澳大利亞環(huán)境友好型風(fēng)電場運行優(yōu)化策略分析

劉 暢，劉建東，羅明清，邢智全，楊鈴濤

(1.中國電建集團海外投資有限公司，北京 100048；2.澳大利亞牧牛山風(fēng)電項目公司，澳大利亞 塔斯馬尼亞 7030；3.水電水利規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120)

0 引 言

隨著全球能源清潔化、低碳化趨勢日益明顯，世界碳中和行動持續(xù)推進，碳減排要求不斷加強，大力發(fā)展新能源勢在必行。以風(fēng)力發(fā)電為代表的新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)將迎來高速發(fā)展，但是關(guān)于風(fēng)電場運行對野生動物尤其是瀕危鳥類造成威脅的環(huán)保問題、對電力系統(tǒng)穩(wěn)定產(chǎn)生沖擊導(dǎo)致輔助服務(wù)費較高的經(jīng)濟問題也隨之而起，因此研究環(huán)境友好型風(fēng)電場優(yōu)化策略的意義重大[1-2]。

針對風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟調(diào)度，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了大量研究，F(xiàn)ernandez等[3]在目標函數(shù)中加入風(fēng)電場計劃出力超過或低于實際可利用風(fēng)能時所帶來的懲罰成本；孫元章等[4]引入隨機規(guī)劃理論，以概率的形式描述相關(guān)約束條件，建立了考慮機組組合的含風(fēng)電場經(jīng)濟調(diào)度的不確定性模型；陳海焱等[5]應(yīng)用模糊集理論建立了含風(fēng)電場經(jīng)濟調(diào)度的模糊模型；劉申等[6]根據(jù)風(fēng)電隨機波動的特點可以將含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)進行合理調(diào)整，從而有效解決系統(tǒng)內(nèi)部的經(jīng)濟調(diào)度問題；叢雨等[7]提出了一種基于改進遺傳算法的風(fēng)電場多時段有功功率優(yōu)化分配模型，有效解決了電力系統(tǒng)小時級調(diào)度模式下的功率分配難題，切實彌補了實時調(diào)度模型無法考慮風(fēng)能和調(diào)度指令變化趨勢的不足。隨著全球環(huán)境污染問題日益嚴峻，兼顧經(jīng)濟效益和環(huán)境保護的電力調(diào)度策略——環(huán)境經(jīng)濟調(diào)度日益受到廣泛關(guān)注，但目前針對該問題的研究較少。

本文介紹了澳大利亞牧牛山風(fēng)電場項目的經(jīng)驗，基于風(fēng)功率預(yù)測研究、鷹類活動特點分析、鷹類追蹤預(yù)警系統(tǒng)研究和電力調(diào)度機制研究，通過風(fēng)功率預(yù)測與鷹類追蹤預(yù)警系統(tǒng)聯(lián)合運行優(yōu)化，主動控制風(fēng)機啟停，合理優(yōu)化機組出力，實現(xiàn)生態(tài)效益和經(jīng)濟效益平衡的示范，為我國類似風(fēng)電項目綠色開發(fā)、精益運營提供一套成熟可行的參考解決方案。

1 澳大利亞環(huán)保政策

澳大利亞氣候形態(tài)多樣，地形多變，因而生物多樣性豐富，物種特有性極高。澳大利亞特殊的地理、氣候和自然條件造就了澳大利亞獨特的自然生態(tài)環(huán)境，澳大利亞也是世界上最早出臺環(huán)境保護法律的國家之一，目前無論是聯(lián)邦層面還是地方各州，均已建立了十分完善的生態(tài)環(huán)境保護和建設(shè)的法律法規(guī)體系，各級政府對生態(tài)環(huán)境的環(huán)保要求十分嚴格，其中塔斯馬尼亞州尤為突出。塔斯馬尼亞州是澳洲唯一的島州，是澳洲自然生態(tài)保護得最完善的地方。塔斯馬尼亞州90%的電力來自水力發(fā)電和風(fēng)電，澳大利亞一半左右的清潔能源發(fā)電量由塔斯馬尼亞州提供。

塔斯馬尼亞州生物多樣性保護政策立法包括瀕危塔斯馬尼亞鷹的恢復(fù)計劃，包括楔尾鷹和白腹海鷹兩個物種，這2個物種都有特定的筑巢要求，尤其是楔尾鷹，需要完整的成熟森林，且要遠離盛行的強風(fēng)。總體恢復(fù)目標是通過保護筑巢棲息地不受破壞、改造和干擾，以及最大限度地減少覓食棲息地的改變和與人類干擾相關(guān)的死亡率的發(fā)生，提高2種鷹類的繁殖成功率，增加其種群規(guī)模和穩(wěn)定性。

