王建東,汪寧渤,何世恩,劉光途,馬彥宏,陟 晶,丁 坤,趙 龍
(甘肅省電力公司風(fēng)電技術(shù)中心,蘭州市,730050)
風(fēng)電功率預(yù)測可為風(fēng)電的運(yùn)行調(diào)度提供技術(shù)支撐,保障電力系統(tǒng)及風(fēng)電場的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[1]。風(fēng)電功率預(yù)測的意義主要體現(xiàn)在:
(1)根據(jù)預(yù)測的風(fēng)電場出力曲線優(yōu)化常規(guī)機(jī)組的出力,達(dá)到降低運(yùn)行成本的目的。
(2)掌握風(fēng)電出力變化規(guī)律,減少電力系統(tǒng)的不確定性,增強(qiáng)電力系統(tǒng)的安全性和可靠性。
(3)在風(fēng)電接入的電力系統(tǒng)中,優(yōu)化電力市場中電力的價(jià)值。一方面,在電力市場中,風(fēng)電場對風(fēng)電功率進(jìn)行預(yù)測,參與電力市場競價(jià);另一方面,系統(tǒng)運(yùn)營商對風(fēng)電功率進(jìn)行預(yù)測,保證系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
(4)風(fēng)電場功率預(yù)測還可以為風(fēng)電場的運(yùn)行維護(hù)提供有益的參考。如在風(fēng)電機(jī)組需要停機(jī)檢修時(shí),可以選擇在風(fēng)速較低、風(fēng)電場出力較小時(shí)進(jìn)行,以減小風(fēng)電場的電量損失。在出現(xiàn)可能對風(fēng)電場產(chǎn)生破壞作用的大風(fēng)時(shí),提前做好防護(hù)準(zhǔn)備。根據(jù)風(fēng)電場出力情況及時(shí)調(diào)整風(fēng)電場運(yùn)行狀態(tài),減少風(fēng)電場內(nèi)部線路和變壓器損耗,提高風(fēng)電場上網(wǎng)電量[2-3]。
20世紀(jì)90年代初期,歐洲國家就已經(jīng)開始研發(fā)風(fēng)能預(yù)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)并應(yīng)用于預(yù)報(bào)服務(wù)。預(yù)報(bào)技術(shù)多采用中期天氣預(yù)報(bào)模式嵌套高分辨率有限區(qū)域模式(或嵌套更高分辨率的局部區(qū)域模式)和發(fā)電量模式對風(fēng)電場發(fā)電量進(jìn)行預(yù)報(bào),如丹麥Risoe實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的Prediktor預(yù)報(bào)系統(tǒng)已應(yīng)用于丹麥、西班牙、愛爾蘭和德國的短期風(fēng)能預(yù)報(bào)業(yè)務(wù),同時(shí)丹麥技術(shù)大學(xué)開發(fā)的 WPPT(wind power prediction tool)也用于歐洲地區(qū)的風(fēng)能預(yù)報(bào)。90年代中期以后,美國True Wind Solution公司研發(fā)的風(fēng)能預(yù)報(bào)軟件eWind是由高分辨率的中尺度氣象數(shù)值模型和統(tǒng)計(jì)模型構(gòu)成的預(yù)測預(yù)報(bào)系統(tǒng),eWind和Prediktor已用于美國加州大型風(fēng)電場的預(yù)報(bào)。加拿大風(fēng)能資源數(shù)值評估預(yù)報(bào)軟件West是將中尺度氣象模式MC2(mesoscale compressible community)和 WAsP(wind atlasanalysisand application program)相結(jié)合的分辨率為100~200 m的風(fēng)能圖譜并進(jìn)行預(yù)報(bào)。目前用于風(fēng)能預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的系統(tǒng)還有德國的Previento和WPMS(wind power management system)等[2-5]。
