寒潮天氣對風電運行和功率預測的影響分析

鄭婷婷，單小雨，馬繼濤，尹洪全，王 達

（1.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力科學研究院，呼和浩特 010010；2.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司，呼和浩特 010010）

0 引言

近年來，復雜的國內(nèi)外形勢形成了全球能源供需緊張的嚴峻局面，多個國家和地區(qū)出現(xiàn)了能源電力短缺的情況。2022 年5 月，我國提出加快推進以沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)為重點的大型風電光伏基地建設[1]。其中，內(nèi)蒙古風能資源技術(shù)可開發(fā)量達到全國的57%左右，近十年內(nèi)蒙古新能源發(fā)電量達到1191億kWh，居全國首位。在構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)背景下，我國也面臨能源電力保供和實現(xiàn)“雙碳”目標的巨大壓力[2]。

受到全球變暖氣候影響，極端異常天氣頻發(fā)，其中低溫寒潮天氣對風力發(fā)電、輸電以及負荷需求均會產(chǎn)生影響，給電網(wǎng)的規(guī)劃、運行、調(diào)度和控制帶來嚴峻挑戰(zhàn)。大規(guī)模并網(wǎng)的新能源具有逆負荷特性，導致系統(tǒng)的電力平衡對天氣變化非常敏感[3]。2021年2月，美國得州遭遇寒潮天氣，因間歇性風光電源極寒無風和風機覆冰脫網(wǎng)引發(fā)電網(wǎng)供需失衡，造成大規(guī)模停電事故[4]。類似的，我國北方地區(qū)電網(wǎng)在迎峰度冬期間將同時面臨寒潮天氣影響、供暖和用電負荷需求增加的問題[5]。

現(xiàn)階段，依據(jù)準確的日前新能源出力預測納入電力平衡，利用中長期新能源出力預測確定檢修工期，通過精準的超短期預測調(diào)整日內(nèi)發(fā)電計劃或參與電力現(xiàn)貨交易，可有效解決“保供電”和“保消納”之間的矛盾[6-7]。在風電場短期功率預測方面，文獻[8]提出一種多變量相空間重構(gòu)和鯨魚優(yōu)化算法深度極限學習機的短期風電功率組合預測方法；文獻[9]提出一種計及鄰近風電場信息與CNN BiLSTM的短期風電功率預測方法，引入了鄰近風電場的高相關(guān)特征?？紤]氣象特征提高風電場短期預測方面，文獻[10]通過挖掘歷史風電功率數(shù)據(jù)和數(shù)值天氣預報的時空特性，構(gòu)建了一種考慮誤差時空相依性的短期風電概率預測新框架；文獻[11]通過挖掘氣象特征提出一種基于貝葉斯優(yōu)化調(diào)參的特征挖掘改進深度學習模型；文獻[12]提出一種考慮氣象特征與波動過程關(guān)聯(lián)的短期風電功率組合預測方法；文獻[13]提出一種基于敏感氣象特征因子篩選與優(yōu)化組合的短期風電功率預測方法。在寒潮天氣下風電功率預測研究方面，文獻[14]提出一種寒潮天氣小樣本條件下短期風電功率組合預測方法。

本文對2021 年冬季內(nèi)蒙古東部（以下簡稱蒙東）地區(qū)的寒潮天氣過程進行總結(jié)，分析了寒潮天氣過程下風機覆冰、大風切機、低溫脫網(wǎng)和晴冷無風對風力發(fā)電出力的影響機理，以及寒潮天氣過程對風電功率預測的偏差規(guī)律，并提出提升風電功率預測性能的建議，為提高寒潮天氣下風電預測準確率和新能源消納能力，提高迎峰度冬期間電力保供能力提供保障。

1 蒙東地區(qū)氣候和寒潮過程特征

蒙東地區(qū)所轄范圍包括赤峰、通遼、興安和呼倫貝爾四個地市，其中赤峰、通遼地區(qū)屬溫帶大陸性氣候，興安和呼倫貝爾地區(qū)屬溫帶季風氣候。蒙東地區(qū)四季分明，夏季溫熱多雨，冬季寒冷干燥。

