(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

0 引言

目前，能源危機(jī)已成為世界經(jīng)濟(jì)社會(huì)的巨大威脅，而以化石能源為主的傳統(tǒng)能源因其高排放、高污染的特性已成為生態(tài)環(huán)境保護(hù)的巨大威脅[1-2]。為克服能源危機(jī)與環(huán)境惡化，新能源技術(shù)得到廣泛關(guān)注并得到大力研究與開發(fā)[3-4]。風(fēng)能作為新能源中的一種，其近年來不僅得到大力的研究與開發(fā)，而且得到社會(huì)的廣泛關(guān)注[5-6]。目前，風(fēng)能已成為我國(guó)能源戰(zhàn)略的重要組成部分[7]。據(jù)報(bào)道，當(dāng)上網(wǎng)電價(jià)為0.60 元/kWh，我國(guó)風(fēng)電的經(jīng)濟(jì)可開發(fā)量為6.63萬億kW并預(yù)計(jì)風(fēng)電可在2030年可滿足全國(guó)2/3以上的總用電需求[8]。

目前，風(fēng)力發(fā)電主要采用變速恒頻雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(雙饋發(fā)電機(jī))將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能[9-10]。在實(shí)際應(yīng)用中，雙饋發(fā)電機(jī)具有提高轉(zhuǎn)換效率、降低機(jī)械應(yīng)力、以及實(shí)現(xiàn)有功與無功功率控制等優(yōu)勢(shì)[11]。因此，對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中的情況進(jìn)行研究有助于促進(jìn)風(fēng)能的開發(fā)。本文通過對(duì)某公司風(fēng)力發(fā)電機(jī)相關(guān)的風(fēng)速、實(shí)際輸出功率、實(shí)際發(fā)電量等數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)際輸出功率與實(shí)際發(fā)電量進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

1 風(fēng)電機(jī)組風(fēng)速-功率特性曲線

各風(fēng)電機(jī)組實(shí)測(cè)風(fēng)速-功率特性曲線研究基于各風(fēng)電機(jī)組在不同風(fēng)速下的實(shí)際輸出功率進(jìn)行計(jì)算。采用三次樣條插值函數(shù)對(duì)各臺(tái)風(fēng)電機(jī)組在不同風(fēng)速下的輸出功率數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)測(cè)風(fēng)速-功率特性曲線。如圖1所示，當(dāng)風(fēng)速低于3 m/s時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率幾乎為0，且增速較慢。當(dāng)風(fēng)速大于3 m/s時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率快速增長(zhǎng)，直至風(fēng)速達(dá)到約9 m/s。當(dāng)風(fēng)速大于9 m/s時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率保持穩(wěn)定。此外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所承受的最大風(fēng)速為25 m/s，當(dāng)風(fēng)速高于25 m/s時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)停止工作，其輸出功率為0。

圖1 風(fēng)電機(jī)組實(shí)測(cè)風(fēng)速-功率特性

2 基于風(fēng)速-功率特性曲線的功率預(yù)測(cè)

各期風(fēng)電機(jī)組在不同風(fēng)速下平均輸出功率與各風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同風(fēng)速下的輸出功率的計(jì)算基于對(duì)各組風(fēng)電機(jī)組在2014年的風(fēng)速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。如圖2所示，本文選擇風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行基本正常的5月、10月、11月與12月期間的風(fēng)速對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率進(jìn)行預(yù)測(cè)。風(fēng)電機(jī)組在5月、10月、11月與12月的平均風(fēng)速分別為4.35 m/s、2.54 m/s、3.43 m/s、4.11 m/s。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在5月、10月、11月余12月期間所承受風(fēng)力的波動(dòng)較大。

