海上風(fēng)電場智慧調(diào)度平臺開發(fā)及應(yīng)用

關(guān)凱 華電（福建）風(fēng)電有限公司

隨著海上風(fēng)電場并網(wǎng)容量的逐漸增加，海上風(fēng)電功率的隨機(jī)性與不確定性問題進(jìn)一步對電網(wǎng)規(guī)劃與運(yùn)行提出挑戰(zhàn)。針對缺乏實(shí)測數(shù)據(jù)導(dǎo)致目前海上風(fēng)電出力特性研究不足的現(xiàn)狀，該文基于海上風(fēng)電場現(xiàn)場實(shí)測運(yùn)行數(shù)據(jù)與區(qū)域電網(wǎng)負(fù)荷特性，圍繞電網(wǎng)運(yùn)行與調(diào)度關(guān)注的關(guān)鍵問題，分別從定性分析與定量分析的角度對海上風(fēng)電功率波動性規(guī)律進(jìn)行了分析與總結(jié)。

一、智慧風(fēng)電場特征

智慧風(fēng)電場主要基于測控技術(shù)、通信技術(shù)、信息化技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及各類智能算法，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)控制的自動化、設(shè)備狀態(tài)感知及判斷智能化、運(yùn)維決策智慧化。智慧風(fēng)電場通過各類傳感器準(zhǔn)確獲知各設(shè)備的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電場各設(shè)備狀態(tài)的有效監(jiān)控；通過較準(zhǔn)確地風(fēng)功率預(yù)測，并結(jié)合電網(wǎng)調(diào)度需求信息、各風(fēng)機(jī)設(shè)備狀態(tài)信息自動調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的輸出功率，滿足電網(wǎng)的調(diào)度需求；同時能對各設(shè)備的故障進(jìn)行智能診斷，對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行智能評估，結(jié)合運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維決策自動化、智慧化。智慧風(fēng)電場的基礎(chǔ)是風(fēng)電場各類信息的數(shù)字化，其核心為數(shù)據(jù)、信息綜合處理及智能分析系統(tǒng)（簡稱信息智能分析系統(tǒng)），本質(zhì)是信息化與智能化技術(shù)在風(fēng)電領(lǐng)域的高度發(fā)展和深度融合。

二、風(fēng)電場不同的控制方式對發(fā)電的影響

根據(jù)電網(wǎng)預(yù)測規(guī)范，根據(jù)風(fēng)電場的歷史風(fēng)速、歷史功率、天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、地形地貌、風(fēng)電機(jī)組設(shè)備運(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，模型的輸入量是風(fēng)速、功率或數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，同時結(jié)合風(fēng)電場機(jī)組的運(yùn)行工況和設(shè)備狀態(tài)，預(yù)測風(fēng)電場未來的有功功率。理論功率計(jì)算方法可參見《風(fēng)電場理論發(fā)電量與棄風(fēng)電量評估導(dǎo)則》NB/T31055-2014。風(fēng)電場的動態(tài)性能會根據(jù)風(fēng)電場不同的控制方式而變化。在保證安全和穩(wěn)定的前提下，為提高風(fēng)電場運(yùn)行效率，根據(jù)當(dāng)前電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)和風(fēng)電場的運(yùn)行工況，應(yīng)實(shí)時調(diào)整風(fēng)電場的控制方式，主要有恒電壓控制方式和功率因數(shù)控制方式。恒電壓控制是系統(tǒng)無功不足時充分發(fā)揮風(fēng)電場的無功補(bǔ)償能力，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時參與電網(wǎng)的電壓控制，還可緊急切換控制方式來提高風(fēng)電場的故障穿越能力。風(fēng)電場實(shí)時監(jiān)測接入點(diǎn)電壓，監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一控制風(fēng)電場的無功功率，而有功功率控制是以捕捉最大風(fēng)能為目標(biāo)。當(dāng)系統(tǒng)無功充足時，風(fēng)電場的無功調(diào)節(jié)對電網(wǎng)的影響不大。從經(jīng)濟(jì)運(yùn)行考慮，為了減少運(yùn)行損耗提高風(fēng)電機(jī)組出力，風(fēng)電場宜采用功率因數(shù)控制方式。

三、海上風(fēng)電場智慧調(diào)度平臺開發(fā)及應(yīng)用

（一）海洋精細(xì)化氣象預(yù)報(bào)服務(wù)系統(tǒng)開發(fā)

