巨吉賢 陜西黃河能源有限責(zé)任公司

1 前言

為了解決我國社會經(jīng)濟發(fā)展與能源供給不足之間的矛盾，實現(xiàn)經(jīng)濟的持續(xù)性發(fā)展，以風(fēng)能等可再生性清潔新能源開發(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)電時主要是通過對自然風(fēng)能的轉(zhuǎn)化來產(chǎn)生電力能源，但是由于受風(fēng)電自身特性的限制，風(fēng)電場的風(fēng)電功率存在一定的波動性，這會對風(fēng)電接入電網(wǎng)產(chǎn)生較大的影響，并可能都電網(wǎng)運行安全帶來風(fēng)險隱患，因此需要準(zhǔn)確預(yù)測風(fēng)電功率，才能采取有效的調(diào)度措施，以減少風(fēng)電波動對電網(wǎng)運行的干擾。在對風(fēng)電功率進(jìn)行預(yù)測時，為了防止各種客觀因素對預(yù)測結(jié)果的影響，應(yīng)科學(xué)構(gòu)建相關(guān)模型，并以風(fēng)電場的等效平均風(fēng)速為基礎(chǔ)以提高預(yù)測的準(zhǔn)確性。

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

目前在預(yù)測風(fēng)電場風(fēng)電功率時主要采用的是時間序列法，隨著我國神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能技術(shù)的發(fā)展，在時間序列法基礎(chǔ)上發(fā)展出了智能化的風(fēng)速預(yù)測方法，并以此為依據(jù)進(jìn)行風(fēng)電功率的計算分析，從而提高了風(fēng)電場風(fēng)電功率預(yù)測的準(zhǔn)確性。為了進(jìn)一步提高預(yù)測風(fēng)電功率的準(zhǔn)確性，很多研究人員在風(fēng)速預(yù)測精度方面進(jìn)行了廣泛的研究，改進(jìn)了預(yù)測方法。例如以CFD流場計算為基礎(chǔ)的預(yù)測方法主要是通過構(gòu)建不同來流狀態(tài)下所有風(fēng)機實際風(fēng)速數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫的方式實現(xiàn)對中尺度條件下的風(fēng)機風(fēng)速準(zhǔn)確預(yù)測。同時，也有研究人員以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)通過改進(jìn)模態(tài)分析法構(gòu)建風(fēng)速預(yù)測模型，以達(dá)到提高風(fēng)速預(yù)測準(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)測的準(zhǔn)確性。雖然預(yù)測方法都在不同程度上提高了風(fēng)速預(yù)測的精度，然而由于風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)向以及風(fēng)速存在較強的不確定性，導(dǎo)致風(fēng)機機組間的氣流會產(chǎn)生十分復(fù)雜的相互干擾，因此僅提高風(fēng)速預(yù)測精度仍無法滿足準(zhǔn)確預(yù)測風(fēng)電場風(fēng)電功率的實際需要?，F(xiàn)有的時序預(yù)測法以及以天氣預(yù)報數(shù)值為急促的風(fēng)速預(yù)測均是對風(fēng)電場內(nèi)空間平均風(fēng)速的整體特征進(jìn)行的預(yù)測分析，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)的計算預(yù)測方法難以準(zhǔn)確反映風(fēng)電場的實際風(fēng)速值。此外，由于風(fēng)電場內(nèi)往往有多臺風(fēng)電機組存在，彼此之間會產(chǎn)生相互的干擾作用，因此即使在同一時刻不同風(fēng)機風(fēng)輪上實際施加的風(fēng)速值也并不完全一致，風(fēng)電場內(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)測方法難以對場內(nèi)風(fēng)速的整體特征進(jìn)行準(zhǔn)確的描述。為了實現(xiàn)對風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)電效率的準(zhǔn)確預(yù)測，在日前預(yù)測工作中應(yīng)充分考慮風(fēng)速的空間分散性特點，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)電場風(fēng)電功率預(yù)測經(jīng)驗，對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，科學(xué)驗證驗證不同的預(yù)測方法，這樣才能使風(fēng)電場風(fēng)電功率日前預(yù)測方法具有較強準(zhǔn)確性和通用性。在此背景下本文提出了以風(fēng)電場等效平均風(fēng)速為基礎(chǔ)的風(fēng)電功率預(yù)測方法，下面將對該預(yù)測方法進(jìn)行詳細(xì)的分析研究。

