風機發(fā)電風功率預(yù)測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

摘 要：隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，能源需求的日益增多，風機發(fā)電技術(shù)也日益發(fā)展。有效優(yōu)化電網(wǎng)的調(diào)度可以更準確地實現(xiàn)對風電場發(fā)電功率的預(yù)測，不但能夠使電網(wǎng)經(jīng)濟運行，更對提高風電場在電力市場中的競爭地位有著至關(guān)重要的作用。該文首先提出了具有先進的統(tǒng)計方法的風功率預(yù)測系統(tǒng)，對國內(nèi)風功率預(yù)測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀作了簡要敘述，同時把高精度數(shù)值氣象預(yù)報作為重要基礎(chǔ)，力求搭建完備的數(shù)據(jù)調(diào)查和記錄的系統(tǒng)，針對風功率預(yù)測精度低的問題提出了相應(yīng)的改進方法，使之更好地利用各個通訊口采集風電場的監(jiān)控數(shù)據(jù)，力求為風電場的運行和管理提供更有效的輔助作用，供大家研究和參考。

關(guān)鍵詞：風機發(fā)電 功率預(yù)測 系統(tǒng) 研究與應(yīng)用

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）08（a）-0026-02

隨機變化的風速、風向?qū)е嘛L電場輸出功率具有間歇性、波動性以及隨機性等特點，大量風電場集中并網(wǎng)不僅會對電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定以及經(jīng)濟運行帶來重要影響，更直接限制著電網(wǎng)接納風電的效率[1]。風電功率預(yù)測系統(tǒng)的應(yīng)用，可以使調(diào)度運行人員根據(jù)數(shù)據(jù)預(yù)測的波動的情況，更加合理地采取應(yīng)對措施，保障電網(wǎng)運行的安全性和可靠性。功率預(yù)測和負荷預(yù)測的結(jié)合，還有很多好處，比如更夠調(diào)整調(diào)度運行的人員、優(yōu)化常規(guī)電廠的發(fā)電計劃、增加風電的并網(wǎng)的容量、改善電網(wǎng)的調(diào)峰能力，對改善電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性，減少溫室氣體的排放具有非常重要的意義[2]。

另外，對風電功率的預(yù)測還能夠提高風電在電力市場中的競爭力，對提高上網(wǎng)電價也具有重要作用。對普通的風電場而言，風電功率的預(yù)測還能夠?qū)ζ髽I(yè)合理安排檢修計劃起到重要的參考作用，從而進一步提高企業(yè)的盈利能力。

1 關(guān)于國內(nèi)外風功率預(yù)測的現(xiàn)狀研究

我國的風功率預(yù)測系統(tǒng)經(jīng)過二十余年的發(fā)展，已經(jīng)取得了突飛猛進的發(fā)展，在全球已經(jīng)獲得了很廣泛的應(yīng)用。近年以來，國際上都十分重視風機發(fā)電風功率預(yù)測系統(tǒng)的研究，已經(jīng)開始開發(fā)更高級的預(yù)測模型，各發(fā)達國家已經(jīng)開始研究在復雜地形、極端天氣以及海上風電等惡劣條件下的風功率的預(yù)測系統(tǒng)。當下，西班牙和丹麥等風電大國的風電技術(shù)領(lǐng)先世界，如西班牙已經(jīng)能夠達到提前48 h、平均誤差在20%之下、提前24 h平均誤差在10%之下[3]。

我國的風機發(fā)電風功率預(yù)測系統(tǒng)也取得了很大進展，雖然起步較晚，但是我國經(jīng)過許多年的技術(shù)創(chuàng)新和投入，已經(jīng)具備完善的解決難題和實際中出現(xiàn)的問題的能力?？梢哉f是成就斐然。我國相關(guān)的風機發(fā)電風力預(yù)測的機構(gòu)結(jié)合當?shù)氐膶嶋H情況，建立和健全了大量的風功率預(yù)測模塊，這種人工智能的算法和體系在很大程度上提高了風功率預(yù)測的精度。另外，我國還提出了有效的風功率預(yù)測方案，這能在很大程度上解決因為大規(guī)模接入風電對電網(wǎng)所造成的沖擊問題。

2 風機發(fā)電風功率預(yù)測系統(tǒng)的組成

功率預(yù)測系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：功率預(yù)測主機、NWP處理處理器、防火墻、反向物理隔離裝置、預(yù)測系統(tǒng)客戶端以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和附屬設(shè)備等[4]。

3 風機發(fā)電風功率預(yù)測技術(shù)方法總結(jié)分類

利用空氣動力學、熱力學等基本的原理，也就是數(shù)值天氣預(yù)報就是風功率的預(yù)測技術(shù)，它基本是借助歷史天氣的試驗為重要的經(jīng)驗，利用數(shù)值計算的方法來預(yù)測風場輸出功率的一門科學。

風機發(fā)電風功率預(yù)測技術(shù)的直接方法是以風速為基礎(chǔ)的預(yù)測方法，基于功率的預(yù)測方法被稱為間接方法，這兩種方法的功率預(yù)測都由預(yù)測的數(shù)學模型來確定。