2 牧牛山項目基本情況

牧牛山風(fēng)電場項目位于塔斯馬尼亞州中央高地，項目總裝機148.4 MW，年均利用小時數(shù)接近3 000 h，于2020年8月3日實現(xiàn)全容量并網(wǎng)[8]。然而風(fēng)電場周邊區(qū)域是瀕危動物塔斯馬尼亞楔尾鷹和白腹海鷹的棲息地，澳大利亞政府對因風(fēng)電場運行導(dǎo)致的楔尾鷹受傷或致死數(shù)量頒布了嚴格的環(huán)保法規(guī)要求，因風(fēng)機運行誤傷致死的楔尾鷹每只罰款2.5萬澳元[9]。因此，牧牛山風(fēng)電場項目不僅在風(fēng)電場開發(fā)建設(shè)過程中系統(tǒng)落實了澳政府和塔州要求的各項環(huán)境保護政策，而且在運營過程中通過鷹類追蹤預(yù)警系統(tǒng)切實加強了對瀕危野生飛禽的保護，同時降低對風(fēng)電場的不利影響，保證風(fēng)機高效利用。下面首先對牧牛山風(fēng)電場風(fēng)資源特性和環(huán)境保護應(yīng)對措施進行介紹。

2.1 風(fēng)資源特性分析

2.1.1 測風(fēng)塔代表性分析

牧牛山風(fēng)電場區(qū)域共設(shè)立了3座測風(fēng)塔CH01、CH02、CH03，其中CH01和CH02均位于現(xiàn)運行風(fēng)機區(qū)域，具有非常好的代表性；CH03測風(fēng)塔距離現(xiàn)有風(fēng)機2～3 km，對風(fēng)電場西北部風(fēng)機具有一定代表性。牧牛山風(fēng)電場測風(fēng)塔、鷹類追蹤預(yù)警系統(tǒng)(IDF)和風(fēng)機(WTG)分布情況如圖1所示。

圖1 牧牛山風(fēng)電場測風(fēng)塔、鷹類追蹤預(yù)警系統(tǒng)(IDF)和風(fēng)機(WTG)分布情況

2.1.2 有效數(shù)據(jù)

3座測風(fēng)塔CH01、CH02、CH03數(shù)據(jù)選取的時間段均為2014年2月1日～2017年9月24日，除個別通道外，其余各通道有效率均在99%以上，有效率較好。下文對該區(qū)域風(fēng)資源特性統(tǒng)一以100 m高度進行描述。

2.1.3 風(fēng)速

本文選取完整年時間段為2014年2月1日～2017年1月31日。

(1)月度變化。CH01/CH02/CH03測風(fēng)塔100 m高年平均風(fēng)速7.2～8.3 m/s，平均風(fēng)功率密度460～711 W/m2，參照NB/T 31147—2018《風(fēng)電場工程風(fēng)能資源測量與評估技術(shù)規(guī)范》 中的風(fēng)功率密度分級表，可以判定整個風(fēng)電場風(fēng)功率密度等級應(yīng)為3級以上，風(fēng)能資源較好。其中5月～7月和10月～11月為大風(fēng)月，2月～4月和12月為小風(fēng)月。3座測風(fēng)塔風(fēng)速通道月度變化情況如圖2所示。

圖2 3座測風(fēng)塔風(fēng)速通道月度變化情況

(2)日內(nèi)變化。CH01/CH02/CH03測風(fēng)塔典型日風(fēng)速、風(fēng)功率密度變化較平穩(wěn)，白天風(fēng)速、風(fēng)功率密度較大，夜晚風(fēng)速、風(fēng)功率密度較小。3座測風(fēng)塔風(fēng)功率典型日內(nèi)變化情況如圖3所示。

圖3 3座測風(fēng)塔風(fēng)功率典型日內(nèi)變化情況

(3)代表年風(fēng)速。經(jīng)過計算，測風(fēng)塔實測數(shù)據(jù)與長期訂正數(shù)據(jù)差距較小，即實測數(shù)據(jù)即為平風(fēng)年數(shù)據(jù)，可作為代表年數(shù)據(jù)進行建模計算。實測風(fēng)速是基于20140201—20170131實測數(shù)據(jù)，根據(jù)風(fēng)切變推導(dǎo)出來100 m高度風(fēng)速數(shù)據(jù)。100 m高度實測風(fēng)速和長期訂正風(fēng)速對比見表1。

