某風(fēng)電基地高精度風(fēng)功率預(yù)測技術(shù)應(yīng)用研究

王成金

摘要：近年來風(fēng)電發(fā)展迅速，風(fēng)電具有波動(dòng)性和間歇性，大規(guī)模風(fēng)電接入系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行也帶來了挑戰(zhàn)，風(fēng)電高精度風(fēng)功率預(yù)測是解決大規(guī)模風(fēng)電接入問題的關(guān)鍵技術(shù)，本文采用中尺度數(shù)值模擬和微尺度CFD流體計(jì)算模型相結(jié)合的技術(shù)，以中尺度模式的結(jié)果驅(qū)動(dòng)小尺度模型、中尺度與小尺度相嵌套的氣象數(shù)據(jù)計(jì)算方法，對(duì)基地流場進(jìn)行精細(xì)化模擬，以達(dá)到對(duì)逐臺(tái)風(fēng)機(jī)處的風(fēng)速進(jìn)行模擬預(yù)報(bào)的能力，供大家研究和參考。

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

中圖分類號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

風(fēng)電具有間歇性、隨機(jī)性和波動(dòng)性。風(fēng)電場出力不穩(wěn)，給電網(wǎng)調(diào)度、調(diào)峰、安全等帶來一系列問題。準(zhǔn)確的風(fēng)電功率預(yù)測是解決以上問題的有效方法。風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)可以有效掌握和利用風(fēng)能資源，為電網(wǎng)調(diào)度充分安排風(fēng)電上網(wǎng)電量提供重要依據(jù);對(duì)風(fēng)電場輸出功率進(jìn)行預(yù)測是緩解電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻壓力，提高風(fēng)電接納能力的有效手段之一。同時(shí)，風(fēng)電功率預(yù)測還可以指導(dǎo)風(fēng)電場的檢修計(jì)劃，提高風(fēng)能利用率，提高風(fēng)電場的經(jīng)濟(jì)效益。發(fā)電功率預(yù)測系統(tǒng)對(duì)于電網(wǎng)能夠起到節(jié)約調(diào)峰成本、保障電網(wǎng)安全、更多消納風(fēng)電的作用;對(duì)于風(fēng)電場能夠起到減小棄風(fēng)、科學(xué)運(yùn)營風(fēng)電場、更多送出風(fēng)電的作用[1-2]。

1 影響風(fēng)功率預(yù)測準(zhǔn)確率的因素

1.1 數(shù)值天氣預(yù)報(bào)

影響風(fēng)電場風(fēng)電功率預(yù)測準(zhǔn)確率的因素有很多，其中數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的影響最大。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)預(yù)測的是風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓等氣象數(shù)據(jù)，是風(fēng)電場開展風(fēng)電功率預(yù)測的基礎(chǔ)和輸入，能否得到準(zhǔn)確的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)對(duì)風(fēng)電功率預(yù)測準(zhǔn)確率有很大影響。但是，由于風(fēng)的隨機(jī)性、不確定性，再加上我國很多風(fēng)電場都建在邊遠(yuǎn)地區(qū)，地形差異較大，短時(shí)間會(huì)有風(fēng)的快速變化，導(dǎo)致近地面的風(fēng)速數(shù)值預(yù)報(bào)難度很大。風(fēng)功率與風(fēng)速的三次方成正比，所以風(fēng)速數(shù)值預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性會(huì)直接影響風(fēng)功率預(yù)測的準(zhǔn)確率。

1.2 風(fēng)電功率預(yù)測方法

風(fēng)電功率預(yù)測方法也是影響預(yù)測的準(zhǔn)確率的關(guān)鍵因素。目前國內(nèi)風(fēng)功率預(yù)測方法主要有基于統(tǒng)計(jì)的方法和基于物理建模的方法。

