巨吉賢 陜西黃河能源有限責(zé)任公司

1 前言

為了解決我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與能源供給不足之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)性發(fā)展，以風(fēng)能等可再生性清潔新能源開(kāi)發(fā)利用成為了能源技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。在應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電時(shí)主要是通過(guò)對(duì)自然風(fēng)能的轉(zhuǎn)化來(lái)產(chǎn)生電力能源，但是由于受風(fēng)電自身特性的限制，風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電功率存在一定的波動(dòng)性，這會(huì)對(duì)風(fēng)電接入電網(wǎng)產(chǎn)生較大的影響，并可能都電網(wǎng)運(yùn)行安全帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)隱患，因此需要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)風(fēng)電功率，才能采取有效的調(diào)度措施，以減少風(fēng)電波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的干擾。在對(duì)風(fēng)電功率進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，為了防止各種客觀因素對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的影響，應(yīng)科學(xué)構(gòu)建相關(guān)模型，并以風(fēng)電場(chǎng)的等效平均風(fēng)速為基礎(chǔ)以提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

2 研究基于風(fēng)電場(chǎng)等效平均風(fēng)速的風(fēng)電功率日前預(yù)測(cè)的必要性

目前在預(yù)測(cè)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電功率時(shí)主要采用的是時(shí)間序列法，隨著我國(guó)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(cè)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(chǎng)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。為了進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)風(fēng)電功率的準(zhǔn)確性，很多研究人員在風(fēng)速預(yù)測(cè)精度方面進(jìn)行了廣泛的研究，改進(jìn)了預(yù)測(cè)方法。例如以CFD流場(chǎng)計(jì)算為基礎(chǔ)的預(yù)測(cè)方法主要是通過(guò)構(gòu)建不同來(lái)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(kù)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)中尺度條件下的風(fēng)機(jī)風(fēng)速準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。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(guò)改進(jìn)模態(tài)分析法構(gòu)建風(fēng)速預(yù)測(cè)模型，以達(dá)到提高風(fēng)速預(yù)測(cè)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(cè)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(cè)的準(zhǔn)確性。雖然預(yù)測(cè)方法都在不同程度上提高了風(fēng)速預(yù)測(cè)的精度，然而由于風(fēng)電場(chǎng)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(cè)精度仍無(wú)法滿足準(zhǔn)確預(yù)測(cè)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電功率的實(shí)際需要?，F(xiàn)有的時(shí)序預(yù)測(cè)法以及以天氣預(yù)報(bào)數(shù)值為急促的風(fēng)速預(yù)測(cè)均是對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)空間平均風(fēng)速的整體特征進(jìn)行的預(yù)測(cè)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(chǎng)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(cè)方法難以準(zhǔn)確反映風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際風(fēng)速值。此外，由于風(fēng)電場(chǎng)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(chǎng)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(cè)方法難以對(duì)場(chǎng)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(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電效率的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，在日前預(yù)測(cè)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(chǎng)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，科學(xué)驗(yàn)證驗(yàn)證不同的預(yù)測(cè)方法，這樣才能使風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電功率日前預(yù)測(cè)方法具有較強(qiáng)準(zhǔn)確性和通用性。在此背景下本文提出了以風(fēng)電場(chǎng)等效平均風(fēng)速為基礎(chǔ)的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)方法，下面將對(duì)該預(yù)測(cè)方法進(jìn)行詳細(xì)的分析研究。