表1 100 m高度實測風(fēng)速和長期訂正風(fēng)速對比 m/s

2.1.4 風(fēng)向特征

根據(jù)3座測風(fēng)塔數(shù)據(jù)分析，該區(qū)域全年主導(dǎo)風(fēng)向為西(W)，次主導(dǎo)風(fēng)向西西北(WNW)、北西北(NNW)，主導(dǎo)風(fēng)能方向為W，次主導(dǎo)風(fēng)能方向為WNW、NNW。該區(qū)域全年主導(dǎo)風(fēng)能方向和主導(dǎo)風(fēng)向一致。

2.1.5 其他

測風(fēng)塔CH02和CH03綜合風(fēng)切變?yōu)?.134～0.167，CH01綜合風(fēng)切變0.358，風(fēng)切變較大；另外，該區(qū)域100 m高度15 m/s風(fēng)速段平均湍流強度0.111 9～0.139，推薦風(fēng)機等級IECB類及以上。

2.2 項目存在的問題

牧牛山風(fēng)電場項目主要面臨項目現(xiàn)場風(fēng)資源不確定性、瀕危保護鷹類撞機風(fēng)險不可控及誤傷鷹類罰款高昂、對電力系統(tǒng)穩(wěn)定產(chǎn)生沖擊導(dǎo)致輔助服務(wù)費較高等問題，通過對風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)效果、鷹類活動特點和鷹類追蹤預(yù)警系統(tǒng)效果進行評估分析，考慮環(huán)境效益和風(fēng)電不確定性的經(jīng)濟調(diào)度運行方式，開展環(huán)境友好型風(fēng)電場運行優(yōu)化策略研究，實現(xiàn)既定風(fēng)資源和環(huán)保要求條件下發(fā)電效益最大化目標。

2.3 環(huán)境保護應(yīng)對措施

牧牛山風(fēng)電場項目將綠色設(shè)計、綠色施工、環(huán)境友好貫穿于項目建設(shè)和運營全過程，針對澳政府和塔州要求的各項環(huán)境保護政策，積極制訂和落實了一系列應(yīng)對措施。

(1)環(huán)保管理計劃。按照項目規(guī)劃許可和環(huán)保許可相關(guān)要求，在項目施工前制定了極為詳盡的環(huán)保管理計劃，并獲得了澳大利亞環(huán)境部和塔斯馬尼亞州環(huán)保局的批復(fù)。在項目建設(shè)全過程中定期召開環(huán)保專題會，對環(huán)保批復(fù)和環(huán)保方案的執(zhí)行情況進行跟蹤，報告項目現(xiàn)場發(fā)生的環(huán)境事件，第一時間整改落實。

(2)一般動植物保護。項目開工伊始，現(xiàn)場便安裝了15臺環(huán)境監(jiān)測儀，記錄動植物生長和活動情況，為施工期環(huán)境保護提供基礎(chǔ)信息和數(shù)據(jù)；按照環(huán)境保護方案對現(xiàn)場動物及植物采取了必要的保護措施，對于無法避開的動物巢穴采取保護性搬離，防止造成施工傷害；對施工范圍內(nèi)珍稀植物予以標記，減少或避免對原生植物的清理破壞。

(3)與動物救助組織建立合作。項目開工建設(shè)期間，項目公司與塔斯馬尼亞州一家動物救助站建立了良好的合作，注意保護施工過程中可能傷害到的野生動物，讓救助站的救助人員經(jīng)常到現(xiàn)場記錄和調(diào)查施工區(qū)域的動物生長和活動情況，為施工期環(huán)境保護提供基礎(chǔ)信息和數(shù)據(jù)；按照環(huán)境保護方案對現(xiàn)場動物采取了必要的保護措施，一旦發(fā)現(xiàn)有受傷的動物，立即開展救助，得到了了澳大利亞環(huán)境部和塔斯馬尼亞州環(huán)保部門和當?shù)厣鐓^(qū)的高度認可和稱贊。

(4)動物洞穴環(huán)境保護。項目開工建設(shè)期間，項目公司在救助站的科學(xué)指導(dǎo)下，注意保護施工過程中遇到的野生動物洞穴，加裝必要的專業(yè)攝像機記錄和調(diào)查施工區(qū)域動物生長和活動情況，按照環(huán)境保護方案對現(xiàn)場動物采取最嚴格的保護措施。對于無法避開的動物巢穴采取保護性搬離，防止造成施工傷害；對施工范圍內(nèi)珍稀植物予以標記，減少或避免對原生植物的清理破壞。

