李照榮，趙文婧，王有生，閆曉敏，李 遙，達(dá)選芳

（1.甘肅省氣象局，甘肅 蘭州730020；2.甘肅省氣象服務(wù)中心，甘肅 蘭州730020）

風(fēng)能是一種重要的可大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用的再生能源。近年來(lái)，隨著風(fēng)電設(shè)備制造技術(shù)的普及和風(fēng)機(jī)廠商制造規(guī)模的不斷擴(kuò)展，風(fēng)電已成為世界范圍內(nèi)發(fā)展最快的主要電源之一[1-4]。在我國(guó)，風(fēng)能資源尤為豐富。如甘肅省河西走廊受特殊地形“狹管效應(yīng)”影響，使得流入氣流在河西走廊加速，具有得天獨(dú)厚的風(fēng)資源優(yōu)勢(shì)。截止2016年，甘肅省風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)1 262×104kW，居全國(guó)第3位。風(fēng)功率預(yù)測(cè)氣象服務(wù)的市場(chǎng)需求前景廣闊。由于風(fēng)電天然具有隨機(jī)性、間歇性和波動(dòng)性等特點(diǎn)，風(fēng)力發(fā)電給電網(wǎng)調(diào)度帶來(lái)極大困難；對(duì)風(fēng)電進(jìn)行科學(xué)管理和有效調(diào)度，可以提高電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力；風(fēng)電功率預(yù)測(cè)是保障風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)、提高風(fēng)能可利用率的重要技術(shù)手段[5-8]。因此，為滿足風(fēng)電發(fā)展需要和電力系統(tǒng)調(diào)度需要、提高風(fēng)能利用效率，提供準(zhǔn)確率較高的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)是必要的。

風(fēng)電功率短期預(yù)測(cè)方法主要有統(tǒng)計(jì)法和原理法。統(tǒng)計(jì)法是建立系統(tǒng)輸入（如數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品）和風(fēng)功率之間的映射關(guān)系，可自動(dòng)減小數(shù)值預(yù)報(bào)模式系統(tǒng)誤差。統(tǒng)計(jì)法的缺陷在于需要大量的樣本建模，受建模樣本限制，很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)在訓(xùn)練階段很少出現(xiàn)的天氣狀況。原理法是直接將預(yù)測(cè)風(fēng)速代入擬合的風(fēng)功率曲線預(yù)測(cè)功率，并不需要長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)，且更適用于復(fù)雜地形[7-9]。由于原理法是基于歷史實(shí)況數(shù)據(jù)建立風(fēng)功率預(yù)測(cè)模型，因此數(shù)值預(yù)報(bào)模式改動(dòng)時(shí)，預(yù)測(cè)模型不會(huì)受影響，可保障業(yè)務(wù)工作連續(xù)進(jìn)行[10]。

風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)電功率除了與風(fēng)速有關(guān)，還受風(fēng)向、風(fēng)機(jī)損耗、風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)環(huán)境等影響[1，11]，因此，風(fēng)機(jī)出廠時(shí)的初始風(fēng)功率曲線并不完全符合風(fēng)機(jī)實(shí)際發(fā)電情況。綜合上述情況，基于原理法的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合風(fēng)機(jī)出廠基本信息、風(fēng)電場(chǎng)限電記錄、風(fēng)機(jī)實(shí)況風(fēng)速和實(shí)況功率數(shù)據(jù)，逐步剔除限電數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)；應(yīng)用非線性回歸方法對(duì)風(fēng)機(jī)初始風(fēng)功率曲線訂正，建立訂正模型；以預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率和偏差積分電量為評(píng)估指標(biāo)，對(duì)風(fēng)電短期功率訂正模型與原理法模型的預(yù)測(cè)效果進(jìn)行對(duì)比評(píng)估。

