丁 圣,段 瑋,賴國(guó)兵,李 剛

(1.云南省元江縣氣象局,云南 元江 653300;2.云南省氣象科學(xué)研究所,云南 昆明 650032;3.中國(guó)廣核新能源控股有限公司,云南 玉溪 653100)

1 引言

目前，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已成為世界上發(fā)展最快的新能源發(fā)電技術(shù)之一，雖然我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)起步較晚，但發(fā)展迅猛，目前總裝機(jī)容量和累計(jì)發(fā)電量都位于世界第一，風(fēng)力發(fā)電量占世界風(fēng)力發(fā)電量的一半以上。

風(fēng)力發(fā)電廠的選址和運(yùn)行和氣象密切相關(guān)，由于風(fēng)力呈現(xiàn)波動(dòng)性和間歇性的特征，風(fēng)力發(fā)電不穩(wěn)定，對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定安全運(yùn)行影響大，進(jìn)行風(fēng)功率的預(yù)報(bào)工作，提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，提高風(fēng)電上網(wǎng)率，可以提高風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和整個(gè)電網(wǎng)的安全性，增加效益[1-3]。

云南目前建成的風(fēng)電場(chǎng)均為高原山地風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)地形、風(fēng)機(jī)、風(fēng)速、高差分布復(fù)雜，異于我國(guó)其他地區(qū)的大規(guī)模平原風(fēng)電場(chǎng)，現(xiàn)有預(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)高原山地風(fēng)場(chǎng)的預(yù)報(bào)精度達(dá)不到要求。由于風(fēng)的局地性強(qiáng)，預(yù)報(bào)難度大，要開展風(fēng)電場(chǎng)功率預(yù)報(bào)，必須針對(duì)具體的風(fēng)電場(chǎng)，在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行專門的統(tǒng)計(jì)分析，建立相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)模型，從而預(yù)報(bào)風(fēng)電功率，必須考慮地形訂正、參數(shù)優(yōu)化等技術(shù)的實(shí)施來(lái)提高高原山地風(fēng)電場(chǎng)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。以元江羊岔街風(fēng)電場(chǎng)為例，風(fēng)場(chǎng)面積跨度大(涉及羊岔街和咪哩2個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn))，風(fēng)機(jī)間落差大，下墊面地形地貌復(fù)雜，風(fēng)機(jī)分布復(fù)雜，環(huán)境風(fēng)場(chǎng)復(fù)雜，風(fēng)速預(yù)報(bào)難度大，同時(shí)針對(duì)高原山地的系統(tǒng)觀測(cè)不足，理論研究較少，本文研究符合云南高原山地電場(chǎng)發(fā)展規(guī)模化并網(wǎng)發(fā)電的迫切需求。

風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)功率預(yù)測(cè)是指對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的發(fā)電功率進(jìn)行預(yù)測(cè)，目前運(yùn)用的技術(shù)主要是根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)氣象信息有關(guān)數(shù)據(jù)，利用物理模擬計(jì)算和科學(xué)統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)力風(fēng)速進(jìn)行預(yù)報(bào)，再根據(jù)風(fēng)機(jī)狀態(tài)信息預(yù)測(cè)出發(fā)電功率。本文嘗試使用WRF模式進(jìn)行短期風(fēng)功率預(yù)報(bào)。

2 資料來(lái)源

2.1 羊岔街風(fēng)電場(chǎng)介紹

此次研究以元江縣羊岔街風(fēng)電場(chǎng)為目標(biāo)風(fēng)電場(chǎng)。項(xiàng)目資料主要收集了風(fēng)塔和2座風(fēng)機(jī)2017年1月份的風(fēng)速和風(fēng)功率數(shù)據(jù)。圖1給出了風(fēng)電場(chǎng)、風(fēng)機(jī)及風(fēng)塔的位置示意圖，由圖可見：風(fēng)電場(chǎng)坐落于元江與墨江之間的哀牢山脈中段，距離元江縣城東面21.8 km，風(fēng)電場(chǎng)海拔2 220 m，是典型的高原山地風(fēng)電場(chǎng)。風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)沿山脊分布,山脊植被多以灌木叢組成，地理環(huán)境、區(qū)域下墊面和地形都很復(fù)雜。羊岔街風(fēng)電場(chǎng)采用歌美颯生產(chǎn)的機(jī)型為G97-2000型風(fēng)機(jī)，額定功率2 000 kW，風(fēng)機(jī)類型為高原常溫型、葉槳，三葉片，具備變速、變槳功能。風(fēng)機(jī)切入風(fēng)速3 m/s，切出風(fēng)速25 m/s。風(fēng)塔高度80 m，風(fēng)機(jī)輪轂高度78 m，葉槳直徑97 m。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)、風(fēng)機(jī)及風(fēng)塔位置示意Fig.1 Position of wind farm, fan and tower

