風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，已經(jīng)成為能源發(fā)展的重要領(lǐng)域。風(fēng)電并網(wǎng)容量迅猛增加，風(fēng)電與系統(tǒng)之間的聯(lián)系越來越密切，必須考慮風(fēng)能的波動性和間歇性引起風(fēng)電出力的變化給電力系統(tǒng)電能質(zhì)量、安全穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益帶來的不利影響。因此，進(jìn)行風(fēng)電功率預(yù)測具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
隨著風(fēng)電大力發(fā)展，風(fēng)電場建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，在分析風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)時(shí)，需要考慮風(fēng)電場輸出功率波動范圍大的特點(diǎn)。風(fēng)能具有間歇性和隨機(jī)波動性，風(fēng)速的變化直接導(dǎo)致風(fēng)電場的有功功率和無功功率的變化，輸出功率很不穩(wěn)定。
當(dāng)風(fēng)電穿透全運(yùn)行會產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，同時(shí)也會影響電能質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)調(diào)度以及電力競價(jià)。因此，積極開展風(fēng)電功率預(yù)測研究工作，提高預(yù)測的準(zhǔn)確性，對電網(wǎng)調(diào)度、提高風(fēng)電的接入能力以及減少系統(tǒng)運(yùn)行成本等方面具有現(xiàn)實(shí)意義。
風(fēng)電功率預(yù)測是指以風(fēng)電場的歷史功率、歷史風(fēng)速、地形地貌、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)建立風(fēng)電場輸出功率的預(yù)測模型，以風(fēng)速、功率或數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)作為模型的輸入，結(jié)合風(fēng)電場機(jī)組的設(shè)備狀態(tài)及運(yùn)行工況，得到風(fēng)電場未來的輸出功率。
風(fēng)電功率預(yù)測實(shí)際包括兩個(gè)方面：一、風(fēng)電場建設(shè)前期的出力預(yù)測，也就是風(fēng)能資源評估和風(fēng)電場選址工作;二、風(fēng)電場建設(shè)完成，投運(yùn)發(fā)電之后的風(fēng)電功率預(yù)測。
本文從這兩個(gè)方面考慮，對風(fēng)速和風(fēng)電出力預(yù)測的分類和方法進(jìn)行了探討，然后簡要綜述了國內(nèi)外對風(fēng)功率預(yù)測技術(shù)的研究現(xiàn)狀，最后針對我國現(xiàn)階段風(fēng)電功率預(yù)測產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行了闡述，并提出了幾點(diǎn)建議。
風(fēng)速和風(fēng)功率預(yù)測的分類和方法
1 風(fēng)速預(yù)測方法
風(fēng)電場功率預(yù)測的準(zhǔn)確度是由多個(gè)因素所決定的，其中風(fēng)速預(yù)測的精度是個(gè)關(guān)鍵的條件，風(fēng)速預(yù)測對風(fēng)電功率預(yù)測起到?jīng)Q定性的作用，對風(fēng)電場和電力系統(tǒng)的運(yùn)行有著重要意義。因此，可以將風(fēng)電預(yù)測分為基于風(fēng)速的預(yù)測和不基于風(fēng)速的預(yù)測。
基于風(fēng)速的風(fēng)功率預(yù)測對風(fēng)電場做短期風(fēng)速預(yù)測，再由風(fēng)功率曲線得到風(fēng)力發(fā)電功率的預(yù)測值，這是進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電功率預(yù)測的有效途徑之一。在預(yù)測時(shí)，考慮溫度、氣壓、地形、海拔、緯度等多種因素的影響，采用預(yù)測方法主要有持續(xù)預(yù)測法、卡爾曼濾波法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和模糊邏輯法等。
風(fēng)速預(yù)測按周期可分為短期、中期和長期。短期風(fēng)速預(yù)測一般是未來1h平均風(fēng)速的預(yù)測值，有時(shí)會更短，因?yàn)轭A(yù)測周期越短，被測地點(diǎn)風(fēng)速變化越，預(yù)測精度會越高。中長期風(fēng)速預(yù)測則指對更長周期的平均風(fēng)速進(jìn)行預(yù)測。
2 風(fēng)電功率預(yù)測分類