1 資料與方法

1.1 資料

選取甘肅省9家風(fēng)電場(chǎng)2017年4、7和8月數(shù)據(jù)（5—6月為業(yè)務(wù)系統(tǒng)升級(jí)調(diào)試階段，實(shí)況數(shù)據(jù)中斷較多），具體包括BJ_RUC數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品（逐15 min風(fēng)機(jī)機(jī)頭預(yù)報(bào)風(fēng)速），風(fēng)場(chǎng)實(shí)況數(shù)據(jù)（限電記錄，逐15 min風(fēng)機(jī)機(jī)頭風(fēng)速、單臺(tái)風(fēng)機(jī)功率、全場(chǎng)功率），風(fēng)機(jī)出廠基本信息（切入風(fēng)速、滿發(fā)風(fēng)速、切出風(fēng)速、額定功率等）。4月數(shù)據(jù)用于建模，7、8月數(shù)據(jù)作為測(cè)試樣本用于評(píng)估預(yù)測(cè)效果。9家風(fēng)電場(chǎng)分布于河西戈壁、河?xùn)|丘陵山地等，所處地形復(fù)雜。目前各風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的風(fēng)機(jī)型號(hào)、風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)與電場(chǎng)總裝機(jī)容量如表1所示。

表1 風(fēng)電場(chǎng)基本信息

數(shù)據(jù)預(yù)處理：通過(guò)分風(fēng)速段逐步篩選，剔除在切入風(fēng)速之后實(shí)況功率≤0的數(shù)據(jù)、切入風(fēng)速與滿發(fā)風(fēng)速之間受限電影響的實(shí)況功率數(shù)據(jù)和其他異常數(shù)據(jù)，對(duì)樣本進(jìn)行嚴(yán)格質(zhì)量控制，建立風(fēng)電建模樣本庫(kù)。

1.2 方法

原理法與訂正算法均針對(duì)風(fēng)速在切入風(fēng)速與滿發(fā)風(fēng)速之間的區(qū)間。風(fēng)速小于切入風(fēng)速或大于切出風(fēng)速，風(fēng)功率為0；風(fēng)速介于滿發(fā)風(fēng)速與切出風(fēng)速之間，風(fēng)功率為額定功率。

（1）原理法，單臺(tái)風(fēng)機(jī)輸出功率pi算法[12，13]如下：

式中，ρ為空氣密度，F(xiàn)為風(fēng)機(jī)葉輪掃過(guò)的面積，ε為風(fēng)電轉(zhuǎn)換率，Vi為風(fēng)機(jī)機(jī)頭風(fēng)速。全場(chǎng)風(fēng)功率P計(jì)算方法：

式中，Numi為該型號(hào)對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)，N為風(fēng)機(jī)種類數(shù)目。

（2）基于非線性回歸的初始風(fēng)功率曲線訂正方法。

分析風(fēng)機(jī)出廠的風(fēng)速和功率對(duì)應(yīng)的初始關(guān)系，得出初始風(fēng)功率曲線近似于一元三次函數(shù)曲線。每種型號(hào)風(fēng)機(jī)的初始風(fēng)功率曲線是在理想的條件下得出的風(fēng)速與功率對(duì)應(yīng)關(guān)系，受風(fēng)向、風(fēng)機(jī)損耗、風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)環(huán)境等因素的影響，風(fēng)機(jī)的實(shí)際發(fā)電情況與初始曲線存在一定偏差。因此，通過(guò)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制剔除受限電影響的數(shù)據(jù)和其他異常值，應(yīng)用非線性回歸方法重新建立風(fēng)速和風(fēng)功率之間的非線性函數(shù)[7，14，15]，得到訂正后的風(fēng)功率曲線，以期更適應(yīng)于不同環(huán)境風(fēng)場(chǎng)的實(shí)際發(fā)電情況。

訂正后單臺(tái)風(fēng)機(jī)輸出功率pdi算法如下：

式中，Vi為風(fēng)機(jī)機(jī)頭風(fēng)速，X1、X2、X3為回歸系數(shù)，C為常數(shù)項(xiàng)。

訂正后全場(chǎng)風(fēng)功率Pd計(jì)算方法：

1.3 計(jì)算

由于調(diào)度決策，風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)時(shí)發(fā)電存在限電情況。風(fēng)電場(chǎng)工作人員具體操作時(shí)會(huì)對(duì)非樣板風(fēng)機(jī)先限制負(fù)荷，其次考慮對(duì)樣板風(fēng)機(jī)限電，因此樣板風(fēng)機(jī)的實(shí)況數(shù)據(jù)質(zhì)量相對(duì)更穩(wěn)定可靠，建模樣本選取樣板風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)。