冬季陸地寒冷形成高壓，受亞歐大陸強大的西伯利亞冷氣團影響，風從高緯度大陸吹向海洋，使得蒙東地區(qū)冬季盛行風力較強的西北風。冷鋒引導的冷空氣東移南下，常會給我國帶來強降溫甚至寒潮，造成沿途地區(qū)劇烈降溫、大風和雨雪天氣。在氣象學上，當冷空氣入侵造成的降溫在一天內(nèi)達到10 ℃以上，且最低氣溫在5 ℃以下，則稱此冷空氣爆發(fā)過程為一次寒潮天氣過程。寒潮天氣典型的氣象特征為風速增大、氣溫驟降、出現(xiàn)陰天輻照度下降等，而過境后鋒后冷高壓會使氣流下沉，形成晴空無云、輻照度增大、風速減小但氣溫持續(xù)偏低的現(xiàn)象。通常影響我國的冷空氣路徑分為西路、中路、東路三類，其中東路路徑主要影響蒙東地區(qū)，該路徑冷鋒過境后的天氣多陰雨雪天氣。

根據(jù)蒙東地區(qū)寒潮天氣影響風電出力的過程，將寒潮天氣的特征分為風機覆冰、大風切機、低溫脫網(wǎng)和晴冷無風四種類型。以下逐一分析各種寒潮類型對風電運行的影響機理，并結(jié)合蒙東地區(qū)典型案例分析寒潮對風電功率預測的偏差規(guī)律。

2 風機覆冰對風電運行和功率預測的影響

2.1 對風電運行的影響

在我國北方初冬、初春時期氣溫低、濕度高，風機葉片覆冰對風電機組的安全穩(wěn)定運行造成了嚴重影響。寒潮期間，冷凍的細雨、濕雪或結(jié)冰霧、云和霜與風機葉片表面長時間慢速碰撞，逐漸導致風機葉片出現(xiàn)覆冰[15]。研究表明，風電機組覆冰形成的主要條件是存在逆溫層、環(huán)境溫度低于0 ℃、葉片表面低于-5 ℃、空氣濕度在85%以上。

風機覆冰會改變?nèi)~片的空氣動力學結(jié)構(gòu)，使其輸出功率降低，同時增加風輪和塔架載荷，使得風機振動加劇甚至損壞。此外，融冰期葉片表面冰塊還可能脫落或甩出，嚴重威脅周圍人員的安全。

2.2 對蒙東風電預測影響的典型案例

蒙東地區(qū)在每年11月寒潮初期，當氣溫逐漸降至0 ℃并伴隨雨雪天氣時，易發(fā)生風機因覆冰而停機的情況。以2021-11-05—09寒潮天氣過程為例，此次寒潮蒙東中南部地區(qū)降雪量超過10 mm，氣溫下降14 ℃左右。

分析寒潮過程中氣溫、降水變化對風電出力的影響可知，寒潮初期大風降溫，蒙東全網(wǎng)風電出力陡升；中期出現(xiàn)雨夾雪、局部地區(qū)大到暴雪，風電出力出現(xiàn)回落；后期持續(xù)大風降溫，風電逐漸上升至較高出力。寒潮期間由于覆雪后持續(xù)降溫，出現(xiàn)風機覆冰脫網(wǎng)情況，據(jù)統(tǒng)計，受覆冰影響的風電場16個，影響出力400 MW。

統(tǒng)計此次寒潮過程蒙東風電出力和預測結(jié)果如圖1所示，可見在風機覆冰類型寒潮過程中，初期風電爬坡過程和中期風電下降過程預測出力均出現(xiàn)負偏差，后期因風機覆冰脫網(wǎng)導致風電預測結(jié)果偏高出現(xiàn)正偏差。

圖1 2021-11-05—09蒙東風電出力預測結(jié)果Fig.1 Wind power prediction results of eastern InnerMongolia from November 5 to November 9, 2021