風(fēng)電功率預(yù)測的分類方式有很多，大體總結(jié)有以下分類方式(如圖1所示)：1、按照預(yù)測的物理量可分為：預(yù)測風(fēng)速輸出功率和直接預(yù)測輸出功率;2、按照數(shù)學(xué)模型可分為：持續(xù)預(yù)測、時(shí)間序列模型預(yù)測、卡爾曼濾波法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能方法預(yù)測;3、按照輸入數(shù)據(jù)可分為：不采用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)法和采用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)法;4、按時(shí)間尺寸可分為：超短期預(yù)測、短期預(yù)測和中長期預(yù)測。其中按時(shí)間尺寸分類普遍被大家認(rèn)可，應(yīng)用最為廣泛。
超短期風(fēng)電功率預(yù)測時(shí)間尺度為0-4h、15min滾動預(yù)測，時(shí)間分辨率為15min，主要用于實(shí)時(shí)調(diào)度，解決電網(wǎng)調(diào)頻問題。
短期風(fēng)電功率預(yù)測時(shí)間尺度為0-72h，時(shí)間分辨率為15min，主要用于合理安排常規(guī)機(jī)組發(fā)電計(jì)劃，解決電網(wǎng)調(diào)峰問題。
圖1 風(fēng)電功率預(yù)測分類
中長期風(fēng)電功率預(yù)測時(shí)間尺度為數(shù)周或者數(shù)月，這一時(shí)間尺度內(nèi)的風(fēng)功率波動與風(fēng)電場或電網(wǎng)的檢修維護(hù)計(jì)劃有關(guān)。
3 風(fēng)電功率預(yù)測方法
風(fēng)功率預(yù)測方法可以分為：一種方法是根據(jù)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)，用物理方法計(jì)算風(fēng)電場的輸出功率;另一種方法是根據(jù)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)與風(fēng)電場功率輸出的關(guān)系、在線實(shí)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測的統(tǒng)計(jì)方法。綜合方法則是指物理方法和統(tǒng)計(jì)方法都采用的方法。
物理方法是應(yīng)用大氣邊界層動力學(xué)與邊界層氣象的理論將數(shù)值天氣預(yù)報(bào)(Numerical Weather Prediction /NWP)數(shù)據(jù)精細(xì)化為風(fēng)電場實(shí)際地形、地貌條件下的風(fēng)電機(jī)組輪轂高度的風(fēng)速、風(fēng)向，考慮尾流影響(如圖2所示)后，再將預(yù)測風(fēng)速應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組的功率曲線，由此得出風(fēng)電機(jī)組的預(yù)測功率，最后，對所有風(fēng)電機(jī)組的預(yù)測功率求和，得到整個(gè)風(fēng)電場的預(yù)測功率。 其目的就是能夠較為準(zhǔn)確地估算出輪轂高度處的氣象信息，從而為風(fēng)功率預(yù)測作基礎(chǔ)。
圖2 尾流效應(yīng)對風(fēng)速產(chǎn)生的影響
物理方法特點(diǎn)有如下幾個(gè)方面：
(1)不需要風(fēng)電場歷史功率數(shù)據(jù)的支持，適用于新建風(fēng)電場;
(2)可以對每一個(gè)大氣過程進(jìn)行詳細(xì)的分析，并根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化預(yù)測模型;
(3)對由錯(cuò)誤的初始信息所引起的系統(tǒng)誤差非常敏感;
(4)計(jì)算過程復(fù)雜、技術(shù)門檻較高。
統(tǒng)計(jì)方法是基于“學(xué)習(xí)算法”(如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、支持向量機(jī)、模糊邏輯方法等)，通過一種或多種算法建立數(shù)值天氣預(yù)報(bào)(NWP)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與測得的風(fēng)電場歷史輸出功率數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，再根據(jù)輸入輸出關(guān)系，對風(fēng)電場輸出功率進(jìn)行預(yù)測。
統(tǒng)計(jì)方法特點(diǎn)：
(1)在數(shù)據(jù)完備的情況下，理論上可以使預(yù)測誤差達(dá)到最小值;
(2)定期進(jìn)行模型再訓(xùn)練，預(yù)測精度可持續(xù)提高;
(3)需要大量歷史數(shù)據(jù)的支持，不適用于新建風(fēng)電場，對歷史數(shù)據(jù)變化規(guī)律的一致性有很高的要求;
(4) 統(tǒng)計(jì)法的建模過程帶有“黑箱”性。
風(fēng)功率預(yù)測存在的問題
盡管風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅猛，但據(jù)調(diào)查，目前我國許多風(fēng)電場投產(chǎn)后實(shí)際的年平均發(fā)電量遠(yuǎn)低于預(yù)期測量值，大約為預(yù)測值的60%~80%左右，導(dǎo)致該結(jié)果的一個(gè)重要原因就是風(fēng)能資源的測量和評估存在問題，對我國典型地區(qū)風(fēng)資源規(guī)律的缺少認(rèn)識，對我國風(fēng)電場的建設(shè)缺乏理論依據(jù)。