3 概述風(fēng)電場(chǎng)等效平均風(fēng)速

3.1 基本涵義

在應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)電時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速所具有的空間分散性特征，因此在對(duì)風(fēng)電功率進(jìn)行日前預(yù)測(cè)時(shí)存在較大的難度，難以準(zhǔn)確進(jìn)行風(fēng)速模型的構(gòu)建，而直接采用簡(jiǎn)單的空間平均風(fēng)速進(jìn)行計(jì)算則會(huì)產(chǎn)生明顯的誤差[1]。以對(duì)某風(fēng)電場(chǎng)一統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)的風(fēng)速為例，當(dāng)其切入風(fēng)速高速空間平均風(fēng)速時(shí)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電功率進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)應(yīng)在其風(fēng)速與功率關(guān)系曲線中應(yīng)用空間平均風(fēng)速值，此時(shí)根據(jù)風(fēng)電機(jī)組功率輸出特征所計(jì)算的風(fēng)電功率值應(yīng)為0，但是在該統(tǒng)計(jì)時(shí)段中的實(shí)際風(fēng)速在某一階段可能會(huì)超過(guò)切入風(fēng)速，因此風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電實(shí)際功率值應(yīng)大于0。而等效平均風(fēng)速則是為了解決這一問(wèn)題而引入的風(fēng)速描述方式，并將在風(fēng)電場(chǎng)等效平均風(fēng)速條件下計(jì)算所得的風(fēng)電功率值作為風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電的實(shí)際功率值。同時(shí)，等效平均風(fēng)速在有準(zhǔn)確物理定義的基礎(chǔ)上還能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。在測(cè)量風(fēng)電場(chǎng)等效平均風(fēng)速時(shí)，應(yīng)首先確定風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行數(shù)量，并對(duì)某一指定時(shí)刻的實(shí)際風(fēng)電功率進(jìn)行測(cè)量，然后就可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速與其功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系測(cè)定風(fēng)電場(chǎng)等效平均風(fēng)速值。

3.2 函數(shù)分析

根據(jù)上述分析可知，等效平均風(fēng)速值是根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)在某一時(shí)刻的實(shí)際功率測(cè)量值計(jì)算所得，因此必須準(zhǔn)確建立其風(fēng)速實(shí)際物理量間的函數(shù)關(guān)系。在構(gòu)建二者的函數(shù)關(guān)系時(shí)，可以將風(fēng)電場(chǎng)某一指定時(shí)刻空間平均風(fēng)速作為風(fēng)速實(shí)際物理量的取值，以簡(jiǎn)化函數(shù)。根據(jù)大量地試驗(yàn)分析結(jié)果可知，在空間平均風(fēng)速與等效平均風(fēng)速間存在關(guān)聯(lián)性，因此可以通過(guò)空間平均風(fēng)速對(duì)等效平均風(fēng)速進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特性描述，而平均空間風(fēng)速所反映的主要是風(fēng)電場(chǎng)在某一指定時(shí)刻地輸出功率值。在構(gòu)建等效平均風(fēng)速與空間平均風(fēng)速間的函數(shù)關(guān)系時(shí)，應(yīng)確保該函數(shù)能夠準(zhǔn)確表述不同時(shí)段的空間平均風(fēng)速，且能夠獲得在某一時(shí)段空間平均風(fēng)速與等效平均風(fēng)速間的曲線關(guān)系[2]。由于等效平均風(fēng)速在風(fēng)電場(chǎng)不同空間平均風(fēng)速段的分布往往存在明顯的差異，因此應(yīng)采取分段擬合方式來(lái)進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)等效平均風(fēng)速函數(shù)的構(gòu)建。在實(shí)際分析時(shí)可以選擇額定風(fēng)速或者切入風(fēng)速所謂分段分界點(diǎn)，以便于分別擬合各段，并獲得風(fēng)電場(chǎng)全場(chǎng)等效平均風(fēng)速函數(shù)。

4 基于風(fēng)電場(chǎng)等效平均風(fēng)速的風(fēng)電功率日前預(yù)測(cè)研究

4.1 日前預(yù)測(cè)方法分析

在應(yīng)用風(fēng)電場(chǎng)等效平均風(fēng)速對(duì)風(fēng)電功率進(jìn)行日前預(yù)測(cè)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(cè)空間平均風(fēng)速，并在構(gòu)建風(fēng)電場(chǎng)等效風(fēng)速函數(shù)后才能對(duì)風(fēng)電功率進(jìn)行計(jì)算。在實(shí)際預(yù)測(cè)分析時(shí)，應(yīng)首先根據(jù)風(fēng)速實(shí)測(cè)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(duì)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(duì)空間平均風(fēng)速進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算[3]。之后應(yīng)在風(fēng)電場(chǎng)等效平均風(fēng)速函數(shù)中引入空間平均風(fēng)速預(yù)測(cè)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(chǎng)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(chǎng)全場(chǎng)風(fēng)電功率值，從而獲得風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電功率日前預(yù)測(cè)值。