(5)楔尾鷹等瀕危物種保護。項目現(xiàn)場靠近瀕危物種野生動物楔尾鷹和白腹海鷹的棲息地，為盡量避免野生動物飛行過程中被風(fēng)機葉片誤傷，項目公司創(chuàng)新性地在澳洲首次引入全球技術(shù)領(lǐng)先的鷹類追蹤預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用圖像識別和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)識別鷹類活動軌跡，通過360°全景攝像頭及中央分析單元，能在幾秒鐘內(nèi)完成一定范圍內(nèi)飛行物圖像的捕捉、識別、預(yù)警等一系列動作，對處于鷹類活動范圍內(nèi)的運行風(fēng)機機組進行停機操作，可以大幅降低鷹類撞擊葉片的概率。

另外，牧牛山項目公司為詳細了解項目現(xiàn)場鷹類活動特點和行為規(guī)律，提高保護措施的針對性和保護效果，聘請了當?shù)貙I(yè)生態(tài)環(huán)保調(diào)查公司，通過現(xiàn)代科學(xué)生態(tài)調(diào)研手段，研究項目現(xiàn)場鷹類的棲息分布和行為特點，通過開展生態(tài)調(diào)查研究，收集高度反映項目現(xiàn)場鷹類活動的具體情況。開展的生態(tài)調(diào)查主要包括：

(1)項目現(xiàn)場飛禽巢穴分布調(diào)查。對項目現(xiàn)場及周邊一定范圍區(qū)域開展全面的實地巡查，落實飛禽巢分布情況，對飛禽巢的分布位置、周邊環(huán)境、棲息飛禽種類及數(shù)量等進行全面記錄，并每隔一段時間進行復(fù)查。

(2)野生飛禽保育期監(jiān)控。每年野生飛禽保育期(通常為當?shù)?月份前后)期間，通過安裝隱蔽攝像裝置等方式記錄鷹巢內(nèi)及附近野生動物活動。

(3)場內(nèi)飛禽行為活動調(diào)查。通過鷹類追蹤預(yù)警系統(tǒng)對場內(nèi)飛禽活動情況進行跟蹤大量拍攝，并對飛禽活動的范圍、出現(xiàn)時間、頻率、飛行軌跡、飛行速度、飛行姿態(tài)等信息進行統(tǒng)計分析。

(4)鷹類、其他鳥類及蝙蝠與風(fēng)機碰撞調(diào)查。搜尋人員牽領(lǐng)受過專業(yè)訓(xùn)練的搜尋犬，以周為單位對每臺風(fēng)機周邊規(guī)定區(qū)域范圍內(nèi)的鳥類及蝙蝠尸體進行搜尋，記錄搜尋結(jié)果并進行統(tǒng)計分析；對于發(fā)生的鷹類撞機導(dǎo)致的死亡事件，項目公司第一時間將搜尋到的鷹類尸體交給實驗室解剖確認死因，同時按照環(huán)保法及協(xié)議規(guī)定調(diào)整相應(yīng)風(fēng)機和預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

(5)及時、高效的信息披露及溝通機制。在項目運營階段，針對鷹類追蹤預(yù)警系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行定期數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，定期對硬件設(shè)備進行檢修維護，并持續(xù)檢查更新系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，按照規(guī)定向環(huán)保機構(gòu)組織通報鷹類活動數(shù)據(jù)及系統(tǒng)對鷹類預(yù)警保護的成果。

(6)水土保持。項目在施工過程中，高度重視水土保持，在臨時擋路和剛開辟的山體旁邊進行石子鋪設(shè)，防止塵土飛揚和下雨時的水土流失。

(7)生態(tài)恢復(fù)與定期維護。施工結(jié)束區(qū)域及時開展現(xiàn)場植被恢復(fù)工作，播撒牧草草籽，監(jiān)控新播種牧草生長情況；每周在運行機組周圍開展鳥類和蝙蝠尸體的搜尋和調(diào)研等。

3 風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)效果評估

對風(fēng)電場的輸出功率進行預(yù)測被認為是提高電網(wǎng)調(diào)峰能力，增強電網(wǎng)接納風(fēng)電發(fā)電能力，改善電力系統(tǒng)運行安全性與經(jīng)濟性的最有效、最經(jīng)濟的手段之一。對項目而言，提高預(yù)測的精度和實效性，根據(jù)預(yù)測的出力曲線優(yōu)化機組出力，為發(fā)電計劃安排提供依據(jù)，便于根據(jù)預(yù)報結(jié)果選擇無風(fēng)或低風(fēng)時間段開展設(shè)備維修，達到降低運行成本的目的，有利于提高發(fā)電量和風(fēng)電場容量系數(shù)，提高風(fēng)電場經(jīng)濟效益。