比如，風(fēng)機(jī)運(yùn)行壽命一般為25年，在運(yùn)行發(fā)電期間，有許多折舊因素和自然環(huán)境約束，導(dǎo)致風(fēng)電場理論發(fā)電量與實(shí)際發(fā)電量相差較大。因此，在引進(jìn)新的風(fēng)電項(xiàng)目之前，必須在考慮具體的外部環(huán)境因素基礎(chǔ)上來建設(shè)風(fēng)電場，這樣才能是風(fēng)能最大化利用。
研究風(fēng)能精細(xì)評估和風(fēng)場微觀選址技術(shù)研究，確立我國在大型風(fēng)場數(shù)值仿真領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。一般可研報(bào)告計(jì)算的發(fā)電量偏大。設(shè)計(jì)單位在計(jì)算風(fēng)電場發(fā)電量時(shí)，主要有以下原因致使計(jì)算的發(fā)電量偏大。
(1)在進(jìn)行風(fēng)資源分析及發(fā)電量計(jì)算時(shí)，設(shè)計(jì)單位多采用丹麥WAsP軟件進(jìn)行計(jì)算分析。但由于我國國土面積大，地形條件十分復(fù)雜，國外的數(shù)值模式，尤其是歐洲的小尺度數(shù)值模式，其中的湍流閉合參數(shù)基本都是本地的近地湍流觀測試驗(yàn)結(jié)果確定的，與我國地形地表狀況相差甚遠(yuǎn)。因此其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相差較大，且絕大多數(shù)情況下，結(jié)果偏大。國內(nèi)多數(shù)風(fēng)電場實(shí)際發(fā)電量均比可研報(bào)告小，就充分證明了這一點(diǎn)。
(2)在無法滿足規(guī)范要求的情況下，由于風(fēng)資源觀測系列太短，設(shè)計(jì)單位機(jī)械地利用臨近氣象站的長期觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)訂正。由于氣象站因城市化，氣候變暖等影響，造成近期氣象站觀測數(shù)據(jù)較長期偏小，致使訂正后的數(shù)據(jù)較風(fēng)電場實(shí)際數(shù)據(jù)偏大。另一方面由于規(guī)范要求的氣象站距風(fēng)電場要近，地形相似等條件，多數(shù)情況下根本不能滿足。
(3)安裝的測風(fēng)儀的位置不適合，多數(shù)安裝在山頭或地形較高處，代表性差。
(4)大多數(shù)風(fēng)電場地形復(fù)雜，安裝的測風(fēng)儀數(shù)量太少，不能全面反映風(fēng)電場風(fēng)資源。
當(dāng)風(fēng)電場建設(shè)完成，并網(wǎng)投運(yùn)之后，對風(fēng)電場區(qū)域的風(fēng)力進(jìn)行準(zhǔn)確的短期預(yù)測，則將為風(fēng)電場功率的預(yù)測提供有效數(shù)據(jù)支持，對電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行和安全調(diào)度具有重要作用。但無論是進(jìn)行基于風(fēng)速的風(fēng)功率預(yù)測還是直接采用物理方法或統(tǒng)計(jì)方法對風(fēng)電出力預(yù)測時(shí)，常常會出現(xiàn)下列問題：
(1) 數(shù)據(jù)量偏少
風(fēng)電功率預(yù)測要求的數(shù)據(jù)量很大，比如風(fēng)電場歷史數(shù)據(jù)，NWP數(shù)據(jù)和SCADA實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等，但在進(jìn)行風(fēng)功率預(yù)測時(shí)，這些數(shù)據(jù)往往會有異常、不完備的情況，若用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行預(yù)測時(shí)，則會因數(shù)據(jù)量不夠影響預(yù)測精度和可靠。
(2) 自動化通訊設(shè)備
自動化通訊設(shè)備在電力系統(tǒng)中起到“毛細(xì)血管”的作用。由于自動化通信故障引發(fā)數(shù)據(jù)采集、傳輸、轉(zhuǎn)換等一系列環(huán)節(jié)出錯(cuò)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真或缺失，影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，給功率預(yù)測帶來不利影響。
(3) 限制風(fēng)電出力
在大規(guī)模風(fēng)電場接入電網(wǎng)之后，由于風(fēng)電出力的不確定性和不完全可控，風(fēng)速變化過頻繁，會給電網(wǎng)調(diào)度和方式安排帶來極大困難，只有棄風(fēng)，限制風(fēng)電出力來維持電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。這一方面增加風(fēng)電場投資回收期，另一方面將導(dǎo)致清潔的風(fēng)能資源嚴(yán)重浪費(fèi)。
改善風(fēng)功率預(yù)測解決方案
(1) 提高風(fēng)電場宏觀和微觀選址精度
