩種機型。（P1、P2、P3、P4、P5、分別表示第一期型號、第二期型號、新型型號3、4、5）。
2.3 問題三的模型
有發(fā)電機124臺，每臺發(fā)電機需要一組人員連續(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，減少維修時間，增加經(jīng)濟效益，每天至少需要兩組進行維修，一組進行值班，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行維護
方案一中休息時間規(guī)定在了一天中，無人值班看護風(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間都沒有超過6天，都有維護風(fēng)機、值班與休息的時間。
三、模型評價及改進
3.1 模型評價
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)機輸出功率走向圖得出結(jié)論。該模型運用了大量的實測數(shù)據(jù)，結(jié)論可信度較高，說服力較強。問題二在運用了大量數(shù)據(jù)之后，分析出現(xiàn)有機型中的風(fēng)機優(yōu)劣，通過公式計算出新型機型中風(fēng)機的優(yōu)劣，進行對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
因為處理了大量的數(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)確度與實際的結(jié)論有所偏差，在現(xiàn)實生活中，因該在每月中取大量的真實數(shù)據(jù)進行繪圖，這樣得出結(jié)論準(zhǔn)確度會更高。問題二中由于運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)實生活中應(yīng)該取準(zhǔn)確的數(shù)字進行計算。問題三中由于借鑒了問題一中的表，所以精確度有所下降，在人員安排方面進行了合理的安排，不管是在假設(shè)中都可以運用此方法。
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