各機(jī)組所承受風(fēng)力隨時(shí)間波動(dòng)較大，其在2014年1月1日、3日、6日、8日、10日、12日、16日、18日、22日、26日、與29日風(fēng)速較高。依據(jù)各組風(fēng)電機(jī)組所承受風(fēng)速，可對(duì)各組風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并可根據(jù)對(duì)風(fēng)速的預(yù)測(cè)對(duì)各組風(fēng)電機(jī)的發(fā)電量進(jìn)行預(yù)測(cè)。在5月期間，風(fēng)速在1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、25號(hào)、5月27號(hào)較大。在10月期間，風(fēng)速在5號(hào)、11號(hào)、15號(hào)、16號(hào)、與26號(hào)較大。在11月期間，風(fēng)速在2號(hào)、5號(hào)、11號(hào)、12號(hào)、16號(hào)、17號(hào)、27號(hào)、與30號(hào)較大。在2014年12月，風(fēng)速則在1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、10號(hào)、15號(hào)、16號(hào)、19號(hào)、24號(hào)、與21號(hào)較大。

圖2 2014年5月、10月、11月與12月期間風(fēng)速分布

依據(jù)所測(cè)的風(fēng)速與風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)測(cè)風(fēng)速-功率輸出曲線，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在2014年5月、10月、11月與12月期間輸出功率進(jìn)行預(yù)測(cè)如圖3所示。各月間實(shí)測(cè)輸出功率與預(yù)測(cè)輸出功率分布差異主要由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行異常所導(dǎo)致。風(fēng)力發(fā)電機(jī)在2014年5月、10月、11月與12月預(yù)測(cè)平均輸出功率分別為392.2 kW、133.7 kW、259.5 kW、373.1 kW。如圖4所示，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在2014年5月、10月、11月與12月實(shí)際平均輸出功率分別為308.5 kW、86.4 kW、220.1 kW、300.8 kW。

圖3 2014年5月、10月、11月與12月期間預(yù)測(cè)輸出功率

圖4 2014年5月、10月、11月與12月實(shí)測(cè)輸出功率

預(yù)測(cè)平均輸出功率與實(shí)測(cè)平均輸出功率的對(duì)比分析如表1所示。各月間預(yù)測(cè)平均輸出功率均高于實(shí)際平均輸出功率，其絕對(duì)誤差在39.4～83.7 kW，平均差異為60.7 kW。預(yù)測(cè)平均輸出功率相對(duì)誤差在17.9%～54.8%，預(yù)測(cè)平均輸出功率平均誤差為24.0%。

表1 2014年5月、10月、11月與12月實(shí)際與預(yù)測(cè)平均輸出功率

對(duì)2014年5月、10月、11月與12月發(fā)電量根據(jù)預(yù)測(cè)平均輸出功率進(jìn)行計(jì)算，并將預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際發(fā)電量進(jìn)行對(duì)比分析如表2所示。風(fēng)力發(fā)電機(jī)預(yù)測(cè)發(fā)電量均高于實(shí)際發(fā)電量，兩者平均絕對(duì)誤差為53 084.6 kWh，且差異在2014年5月最大為86 728.8 kWh，在2014年11月差異最小為29 786 kWh。所預(yù)測(cè)的發(fā)電量的相對(duì)誤差在15.9%～33.8%，且平均相對(duì)誤差為24.8%。

表2 2014年5月、10月、11月與12月實(shí)際與預(yù)測(cè)發(fā)電量

從上述分析可見，基于實(shí)測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)速-輸出功率曲線所預(yù)測(cè)平均輸出功率與發(fā)電量誤差分布較為集中。因此，可基于預(yù)測(cè)平均相對(duì)誤差引入校正因子以提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率與發(fā)電量的預(yù)測(cè)精度。基于上述平均誤差，本文對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率預(yù)測(cè)與發(fā)電量預(yù)測(cè)分別引入0.79與0.75的校正因子?；谛Ｕ蜃铀A(yù)測(cè)平均輸出功率與發(fā)電量的絕對(duì)誤差與相對(duì)誤差分別如表3所示，引入校正因子后平均輸出功率的預(yù)測(cè)平均絕對(duì)誤差為-0.1 kW、相對(duì)誤差為-0.1%，而發(fā)電量預(yù)測(cè)的預(yù)測(cè)平均絕對(duì)誤差為-397.8 kWh，相對(duì)誤差為-0.2%?？梢姡Ｕ蜃拥囊胧癸L(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率與發(fā)電量的預(yù)測(cè)精度得到明顯提高