3 概述風(fēng)電場等效平均風(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，風(fēng)電場的風(fēng)速所具有的空間分散性特征，因此在對風(fēng)電功率進(jìn)行日前預(yù)測時存在較大的難度，難以準(zhǔn)確進(jìn)行風(fēng)速模型的構(gòu)建，而直接采用簡單的空間平均風(fēng)速進(jìn)行計算則會產(chǎn)生明顯的誤差[1]。以對某風(fēng)電場一統(tǒng)計時段內(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，對風(fēng)電場風(fēng)電功率進(jìn)行計算分析時應(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，此時根據(jù)風(fēng)電機組功率輸出特征所計算的風(fēng)電功率值應(yīng)為0，但是在該統(tǒng)計時段中的實際風(fēng)速在某一階段可能會超過切入風(fēng)速，因此風(fēng)電場的風(fēng)電實際功率值應(yīng)大于0。而等效平均風(fēng)速則是為了解決這一問題而引入的風(fēng)速描述方式，并將在風(fēng)電場等效平均風(fēng)速條件下計算所得的風(fēng)電功率值作為風(fēng)電場風(fēng)電的實際功率值。同時，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)行實時測量。在測量風(fēng)電場等效平均風(fēng)速時，應(yīng)首先確定風(fēng)電機組的實際運行數(shù)量，并對某一指定時刻的實際風(fēng)電功率進(jìn)行測量，然后就可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速與其功率的對應(yīng)關(guān)系測定風(fēng)電場等效平均風(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)電場在某一時刻的實際功率測量值計算所得，因此必須準(zhǔn)確建立其風(fēng)速實際物理量間的函數(shù)關(guān)系。在構(gòu)建二者的函數(shù)關(guān)系時，可以將風(fēng)電場某一指定時刻空間平均風(fēng)速作為風(fēng)速實際物理量的取值，以簡化函數(shù)。根據(jù)大量地試驗分析結(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，因此可以通過空間平均風(fēng)速對等效平均風(fēng)速進(jìn)行統(tǒng)計特性描述，而平均空間風(fēng)速所反映的主要是風(fēng)電場在某一指定時刻地輸出功率值。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，應(yīng)確保該函數(shù)能夠準(zhǔn)確表述不同時段的空間平均風(fēng)速，且能夠獲得在某一時段空間平均風(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進(jìn)行風(fēng)電場等效平均風(fēng)速函數(shù)的構(gòu)建。在實際分析時可以選擇額定風(fēng)速或者切入風(fēng)速所謂分段分界點，以便于分別擬合各段，并獲得風(fēng)電場全場等效平均風(fēng)速函數(shù)。

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

4.1 日前預(yù)測方法分析

在應(yīng)用風(fēng)電場等效平均風(fēng)速對風(fēng)電功率進(jìn)行日前預(yù)測分析時，需要根據(jù)風(fēng)電機組的運行情況建立風(fēng)速模型并計算預(yù)測空間平均風(fēng)速，并在構(gòu)建風(fēng)電場等效風(fēng)速函數(shù)后才能對風(fēng)電功率進(jìn)行計算。在實際預(yù)測分析時，應(yīng)首先根據(jù)風(fēng)速實測數(shù)據(jù)以及風(fēng)機塔影效應(yīng)和風(fēng)剪切因素等完成風(fēng)速模型的構(gòu)建，并對風(fēng)速序列進(jìn)行計算分析。然后再根據(jù)風(fēng)速序列計算空間平均風(fēng)速值，同時以ARMA模型為基礎(chǔ)，采用時間序列方法對空間平均風(fēng)速進(jìn)行預(yù)測計算[3]。之后應(yīng)在風(fēng)電場等效平均風(fēng)速函數(shù)中引入空間平均風(fēng)速預(yù)測值，并進(jìn)行等效風(fēng)速序列的計算。最后應(yīng)根據(jù)風(fēng)電場風(fēng)機功率與標(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)電機組的實際運行數(shù)量值等求取風(fēng)電場全場風(fēng)電功率值，從而獲得風(fēng)電場風(fēng)電功率日前預(yù)測值。