訂正過(guò)程為利用甘肅省河西和河?xùn)|9家風(fēng)電場(chǎng)2017年4月各型號(hào)樣板風(fēng)機(jī)逐15 min風(fēng)機(jī)實(shí)況風(fēng)速和實(shí)況功率數(shù)據(jù)，基于嚴(yán)格質(zhì)量控制的樣本庫(kù)，分析各風(fēng)電場(chǎng)各型號(hào)樣板風(fēng)機(jī)的實(shí)況風(fēng)速—功率散點(diǎn)圖，通過(guò)非線性回歸方法計(jì)算，重新擬合風(fēng)速與風(fēng)功率之間的函數(shù)關(guān)系。得到各風(fēng)電場(chǎng)不同型號(hào)風(fēng)機(jī)的回歸系數(shù)和訂正后的切入風(fēng)速、滿發(fā)風(fēng)速、切出風(fēng)速（表2）。

表2 風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)訂正后基礎(chǔ)參數(shù)

以甘肅省河?xùn)|環(huán)縣南湫和河西玉門黑崖子、玉門黑崖子西風(fēng)電場(chǎng)為例，給出訂正前后各型號(hào)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速—功率散點(diǎn)圖和曲線圖（圖1）。

玉門黑崖子風(fēng)電場(chǎng)僅有一種型號(hào)的風(fēng)機(jī)，為湘電XE2000/D80，該型號(hào)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速—功率關(guān)系如圖1a、1b所示。環(huán)縣南湫風(fēng)電場(chǎng)共兩種型號(hào)的風(fēng)機(jī)，為湘電XE2000/D93和南車WT1500/D88，兩種型號(hào)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速—功率關(guān)系如圖1c～1f所示。玉門黑崖子西風(fēng)電場(chǎng)共兩種型號(hào)的風(fēng)機(jī)，為湘電XE2000/D80和華銳SL3000/D113，兩種型號(hào)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速—功率關(guān)系如圖1g～j所示。

同一風(fēng)速段初始曲線所得風(fēng)功率平均較實(shí)況功率偏大（偏?。┱?，訂正后的曲線整體或在部分風(fēng)速段較初始曲線向右（向左）偏移（圖1），且切入風(fēng)速、滿發(fā)風(fēng)速和切出風(fēng)速也相應(yīng)調(diào)整大（?。：游黠L(fēng)電場(chǎng)限電情況較河?xùn)|風(fēng)電場(chǎng)嚴(yán)重，風(fēng)速—功率散點(diǎn)圖也相應(yīng)的更分散（圖1i）。同一種型號(hào)風(fēng)機(jī)在不同風(fēng)電場(chǎng)擬合的訂正風(fēng)功率曲線也不同，如湘電XE2000/D80，在黑崖子風(fēng)電場(chǎng)訂正后的曲線較初始曲線略有調(diào)整，而在黑崖子西風(fēng)電場(chǎng)訂正后明顯左移（即初始曲線所得功率遠(yuǎn)小于實(shí)況功率），說(shuō)明同種型號(hào)風(fēng)機(jī)在不同風(fēng)電場(chǎng)受環(huán)境影響程度、損耗程度和發(fā)電情況也有差異。

圖1 典型風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速—功率散點(diǎn)（a、c、e、g、i）與風(fēng)功率曲線（b、d、f、h、j）：

2 預(yù)測(cè)試驗(yàn)分析

基于2017年7、8月數(shù)值預(yù)報(bào)風(fēng)速與全場(chǎng)實(shí)況功率數(shù)據(jù)，應(yīng)用訂正后的風(fēng)功率曲線進(jìn)行短期風(fēng)功率預(yù)測(cè)，預(yù)報(bào)時(shí)效取1 d。依據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)中調(diào)度部門考核文件，以準(zhǔn)確率（文中簡(jiǎn)記為ZQL，計(jì)算方法見(jiàn)公式5）和偏差積分電量扣分值（文中簡(jiǎn)記為PCJFDL，計(jì)算方法見(jiàn)公式6）作為預(yù)測(cè)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)，比較原理法與訂正方法的預(yù)測(cè)效果。其中，準(zhǔn)確率是相對(duì)指標(biāo)；偏差積分電量扣分值為絕對(duì)指標(biāo)，是與風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量有關(guān)的累積量。除8月阿克塞風(fēng)電場(chǎng)，其余各風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)功率短期預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率訂正方法較原理法有0.8%～7.8%范圍的提高（表3），其余各場(chǎng)偏差積分電量扣分值訂正方法較原理法有11.8～980.1范圍的降低（表4）。

