孫小龍，李成家，李 佳，張 拓，溫培思

(1.延長匯通風(fēng)電有限公司，陜西 延安 717100; 2．國網(wǎng)陜西省電力公司，陜西 西安 710048)

受新能源平價上網(wǎng)政策逐步實(shí)施的影響，國內(nèi)迎來了新一輪風(fēng)力發(fā)電建設(shè)潮。由于風(fēng)資源自身的特點(diǎn)，精準(zhǔn)的功率預(yù)測能夠精準(zhǔn)地指導(dǎo)未來某段時間的發(fā)電能力，有助于電網(wǎng)企業(yè)穩(wěn)定電網(wǎng)運(yùn)行。對于風(fēng)電場經(jīng)營企業(yè)而言，精準(zhǔn)的功率預(yù)測系統(tǒng)能夠避免考核罰款，提高新能源消納能力。以西北能監(jiān)局《西北區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》要求為例，新能源場站的功率預(yù)測相關(guān)考核有預(yù)測數(shù)據(jù)上傳率、短期功率預(yù)測、超短期功率預(yù)測及可用電量日準(zhǔn)確率等4個方面[1]。

另一方面，隨著電力市場化改革的推進(jìn)，新能源企業(yè)參與電量交易的比例愈來愈高。如圖1所示，通過與自動發(fā)電控制系統(tǒng)(AGC，Automatic Generating Control System)的配合，功率預(yù)測系統(tǒng)能夠指導(dǎo)風(fēng)電場經(jīng)營企業(yè)參與交易時的測算，避免風(fēng)功率預(yù)測小于實(shí)際發(fā)電時的限電損失，或者風(fēng)功率預(yù)測大于實(shí)際發(fā)電時的交易短缺產(chǎn)生的考核。

圖1 功率預(yù)測系統(tǒng)在新能源場站的功能

經(jīng)過多年的探索實(shí)踐和技術(shù)創(chuàng)新，目前大多數(shù)預(yù)測系統(tǒng)能達(dá)到國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。但是由于功率預(yù)測系統(tǒng)的軟硬件自身缺陷或新能源企業(yè)管理原因，仍不時產(chǎn)生預(yù)測偏差[2]。本文結(jié)合工程實(shí)踐，從硬件設(shè)備和軟件模型2個維度，討論如何提升風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和預(yù)測的準(zhǔn)確度。

1 硬件設(shè)備的維護(hù)管理

1.1 降低測風(fēng)塔選型和選址的影響

風(fēng)電場氣象數(shù)據(jù)的采集和存儲，不僅是超短期預(yù)測的關(guān)鍵，也是短期功率預(yù)測中數(shù)值天氣預(yù)報數(shù)據(jù)驗證、校正的重要依據(jù)。國內(nèi)目前均采用桁架式結(jié)構(gòu)的測風(fēng)塔氣象站進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)的采集和儲存。測風(fēng)塔大多都采用鋼絲繩逐層斜拉分級加固方式，搭載了傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、電源等自動氣象監(jiān)測電子元器件[3]。

測風(fēng)塔微觀選址應(yīng)選擇資源代表性強(qiáng)、海拔梯度變化微弱的區(qū)域作為測風(fēng)塔的初選位置，測風(fēng)塔安裝位置的海拔，應(yīng)該與風(fēng)力發(fā)電場的場址平均海拔相當(dāng)。并且選擇風(fēng)電場主風(fēng)向的上風(fēng)向位置，附近無高大建筑物、樹木或輸電桿塔等障礙物，與臨近的障礙物的距離宜保持在障礙物最大高度10倍以上。

測風(fēng)塔的選型也要考慮測風(fēng)塔安裝位置的氣候特點(diǎn)，例如南方易發(fā)生凍雨區(qū)域應(yīng)考慮測風(fēng)塔是抗凍雨加強(qiáng)型塔身設(shè)計，北方低溫區(qū)域如內(nèi)蒙古、新疆等應(yīng)采用低溫型設(shè)計。恰當(dāng)?shù)倪x型有助于獲取與風(fēng)電場實(shí)際最接近的氣象數(shù)據(jù)，使預(yù)測模型修正更為精確。

1.2 加強(qiáng)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)日常管理

氣象數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)主要包括氣象監(jiān)測站、通信信道和中心站。測風(fēng)塔采集的各高度層實(shí)時氣象數(shù)據(jù)，通過氣象數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，按照一定的通信規(guī)約通過通信通道發(fā)送至中心站。