Fulcrum 3D公司研發(fā)的F3D風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)，采用計算機大數(shù)據(jù)技術(shù)為不同風(fēng)電項目量身打造風(fēng)功率預(yù)測模型，通過收集、分析現(xiàn)場實時氣象數(shù)據(jù)、風(fēng)機運行狀態(tài)和天氣預(yù)報等數(shù)據(jù)，精確預(yù)測風(fēng)電場功率輸出，實現(xiàn)項目實際輸出功率與預(yù)測輸出功率的最大匹配，有效降低常規(guī)型輔助服務(wù)費[10-11]。牧牛山風(fēng)電場項目無特定風(fēng)功率測風(fēng)塔，因此通過F3D系統(tǒng)，根據(jù)全場風(fēng)機的SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行風(fēng)功率預(yù)測。

3.1 月度出力

牧牛山風(fēng)電場風(fēng)功率預(yù)測月度平均準確率基本符合要求，但個別月份有待提升。從“出力預(yù)測偏差=風(fēng)功率預(yù)測功率-實際出力值”來看，2021年10月～2022年6月風(fēng)電場功率預(yù)測系統(tǒng)月度正負向偏差絕對值在2.2～6.4 MW之間。同時，從風(fēng)功率預(yù)測月度平均準確率來看，除1月稍微低于85%外，其他月份均在85%以上，依據(jù)NB/T 10205—2019《風(fēng)電功率預(yù)測技術(shù)規(guī)定》，大部分月份滿足超短期(未來0～4 h)風(fēng)電功率預(yù)測不低于85%的規(guī)定。牧牛山風(fēng)電場月度平均出力預(yù)測偏差情況如圖4所示。

(注：為降低數(shù)據(jù)分析誤差，本文只考慮實際出力值>0的情況，并且結(jié)果中包含正負偏差，只保留結(jié)果，不做相關(guān)運算。)

另外，基于當?shù)厍闆r，引入出力偏離量進行研究，“出力偏離量=實際出力值-調(diào)度值”。由于出力偏離量和最終繳納的調(diào)頻費相關(guān)，因此，研究出力偏離量和調(diào)節(jié)調(diào)頻費是非常有意義的。從月度出力偏離量來看，4月和10月～12月正、負向偏差較大，出力偏離量月度正、負向偏差情況分布如圖5所示；從調(diào)節(jié)調(diào)頻費用來看，1月、6月以及10月～12月調(diào)頻費和單價均較高，牧牛山風(fēng)電場調(diào)節(jié)調(diào)頻費支付及單價情況如圖6所示。

圖5 出力偏離量月度正、負向偏差情況分布

(注：圖中的±號僅僅表示正向偏差調(diào)節(jié)與負向偏差調(diào)節(jié)所發(fā)生的費用，不代表收入與支出。)

3.2 日內(nèi)出力

牧牛山風(fēng)電場風(fēng)功率預(yù)測日內(nèi)曲線在晚上匹配度較好，在白天匹配度稍差?；?021年10月～2022年6月期間9個月的日內(nèi)整點時刻數(shù)據(jù)的平均值可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)在7：00～19：00預(yù)測準確度相對較低，在20：00～次日6：00預(yù)測準確度相對較高。牧牛山風(fēng)電場日內(nèi)出力情況如圖7所示。

圖7 牧牛山風(fēng)電場日內(nèi)出力情況

4 鷹類活動特點

本文選取2個完整年采集的數(shù)據(jù)，即2020年12月～2022年11月，并且為了方便對比和描述，下文將把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成典型年對鷹類活動特點進行統(tǒng)計分析。

4.1 鷹類活動地理空間分布

從地理空間來看，鷹類活動主要分布在牧牛山風(fēng)電場西南側(cè)與回聲湖交界處，同時風(fēng)電場東北方向也是鷹類的活動頻繁區(qū)域。風(fēng)電場風(fēng)機(GW)分布和鷹類活動情況如圖8所示。從具體數(shù)值來看，全場48臺風(fēng)機年度累計停機時長4 092 h，平均85 h/(臺·a)；年度停機次數(shù)累計160 600次，平均3 300次/(臺·a)，即每臺風(fēng)機平均每天停機超過9次。

4.2 鷹類活動時間分布

從年際變化來看，每年8月～12月以及1月份為當?shù)佞楊惢顒宇l繁的月份，2月～7月為鷹類活動較少的月份。鷹類活動年際變化如圖9所示。

圖9 鷹類活動年際變化

從年度日內(nèi)變化來看，當?shù)佞楊愒诎滋旎顒颖容^頻繁，夜晚活動大大減少，每日中午左右達到活動高峰，每日晚8點～次日凌晨4點鷹類則處于不活動狀態(tài)。年度鷹類活動日內(nèi)變化情況如圖10所示，其中時刻4指凌晨4點～5點，其他時刻以此類推。

圖10 年度鷹類活動日內(nèi)變化情況

5 鷹類追蹤預(yù)警系統(tǒng)效果評估

5.1 鷹類追蹤預(yù)警系統(tǒng)