2002年10月,歐盟委員會(huì)資助啟動(dòng)了“為陸地和海上大規(guī)模風(fēng)電場的建設(shè)開發(fā)下一代風(fēng)資源預(yù)報(bào)系統(tǒng)(Anemos)”計(jì)劃,目標(biāo)是開發(fā)優(yōu)于現(xiàn)有方法的先進(jìn)的預(yù)報(bào)模型,重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)復(fù)雜地形和極端氣象條件下的預(yù)報(bào),同時(shí)也發(fā)展近海風(fēng)能預(yù)報(bào)[6]。
風(fēng)能預(yù)測預(yù)報(bào)的發(fā)展歷程可總結(jié)為:
(1)1990年之前,理論研究階段。該階段主要是進(jìn)行理論研究,實(shí)際運(yùn)行案例很少,研究內(nèi)容包括MOS、卡爾曼濾波、自回歸滑動(dòng)平均(auto regressive moving average,ARMA)模型等。
(2)1990—2000年,實(shí)用模型階段。該階段研究內(nèi)容包括物理降尺度、MOS、條件參數(shù)模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等。實(shí)際運(yùn)行案例主要位于丹麥。歐盟則在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)開始組織研發(fā)項(xiàng)目。
(3)2000年至今,廣泛應(yīng)用階段。該階段研發(fā)內(nèi)容集中在中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)(numerical weather prediction,NWP)、概率預(yù)測、聯(lián)合預(yù)測、氣象集合預(yù)測、多模型集合預(yù)測等課題上。僅歐盟的研發(fā)項(xiàng)目就有 Anemos、Honeymoon、POW'WOW(prediction of waves,wakes and of fshore wind)、Anemos.plus、SafeWind等多項(xiàng)。美國、澳大利亞等國家也紛紛開始本國的風(fēng)電預(yù)測預(yù)報(bào)研發(fā)項(xiàng)目。預(yù)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)應(yīng)用的案例則從丹麥擴(kuò)展到西班牙、德國、美國等眾多風(fēng)電強(qiáng)國[7]。
風(fēng)電預(yù)測預(yù)報(bào)的實(shí)施模式原則上由風(fēng)電預(yù)測的部門決定,隨著越來越多的電網(wǎng)或者電力市場采用風(fēng)電預(yù)測預(yù)報(bào),2類不同的風(fēng)電預(yù)測預(yù)報(bào)實(shí)施模式被廣泛采用。
(1)集中預(yù)測。由系統(tǒng)或者市場運(yùn)營商集中預(yù)測所屬區(qū)域的風(fēng)電場總出力,而不管是否有風(fēng)電場的積極參與。這種模式的關(guān)鍵是只使用1個(gè)集中的風(fēng)電預(yù)測預(yù)報(bào)系統(tǒng),這意味著系統(tǒng)或者市場運(yùn)營商是預(yù)測預(yù)報(bào)積極的參與者,從而關(guān)心預(yù)測模型的使用情況。
(2)分散預(yù)測。要求或者激勵(lì)風(fēng)電場預(yù)測自身出力,且不規(guī)定具體的預(yù)測方法。這意味著多個(gè)不同的風(fēng)電預(yù)測服務(wù)商可以通過競爭為多個(gè)風(fēng)電場客戶提供預(yù)測服務(wù)。理論上,系統(tǒng)或者市場運(yùn)營商不需了解具體預(yù)測方法,可以依靠市場的力量保證預(yù)測精度[8]。