表3 7月、8月準(zhǔn)確率對(duì)比（單位：%）

表4 7、8月偏差積分電量扣分值對(duì)比 分

截取3家風(fēng)電場(chǎng)部分時(shí)段樣本，對(duì)比分析實(shí)況功率與原理法和訂正方法的預(yù)測(cè)功率，結(jié)果表明：在風(fēng)速預(yù)報(bào)比較準(zhǔn)確的時(shí)段，兩種方法的預(yù)測(cè)功率變化趨勢(shì)相似，但數(shù)值差異明顯，訂正后的預(yù)測(cè)功率曲線與實(shí)況的差異整體上較原理法小（圖2）。

為排除風(fēng)速預(yù)報(bào)誤差的影響，分析風(fēng)速預(yù)報(bào)效果較好的時(shí)段。玉門黑崖子風(fēng)電場(chǎng)，截取8月8—12日樣本，預(yù)測(cè)風(fēng)速較實(shí)況風(fēng)速數(shù)值偏大但變化趨勢(shì)接近（圖2a），訂正方法的預(yù)測(cè)功率較原理法的預(yù)測(cè)結(jié)果明顯更接近實(shí)況功率（圖2b）。環(huán)縣南湫風(fēng)電場(chǎng)，截取7月15—19日樣本，其中16日03：00—08：00、19：00—22：45和17日17：45—23：45風(fēng)速預(yù)報(bào)較好（圖2c），同時(shí)段訂正方法的預(yù)測(cè)功率較原理法的預(yù)測(cè)結(jié)果明顯更接近實(shí)況功率（圖2d）。玉門黑崖子西風(fēng)電場(chǎng)，截取8月1—6日樣本，其中6日00：00預(yù)測(cè)風(fēng)速較實(shí)況風(fēng)速略偏低（圖2e），同時(shí)段訂正方法的預(yù)測(cè)功率較實(shí)況略低而原理法預(yù)測(cè)功率較實(shí)況明顯偏高（圖2f），即訂正后的風(fēng)轉(zhuǎn)電過(guò)程更合理。

圖2 黑崖子（8月）和南湫（7月）典型風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速、功率對(duì)比

3 結(jié)論

（1）通過(guò)分析實(shí)況風(fēng)速—功率散點(diǎn)圖，應(yīng)用非線性回歸方法重新擬合風(fēng)速與功率的函數(shù)關(guān)系，對(duì)風(fēng)機(jī)出廠的初始風(fēng)功率曲線進(jìn)行訂正，訂正后的曲線較初始曲線有所偏移或曲線形狀改變，且河西風(fēng)電場(chǎng)因限電較多，曲線偏移較河?xùn)|風(fēng)電場(chǎng)更明顯。同種型號(hào)風(fēng)機(jī)在不同風(fēng)電場(chǎng)的訂正結(jié)果不同。因此，結(jié)合實(shí)況風(fēng)速和實(shí)況功率數(shù)據(jù)對(duì)初始風(fēng)功率曲線的訂正很有必要。

（2）通過(guò)對(duì)比評(píng)估，應(yīng)用訂正曲線的短期風(fēng)功率預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率整體比原理法提高，且偏差積分電量扣分值下降。在風(fēng)速預(yù)報(bào)效果較好的時(shí)段，訂正后的功率預(yù)測(cè)曲線較原理法明顯更接近實(shí)況功率曲線，且風(fēng)轉(zhuǎn)電過(guò)程更合理，訂正效果顯著。

4 討論

（1）文中應(yīng)用春季4月的數(shù)據(jù)作為建模樣本，以期將建立的模型應(yīng)用到風(fēng)電功率短期預(yù)測(cè)，沒(méi)有考慮到風(fēng)機(jī)隨時(shí)間的機(jī)械損耗，也沒(méi)有考慮到風(fēng)場(chǎng)的季節(jié)變化以及其他氣象條件的影響[14]，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)分季節(jié)建立適應(yīng)不同時(shí)間段的模型。

（2）文中只選取了切入風(fēng)速到滿發(fā)風(fēng)速區(qū)間的風(fēng)功率曲線進(jìn)行整體建模和試驗(yàn)，在實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電時(shí)，根據(jù)風(fēng)機(jī)性能，還應(yīng)考慮不同風(fēng)機(jī)型號(hào)風(fēng)機(jī)的切入風(fēng)速和滿發(fā)風(fēng)速的取值，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整或分段擬合。

致謝：感謝中國(guó)氣象局和中國(guó)華電集團(tuán)提供的數(shù)據(jù)支持。