風(fēng)機(jī)發(fā)電風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

鄭華興

摘 ?要：本文首先闡述了基于風(fēng)電場等效平均風(fēng)速的風(fēng)電功率日前預(yù)測的必要性，接著分析了風(fēng)電場等效平均風(fēng)速的風(fēng)電功率日前預(yù)測，最后對基于風(fēng)電場等效平均風(fēng)速的風(fēng)電功率日前預(yù)測實(shí)踐進(jìn)行了探討。希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)人員提供有益的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)發(fā)電;風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng);研究;應(yīng)用

引言：

隨著能源危機(jī)日趨嚴(yán)峻，保障能源供應(yīng)已是重要問題。風(fēng)能是一清潔能源，有低成本、可再生優(yōu)點(diǎn)。但風(fēng)電本身的不確定性會(huì)影響其并網(wǎng)后電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。特別是當(dāng)風(fēng)電穿透率較高時(shí)，更要電網(wǎng)有大量調(diào)峰備用容量。我國風(fēng)電場多集中式和大容量的風(fēng)電場，風(fēng)電不穩(wěn)定性對于電網(wǎng)影響明顯，因此目前存在許多棄風(fēng)行為。若能準(zhǔn)確預(yù)測風(fēng)電功率，便可解決問題。

1研究基于風(fēng)電場等效平均風(fēng)速的風(fēng)電功率日前預(yù)測的必要性

目前在預(yù)測風(fēng)電場風(fēng)電功率時(shí)主要采用的是時(shí)間序列法，隨著我國神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能技術(shù)的發(fā)展，在時(shí)間序列法基礎(chǔ)上發(fā)展出了智能化的風(fēng)速預(yù)測方法，并以此為依據(jù)進(jìn)行風(fēng)電功率的計(jì)算分析，從而提高了風(fēng)電場風(fēng)電功率預(yù)測的準(zhǔn)確性。為了進(jìn)一步提高預(yù)測風(fēng)電功率的準(zhǔn)確性，很多研究人員在風(fēng)速預(yù)測精度方面進(jìn)行了廣泛的研究，改進(jìn)了預(yù)測方法。例如以CFD流場計(jì)算為基礎(chǔ)的預(yù)測方法主要是通過構(gòu)建不同來流狀態(tài)下所有風(fēng)機(jī)實(shí)際風(fēng)速數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫的方式實(shí)現(xiàn)對中尺度條件下的風(fēng)機(jī)風(fēng)速準(zhǔn)確預(yù)測。同時(shí)，也有研究人員以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)通過改進(jìn)模態(tài)分析法構(gòu)建風(fēng)速預(yù)測模型，以達(dá)到提高風(fēng)速預(yù)測準(zhǔn)確性的目的。而以卡爾曼濾波理論為基礎(chǔ)的混合預(yù)測模型研究進(jìn)一步修正了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)預(yù)測的準(zhǔn)確性。雖然預(yù)測方法都在不同程度上提高了風(fēng)速預(yù)測的精度，然而由于風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)向以及風(fēng)速存在較強(qiáng)的不確定性，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)機(jī)組間的氣流會(huì)產(chǎn)生十分復(fù)雜的相互干擾，因此僅提高風(fēng)速預(yù)測精度仍無法滿足準(zhǔn)確預(yù)測風(fēng)電場風(fēng)電功率的實(shí)際需要?，F(xiàn)有的時(shí)序預(yù)測法以及以天氣預(yù)報(bào)數(shù)值為急促的風(fēng)速預(yù)測均是對風(fēng)電場內(nèi)空間平均風(fēng)速的整體特征進(jìn)行的預(yù)測分析，但是在塔影效益以及風(fēng)剪切因素的影響下，風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)輪掃掠面不同位置的風(fēng)速均存在較大的差異，所以以輪轂離地高度位置風(fēng)速為基礎(chǔ)的計(jì)算預(yù)測方法難以準(zhǔn)確反映風(fēng)電場的實(shí)際風(fēng)速值。此外，由于風(fēng)電場內(nèi)往往有多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組存在，彼此之間會(huì)產(chǎn)生相互的干擾作用，因此即使在同一時(shí)刻不同風(fēng)機(jī)風(fēng)輪上實(shí)際施加的風(fēng)速值也并不完全一致，風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)速的這種空間分散性特征導(dǎo)致以傳統(tǒng)的空間平均風(fēng)速為依據(jù)的預(yù)測方法難以對場內(nèi)風(fēng)速的整體特征進(jìn)行準(zhǔn)確的描述。為了實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)電效率的準(zhǔn)確預(yù)測，在日前預(yù)測工作中應(yīng)充分考慮風(fēng)速的空間分散性特點(diǎn)，并結(jié)合塔影效應(yīng)以及風(fēng)剪切等因素進(jìn)行模型的構(gòu)建，并積極總結(jié)不同風(fēng)電場風(fēng)電功率預(yù)測經(jīng)驗(yàn)，對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，科學(xué)驗(yàn)證驗(yàn)證不同的預(yù)測方法，這樣才能使風(fēng)電場風(fēng)電功率日前預(yù)測方法具有較強(qiáng)準(zhǔn)確性和通用性。