2.2 資料來(lái)源

由于傳統(tǒng)氣象站的風(fēng)塔僅10 m高度，風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)塔和風(fēng)機(jī)高度均高于氣象站風(fēng)塔高度，相應(yīng)風(fēng)速測(cè)量資料也和傳統(tǒng)氣象站測(cè)量數(shù)據(jù)有很大差異，風(fēng)電場(chǎng)都會(huì)自建風(fēng)塔測(cè)量收集數(shù)據(jù)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)也自帶風(fēng)速測(cè)量裝置，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電規(guī)范要求，風(fēng)電場(chǎng)還會(huì)對(duì)每臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)功率實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣收集。本文研究?jī)?nèi)容得到了羊岔街風(fēng)電場(chǎng)和云南省氣象科學(xué)研究所的支持，相關(guān)風(fēng)塔和風(fēng)機(jī)的風(fēng)速和風(fēng)功率數(shù)據(jù)均來(lái)自于羊岔街風(fēng)電場(chǎng)。NCEP-GFS資料來(lái)源于美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心網(wǎng)站。WRF模式的建立和運(yùn)行得到了云南省氣象科學(xué)研究的支持。

項(xiàng)目收集了風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速資料與用于驅(qū)動(dòng)數(shù)值模式預(yù)報(bào)試驗(yàn)的NCEP-GFS資料如下：2017年1月逐15 min的羊岔街風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔資料，包括氣象風(fēng)速、測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速、風(fēng)機(jī)風(fēng)速；2017年1月逐15 min的羊岔街風(fēng)電場(chǎng)s1136、s1137號(hào)風(fēng)機(jī)資料，包括有功功率 、平均風(fēng)速；2017年1月逐6 h NCEP-GFS預(yù)報(bào)資料。

3 技術(shù)方法

本文使用常規(guī)氣象數(shù)值預(yù)報(bào)模式預(yù)報(bào)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速，通過(guò)地形訂正方案對(duì)資料同化得出每臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速預(yù)報(bào)結(jié)果，僅根據(jù)風(fēng)機(jī)風(fēng)功率曲線得出風(fēng)功率預(yù)報(bào)結(jié)果，最后根據(jù)《風(fēng)電功率預(yù)測(cè)功能規(guī)范》的檢驗(yàn)評(píng)估方法，對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)估得出結(jié)論。

具體方法是采用中尺度氣象模式WRF、3dvar邊界層地形訂正方法對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行資料同化，結(jié)合風(fēng)機(jī)功率歷史數(shù)據(jù)輸出針對(duì)風(fēng)機(jī)未來(lái)24 h內(nèi)逐15 min的風(fēng)功率預(yù)報(bào)結(jié)果，運(yùn)用歷史預(yù)報(bào)結(jié)果來(lái)修正和優(yōu)化風(fēng)功率的預(yù)報(bào)結(jié)果[4-6]，圖2給出了技術(shù)路線圖。

圖2 技術(shù)路線Fig.2 Technical route

項(xiàng)目選用了WRF的實(shí)時(shí)天氣數(shù)值預(yù)報(bào)功能，定型版本為WRF3.8 (2016年4月發(fā)布)，WPS版本。項(xiàng)目采用的是ARW WRF高級(jí)研究動(dòng)力解決方案，質(zhì)量地形追隨坐標(biāo)，Lambert-conformal地圖投影，GFS(NCEP 的Global Forecast System)資料作為預(yù)報(bào)基礎(chǔ)資料。