4.2 風(fēng)電功率日前預(yù)測(cè)的主要影響因素

4.2.1 塔影以及風(fēng)剪切因素對(duì)風(fēng)電功率日前預(yù)測(cè)結(jié)果的影響

根據(jù)以風(fēng)電場(chǎng)等效平均風(fēng)速為基礎(chǔ)的風(fēng)電功率日前預(yù)測(cè)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(duì)預(yù)測(cè)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(lái)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(guó)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(zhǎng)度也隨之加長(zhǎng)，塔影效應(yīng)以及風(fēng)剪切因素對(duì)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(guò)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(lái)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)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(cè)更加客觀準(zhǔn)確。

4.2.2 風(fēng)速對(duì)風(fēng)電功率日前預(yù)測(cè)結(jié)果的影響

由于風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)地面積通常比較大，而風(fēng)能會(huì)收到場(chǎng)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(guò)大量的檢測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電場(chǎng)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(shuō)明風(fēng)速具有空間分散性特點(diǎn)，并且可以通過(guò)風(fēng)速空間偏差對(duì)不同機(jī)組風(fēng)速分散性進(jìn)行描述。風(fēng)電場(chǎng)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(chǎng)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(cè)風(fēng)電功率就會(huì)有誤差存在，而根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)等效平均風(fēng)速對(duì)風(fēng)電功率進(jìn)行日前預(yù)測(cè)分析則有利于預(yù)測(cè)精度的提高。

5 基于風(fēng)電場(chǎng)等效平均風(fēng)速的風(fēng)電功率日前預(yù)測(cè)實(shí)踐分析

5.1 建模參數(shù)的合理確定

某風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)總?cè)萘吭?0MW 左右，配置有風(fēng)電機(jī)組33臺(tái)，在對(duì)其風(fēng)電功率進(jìn)行日前預(yù)測(cè)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。

5.2 構(gòu)建風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速模型

在建立該風(fēng)電場(chǎng)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(chǎng)風(fēng)電功率日前預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，還與原始實(shí)測(cè)風(fēng)速方法進(jìn)行了對(duì)比分析。通過(guò)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(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，因此預(yù)測(cè)精度更高。

5.3 以等效平均風(fēng)速為基礎(chǔ)預(yù)測(cè)風(fēng)電功率

此外，為了進(jìn)一步驗(yàn)證以風(fēng)電場(chǎng)等效平均風(fēng)速為基礎(chǔ)的預(yù)測(cè)方法的適應(yīng)性以及預(yù)測(cè)精度，還對(duì)不同風(fēng)電場(chǎng)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(cè)值進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在不同風(fēng)電場(chǎng)采用以等效平均風(fēng)速方法的預(yù)測(cè)精度均明顯高于傳統(tǒng)計(jì)算方法，說(shuō)明該方法能夠廣泛試驗(yàn)不同風(fēng)場(chǎng)條件下的風(fēng)電功率日前預(yù)測(cè)要求，且均能夠達(dá)到較高的預(yù)測(cè)精度。

6 總結(jié)

以風(fēng)電場(chǎng)等效平均風(fēng)速為基礎(chǔ)構(gòu)建風(fēng)速模型并對(duì)風(fēng)電功率進(jìn)行日前預(yù)測(cè)，能夠準(zhǔn)確把握風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域風(fēng)速空間分散和風(fēng)電機(jī)組塔影效應(yīng)以及風(fēng)剪切因素對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的影響程度，從而可以有效提高風(fēng)電功率日前預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，為風(fēng)電大規(guī)模接入電網(wǎng)的調(diào)度控制提供了可靠的參考依據(jù)，是一種預(yù)測(cè)精度較高的通用性日前預(yù)測(cè)方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。研究人員應(yīng)通過(guò)對(duì)實(shí)際預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，不斷加強(qiáng)對(duì)該預(yù)測(cè)方法的研究，積極探索該預(yù)測(cè)方法的應(yīng)用途徑，從而推動(dòng)我國(guó)風(fēng)電技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展。