2基于風(fēng)電場等效平均風(fēng)速的風(fēng)電功率日前預(yù)測研究

2.1日前預(yù)測方法分析

在應(yīng)用風(fēng)電場等效平均風(fēng)速對風(fēng)電功率進(jìn)行日前預(yù)測分析時(shí)，需要根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行情況建立風(fēng)速模型并計(jì)算預(yù)測空間平均風(fēng)速，并在構(gòu)建風(fēng)電場等效風(fēng)速函數(shù)后才能對風(fēng)電功率進(jìn)行計(jì)算。在實(shí)際預(yù)測分析時(shí)，應(yīng)首先根據(jù)風(fēng)速實(shí)測數(shù)據(jù)以及風(fēng)機(jī)塔影效應(yīng)和風(fēng)剪切因素等完成風(fēng)速模型的構(gòu)建，并對風(fēng)速序列進(jìn)行計(jì)算分析。然后再根據(jù)風(fēng)速序列計(jì)算空間平均風(fēng)速值，同時(shí)以ARMA模型為基礎(chǔ)，采用時(shí)間序列方法對空間平均風(fēng)速進(jìn)行預(yù)測計(jì)算。之后應(yīng)在風(fēng)電場等效平均風(fēng)速函數(shù)中引入空間平均風(fēng)速預(yù)測值，并進(jìn)行等效風(fēng)速序列的計(jì)算。最后應(yīng)根據(jù)風(fēng)電場風(fēng)機(jī)功率與標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速關(guān)系曲線，結(jié)合等效平均風(fēng)速值以及風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行數(shù)量值等求取風(fēng)電場全場風(fēng)電功率值，從而獲得風(fēng)電場風(fēng)電功率日前預(yù)測值。

2.2風(fēng)電功率日前預(yù)測的主要影響因素

2.2.1塔影以及風(fēng)剪切因素對風(fēng)電功率日前預(yù)測結(jié)果的影響

根據(jù)以風(fēng)電場等效平均風(fēng)速為基礎(chǔ)的風(fēng)電功率日前預(yù)測方法可知，風(fēng)電機(jī)組的塔影效應(yīng)以及風(fēng)剪切因素均會(huì)對預(yù)測結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。所謂塔影效應(yīng)主要指的是氣流手塔架堵塞作用的影響而在塔架上下游出現(xiàn)來流速度降低的現(xiàn)象。而風(fēng)剪切則指的是風(fēng)速在垂直方向上會(huì)隨著高度的不斷增高而相應(yīng)的加大。特別是隨著我國風(fēng)電機(jī)組不斷向大型化方向發(fā)展，塔架高度相應(yīng)增加，同時(shí)葉片半徑的長度也隨之加長，塔影效應(yīng)以及風(fēng)剪切因素對風(fēng)電功率的影響程度進(jìn)一步增強(qiáng)。當(dāng)槳葉半徑增加時(shí)，其風(fēng)輪的掃掠范圍也相應(yīng)地加大，此時(shí)在風(fēng)剪切等因素的共同作用下，掃掠面積可能會(huì)超過陣風(fēng)以及湍流等相關(guān)風(fēng)況條件下的空間面積。在塔影效應(yīng)的影響下，風(fēng)輪掃掠面的不同部位的風(fēng)速存在明顯的差異，因此如果采用輪轂離地高度風(fēng)速來對風(fēng)電場空間平均風(fēng)速進(jìn)行計(jì)算就會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。因此在計(jì)算時(shí)應(yīng)綜合分析塔影效應(yīng)以及風(fēng)剪切等相關(guān)因素，準(zhǔn)確構(gòu)建風(fēng)速模型，這樣才能使風(fēng)電功率日前預(yù)測更加客觀準(zhǔn)確。