圖3 WRF模式的模擬區(qū)域分布Fig.3 The simulation area distribution of the WRF mode

項(xiàng)目模式預(yù)報(bào)采用3重嵌套，確定的模擬區(qū)域如圖4所示。3層嵌套的具體參數(shù)，見表1。在3重嵌套中，Domain1和Domain2為9 km分辨率和3 km分辨率，與目前云南省業(yè)務(wù)WRF模式分辨率一致,因此在Domain1和Domain2選用的各項(xiàng)物理量與業(yè)務(wù)保持一致。Domain3分辨率為1 km，除了近地面層方案外，其他物理過(guò)程方案參數(shù)與現(xiàn)行云南省數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)保持一致，如表1所示。由于風(fēng)機(jī)處于大起底層的近地面層(地面以上30～100 m)，彼此最近距離僅幾百米，項(xiàng)目組技術(shù)人員采用統(tǒng)計(jì)降尺度方法[7]，基于風(fēng)塔的觀測(cè)值，在WRF提供的1 km分辨率的風(fēng)速、風(fēng)向等氣象要素預(yù)報(bào)基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)邊界層地形訂正、地面資料同化后將預(yù)報(bào)資料細(xì)化到具體風(fēng)機(jī)位置上。

表1 WRF模式3重嵌套各項(xiàng)參數(shù)情況Tab.1 Three nested parameters of WRF mode

4 結(jié)果檢驗(yàn)

4.1 檢驗(yàn)評(píng)估方法

本文根據(jù)《風(fēng)電功率預(yù)測(cè)功能規(guī)范》采用相關(guān)性系數(shù)、平均絕對(duì)誤差、均方根誤差三個(gè)指標(biāo)來(lái)對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估分析[8-10]。

相關(guān)系數(shù)可以確定兩個(gè)時(shí)間序列之間的關(guān)系，就風(fēng)電功率預(yù)報(bào)而言，可以確定風(fēng)電功率的預(yù)報(bào)趨勢(shì)效果。相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式為：

(1)

平均絕對(duì)誤差用來(lái)分析要素(風(fēng)速或風(fēng)功率)預(yù)報(bào)值與記錄值的偏離程度，注意風(fēng)功率的平均絕對(duì)誤差還要除以開機(jī)總?cè)萘浚骄^對(duì)誤差計(jì)算公式為：

(2)

均方根誤差也稱標(biāo)準(zhǔn)誤差，是用來(lái)衡量觀測(cè)值與真值之間的偏差，均方根誤差按規(guī)范要求短期預(yù)測(cè)月均方根誤差要在20%以下，超短期預(yù)測(cè)第4 h預(yù)測(cè)值月均根誤差要在15%以下(限電時(shí)段不參與統(tǒng)計(jì))。

(3)

4.2 預(yù)報(bào)結(jié)果檢驗(yàn)

根據(jù)前文的技術(shù)路線，按三步走的思路，首先直接預(yù)報(bào)風(fēng)速結(jié)果，然后使用地形修正后預(yù)報(bào)風(fēng)速，最后資料同化后輸出風(fēng)速預(yù)報(bào)結(jié)果，利用風(fēng)速結(jié)果和風(fēng)功率曲線圖和風(fēng)機(jī)歷史數(shù)據(jù)生成風(fēng)功率預(yù)報(bào)。

3次風(fēng)速預(yù)報(bào)結(jié)果都會(huì)出現(xiàn)一些與實(shí)際風(fēng)速差異過(guò)大的離群值，我們事后主觀加上一個(gè)離群值修正后訂正，思路是如果模式風(fēng)速大于其前后4個(gè)時(shí)刻預(yù)報(bào)值的3倍方差，認(rèn)為是離群值，則用前4個(gè)時(shí)次觀測(cè)值平均值代替預(yù)報(bào)值。3次預(yù)報(bào)及修正離群值后的預(yù)報(bào)對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