鷹類追蹤預(yù)警系統(tǒng)主要是利用攝像機成像技術(shù)精確識別物種，通過實時追蹤定位監(jiān)測目標與風(fēng)機的位置，結(jié)合人工智能軟件判斷撞機事件發(fā)生的可能性并根據(jù)判斷結(jié)果向相應(yīng)風(fēng)機發(fā)出停機信號[12]。由于攝像機視野范圍限制和風(fēng)電場場區(qū)面積一般較大，鷹類保護系統(tǒng)需要在風(fēng)場內(nèi)安裝多臺攝像機。目前，比較成熟的成像技術(shù)有2種，分別是DT Bird和IdentiFlight，主要應(yīng)用在歐美發(fā)達國家和地區(qū)，牧牛山風(fēng)電場項目采用的是IdentiFlight公司研發(fā)的鷹類追蹤預(yù)警系統(tǒng)(IDF)。國內(nèi)風(fēng)電廠尚沒有采用類似的飛禽識別與保護系統(tǒng)[13-15]。

5.2 IDF工作原理

IDF的核心部件由8個固定位置的廣角光學(xué)傳感器(WFOV)和2個可水平360°移動的高分辨率立體相機(HRSC)組成，用于采集圖像，基于顏色、羽毛、翅膀形狀和飛行輪廓等特征，建立楔尾鷹識別規(guī)則。基于機器視覺技術(shù)，依據(jù)建立的識別規(guī)則分析圖像，確定拍攝的圖片與鳥類圖像庫的匹配情況，提升識別可靠度和效率。通過選址優(yōu)化，16個IDF能夠?qū)Ρ舜讼嗷フ諔?yīng)，對風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)機進行全覆蓋[6]。IDF與風(fēng)機之間進行電力和通信連接，IDF的電力需求由風(fēng)機供給。另外，IDF與基站、變電站、風(fēng)機之間又建立了通信連接，便于控制信號的傳輸。

IDF系統(tǒng)能以風(fēng)機為中心的900 m范圍內(nèi)對楔尾鷹進行自動探測識別，一旦發(fā)現(xiàn)楔尾鷹進入識別范圍，系統(tǒng)將根據(jù)楔尾鷹的飛行速度和飛行軌跡，預(yù)測與風(fēng)機的碰撞時間。IDF會根據(jù)預(yù)測碰撞時間的長短判斷風(fēng)機應(yīng)保持在正常運行、降速運行或停機的哪種狀態(tài)，并發(fā)出相關(guān)信號，從而實現(xiàn)保護珍稀鷹類的功能。

5.3 IDF可靠性

從2019年11月投產(chǎn)至今，牧牛山項目只發(fā)生過3起楔尾鷹撞擊事故，第一次是由于操作員的失誤導(dǎo)致；第二次和第三次撞擊事件均與植被遮擋有關(guān)。然而這樣的碰撞次數(shù)是遠低于基于Biosis的牧牛山風(fēng)電場風(fēng)險碰撞模型的預(yù)測結(jié)果，即首年死亡5只，前2年累計死亡7只。截至2023年2月底，牧牛山項目全容量并網(wǎng)發(fā)電近3 a時間內(nèi)，導(dǎo)致鷹類死亡共計8只。同時據(jù)環(huán)保組織對項目現(xiàn)場及周邊鷹類種群數(shù)量調(diào)查發(fā)現(xiàn)，楔尾鷹數(shù)量由項目初期的2個種群共9只，發(fā)展為3個種群共14只。因此可以證明，IDF有助于降低鷹撞擊風(fēng)險，進而降低因為風(fēng)機撞擊而造成的鷹死亡率。

通過不斷優(yōu)化IDF系統(tǒng)運行參數(shù)，牧牛山項目將因IDF控制停機導(dǎo)致的棄風(fēng)率，從約6.9%控制到了1%左右，在確保鷹類保護要求的前提下，實現(xiàn)了風(fēng)電項目經(jīng)濟效益最大化[6]。不可否認的是，IDF的運行導(dǎo)致風(fēng)電場出力受限。由于鷹類活動的不可預(yù)測性，導(dǎo)致風(fēng)電場出力隨機減少，必然會在電力現(xiàn)貨市場中支付較多的調(diào)節(jié)調(diào)頻費。

5.4 IDF存在的不足

(1)使用時間限制。IDF系統(tǒng)核心設(shè)備為光學(xué)攝像機和照相機，在白天具有較好的辨識度，在夜晚辨識度會下降。但是鷹類夜間活動頻率較低，未對保護效果產(chǎn)生較大影響。