實(shí)際中也存在位于這2種模式之間的變體,比如可以要求分散預(yù)測系統(tǒng)具有某些共同的技術(shù)參數(shù),或者1個(gè)集中預(yù)測系統(tǒng)使用多個(gè)不同時(shí)間尺度或覆蓋區(qū)域的預(yù)測模型。這2種模式也可以同時(shí)實(shí)行,比如系統(tǒng)或市場運(yùn)營商既要求風(fēng)電場進(jìn)行分散預(yù)測,也同時(shí)進(jìn)行自己的集中預(yù)測。
表1總結(jié)了一些國家風(fēng)電預(yù)測實(shí)施模式的關(guān)鍵特征,包括:預(yù)測實(shí)施是市場驅(qū)動(dòng)還是電網(wǎng)要求;預(yù)測模式是集中預(yù)測還是分散預(yù)測;預(yù)測模型的選擇方式是基于試驗(yàn)還是基于共同研究。
表1 風(fēng)電預(yù)測實(shí)施模式的對比Tab.1 Comparison of the wind power for ecasting implementation moddels
按照是否要求風(fēng)電場提供風(fēng)電預(yù)測預(yù)報(bào),可以將風(fēng)電預(yù)測預(yù)報(bào)機(jī)制分為風(fēng)電場強(qiáng)制預(yù)測預(yù)報(bào)、風(fēng)電場自愿預(yù)測預(yù)報(bào)和風(fēng)電場無要求預(yù)測預(yù)報(bào)三類。
風(fēng)電場強(qiáng)制預(yù)測預(yù)報(bào)主要以愛爾蘭、西班牙、美國新墨西哥PNM電網(wǎng)和德州ERCOT電網(wǎng)為代表。
目前,愛爾蘭電網(wǎng)總裝機(jī)容量為7000 MW,與外界互聯(lián)容量僅為450 MW,而風(fēng)電裝機(jī)達(dá)700 MW,即風(fēng)電在整個(gè)電網(wǎng)的比重為10%,風(fēng)電對愛爾蘭電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行影響很大。愛爾蘭積極參與歐盟的風(fēng)電預(yù)測預(yù)報(bào)研究工作,安裝了歐洲的MoreCare預(yù)測預(yù)報(bào)系統(tǒng),并主持了Anemos風(fēng)電預(yù)測項(xiàng)目。愛爾蘭最新的風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)程要求超過30 MW的風(fēng)電場必須提供預(yù)測預(yù)報(bào)[9-10]。2007年實(shí)施的市場交易規(guī)則為風(fēng)電上網(wǎng)提供2種選擇,按照一般的市場價(jià)格享受優(yōu)先調(diào)度權(quán)或者參與市場競價(jià),前者免除預(yù)測誤差過大導(dǎo)致的罰款,后者承受罰款。
從2004年3月起,西班牙頒布新的皇家法令為風(fēng)電提供了2種電價(jià)機(jī)制:(1)以固定電價(jià)將風(fēng)電賣給配電公司;(2)通過電力市場代理商在電力市場出售風(fēng)電。這2種電價(jià)機(jī)制對應(yīng)風(fēng)電場不同的預(yù)測責(zé)任:(1)選擇固定電價(jià)的風(fēng)電場要求從2005年1月開始至少提前30 h預(yù)測自身每小時(shí)的風(fēng)電出力,并將預(yù)測結(jié)果發(fā)送給配電公司,預(yù)測結(jié)果可以不斷進(jìn)行調(diào)整直到日內(nèi)市場關(guān)閉前1 h;(2)對參與電力市場的風(fēng)電場,由于市場代理商必須在10點(diǎn)前提交最終的發(fā)電計(jì)劃,因此日前風(fēng)電預(yù)測要求在每天的早上10點(diǎn)前完成,預(yù)測的具體要求可以與市場代理商溝通。不管選擇哪種電價(jià)機(jī)制,如果沒有遵守發(fā)電計(jì)劃,所有裝機(jī)容量大于10 MW的風(fēng)電場將被罰款。對于選擇固定電價(jià)機(jī)制的風(fēng)電場,如果預(yù)測偏差超過20%,將會(huì)被罰款;對于參與電力市場的風(fēng)電場,預(yù)測偏差的罰款將在每個(gè)購電協(xié)議中考慮,或者通過市場代理商進(jìn)行總體協(xié)商[11]。