3 大風切機對風電運行和功率預測的影響

3.1 對風電運行的影響

風電機組在運行過程中會承受多種復雜的力矩作用，當實際風速達到風電機組所能承受的最大風速以上時，機組的風能捕獲量提高，疲勞載荷增加，易出現(xiàn)塔架倒塌、葉輪飛車等事故，影響機組壽命。考慮極端大風天氣下風機運行的安全性，規(guī)定風電機組并網(wǎng)發(fā)電的最大風速為切出風速，當機艙測風儀測量風速超過切出風速且持續(xù)時間超過切出動作設定時間后，機組將切出運行，停止發(fā)電。

3.2 對蒙東風電預測影響的典型案例

根據(jù)近3年月平均利用小時數(shù)和月平均同時率統(tǒng)計結(jié)果，蒙東地區(qū)每年10月至次年5月均為大風期，期間寒潮天氣過程中風電場將出現(xiàn)大風切機，導致風電出力大幅下降。此外，蒙東部分風電場因投運時間較早，部分型號風機切出風速偏低，導致在冬季大風期易發(fā)生大風切機情況。 以2021-12-16—19 寒潮天氣過程為例。此次寒潮過程蒙東大部地區(qū)多云見晴，降雪量較小，風速曲線呈快速上升并持續(xù)大風過程，部分地區(qū)因風速持續(xù)過高導致風機切出，據(jù)統(tǒng)計，出現(xiàn)大風切機的風電場3個，影響出力312.5 MW。

統(tǒng)計此次寒潮過程蒙東風電出力和預測結(jié)果如圖2所示，可見在大風切機類型寒潮過程中，前期風電快速爬坡過程出現(xiàn)負偏差，后期因大風切機導致風電預測結(jié)果偏高出現(xiàn)正偏差。

圖2 2021-12-16—19蒙東風電預測結(jié)果Fig.2 Wind power prediction results of eastern Inner Mongolia from December 16 to December 19, 2021

4 低溫脫網(wǎng)對風電運行和功率預測的影響

4.1 低溫對風電運行的影響

風電機組在低溫下運行時，零部件的性能、機組的可維護性將發(fā)生變化，情況嚴重時甚至會引起安全事故。隨著環(huán)境溫度降低，空氣密度增大，風機出力特性將發(fā)生變化，可能導致過發(fā)過載現(xiàn)象。傳動系統(tǒng)中的齒輪箱、主軸等主要機械部件在低溫時可能發(fā)生脆性斷裂，嚴重時可能導致安全事故的發(fā)生。風機的潤滑油在低溫下黏度變大，流動性變差，機組因得不到充分的潤滑油供給，將危及設備的安全運行。因此，風機制造廠家為風電機組配置了低溫保護，在環(huán)境溫度過低（低于-30 ℃）時自動停止運行，避免主要零部件受到損壞而影響風機壽命，并導致安全事故的發(fā)生。

4.2 低溫脫網(wǎng)對蒙東風電預測影響的典型案例

每年冬季，蒙東北部地區(qū)遭遇極寒天氣，呼倫貝爾大興安嶺地區(qū)甚至達到-42 ℃。蒙東地區(qū)風電場配置的低溫保護風機，當保護定值低于-30 ℃時發(fā)生脫網(wǎng)，即低溫脫網(wǎng)。以2021-12-23—27寒潮天氣過程為例，此次寒潮過程蒙東局部地區(qū)降雪，全網(wǎng)風電出力經(jīng)歷快速爬坡并急速下降，再升高并持續(xù)大風過程。蒙東北部地區(qū)降溫至-30 ℃以下，受其影響該地區(qū)風電場出現(xiàn)低溫脫網(wǎng)情況，據(jù)統(tǒng)計低溫停機的風電場20個，影響出力500 MW。