(2)區(qū)分度限制?，F(xiàn)有IDF系統(tǒng)還不能準確區(qū)分出塔斯馬尼亞楔尾鷹和白腹海雕。只能通過運營過程中不斷的數(shù)據(jù)庫人工補錄，盡可能提高對楔尾鷹和白腹海雕的辨識準確度。

(3)地理空間限制。在空曠范圍內(nèi)，IDF可識別周邊約1公里的鷹類活動，但是如果受到樹木或者懸崖等障礙物遮擋，IDF識別范圍就會降低，進而不能對鷹類從某個障礙物方向的“突然襲擊”采取有效的保護措施。這就要求提高IDF系統(tǒng)與風(fēng)機運營監(jiān)測SCADA系統(tǒng)的通訊指令效率，同時密切監(jiān)控IDF監(jiān)測塔周邊的植被情況并及時進行調(diào)整，確保IDF系統(tǒng)預(yù)警識別的效率和準確。

(4)命令單一。如果1臺IDF發(fā)生故障，那么它所監(jiān)測的所有風(fēng)機將會全部停機，而不能采取低速運行的措施。

(5)維修及時性有待提升。雖然大多數(shù)IDF故障問題通常在一天或更短的時間內(nèi)得到解決，但是有些故障是缺乏備品備件造成的。對此，項目公司按照易損IDF備品備件數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在成本可控的前提下增加備品備件庫存數(shù)量，提升維修及時性。

5.5 IDF對風(fēng)電場出力的影響

從月度出力情況來看，風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)預(yù)測的發(fā)電量均大于實際發(fā)電量?！邦A(yù)測偏差=發(fā)電量預(yù)測值-發(fā)電量實際值”，發(fā)電量預(yù)測值指基于風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)預(yù)測值對時間的積分形成的結(jié)果。牧牛山風(fēng)電場出力及IDF動作導(dǎo)致的停機統(tǒng)計如圖11所示。結(jié)合典型年風(fēng)機停機時長(專指IDF動作導(dǎo)致的停機)來看，1月、10月～12月預(yù)測偏差較大，由于這四個月的風(fēng)能玫瑰圖并沒有發(fā)生較大的變化，即由于風(fēng)能方向不集中造成發(fā)電量降低的可能性大大降低。因此，受IDF頻繁動作導(dǎo)致發(fā)電量降低的可能性更大。

圖11 牧牛山風(fēng)電場出力及IDF動作導(dǎo)致的停機統(tǒng)計

從日內(nèi)出力變化情況來看，風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)較實際出力值偏大的時間主要分布在9點～16點，并在12點達到最大值。風(fēng)電場出力日內(nèi)變化曲線和日內(nèi)風(fēng)機停機時刻統(tǒng)計如圖12所示。結(jié)合典型年累計停機時長(可從側(cè)面反應(yīng)鷹類活動)對應(yīng)的時刻可以看出8點～16點是鷹類活動較為活躍的時間段，因此可以判斷，由于鷹類活動引起IDF采取保護動作而發(fā)生停機，從而引起風(fēng)電場實際出力減小。

圖12 風(fēng)電場出力日內(nèi)變化曲線和日內(nèi)風(fēng)機停機時刻統(tǒng)計

6 風(fēng)功率預(yù)測與IDF聯(lián)合運行優(yōu)化策略分析

6.1 優(yōu)化原則

牧牛山項目優(yōu)化調(diào)度需要綜合考慮經(jīng)濟效益、環(huán)境保護、風(fēng)資源不確定性、當?shù)仉娏φ{(diào)度和競價規(guī)則等因素，相較傳統(tǒng)的經(jīng)濟調(diào)度，要考慮的因素更多，條件更復(fù)雜。在環(huán)境效益和風(fēng)電不確定性的雙重考核約束下，實現(xiàn)既定風(fēng)資源和環(huán)保要求條件下發(fā)電效益最大化。

結(jié)合調(diào)節(jié)調(diào)頻費用，需盡可能提高風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)預(yù)測準確率，同時盡可能降低IDF動作對風(fēng)電場出力造成的影響。因此，關(guān)注要點包括風(fēng)電場月度、日內(nèi)出力曲線特征；鷹類活動時空分布特征(時-月度、日內(nèi)活動分布，空-地理空間分布)；電力交易價格(月度、日內(nèi))；輔助服務(wù)費(調(diào)節(jié)調(diào)頻費)較多及單價較高的月份。

對牧牛山項目實際涉及的調(diào)度目標進行收集整理，從模型建立的角度對目標進行提煉、分類并進行函數(shù)化處理。主要考慮2個方面：①發(fā)電效益最大化，包括通過風(fēng)功率預(yù)測優(yōu)化出力曲線，提高風(fēng)資源利用效率；②運行成本最小化，主要包括正常運營成本、鷹類死亡政府罰款成本、輔助服務(wù)費之和最小化。