2.2.2風(fēng)速對風(fēng)電功率日前預(yù)測結(jié)果的影響

由于風(fēng)電場場地面積通常比較大，而風(fēng)能會(huì)收到場內(nèi)不同地形條件、尾流效應(yīng)以及具體布局等多種等因素的干擾，因此即使在同一統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)的不同空間位置的風(fēng)速也并不一致。通過大量的檢測分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電場內(nèi)各風(fēng)電機(jī)組在不同時(shí)刻的風(fēng)速最大值均與其最小值存在明顯的不同，說明風(fēng)速具有空間分散性特點(diǎn)，并且可以通過風(fēng)速空間偏差對不同機(jī)組風(fēng)速分散性進(jìn)行描述。風(fēng)電場內(nèi)一般存在風(fēng)電機(jī)組臺(tái)數(shù)較多，甚至能夠達(dá)到幾百臺(tái)以上，且占地面積能夠達(dá)到數(shù)十孔里，因此風(fēng)電場內(nèi)廣泛存在風(fēng)速空間分散現(xiàn)象，所以以空間平均風(fēng)速為依據(jù)預(yù)測風(fēng)電功率就會(huì)有誤差存在，而根據(jù)風(fēng)電場等效平均風(fēng)速對風(fēng)電功率進(jìn)行日前預(yù)測分析則有利于預(yù)測精度的提高。

3基于風(fēng)電場等效平均風(fēng)速的風(fēng)電功率日前預(yù)測實(shí)踐分析

3.1建模參數(shù)的合理確定

某風(fēng)電場裝機(jī)總?cè)萘吭?0MW左右，配置有風(fēng)電機(jī)組33臺(tái)，在對其風(fēng)電功率進(jìn)行日前預(yù)測時(shí)采用了等效平均風(fēng)速方法，并結(jié)合其風(fēng)電機(jī)組指標(biāo)性能確定了仿真參數(shù)，以提高風(fēng)速模型構(gòu)建的準(zhǔn)確性。

3.2構(gòu)建風(fēng)電場風(fēng)速模型

在建立該風(fēng)電場風(fēng)速模型時(shí)，在模型中分別代入了塔影效應(yīng)因素以及風(fēng)剪切因素，并獲得了相應(yīng)的風(fēng)速序列。同時(shí)為了準(zhǔn)確掌握基于等效平均風(fēng)速的風(fēng)電場風(fēng)電功率日前預(yù)測的準(zhǔn)確性，還與原始實(shí)測風(fēng)速方法進(jìn)行了對比分析。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)電功率的計(jì)算中，以風(fēng)速模型為基礎(chǔ)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際功率值更加接近，由于其充分考慮了塔影效應(yīng)以及風(fēng)剪切對計(jì)算結(jié)果的影響，因此預(yù)測精度更高。

3.3以等效平均風(fēng)速為基礎(chǔ)預(yù)測風(fēng)電功率

此外，為了進(jìn)一步驗(yàn)證以風(fēng)電場等效平均風(fēng)速為基礎(chǔ)的預(yù)測方法的適應(yīng)性以及預(yù)測精度，還對不同風(fēng)電場的風(fēng)電功率分別進(jìn)行了計(jì)算分析，且同樣與傳統(tǒng)計(jì)算方法的預(yù)測值進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)在不同風(fēng)電場采用以等效平均風(fēng)速方法的預(yù)測精度均明顯高于傳統(tǒng)計(jì)算方法，說明該方法能夠廣泛試驗(yàn)不同風(fēng)場條件下的風(fēng)電功率日前預(yù)測要求，且均能夠達(dá)到較高的預(yù)測精度。

結(jié)束語：

風(fēng)力發(fā)電是目前世界上增長最快的可再生能源發(fā)電方式。我國是能源需求大國，隨著各大型風(fēng)電場建立風(fēng)電裝機(jī)容量也逐年上升。較傳統(tǒng)能源發(fā)電方式風(fēng)力發(fā)電會(huì)因?yàn)轱L(fēng)的不穩(wěn)定性對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生威脅，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)也給電網(wǎng)帶來沖擊。為減少大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)運(yùn)行帶來的危害，風(fēng)電場功率預(yù)測技術(shù)的研究及風(fēng)電預(yù)測系統(tǒng)的開發(fā)就顯得尤為重要。

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