風(fēng)電場選址是否合理直接影響著風(fēng)電場建成后的發(fā)電量。在宏觀選址過程中，要詳細(xì)考察風(fēng)能資源、并網(wǎng)條件，交通、地形地貌和其他氣候環(huán)境等因素，并確保有效側(cè)風(fēng)時(shí)間大于一年。同時(shí)要考慮湍流強(qiáng)度，如果一旦湍流強(qiáng)度超過0.25，建設(shè)風(fēng)電場就要特別慎重。在微觀選址上，要考慮地形、尾流效應(yīng)和塔影效應(yīng)等對風(fēng)速的影響。借助于預(yù)測精度較高的軟件，比如WAsP和WindFarmer軟件，并且要考慮多種折舊和自然干擾，確保全面、精確的風(fēng)電場選址工作。還需要針對風(fēng)能資源形成、分布、變化機(jī)理以及評估技術(shù)原理的研究。
(2) 提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性
目前，在進(jìn)行短期風(fēng)功率預(yù)測時(shí)，無論采用物理方法，還是統(tǒng)計(jì)方法都會用到NWP數(shù)據(jù)，因此提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性能夠改善預(yù)測的精度。把多個(gè)數(shù)字天氣預(yù)報(bào)(NWP)模型組合起來，對氣象信息進(jìn)行預(yù)報(bào)，該方法可以克服惡劣天氣下出現(xiàn)的預(yù)測偏差，顯著提高預(yù)測精度。
(3)加強(qiáng)風(fēng)電數(shù)據(jù)管理和完善
風(fēng)電數(shù)據(jù)量很大，風(fēng)功率預(yù)測是基于大量數(shù)據(jù)資料開展的。合理數(shù)據(jù)管理，可以節(jié)約風(fēng)功率預(yù)測時(shí)間，進(jìn)而給調(diào)度工作帶來方便。所以，可以建立風(fēng)電數(shù)據(jù)庫，并開發(fā)基于風(fēng)電的數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)，數(shù)據(jù)精細(xì)化管理。
(4)物理法和統(tǒng)計(jì)法相結(jié)合
物理法不需要風(fēng)電場歷史功率數(shù)據(jù)的支持，適用于新建風(fēng)電場;但需要大量且準(zhǔn)確的NWP數(shù)據(jù)，風(fēng)電的物理信息對預(yù)測的準(zhǔn)確度也有很大影響。統(tǒng)計(jì)方法需要大量歷史數(shù)據(jù)的支持，對歷史數(shù)據(jù)變化規(guī)律的一致性有很高的要求，但準(zhǔn)確性較高，同時(shí)建議采用自學(xué)習(xí)能力的模型。因此，在實(shí)際預(yù)測中，建議物理方法和統(tǒng)計(jì)方法結(jié)合。
(5)自動化通信設(shè)備方面
完善通信通道，增加設(shè)備巡視次數(shù)，定期維護(hù)設(shè)備，確保提供連續(xù)、可靠的監(jiān)測風(fēng)電數(shù)據(jù)。
(6)改進(jìn)風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)
近幾年，我國已開發(fā)出風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)，風(fēng)電場向電網(wǎng)公司提供了較為準(zhǔn)確的發(fā)電功率曲線，這使得電網(wǎng)調(diào)度可以有效利用風(fēng)能資源，提高風(fēng)力發(fā)電上網(wǎng)小時(shí)數(shù)。但與一些西方國家相比，我國預(yù)測系統(tǒng)還未完善，預(yù)測精度還有較大差距，因此，需要針對我國風(fēng)能資源具體的情況，改進(jìn)風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)，提高預(yù)測準(zhǔn)確性。
除以上幾點(diǎn)改進(jìn)措施外，還需要按風(fēng)電額定出力能力配置輸配工程;綜合考慮外界因數(shù)對風(fēng)電功率預(yù)測產(chǎn)生的影響;完善預(yù)報(bào)評價(jià)體系等。
總結(jié)
我國風(fēng)電發(fā)展前景良好，風(fēng)電利用必然成為建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的重要舉措。準(zhǔn)確的風(fēng)電功率預(yù)測可以提高風(fēng)能資源利用小時(shí)數(shù)和利用效率，也能夠提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、改善電能質(zhì)量，同時(shí)也可增強(qiáng)風(fēng)電在電力市場中的競爭力。
本文從風(fēng)電場建設(shè)前期的風(fēng)能資源評估和風(fēng)電場選址及并網(wǎng)發(fā)電之后的風(fēng)功率預(yù)測進(jìn)行了探討，結(jié)合我國目前風(fēng)電功率預(yù)測的實(shí)際情況，闡述了產(chǎn)生預(yù)測誤差的原因，并提出了幾點(diǎn)建議。
(編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“風(fēng)電功率預(yù)測準(zhǔn)確性分析”，作者為蘇贊、王維慶 等。)
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