統(tǒng)計(jì)方法是指不考慮風(fēng)速變化的物理過程，而根據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)找出天氣狀況與風(fēng)場出力的關(guān)系，然后根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)電場輸出功率進(jìn)行預(yù)測;物理方法是指根據(jù)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、氣溫等氣象要素預(yù)報(bào)值以及風(fēng)電場周圍等高線、粗糙度、障礙物等信息，采用微觀氣象學(xué)理論或計(jì)算流體力學(xué)的方法計(jì)算得到風(fēng)電機(jī)組輪轂高度的風(fēng)速、風(fēng)向等氣壓信息，然后根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的功率曲線計(jì)算得到每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的功率，再考慮風(fēng)電機(jī)組間的尾流影響，最后對(duì)所有風(fēng)電機(jī)組的預(yù)測功率求和得到風(fēng)電場的預(yù)測功率。因統(tǒng)計(jì)方法和物理方法都對(duì)數(shù)據(jù)都有很高要求，如果數(shù)據(jù)本身不是很完整，或者經(jīng)過人為影響，或者得到的數(shù)據(jù)是錯(cuò)誤的，都會(huì)影響到風(fēng)電功率預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確度。

2 風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

風(fēng)電基地東西長約100公里，南北寬約60公里，范圍大，地形地貌差異較明顯。對(duì)該風(fēng)電基地進(jìn)行風(fēng)功率預(yù)測，運(yùn)算量大，需要大量的計(jì)算資源，尤其是對(duì)于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式和CDF模式的運(yùn)算。針對(duì)這一問題，風(fēng)功率預(yù)報(bào)系統(tǒng)依托超算中心的計(jì)算資源，利用多種輸入數(shù)據(jù)源（全球模式、EC數(shù)據(jù)、資料同化），針對(duì)基地不同地塊設(shè)置精細(xì)化優(yōu)化的參數(shù)化方案，經(jīng)過多種后處理方式，提升中尺度風(fēng)速模擬、CFD模式模擬的精度，同時(shí)對(duì)預(yù)測系統(tǒng)、功率模型不斷進(jìn)行優(yōu)化，讓模擬更加“智慧”，最終提高風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)的預(yù)報(bào)精度，以達(dá)到電網(wǎng)的要求。

3 高精度風(fēng)功率預(yù)測方法

根據(jù)風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)預(yù)報(bào)的流程分析，可以從數(shù)值氣象模式、CFD微尺度模式和功率模型等方面分別采取相應(yīng)的技術(shù)措施來提高風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)的預(yù)測能力，以實(shí)現(xiàn)高精度的風(fēng)功率預(yù)測。

3.1? 數(shù)值氣象預(yù)報(bào)

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是指根據(jù)大氣實(shí)況，在一定的初值和邊值條件下，通過計(jì)算機(jī)求解表示天氣變化過程的流體力學(xué)和熱力學(xué)方程組，預(yù)測未來天氣狀況的定量和客觀的方法。

目前，國內(nèi)滿足電網(wǎng)調(diào)度要求的風(fēng)電場功率預(yù)測系統(tǒng)均是基于中尺度氣象預(yù)報(bào)模式輸出設(shè)計(jì)開發(fā)的。因此模式預(yù)測輸出精度很大程度上決定了風(fēng)電場短期功率預(yù)測的精度。但由于數(shù)值氣象預(yù)報(bào)模式輸入的初值和邊值條件存在偏差;模式輸出網(wǎng)格分辨率較低，散點(diǎn)預(yù)報(bào)值不能較好地代表全場氣象特征;局地天氣類型復(fù)雜多變，數(shù)值模式本地輸入資料欠缺;數(shù)值氣象模式對(duì)復(fù)雜劇烈天氣條件下風(fēng)速爬坡、擾動(dòng)等評(píng)估相對(duì)薄弱，因此基于數(shù)值氣象預(yù)報(bào)模式開發(fā)設(shè)計(jì)的風(fēng)電場功率預(yù)測系統(tǒng)具有較大不確定性。為提高數(shù)值氣象模式預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性，分別從初始背景場、參數(shù)化方案兩個(gè)主要方面進(jìn)行改進(jìn)。