物理方法利用NWP數(shù)據(jù)（主要是風速）作為輸入的參考數(shù)據(jù)，并且需要充分考慮風電場的地形以及地表的粗糙程度，附近的障礙物、風機輪的高度，機械的轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)、風機特性曲線和風機的控制策略等技術(shù)作為建設(shè)模型的對象來確定相對適合風功率預(yù)測的中長期預(yù)測。

另一種常用的方法是統(tǒng)計方法，這一方法的實質(zhì)是在風功率預(yù)測系統(tǒng)的輸入端和風功率預(yù)測系統(tǒng)的輸出端這兩個端口建立一種映射函數(shù)，在不考慮風速的情況之下，直接利用NWP這一數(shù)據(jù)來對風場的輸出功率進行直接的預(yù)測。常見的統(tǒng)計方法大致有以下幾個：時間序列法、指數(shù)平滑法、概率預(yù)測法、灰色預(yù)測法、小波分解方法和數(shù)據(jù)挖掘方法[5]。在這些方法中，最典型的方法是時間序列，其特點是隨機性高、具有平穩(wěn)的數(shù)據(jù)，且必須要計算機的程序才能夠識別。另外，這種方法所采用的數(shù)據(jù)相對單一，預(yù)測的周期很短，其對誤差的設(shè)計也不夠合理，因為它具有以上的優(yōu)點，所以其多用于優(yōu)化控制。

描述系統(tǒng)輸入和輸出之間關(guān)系的時候，需要用到解析方程來解決，建立非線性預(yù)測的學習模型。常見的學習方法有：支持向量機法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、混合專家經(jīng)驗法、模糊邏輯法等。最典型和最常見的就是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，這種方法因其具有很強大的自動適應(yīng)能力，自動學習能力以及優(yōu)良的容錯性和泛化能力，因而被廣泛地應(yīng)用于信號的管理、模式的識別、智能檢測以及汽車和金融等領(lǐng)域。

4 風機發(fā)電風功率預(yù)測系統(tǒng)的誤差分析

風機發(fā)電風功率的預(yù)測畢竟只是預(yù)測，誤差存在也是客觀的，因為風速會受到不確定的天氣狀況影響，受限于風電機組，預(yù)測數(shù)學模型等不良數(shù)據(jù)的影響，具體的誤差有下面幾點。

（1）波動的風速給預(yù)測模型的輸出帶來了誤差，這是因為風資源具有很大的隨機性和不確定性，這使得誤差不可避免。

（2）數(shù)學模型的精確度低。在當前我國使用的風功率預(yù)測的數(shù)據(jù)模型很單一，這不能夠全面地反映實際的濕度和地貌等因素，盡管也有些組合的精度大大提高，但是就整體而言國內(nèi)的預(yù)測技術(shù)并不是很成熟。

5 風機發(fā)電風功率預(yù)測系統(tǒng)的不足之處和改進方法

風機發(fā)電風功率預(yù)測系統(tǒng)的不足之處有風電消納能力的局限、輸入數(shù)據(jù)單一及周圍的環(huán)境和物理因素的影響。另外，不完善的測風塔采集系統(tǒng)，使得誤差沒有經(jīng)過人為修正，誤差很大。具體的改進措施如下。

（1）優(yōu)化組合風力預(yù)測的模型，預(yù)報NWP的信息，這可以有效地縮小在惡劣天氣和極端天氣下的誤差，大大提高預(yù)測的精準度。

（2）加速NWP更新的頻率，改善數(shù)學模型和數(shù)據(jù)輸入的同時，更新現(xiàn)代的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和計算機控制技術(shù)，提高輸出的精準度。

（3）充分地利用小波分析、混沌理論、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能方法，對預(yù)測的結(jié)果進行優(yōu)化組合分析，提高預(yù)測的可靠性和精準度。

（4）在對風功率短期預(yù)測的時候，盡快更新NWP的數(shù)據(jù)，提高風功率預(yù)測的技能和方法。

6 結(jié)語

總之，我國電網(wǎng)的經(jīng)濟穩(wěn)定運行和發(fā)展離不開對風速和風力發(fā)電功率的預(yù)測，對風速和風力發(fā)電的準確預(yù)測能夠極大地提高風電企業(yè)的市場競爭能力。我國已經(jīng)設(shè)計并實現(xiàn)了以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和經(jīng)典統(tǒng)計學的風電場功率預(yù)測模型，其具有分析訓練簡單、結(jié)果穩(wěn)定可靠、執(zhí)行速度極快、硬件消耗資源少、精準預(yù)測等優(yōu)點。

盡管自然界的風速變化莫測，風機發(fā)電的功率預(yù)測的難度也很大，以目前的技術(shù)水平來看，其精準度還有待進一步提高，但是有理由相信，隨著技術(shù)水平的不斷提高，獲得的歷史數(shù)據(jù)越來越多，采取新的NWP等數(shù)據(jù)來應(yīng)對和預(yù)測突發(fā)天氣等，這些都能夠進一步提高風機發(fā)電功率預(yù)測的精準度。

參考文獻

[1]王文剛，劉建鵬，武環(huán)宇，等.風功率預(yù)測系統(tǒng)的應(yīng)用與優(yōu)化的討論[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（14）：49-50.

[2]彭加立，馬月，李霸軍.風電場短期風功率預(yù)測研究及應(yīng)用實例分析[J].水力發(fā)電2013（10）：86-96.

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