美國新墨西哥PNM電網(wǎng)在購電協(xié)議中要求風(fēng)電場必須提供日前每小時(shí)預(yù)測結(jié)果和超短期預(yù)測結(jié)果;德州ERCOT電網(wǎng)根據(jù)合格調(diào)度實(shí)體(qualified scheduling entities,QSE)的規(guī)定,通過并網(wǎng)協(xié)議或者購電協(xié)議要求風(fēng)電場提供日前預(yù)測結(jié)果。如果預(yù)測誤差超過發(fā)電計(jì)劃的50%,風(fēng)電場按照邊際出清價(jià)格接受罰款。
美國加州電力系統(tǒng)運(yùn)營商CAISO是美國首個(gè)使用風(fēng)電預(yù)測系統(tǒng)的系統(tǒng)運(yùn)營商,CAISO在2004年將風(fēng)電場自愿預(yù)測預(yù)報(bào)作為間歇能源參與計(jì)劃的一部分引入了加州電網(wǎng)。CAISO區(qū)域內(nèi)的風(fēng)電可以選擇2種上網(wǎng)發(fā)電模式,CAISO以可避免成本收購風(fēng)電或者風(fēng)電參與電力市場競價(jià)。由于可避免成本定價(jià)在未來存在很大的不確定性,因此越來越多的風(fēng)電場運(yùn)營商傾向參與電力市場競價(jià),而風(fēng)電的屬性不適合電力交易機(jī)制對發(fā)電計(jì)劃準(zhǔn)確性的嚴(yán)格要求。為了解決這個(gè)問題,CAISO實(shí)施了基于風(fēng)電場自愿參加基礎(chǔ)上的間歇性能源參與項(xiàng)目,為風(fēng)電場提供集中預(yù)測預(yù)報(bào)服務(wù)。
經(jīng)過嚴(yán)格的對比試驗(yàn),CAISO選擇TrueWind公司作為風(fēng)電預(yù)測服務(wù)的供應(yīng)商。如果風(fēng)電業(yè)主愿意向CAISO繳納少量的年費(fèi)(2005年的費(fèi)用標(biāo)準(zhǔn)為0.1美元/(MW·h))加入該集中風(fēng)電預(yù)測計(jì)劃,那么風(fēng)電場的風(fēng)電功率預(yù)測信息將由CAISO提供,并且允許較高的風(fēng)電預(yù)測誤差;否則,風(fēng)電業(yè)主只能自己進(jìn)行風(fēng)電預(yù)測,并且被允許較小的風(fēng)電預(yù)測誤差(不加入間歇資源參與計(jì)劃的風(fēng)電場按每10 min的不平衡電量結(jié)算;而加入計(jì)劃的風(fēng)電場按月度不平衡電力結(jié)算,大部分預(yù)測誤差都可以在1個(gè)月內(nèi)相互抵消)。為了激勵(lì)風(fēng)電預(yù)測服務(wù)供應(yīng)商不斷努力提高預(yù)測精度,CAISO與TrueWind公司簽署了處罰和獎(jiǎng)勵(lì)協(xié)議。協(xié)議規(guī)定:如果每月的平均絕對誤差(mean absolute error,MAE)大于風(fēng)電裝機(jī)容量的12%,或者每月電力生產(chǎn)偏差大于實(shí)際產(chǎn)量的0.6%,TrueWind公司將被處以罰款;如果MAE小于風(fēng)電裝機(jī)容量的10%,或者每月電力生產(chǎn)偏差小于實(shí)際產(chǎn)量的0.1%,TrueWind公司將被給予獎(jiǎng)勵(lì)。最近的報(bào)告顯示,風(fēng)電場向CAISO繳納的年費(fèi)過少,致使這些年費(fèi)不能完全抵消購買預(yù)測服務(wù)的費(fèi)用,近期將會(huì)出臺(tái)新的計(jì)費(fèi)辦法。
德國、丹麥等國家目前的可再生能源法賦予風(fēng)電優(yōu)先上網(wǎng)權(quán),系統(tǒng)運(yùn)營商沒有在并網(wǎng)協(xié)議和購電協(xié)議中規(guī)定風(fēng)電場的預(yù)測預(yù)報(bào)義務(wù),并且沒有安排風(fēng)電參與市場競價(jià),因此風(fēng)電預(yù)測主要由系統(tǒng)運(yùn)營商承擔(dān),風(fēng)電場業(yè)主不需要進(jìn)行風(fēng)電預(yù)測。這些國家的風(fēng)電需要在更大的范圍內(nèi)跨境消納,大規(guī)模的風(fēng)電交易促使這些國家的系統(tǒng)運(yùn)營商致力于風(fēng)電預(yù)測預(yù)報(bào)性能的提升。