經(jīng)過總結(jié)，牧牛山項目約束條件主要有：①機組出力約束。要求調(diào)度運行需要滿足機組的性能條件要求；②最小停機時間約束。要求盡可能提高瀕危鷹類識別保護的準確性和時效性，降低對項目機組運行的影響；③風(fēng)資源條件約束。風(fēng)資源具有不確定性，要求基于既定風(fēng)資源優(yōu)化調(diào)度；④當?shù)馗們r機制約束。要求當?shù)厥袌鎏囟ǖ恼{(diào)度和競價機制優(yōu)化調(diào)度。

6.2 建立模型

6.2.1 因素篩選

從累計停機時長可以看出，10月份鷹類活動最頻繁，因此初步選取10月份作為鷹類活動頻繁典型情景的月份。從出力穩(wěn)定性來看，2021年10月份為9個月數(shù)據(jù)中月度平均風(fēng)功率預(yù)測偏差最大的月份，同時也是累計月度正向、負向偏差最大的月份。從電力生產(chǎn)和銷售來看，10月份電量生產(chǎn)最高，但月度上網(wǎng)均價最低。從調(diào)節(jié)調(diào)頻費支付情況來看，10月份支付費用最高，單價較高。

6.2.2 模型構(gòu)建

從“開源節(jié)流”的角度，以10月份相關(guān)數(shù)據(jù)構(gòu)建模型非常合適。具體模型為

R=P×ΔQ+ΔM+ΔN-H

(1)

式中，R為模型優(yōu)化后的收益；P為10月份上網(wǎng)電價均價；ΔQ為電量增益，即通過合理控制策略，10月份發(fā)電量提升的部分；ΔM為用于提高調(diào)頻所支付費用的優(yōu)化收益，即通過合理控制策略，用于10月份調(diào)頻費支付節(jié)省的部分；ΔN為用于降低調(diào)頻所支付費用的優(yōu)化收益，即通過合理控制策略，用于10月份調(diào)頻費用節(jié)省的部分；H為鷹類撞死導(dǎo)致的經(jīng)濟賠償。

H=X×Y

(2)

式中，X為全場10月份鷹類撞死概率；Y為單只鷹死亡的賠償金。

6.3 運行優(yōu)化策略

當上述計算結(jié)果R>0時，可在提高功率預(yù)測系統(tǒng)準確度的基礎(chǔ)上，合理控制IDF動作導(dǎo)致的停機次數(shù)/時長。合理控制IDF動作具體關(guān)注方向：

(1)去除IDF周邊遮擋。在政策允許的情況下，將IDF周邊的遮擋物，包括大型樹木等進行清除。

(2)在時間上實行網(wǎng)格化停機管理。即每日9：00～16：00采取保持現(xiàn)有狀態(tài)/適當降低IDF動作導(dǎo)致停機的次數(shù)，每日19：00～次日5：00采取不停機措施，其余時間采取適當降低IDF動作導(dǎo)致的停機次數(shù)。

(3)在空間上實行網(wǎng)格化停機管理。對GW07～GW09、GW40～GW48共計12臺風(fēng)機采取保持現(xiàn)有IDF動作模式或適當降低IDF動作導(dǎo)致的停機次數(shù)，其他風(fēng)機采取不停機的措施。

(4)提高IDF識別楔尾鷹的準確度，以便進一步從時間和空間上優(yōu)化策略2和3。

(5)功率預(yù)測上報的時候要充分考慮鷹類月度和日內(nèi)活動規(guī)律，合理上報出力值。

7 結(jié) 語

在低碳綠色發(fā)展的背景下，人與自然和諧發(fā)展將成為新能源發(fā)展的方向。本文以澳大利亞塔斯馬尼亞州牧牛山風(fēng)電場項目為對象，介紹了首次在澳大利亞引進應(yīng)用的鷹類追蹤預(yù)警系統(tǒng)(IDF)，全方位無死角對鷹類識別、獲取飛行速度和軌跡反饋至風(fēng)機控制系統(tǒng)，主動控制風(fēng)機停轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對當?shù)叵∮行ㄎ产椀谋Ｗo。綜合考慮澳大利亞楔尾鷹保護要求、風(fēng)資源不確定、當?shù)仉娏φ{(diào)度機制等約束條件，開展了基于環(huán)境效益和風(fēng)電不確定性的環(huán)境經(jīng)濟調(diào)度運行策略研究，希望能夠為國內(nèi)類似風(fēng)電項目綠色開發(fā)、精益運營提供參考借鑒。