3.1.1初始背景場

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是利用基于大氣動(dòng)力學(xué)方程及其相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算方法和物理參數(shù)化方案建立起來的數(shù)值模式，以給定的某時(shí)刻大氣狀態(tài)（即初值）為起點(diǎn)，來預(yù)報(bào)未來某個(gè)時(shí)刻的大氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。因此初始場能否正確地反應(yīng)真實(shí)大氣運(yùn)動(dòng)直接影響到模式的預(yù)報(bào)結(jié)果。圖3.1.1-1為數(shù)值天氣模式預(yù)報(bào)過程及相應(yīng)的初始背景場資料情況。

（1）測風(fēng)數(shù)據(jù)

根據(jù)《風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)測風(fēng)塔數(shù)據(jù)測量技術(shù)要求》（NB/T 31079），風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)需進(jìn)行現(xiàn)場氣象數(shù)據(jù)觀測，目前國內(nèi)滿足電網(wǎng)調(diào)度要求的風(fēng)電場功率預(yù)測系統(tǒng)均是基于中尺度氣象預(yù)報(bào)模式輸出設(shè)計(jì)開發(fā)的。而中尺度數(shù)值氣象模式輸入的初值和邊值條件是否準(zhǔn)確直接影響模式預(yù)測輸出結(jié)果的準(zhǔn)確性。但由于該風(fēng)電基地地區(qū)地廣人稀，氣象觀測站稀少且分布不均勻，僅依靠氣象站及中尺度再分析數(shù)據(jù)，很難提高數(shù)值氣象模式的初始場的準(zhǔn)確性。為此，為獲取該風(fēng)電基地準(zhǔn)確的氣象觀測數(shù)據(jù)，需在場址區(qū)域增加風(fēng)功率預(yù)測測風(fēng)塔?，F(xiàn)今，該風(fēng)電基地場址區(qū)域及附近已建有55座測風(fēng)塔，基地南部測風(fēng)塔數(shù)量較多，而北部基本沒有測風(fēng)塔，場址現(xiàn)有測風(fēng)塔不能滿足基地風(fēng)功率預(yù)測的需求。[3-4]

根據(jù)已有測風(fēng)塔、擬建測風(fēng)塔分布及基地區(qū)域劃分情況，選取其中28座測風(fēng)塔作為風(fēng)功率預(yù)測測風(fēng)塔，進(jìn)行實(shí)時(shí)測風(fēng)。

（2）激光雷達(dá)

由于風(fēng)電基地場區(qū)面積大、測風(fēng)塔分布不均勻，地形、地貌有較大差異，對(duì)于地形相對(duì)復(fù)雜的區(qū)域，僅靠測風(fēng)塔難以滿足風(fēng)功率預(yù)測實(shí)測數(shù)據(jù)的要求。而激光雷達(dá)正可以彌補(bǔ)測風(fēng)塔短缺造成的數(shù)據(jù)不足的問題。

激光雷達(dá)測風(fēng)作為新型的移動(dòng)測風(fēng)技術(shù)，利用激光的多普勒頻移原理，通過測量光波反射在空氣中遇到風(fēng)運(yùn)動(dòng)的氣溶膠粒子所產(chǎn)生的頻率變化得到風(fēng)速、風(fēng)向信息，從而計(jì)算出相應(yīng)高度的矢量風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)。和傳統(tǒng)的測風(fēng)塔獲取風(fēng)速數(shù)據(jù)方式相比，激光雷達(dá)具有以下特點(diǎn)：數(shù)據(jù)更豐富;可同時(shí)測得不同高度的水平、垂直風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)，入流角等;激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取方便靈活，可滿足各種地形項(xiàng)目數(shù)據(jù)測試;測量性能強(qiáng)大，滿足40m～300m，12個(gè)高度層風(fēng)參數(shù)據(jù)測量;測試精度高，數(shù)據(jù)完整率更高;測量數(shù)據(jù)更安全可靠。

（3）再分析數(shù)據(jù)