導(dǎo)致氣象數(shù)據(jù)異常的常見原因有3個方面：①監(jiān)測系統(tǒng)僅有1套光伏發(fā)電系統(tǒng)及備用電池供電，梅雨季節(jié)或者連續(xù)多日大霧天氣導(dǎo)致供電系統(tǒng)耗盡，系統(tǒng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)；②傳感器損壞或內(nèi)部元器件受潮導(dǎo)致通信不穩(wěn)定或數(shù)據(jù)傳輸丟包；③系統(tǒng)軟件死機(jī)等。

在實(shí)際工程實(shí)踐中，要求將數(shù)據(jù)采集狀態(tài)、氣象數(shù)據(jù)下載狀態(tài)和上報狀態(tài)納入值班員監(jiān)盤范圍，數(shù)據(jù)異常時立即安排對測風(fēng)塔和氣象站進(jìn)行檢修。同時，將對測風(fēng)塔和氣象站設(shè)備的巡檢周期縮短到每周1次，維護(hù)周期確定為每季度1次。重點(diǎn)時清潔各類傳感器，檢查氣壓計的通氣孔內(nèi)有沒有被異物堵塞，檢查校準(zhǔn)風(fēng)向標(biāo)的北方位。

1.3 關(guān)注風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)速儀的檢修

風(fēng)速測量儀安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙的頂部，風(fēng)速儀測量到風(fēng)資源信息，通過軟件補(bǔ)償后參與功率曲線的擬合。風(fēng)速儀常見的異常有風(fēng)向標(biāo)零刻度偏差較大、配套的測溫傳感器失效等。傳統(tǒng)的機(jī)械式風(fēng)速儀在冬季很容易因結(jié)冰而停止測量，目前推廣使用超聲波測速儀。

2 功率預(yù)測模型的優(yōu)化

雖然近年來風(fēng)電場功率預(yù)測的技術(shù)探索較多，但是應(yīng)用于商業(yè)運(yùn)營的技術(shù)路線已經(jīng)相對穩(wěn)定，通過歷史數(shù)據(jù)的分析，進(jìn)行變化規(guī)律和趨勢預(yù)測的方法已經(jīng)不再作為最基礎(chǔ)的預(yù)測模型。大多數(shù)功率預(yù)測系統(tǒng)的主要預(yù)測過程是數(shù)值天氣預(yù)報NWP(Numeric Weather Prediction)在氣象模型和風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率模型中的計算得到電功率[4]，并且進(jìn)行預(yù)測偏差的修正。

如圖2所示，根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用經(jīng)驗，氣象模型、功率曲線模型和偏差修正策略直接影響功率預(yù)測系統(tǒng)的精度。結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用實(shí)踐，對氣象模型、功率曲線模型等這幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)的效果提升進(jìn)行論述。

圖2 功率預(yù)測過程

2.1 氣象數(shù)據(jù)的訂正

氣象部門提供的天氣預(yù)報數(shù)據(jù)一般都是大范圍內(nèi)的預(yù)測，分辨率較差，很難達(dá)到水平分辨率1 km的要求。但是氣象預(yù)報數(shù)據(jù)在模型輸入中起著極其重要的作用，因此通過對前端輸入氣象模式預(yù)報的訂正可以為每日功率預(yù)測提供及時修正，減小預(yù)報誤差。

圖3是某風(fēng)電場20天的氣象預(yù)報預(yù)測偏差及氣象數(shù)據(jù)訂正后的預(yù)報誤差對比。對比該風(fēng)電場的原始?xì)庀笤醇坝喺Y(jié)果，數(shù)據(jù)顯示訂正后的結(jié)果在不同程度上對原始預(yù)報都進(jìn)行了優(yōu)化，訂正結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)誤差更小。