統(tǒng)計此次寒潮過程蒙東風電出力和預測結(jié)果如圖3所示，可見初期風電爬坡過程出現(xiàn)負偏差，中期風電下降過程出現(xiàn)正偏差，后期因低溫脫網(wǎng)導致風電預測結(jié)果偏高出現(xiàn)正偏差。

圖3 2021-12-23—27蒙東風電出力預測結(jié)果Fig.3 Wind power prediction results of eastern Inner Mongolia from December 23 to December 27, 2021

5 晴冷無風對風電運行和功率預測的影響

5.1 對風電運行的影響

寒潮過境后，鋒后冷高壓會使氣流下沉，形成晴空無云、輻照度增大、風速減小、氣溫持續(xù)偏低的現(xiàn)象，即寒潮后期會出現(xiàn)晴冷無風天氣。此時風電出力降低，但因氣溫持續(xù)偏低導致用電負荷激增，風電表現(xiàn)出逆負荷的特性，此時易造成電網(wǎng)缺電。

5.2 對蒙東風電預測影響的典型案例

統(tǒng)計風資源情況可知，蒙東地區(qū)在冬季至次年春季均為大風期，但在2022 年1 月份出現(xiàn)了持續(xù)1周的無風天氣。以2022-01-18—24為例，期間蒙東大部地區(qū)天氣晴朗，風力僅為1—2 級，持續(xù)無風導致蒙東全網(wǎng)風電出力僅為1000 MW 左右，2022 年1月蒙東風電出力和預測結(jié)果如圖4 所示，可見晴冷無風導致風電預測結(jié)果偏高出現(xiàn)正偏差。

圖4 2022年1月蒙東風電出力預測結(jié)果Fig.4 Wind power prediction results of eastern Inner Mongolia in January, 2022

6 結(jié)論及建議

6.1 結(jié)論

根據(jù)蒙東地區(qū)寒潮天氣影響風電出力的過程，將寒潮天氣的特征分為4 種類型，分析了各種寒潮類型對風電運行的影響機理，并結(jié)合蒙東地區(qū)典型案例研究了寒潮對風電功率預測的偏差規(guī)律，得出以下結(jié)論。

（1）寒潮屬于極端突變天氣，數(shù)值天氣預報對于極端突變天氣的模擬容易產(chǎn)生幅值偏差和相位偏差。寒潮初期風電爬坡過程預測出現(xiàn)負偏差，寒潮期間伴隨降雪過程則風電出力呈下降趨勢并出現(xiàn)負偏差。

（2）寒潮期間，因風電場功率預測系統(tǒng)預測模型中未考慮風機覆冰、大風切機和低溫脫網(wǎng)因素，使得預測模型中開機容量與實際情況存在偏差，進而導致風電、光伏預測出力均存在正偏差。

（3）寒潮過境后出現(xiàn)晴冷無風的天氣，風電資源較差，風電出力降低，風電預測出現(xiàn)正偏差。

6.2 建議

針對上述寒潮天氣過程中風電預測產(chǎn)生偏差的規(guī)律，可從以下方面開展相關(guān)工作。

（1）加強寒潮天氣的預測預警工作。通過與地方氣象局建立合作機制，開展特殊天氣特征的氣象專家診斷工作，提前掌握寒潮過程的預警信息，掌握寒潮影響嚴重地區(qū)的局部精細化氣象預報預警信息，開展低溫寒潮天氣過程下新能源發(fā)電預測預警技術(shù)研究。

（2）開展新能源功率預測系統(tǒng)升級改造。督促新能源場站提高數(shù)值天氣預報準確率，開展預測模型修正，每日上報兩次預測曲線和對應時段的實際開機容量，通過提升新能源場站預測性能提高全網(wǎng)新能源預測準確率。

（3）鼓勵風電場開展風機低溫運行能力提升改造。蒙東地區(qū)部分風電場投運時間較長，風機型號較舊，不具備低溫運行的能力，通過鼓勵風電場開展風電機組抗凍、除冰研究和試驗，引導風電企業(yè)對已投產(chǎn)設備進行抗寒抗凍改造，提高風電機組在極寒地區(qū)的適應能力。