前期大氣環(huán)流再分析數(shù)據(jù)作為數(shù)值氣象預(yù)報(bào)模式的輸入初值，由于得到該數(shù)據(jù)的模式、觀測數(shù)據(jù)、處理方法的差異，導(dǎo)致各國得到的再分析數(shù)據(jù)存在差異。而為了提高數(shù)值氣象模式輸入初值的準(zhǔn)確性，分別與國家氣象局、中科院大氣物理研究所、香港科技大學(xué)、丹麥、西班牙等多個(gè)專業(yè)氣象機(jī)構(gòu)建立的戰(zhàn)略合作，為項(xiàng)目集中預(yù)報(bào)平臺(tái)提供科研實(shí)驗(yàn)及業(yè)務(wù)化氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)支持。同時(shí)根據(jù)風(fēng)電基地區(qū)域特點(diǎn)，分析、選取適合該基地的多套氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)源（主要的氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)源見表3.1.1-1），并與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行智能對(duì)比，按優(yōu)切換。

同時(shí)采用同化技術(shù)，將基地測風(fēng)塔、激光雷達(dá)觀測的氣象數(shù)據(jù)同化入中尺度再分析數(shù)據(jù)中，進(jìn)一步提高模式輸入初值的準(zhǔn)確性，以提高數(shù)值氣象模式的預(yù)報(bào)能力。

3.1.2? 局地定制參數(shù)化

在邊界層研究中，由于在技術(shù)上對(duì)湍流運(yùn)動(dòng)的觀測十分困難，相應(yīng)的理論還不很成熟，且大量的研究是基于半理論半經(jīng)驗(yàn)之上，再者目前的大尺度、中小尺度模式的水平格距均比邊界層湍流輸送的特征尺度大得多，但在模式模擬預(yù)報(bào)中必須得考慮這種次網(wǎng)格尺度的效應(yīng)。針對(duì)邊界層的物理過程和能量交換過程，模式中對(duì)多采用參數(shù)化進(jìn)行處理。

由于風(fēng)電基地面積寬廣，地形地貌、邊界層條件差異較大，而模式中具有多種參數(shù)化方案，因此選擇適合風(fēng)電基地的參數(shù)化方案成為該區(qū)域風(fēng)場模擬預(yù)報(bào)準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵。針對(duì)這一問題，根據(jù)風(fēng)電基地不同區(qū)域地形特點(diǎn)，設(shè)置精細(xì)化優(yōu)化的參數(shù)方案，利用超算，經(jīng)過多種后處理方式，提升中尺度風(fēng)速模擬預(yù)報(bào)能力。

3.2? CFD微尺度模式

（1）高精度地形數(shù)據(jù)

地形數(shù)據(jù)、下墊面的變化會(huì)使得風(fēng)速發(fā)生變化，因此在氣象數(shù)值模擬過程中，如果地形數(shù)據(jù)精度較差，直接導(dǎo)致模式模擬的近地面氣象要素存在較大偏差。

針對(duì)地形數(shù)據(jù)精度較差的問題，利用便攜式無人機(jī)等技術(shù)獲得高精度的場區(qū)地形信息，以此高精度地形數(shù)據(jù)作為輸入從而以此提高模式的預(yù)報(bào)能力。

（2）CFD微尺度模式

中尺度氣象模式預(yù)報(bào)的結(jié)果空間尺度較大，即使采用多重嵌套的方式，其空間尺度也只能達(dá)到1-3km。因此很難滿足風(fēng)場精細(xì)化數(shù)值模擬預(yù)報(bào)的要求。針對(duì)這一問題，以往應(yīng)用于空氣動(dòng)力學(xué)精細(xì)流場計(jì)算的CFD模式越來越多的用于風(fēng)場的預(yù)測模擬中。由于具有成熟的網(wǎng)格生成模塊，能夠自適應(yīng)地生成各種復(fù)雜地形上的貼體網(wǎng)格，以及強(qiáng)大的后處理模塊顯示局部的復(fù)雜流動(dòng)，CFD模式更適應(yīng)于復(fù)雜地形條件下邊界層精細(xì)流場的模擬。