隨著我國風(fēng)電逐漸向大規(guī)模遠(yuǎn)距離開發(fā)模式轉(zhuǎn)變,風(fēng)電對電網(wǎng)安全穩(wěn)定和調(diào)度運(yùn)行的影響將與日俱增。隨著電網(wǎng)投資的加大,風(fēng)電輸電通道的瓶頸制約會(huì)逐漸得到緩解,而風(fēng)電調(diào)峰調(diào)頻和電力電量消納問題將會(huì)成為主要矛盾。如果在對風(fēng)電未來出力一無所知的情況下,強(qiáng)制電網(wǎng)全盤接受風(fēng)電,會(huì)給系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行帶來巨大威脅,并且不利于系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。甘肅2010年風(fēng)電裝機(jī)將達(dá)到5160 MW,而2009年全省高峰負(fù)荷不過8900 MW,西北電網(wǎng)高峰負(fù)荷也只有2600 MW,且電源以靈活性較差的煤電為主受風(fēng)電波動(dòng)性和間歇性影響很大。因此,我國風(fēng)電發(fā)展的現(xiàn)實(shí)情況要求必須進(jìn)行風(fēng)電預(yù)測預(yù)報(bào),以作為輔助電網(wǎng)調(diào)度的手段。
2006年正式實(shí)行的《可再生能源法》規(guī)定電網(wǎng)公司必須全額收購上網(wǎng)風(fēng)電,但是沒有明確規(guī)定風(fēng)電的上網(wǎng)條件,也沒有明確規(guī)定風(fēng)電收購協(xié)議的技術(shù)性條款。風(fēng)電場業(yè)主往往以《可再生能源法》中的條款作為免于進(jìn)行技術(shù)改造升級和提供功率預(yù)測的理由。從降低風(fēng)電本身的開發(fā)成本和緩解風(fēng)電場財(cái)務(wù)壓力的角度出發(fā),這是可以理解的;但是從理論上和國際經(jīng)驗(yàn)來講,全額收購上網(wǎng)風(fēng)電與要求風(fēng)電場提供風(fēng)功率預(yù)測預(yù)報(bào)服務(wù)并不抵觸,因?yàn)轱L(fēng)功率預(yù)測可以作為風(fēng)電場上網(wǎng)的技術(shù)性要求,也可以作為購電協(xié)議的組成部分,達(dá)到合格的預(yù)測精度,風(fēng)電場才能達(dá)到并網(wǎng)的條件,才能作為合格的并網(wǎng)風(fēng)電享受全額收購的待遇。由于風(fēng)功率的預(yù)測偏差過大會(huì)給電網(wǎng)帶來顯著的危害,因此可以合理地認(rèn)為這樣的風(fēng)電場不滿足并網(wǎng)的條件,如果強(qiáng)行并網(wǎng),需要接受對其預(yù)測與實(shí)際出力偏差的罰款。
目前我國風(fēng)電場分散預(yù)測預(yù)報(bào)沒有納入風(fēng)電場建設(shè)和規(guī)范的日程,但是我國風(fēng)電發(fā)展模式具備進(jìn)行分散預(yù)測預(yù)報(bào)的特點(diǎn)。我國大部分新建風(fēng)電場規(guī)模較大,接入電壓等級較高,而規(guī)劃的7個(gè)10 GW級風(fēng)電基地最大化地體現(xiàn)了這種集群化開發(fā)的思路。風(fēng)電場裝機(jī)容量大意味著分散預(yù)測預(yù)報(bào)的單位容量成本很低,風(fēng)電場接入電壓等級高意味著風(fēng)電場數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)安裝的必要性強(qiáng),風(fēng)電預(yù)測具備基本的基礎(chǔ)設(shè)施條件。因此,我國風(fēng)電場具備世界上最好的分散預(yù)測預(yù)報(bào)的物質(zhì)基礎(chǔ)。但是,我國進(jìn)行分散預(yù)測預(yù)報(bào)的弱點(diǎn)也很明顯,風(fēng)電預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)的落后和預(yù)測預(yù)報(bào)服務(wù)供應(yīng)商的缺乏使得風(fēng)電預(yù)測預(yù)報(bào)服務(wù)沒有形成可供風(fēng)電場廣泛選擇的預(yù)測服務(wù)供應(yīng)市場。這在一定程度上也限制了我國風(fēng)電場直接從市場上購買風(fēng)電預(yù)測預(yù)報(bào)服務(wù)的可行性。