如表2所示對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，修正離群值后預(yù)報(bào)系數(shù)提高，平均絕對(duì)誤差減小，復(fù)雜地形同化后相關(guān)系數(shù)減小且平均絕對(duì)誤差增大，說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)選擇的3dvar復(fù)雜地形同化方案不適于羊岔街地區(qū)，但是為何出現(xiàn)離群值以及地形同化后效果還不如未地形同化后的預(yù)報(bào)結(jié)果，其原因較為復(fù)雜，有待進(jìn)一步的分析總結(jié)。

圖4 三步預(yù)報(bào)風(fēng)速及修正離群值后預(yù)報(bào)對(duì)比(單位 m/s)Fig.4 Three-steps forecast of wind speed and forecast comparison after correction of outliers (Unit:m/s)

直接預(yù)報(bào)風(fēng)速對(duì)比直接預(yù)報(bào)風(fēng)速對(duì)比(修正離散值)地形修正后風(fēng)速對(duì)比地形修正后風(fēng)速對(duì)比(修正離散值)復(fù)雜地形同化后風(fēng)速對(duì)比復(fù)雜地形同化后風(fēng)速對(duì)比(修正離散值)相關(guān)系數(shù) 0.560.8250.6870.8330.5580.823平均絕對(duì)誤差1.441.291.341.241.451.29平均相對(duì)誤差0.1890.1720.1780.1670.2190.202

利用地形同化后的風(fēng)速結(jié)果和風(fēng)功率曲線圖及風(fēng)機(jī)歷史數(shù)據(jù)生成1136號(hào)風(fēng)機(jī)和1137號(hào)風(fēng)機(jī)的風(fēng)功率預(yù)報(bào)對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

圖5 1136號(hào)風(fēng)機(jī)和1137號(hào)風(fēng)機(jī)風(fēng)功率預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)比(單位kW)Fig.5 Comparison of wind power forecast results between No. 1136 and No. 1137 fans(Unit:kW)

兩臺(tái)目標(biāo)風(fēng)機(jī)的風(fēng)功率預(yù)報(bào)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)、平均絕對(duì)誤差和均方差誤差檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示?？梢钥闯鲂拚x群值后兩個(gè)風(fēng)機(jī)的風(fēng)功率預(yù)報(bào)結(jié)果都達(dá)到了20%的預(yù)報(bào)性能要求。未修正離群值前1136號(hào)風(fēng)機(jī)的均方差誤差達(dá)到0.23，不合要求，1137號(hào)風(fēng)機(jī)達(dá)到0.17可以符合預(yù)報(bào)性能要求。對(duì)于超短期4h預(yù)測(cè)的月均均方差誤差，兩臺(tái)目標(biāo)風(fēng)機(jī)都達(dá)到了很好的預(yù)報(bào)要求。

表3 三步預(yù)報(bào)風(fēng)速及修正離群值后月數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)和平均絕對(duì)誤差結(jié)果Tab.3 The three-steps to predict the correlation coefficient and mean absolute error of monthly data and corrected outliers

5 結(jié)論

①僅使用邊界層地形訂正方法使用WRF模式輸出風(fēng)速預(yù)報(bào)結(jié)果的風(fēng)功率預(yù)報(bào)嘗試，對(duì)于超短期4 h風(fēng)功率預(yù)報(bào)是足夠的，簡(jiǎn)單判斷查找并訂正離散值的修正結(jié)果也滿足短期預(yù)測(cè)月均方根誤差要求。

②3dvar地形修正方案結(jié)果對(duì)本風(fēng)電場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的風(fēng)速同化效果不明顯，不建議業(yè)務(wù)中使用。

③云南冬季1月份，相對(duì)天氣過(guò)程簡(jiǎn)單，預(yù)報(bào)難度小，是否適用云南雨季天氣復(fù)雜的時(shí)段還有待進(jìn)一步收集資料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

④其他文獻(xiàn)[11-15]指出使用時(shí)間序列模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、支持向量機(jī)、基于小波分析、基于卡爾曼濾波等數(shù)學(xué)工具，可以進(jìn)一步提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，但是為滿足預(yù)報(bào)時(shí)效性也會(huì)加大硬件成本，下一步有條件情況下可以進(jìn)一步開展實(shí)驗(yàn)。