因此，風(fēng)電基地風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)中，采用中尺度數(shù)值模擬和微尺度CFD流體計(jì)算模型相結(jié)合的技術(shù)，以中尺度模式的結(jié)果驅(qū)動(dòng)小尺度模型、中尺度與小尺度相嵌套的氣象數(shù)據(jù)計(jì)算方法，對(duì)基地流場進(jìn)行精細(xì)化模擬，以達(dá)到對(duì)逐臺(tái)風(fēng)機(jī)處的風(fēng)速進(jìn)行模擬預(yù)報(bào)的能力。

3.2? 功率預(yù)測模型

風(fēng)功率預(yù)測水平不僅受到數(shù)值氣象預(yù)報(bào)的影響，同時(shí)還受到功率模型的影響。由于風(fēng)電基地采用機(jī)組類型多，對(duì)功率模型的自適應(yīng)能力要求高;發(fā)電規(guī)律和氣象特征的局地差異大，要求模型要具有多樣化特征;同時(shí)實(shí)測數(shù)據(jù)質(zhì)量、風(fēng)機(jī)故障、特殊氣象條件等的影響導(dǎo)致實(shí)測功率的變化影響模型的適應(yīng)能力。眾多因素的存在直接影響到功率模型模擬的準(zhǔn)確性。

針對(duì)功率模型模擬中面對(duì)的各類難題，主要采取以下方法，以提高功率曲線的模擬能力：（1）高精度天氣預(yù)報(bào)結(jié)果與現(xiàn)場SCADA數(shù)據(jù)相結(jié)合;（2）機(jī)組歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)擬合風(fēng)電場理論功率曲線;（3）基于機(jī)器學(xué)習(xí)的多預(yù)報(bào)方案融合預(yù)測算法;（4）穩(wěn)定的自動(dòng)建模和預(yù)測平臺(tái)。通過以上方法，搭建智能功率預(yù)測模型，融和多機(jī)型、多地貌/多氣候特征，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)建立電場輸出功率的預(yù)測模型，以風(fēng)速、功率、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)作為模型的輸入，結(jié)合電場機(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，實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)、自優(yōu)化，以達(dá)到精確的功率預(yù)報(bào)能力。

4 結(jié)束語

隨著環(huán)境的污染和傳統(tǒng)資源的枯竭，可再生能源受到越來越多的關(guān)注。作為一種無污染的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電在全球范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展。然而與常規(guī)能源相比，風(fēng)力發(fā)電具有間歇性、波動(dòng)性和隨機(jī)性等特性，該特性對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定、電能質(zhì)量均有影響。[3-4]

為了提高功率預(yù)測系統(tǒng)的預(yù)測準(zhǔn)確率，分別從數(shù)值氣象預(yù)報(bào)模式、CFD微尺度模式、功率預(yù)測模型等方面采取相應(yīng)的技術(shù)方法對(duì)模式進(jìn)行改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電基地的高精度風(fēng)功率預(yù)測，即預(yù)測準(zhǔn)確率除達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的的要求，還能精準(zhǔn)預(yù)測每臺(tái)風(fēng)機(jī)的出力，未來72小時(shí)準(zhǔn)確率達(dá)到88%，4小時(shí)達(dá)到92%。

該高精度風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)的建立，可為風(fēng)電場現(xiàn)場制定更合理、更有效的生產(chǎn)運(yùn)行計(jì)劃提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，并合理安排場內(nèi)風(fēng)機(jī)的檢修和定期維護(hù)計(jì)劃，降低新能源場站的棄風(fēng)、棄光電量損失，提高整體發(fā)電能力。同時(shí)，電力生產(chǎn)調(diào)度機(jī)構(gòu)根據(jù)風(fēng)功率預(yù)測模型預(yù)測的風(fēng)電輸出功率，提前掌握風(fēng)電場的出力變化，及時(shí)調(diào)整運(yùn)行策略，提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

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