隨著電力市場改革的不斷推進(jìn),風(fēng)電可能面臨著不得不進(jìn)入市場競爭的處境,履行供電合同的壓力將對風(fēng)電預(yù)測的精度提出更高的要求。因此,應(yīng)提早進(jìn)行風(fēng)電預(yù)測預(yù)報(bào)的相關(guān)技術(shù)準(zhǔn)備工作。
我國的電力調(diào)度網(wǎng)絡(luò)是世界上最先進(jìn)的調(diào)度網(wǎng)絡(luò)之一,風(fēng)電場與電網(wǎng)調(diào)度部門之間通訊設(shè)施同樣處于世界領(lǐng)先地位。因此,硬件設(shè)施不是阻礙我國進(jìn)行風(fēng)電預(yù)測預(yù)報(bào)的障礙,反而電網(wǎng)公司具有很好的條件進(jìn)行集中預(yù)測預(yù)報(bào)。目前吉林、甘肅等電網(wǎng)公司正在積極進(jìn)行風(fēng)電預(yù)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)建設(shè)和后續(xù)研發(fā)工作。
風(fēng)電預(yù)測預(yù)報(bào)在我國具有必要性和緊迫性;要求風(fēng)電場提供預(yù)測預(yù)報(bào)并不與現(xiàn)行法律法規(guī)相抵觸;分散預(yù)測預(yù)報(bào)雖然具有良好的物質(zhì)基礎(chǔ),但是預(yù)測技術(shù)的落后和預(yù)測服務(wù)供應(yīng)的缺乏使我國短期內(nèi)不具備進(jìn)行分散預(yù)測預(yù)報(bào)的條件;電網(wǎng)公司掌握完備的信息,投入了大量人力、物力進(jìn)行風(fēng)電預(yù)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)的研究和建設(shè)工作,適合采用集中預(yù)測預(yù)報(bào)的實(shí)施模式。
風(fēng)電預(yù)測預(yù)報(bào)費(fèi)用的分?jǐn)偸橇硪粋€(gè)值得研究的問題。風(fēng)電的波動(dòng)性是風(fēng)電場帶給電網(wǎng)的副作用產(chǎn)物,而集中風(fēng)電預(yù)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)的研發(fā)和建設(shè)顯然需要大量資金的支持,其最終的受益者卻是風(fēng)電場業(yè)主。因此,需要將這些額外的成本分?jǐn)偨o眾多風(fēng)電場業(yè)主或者分?jǐn)偨o更多的公眾,究竟選取哪種分?jǐn)偰J饺Q于日后的政策和法律環(huán)境。如果政策和法律認(rèn)為公眾應(yīng)該承擔(dān)風(fēng)電場開發(fā)帶來的成本上漲,那么應(yīng)該像對待其他可再生能源附加費(fèi)用一樣,將預(yù)測預(yù)報(bào)成本分?jǐn)偟饺珖?;如果法律認(rèn)為風(fēng)電場需要為其負(fù)作用帶來的影響負(fù)責(zé),那么應(yīng)該將預(yù)測預(yù)報(bào)成本分?jǐn)偨o相關(guān)的受益風(fēng)電場。需要說明的是,西班牙和愛爾蘭等風(fēng)電穿透功率較大、電網(wǎng)相對較弱的國家普遍將預(yù)測預(yù)報(bào)成本分?jǐn)偨o相關(guān)的受益風(fēng)電場或者強(qiáng)制實(shí)施風(fēng)電場分散預(yù)測預(yù)報(bào),而丹麥和德國等風(fēng)電穿透功率較大、電網(wǎng)相對較強(qiáng)的國家普遍將預(yù)測預(yù)報(bào)成本分?jǐn)偟饺珖?/p>
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