圖3 某風(fēng)電場氣象預(yù)報誤差及數(shù)據(jù)訂正后誤差對比

同時要定期檢查訂正效果，或者按照訂正后效果測試新算法和新模型，對預(yù)測過程不斷進(jìn)行優(yōu)化，減小功率預(yù)測誤差，提高精確度。

2.2 功率預(yù)測模型的持續(xù)優(yōu)化

新能源場站的超短期功率預(yù)測，目前的規(guī)則要求是每15 min預(yù)測場站未來0～4 h的功率，并將預(yù)測結(jié)果上傳至調(diào)度部門的主站，按照每15 min取1個點(diǎn)，上傳16個點(diǎn)。而新能源場站的短期預(yù)測，要預(yù)測未來4 天的數(shù)據(jù)，也是按照每15 min取1個點(diǎn)。物理模型在短期功率預(yù)測精度高，但該類模型的計算量較大，并不適合超短期功率預(yù)測。統(tǒng)計模型的優(yōu)勢在于超短期功率預(yù)測，目前較為成熟的統(tǒng)計模型有采用極限學(xué)習(xí)機(jī)等[5]。

由于各類預(yù)測模型都有自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，用單個預(yù)測模型獲得的預(yù)測結(jié)果，很難保證在任何工況下的預(yù)測結(jié)果都是合格的。因此工程實(shí)踐中必須綜合多種模型的優(yōu)點(diǎn)建立組合預(yù)測模型[6]。但是建立組合預(yù)測模型時必須注意，使用同源的數(shù)值天氣預(yù)報NWP，即使采用不同的預(yù)測模型，其預(yù)測誤差的形態(tài)仍相似，使用非同源的數(shù)值天氣預(yù)報NWP，通過多源異構(gòu)克服此類缺陷。

對于可用發(fā)電功率的預(yù)測，以西北能監(jiān)局《西北區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》第33條為例進(jìn)行說明。可用發(fā)電功率是指考慮場站內(nèi)設(shè)備的故障、檢修等原因引起受阻后場站發(fā)出的功率。理論發(fā)電功率是指在當(dāng)前風(fēng)、光資源條件下，場站內(nèi)所有的發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行時能夠發(fā)出的功率。很顯然，在任何時刻都存在著如下邏輯，如果式(1)中的邏輯不成立，則說明預(yù)測系統(tǒng)運(yùn)行異常。

理論功率Pc≥可用功率Pu≥實(shí)際功率Pa

(1)

可用發(fā)電功率的預(yù)測較為簡單，在實(shí)際計算過程中有多種方法，如測風(fēng)塔資源外推法、機(jī)艙測速儀風(fēng)速法和樣板機(jī)法。這3種方法都是先計算得到單臺風(fēng)機(jī)，再將全場風(fēng)機(jī)的相關(guān)結(jié)果相加。由于樣板機(jī)的代表性和全場風(fēng)機(jī)的地理位置導(dǎo)致的資源差異，樣板機(jī)法計算的全場可用發(fā)電功率的準(zhǔn)確度最低，測風(fēng)塔資源外推法和機(jī)艙測速儀風(fēng)速法的預(yù)測準(zhǔn)確度都較高。實(shí)際上工程實(shí)踐上采用這3種預(yù)測方法的組合方式，如圖4所示，其中u、v和w分別是設(shè)定的權(quán)重值，并且是可以通過修改u、v和w，以找到最佳的預(yù)測準(zhǔn)確度。

圖4 可用發(fā)電功率的預(yù)測過程

2.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)自身功率曲線的優(yōu)化

功率曲線指風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率和風(fēng)速之間關(guān)系的對應(yīng)曲線。一般分為合同約定的理論功率曲線和現(xiàn)場運(yùn)行的實(shí)際功率曲線，理論上兩者一致。但是如果2條功率曲線不一致，風(fēng)電場全場實(shí)際功率與理論輸出功率會產(chǎn)生偏差，進(jìn)而會導(dǎo)致功率預(yù)測準(zhǔn)確率降低[7]。

在實(shí)際工程實(shí)踐中，導(dǎo)致實(shí)際功率曲線與理論功率曲線產(chǎn)生偏差的常見原因有3個方面：①機(jī)組控制程序參數(shù)設(shè)定錯誤或不準(zhǔn)確，即使在同一個風(fēng)場，不同的機(jī)組的海拔高度、風(fēng)速計修正以及葉片零位設(shè)定等也不同，常見的問題是同一個風(fēng)場的參數(shù)都相同，沒有考慮個體間的差異；②風(fēng)力發(fā)電機(jī)長時間運(yùn)行后葉片因長時間和空氣高速摩擦導(dǎo)致的靜電吸附效應(yīng)，葉片沾染大量灰塵、泥沙等，導(dǎo)致葉片氣動布局發(fā)生變化，引起功率曲線發(fā)生改變；③個別永磁直驅(qū)機(jī)組的永磁體退磁導(dǎo)致機(jī)組勵磁減退，功率曲線無法達(dá)到要求。只要采取了合適的軟件參數(shù)修正，實(shí)際功率曲線和理論功率曲線就能夠?qū)崿F(xiàn)高度重合，消除由此引起的功率預(yù)測偏差。