4.2 風(fēng)電功率日前預(yù)測的主要影響因素

4.2.1 塔影以及風(fēng)剪切因素對風(fēng)電功率日前預(yù)測結(jié)果的影響

根據(jù)以風(fēng)電場等效平均風(fēng)速為基礎(chǔ)的風(fēng)電功率日前預(yù)測方法可知，風(fēng)電機組的塔影效應(yīng)以及風(fēng)剪切因素均會對預(yù)測結(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)速在垂直方向上會隨著高度的不斷增高而相應(yīng)的加大。特別是隨著我國風(fēng)電機組不斷向大型化方向發(fā)展，塔架高度相應(yīng)增加，同時葉片半徑的長度也隨之加長，塔影效應(yīng)以及風(fēng)剪切因素對風(fēng)電功率的影響程度進(jìn)一步增強。當(dāng)槳葉半徑增加時，其風(fēng)輪的掃掠范圍也相應(yīng)地加大，此時在風(fēng)剪切等因素的共同作用下，掃掠面積可能會超過陣風(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)速來對風(fēng)電場空間平均風(fēng)速進(jìn)行計算就會產(chǎn)生較大的誤差。因此在計算時應(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)測更加客觀準(zhǔn)確。

4.2.2 風(fēng)速對風(fēng)電功率日前預(yù)測結(jié)果的影響

由于風(fēng)電場場地面積通常比較大，而風(fēng)能會收到場內(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)計時段內(nèi)的不同空間位置的風(fēng)速也并不一致。通過大量的檢測分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電場內(nèi)各風(fēng)電機組在不同時刻的風(fēng)速最大值均與其最小值存在明顯的不同，說明風(fēng)速具有空間分散性特點，并且可以通過風(fēng)速空間偏差對不同機組風(fēng)速分散性進(jìn)行描述。風(fēng)電場內(nèi)一般存在風(fēng)電機組臺數(shù)較多，甚至能夠達(dá)到幾百臺以上，且占地面積能夠達(dá)到數(shù)十孔里，因此風(fēng)電場內(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)測風(fēng)電功率就會有誤差存在，而根據(jù)風(fēng)電場等效平均風(fēng)速對風(fēng)電功率進(jìn)行日前預(yù)測分析則有利于預(yù)測精度的提高。

5 基于風(fēng)電場等效平均風(fēng)速的風(fēng)電功率日前預(yù)測實踐分析

5.1 建模參數(shù)的合理確定

某風(fēng)電場裝機總?cè)萘吭?0MW 左右，配置有風(fēng)電機組33臺，在對其風(fēng)電功率進(jìn)行日前預(yù)測時采用了等效平均風(fēng)速方法，并結(jié)合其風(fēng)電機組指標(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)電場風(fēng)速模型

在建立該風(fēng)電場風(fēng)速模型時，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。同時為了準(zhǔn)確掌握基于等效平均風(fēng)速的風(fēng)電場風(fēng)電功率日前預(yù)測的準(zhǔn)確性，還與原始實測風(fēng)速方法進(jìn)行了對比分析。通過計算發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)電功率的計算中，以風(fēng)速模型為基礎(chǔ)的計算結(jié)果與實際功率值更加接近，由于其充分考慮了塔影效應(yīng)以及風(fēng)剪切對計算結(jié)果的影響，因此預(yù)測精度更高。

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

此外，為了進(jìn)一步驗證以風(fēng)電場等效平均風(fēng)速為基礎(chǔ)的預(yù)測方法的適應(yīng)性以及預(yù)測精度，還對不同風(fēng)電場的風(fēng)電功率分別進(jìn)行了計算分析，且同樣與傳統(tǒng)計算方法的預(yù)測值進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)在不同風(fēng)電場采用以等效平均風(fēng)速方法的預(yù)測精度均明顯高于傳統(tǒng)計算方法，說明該方法能夠廣泛試驗不同風(fēng)場條件下的風(fēng)電功率日前預(yù)測要求，且均能夠達(dá)到較高的預(yù)測精度。

6 總結(jié)

以風(fēng)電場等效平均風(fēng)速為基礎(chǔ)構(gòu)建風(fēng)速模型并對風(fēng)電功率進(jìn)行日前預(yù)測，能夠準(zhǔn)確把握風(fēng)電場區(qū)域風(fēng)速空間分散和風(fēng)電機組塔影效應(yīng)以及風(fēng)剪切因素對預(yù)測結(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)測精度較高的通用性日前預(yù)測方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。研究人員應(yīng)通過對實際預(yù)測經(jīng)驗的總結(jié)，不斷加強對該預(yù)測方法的研究，積極探索該預(yù)測方法的應(yīng)用途徑，從而推動我國風(fēng)電技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展。