表3 引入校正因子后2014年各月間輸出功率與發(fā)電量預(yù)測(cè)情況

3 結(jié)語

作為一種新能源，風(fēng)能兼具清潔環(huán)保與可再生的優(yōu)勢(shì)[12-13]。作為應(yīng)對(duì)能源危機(jī)與環(huán)境危機(jī)的重要措施，風(fēng)能發(fā)電得到社會(huì)與政府的廣泛的關(guān)注與支持[14]。作為風(fēng)能發(fā)電的重要設(shè)施，目前，變速恒頻雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)得到廣泛的應(yīng)用于推廣[15]。本文針對(duì)變速恒頻雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中的具體情況進(jìn)行研究。研究表明變速恒頻雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)功率的實(shí)測(cè)風(fēng)速-功率特性曲線略高于廠家所提供的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速-功率特性曲線，此外，依據(jù)實(shí)測(cè)風(fēng)速-功率特性曲線，可根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)風(fēng)速對(duì)變速恒頻雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的輸出功率進(jìn)行分析研究。

據(jù)報(bào)道，變速恒頻雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)實(shí)測(cè)風(fēng)速-功率特性曲線略高于廠家所提供的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速-功率特性曲線[16，17]。本文首先針對(duì)各期風(fēng)電機(jī)組各風(fēng)力發(fā)電電機(jī)與各期風(fēng)電機(jī)組在不同風(fēng)速下的平均輸出功率進(jìn)行研究。根據(jù)各臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同風(fēng)速下的實(shí)測(cè)功率計(jì)算實(shí)測(cè)風(fēng)速-功率特性曲線。分析表明風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)測(cè)風(fēng)速-功率特性曲線可分為風(fēng)力發(fā)電低效區(qū)(風(fēng)速<3 m/s)、快速增長(zhǎng)區(qū)(3 m/s <風(fēng)速<9 m/s)、平臺(tái)期(9 m/s <風(fēng)速<25 m/s)，以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的停機(jī)保護(hù)區(qū)(25 m/s<風(fēng)速)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)以風(fēng)力為能量來源，依據(jù)各風(fēng)電機(jī)組所承受風(fēng)速可對(duì)各風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)功率進(jìn)行預(yù)測(cè)與計(jì)算。本文根據(jù)各風(fēng)力發(fā)電機(jī)在2014年5月、10月、11月與12月所承受的風(fēng)速數(shù)據(jù)，對(duì)各期風(fēng)電機(jī)組在各月間的功率輸出情況進(jìn)行分析計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，各期風(fēng)電機(jī)組在2014年各月間輸出功率波動(dòng)變化較大，且2014年5月、10月、11月與12月預(yù)測(cè)平均輸出功率分別為392.2 kW，133.7 kW，259.5 kW，與373.1 kW，且所預(yù)測(cè)平均輸出功率均高于實(shí)際輸出功率。這表明，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中存在異常情況，其導(dǎo)致發(fā)電功能不能完全實(shí)現(xiàn)發(fā)電能力。

此外，本文研究表明，風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)際輸出功率與發(fā)電量均低于預(yù)測(cè)值，且實(shí)際輸出功率低于預(yù)測(cè)輸出功率約21.0%，而實(shí)際發(fā)電量低于預(yù)測(cè)發(fā)電量約24.8%。因此，在基于風(fēng)速-輸出功率曲線的預(yù)測(cè)中，應(yīng)加入校正因子(輸出功率因子：0.69；發(fā)電量因子：0.75)，以綜合考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行中由于風(fēng)速過大、機(jī)器故障等原因?qū)е碌陌l(fā)電量不足。