海洋精細(xì)化氣象預(yù)報(bào)服務(wù)系統(tǒng)總體由三部分構(gòu)成：精細(xì)化氣象預(yù)報(bào)子系統(tǒng)、精細(xì)化海浪預(yù)報(bào)子系統(tǒng)、綜合管理及可視化子系統(tǒng)。開發(fā)目標(biāo)是指導(dǎo)未來時間段內(nèi)風(fēng)電場運(yùn)維、施工船舶出海、風(fēng)電機(jī)組工作安全等級評估等海上作業(yè)。通過深入研究海洋氣象預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)，采用先進(jìn)的氣象海洋數(shù)值預(yù)報(bào)模型，包括中國河口海岸風(fēng)暴潮及海洋動力三維數(shù)值預(yù)報(bào)模型，依據(jù)氣象海洋動力N-S方程、海浪表面二維線性波動方程，大幅提高預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的時空分辨率、可信度。結(jié)合天氣預(yù)報(bào)行業(yè)的服務(wù)數(shù)據(jù)，大幅提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率并提供高精度的格點(diǎn)化預(yù)報(bào)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了海上風(fēng)電區(qū)域精細(xì)化氣象預(yù)報(bào)。

（二）調(diào)度與風(fēng)電接納能力的關(guān)系

電網(wǎng)的風(fēng)電接納能力是指在保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，在全面考慮電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和風(fēng)電自身特點(diǎn)的前提下，電網(wǎng)能夠允許接受的最大風(fēng)電能力。影響風(fēng)電接納能力的因素主要來自電網(wǎng)的影響和風(fēng)電的影響兩個方面。對于電網(wǎng)的影響因素主要包括：電網(wǎng)架構(gòu)、電源結(jié)構(gòu)、負(fù)荷特性、電源調(diào)節(jié)能力、電網(wǎng)運(yùn)行水平以及風(fēng)電技術(shù)水平等；對于風(fēng)電的影響因素主要包括：風(fēng)電實(shí)際出力水平、風(fēng)電功率預(yù)測誤差、風(fēng)電實(shí)際發(fā)電量情況和風(fēng)電分布情況等。風(fēng)電調(diào)度管理與風(fēng)電接納能力密切相關(guān)，風(fēng)電是一種取之不盡用之不竭的能源，但是風(fēng)電不能儲存，因此，準(zhǔn)確地預(yù)測出電網(wǎng)能夠接收的最大風(fēng)電能力至關(guān)重要，這樣能夠減少棄風(fēng)，對電力系統(tǒng)工作人員合理安排電網(wǎng)中各發(fā)電機(jī)組的構(gòu)成，按照調(diào)度計(jì)劃合理調(diào)度電網(wǎng)中各發(fā)電機(jī)組的發(fā)電順序，進(jìn)一步提高風(fēng)電利用率。電力系統(tǒng)實(shí)際上是一個電能實(shí)時動態(tài)平衡系統(tǒng)，需要計(jì)劃發(fā)電量、有效輸電量和預(yù)測用電量三者達(dá)到動態(tài)平衡的重復(fù)過程。電力系統(tǒng)的負(fù)荷用電量是可以預(yù)測的，常規(guī)電源一般是根據(jù)負(fù)荷預(yù)測結(jié)果來調(diào)節(jié)其發(fā)電出力，其類型、容量和峰谷等差別都將影響到電力系統(tǒng)風(fēng)電接納能力，加強(qiáng)負(fù)荷側(cè)管理對實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)動態(tài)平衡至關(guān)重要。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量比較小時，電網(wǎng)在實(shí)際運(yùn)行時風(fēng)電出力可忽略不計(jì)，其電力系統(tǒng)發(fā)電量和負(fù)荷用電量是通過利用傳統(tǒng)電源的調(diào)節(jié)能力來完成電力系統(tǒng)的平衡；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量比較大時，可通過風(fēng)電技術(shù)手段增加可調(diào)節(jié)性負(fù)荷，使負(fù)荷用電量的變化能夠?qū)崟r適應(yīng)風(fēng)電出力的變化，進(jìn)而有效提高風(fēng)電接納能力，確保電力系統(tǒng)的動態(tài)平衡。

四、結(jié)語

雖然，目前建成的或在建的數(shù)字化智慧風(fēng)電場還處于較初級階段，但隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”、信息化與人工智能等技術(shù)的飛速發(fā)展，大型數(shù)字化智慧風(fēng)電場建設(shè)必將成為未來風(fēng)電場的發(fā)展趨勢。