2.4 篩選優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)修正預(yù)測偏差

由于目前新能源場站普遍存在限負(fù)荷、計劃停電等場外受累發(fā)電的情況，會影響誤導(dǎo)模型的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練過程，必須進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，以實(shí)現(xiàn)對原始實(shí)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制。實(shí)際工程實(shí)踐上，一般是將限電時段、風(fēng)機(jī)檢修時段的數(shù)據(jù)歸類為無效數(shù)據(jù)并予以剔除。

通過剔除非正常發(fā)電規(guī)律數(shù)據(jù)等影響預(yù)測模型效果的因素，篩選出非場外受累時段的高質(zhì)量實(shí)測發(fā)電數(shù)據(jù)，及時提取正常發(fā)電的特征要素，并用于提升算法模型的訓(xùn)練測試。以圖5為例，圖中藍(lán)色點(diǎn)代表實(shí)測數(shù)據(jù)，紅色曲線為理論發(fā)電功率。右側(cè)曲線為未剔除異常數(shù)據(jù)，左側(cè)曲線為剔除異常數(shù)據(jù)后的理論功率預(yù)測曲線。對比未過濾限電數(shù)據(jù)前的預(yù)測曲線和過濾限電數(shù)據(jù)后的預(yù)測曲線，可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過數(shù)據(jù)過濾后得到的預(yù)測曲線(左側(cè)曲線)更接近實(shí)際發(fā)電功率曲線。

圖5 數(shù)據(jù)篩選前后的效果對比

山地風(fēng)場的地形較為復(fù)雜，而且局部氣象不統(tǒng)一、部分風(fēng)機(jī)尾流效應(yīng)大的現(xiàn)象普遍[8]，可以將預(yù)測偏差較大的某幾臺風(fēng)機(jī)，從全場風(fēng)機(jī)中篩選出來，進(jìn)行單獨(dú)的預(yù)測結(jié)果校正。

3 其他因地制宜的策略

直接或間接影響風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和預(yù)測精度的因素較多，例如地形地貌、溫濕度、氣壓、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的性能和可控限負(fù)荷等，因此很難制定一套適用于全部風(fēng)力發(fā)電場的功率預(yù)測策略，必須采取適合本區(qū)域的合理策略。

對季節(jié)性溫差變化較大的區(qū)域，如冬夏季溫差可達(dá)50 ℃以上的場站，由溫度帶來的空氣密度偏差會引起機(jī)組出力變化，影響可用功率等的計算。而有的場站在一定的風(fēng)速區(qū)間內(nèi)預(yù)測偏差較為明顯，但是該風(fēng)速區(qū)間外的預(yù)測效果較好。圖6是某風(fēng)電場預(yù)測偏差與風(fēng)場平均風(fēng)速的關(guān)系圖，該風(fēng)電場在風(fēng)速超過14 m/s時，容易產(chǎn)生較高的單點(diǎn)偏差從而導(dǎo)致預(yù)測準(zhǔn)確率下降，應(yīng)該分析產(chǎn)生偏差的具體原因，例如是否出現(xiàn)了限電情況等，進(jìn)而采取有針對性的策略。與此相類似的情況，例如存在計劃性停機(jī)檢修等情況時，應(yīng)采取人工置數(shù)等措施及時干預(yù)。

圖6 某風(fēng)電場預(yù)測偏差與風(fēng)速間的關(guān)系

4 結(jié)束語

在實(shí)際工程實(shí)踐中，由于功率預(yù)測系統(tǒng)的源代碼未開發(fā)，功率預(yù)測系統(tǒng)相當(dāng)于是“黑匣子”。但是通過功率預(yù)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析功能，可以分析出系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。以筆者所在場站為例，2020年1—10月的考核比2018年同期下降了51%。而且精準(zhǔn)的功率預(yù)測系統(tǒng)能夠促進(jìn)新能源的更大規(guī)模發(fā)展，對電網(wǎng)更加友好。