劉 暢，劉建東，羅明清，邢智全，楊鈴濤

(1.中國(guó)電建集團(tuán)海外投資有限公司，北京 100048；2.澳大利亞牧牛山風(fēng)電項(xiàng)目公司，澳大利亞 塔斯馬尼亞 7030；3.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120)

0 引 言

隨著全球能源清潔化、低碳化趨勢(shì)日益明顯，世界碳中和行動(dòng)持續(xù)推進(jìn)，碳減排要求不斷加強(qiáng)，大力發(fā)展新能源勢(shì)在必行。以風(fēng)力發(fā)電為代表的新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)高速發(fā)展，但是關(guān)于風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行對(duì)野生動(dòng)物尤其是瀕危鳥類造成威脅的環(huán)保問題、對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定產(chǎn)生沖擊導(dǎo)致輔助服務(wù)費(fèi)較高的經(jīng)濟(jì)問題也隨之而起，因此研究環(huán)境友好型風(fēng)電場(chǎng)優(yōu)化策略的意義重大[1-2]。

針對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了大量研究，F(xiàn)ernandez等[3]在目標(biāo)函數(shù)中加入風(fēng)電場(chǎng)計(jì)劃出力超過或低于實(shí)際可利用風(fēng)能時(shí)所帶來(lái)的懲罰成本；孫元章等[4]引入隨機(jī)規(guī)劃理論，以概率的形式描述相關(guān)約束條件，建立了考慮機(jī)組組合的含風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的不確定性模型；陳海焱等[5]應(yīng)用模糊集理論建立了含風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的模糊模型；劉申等[6]根據(jù)風(fēng)電隨機(jī)波動(dòng)的特點(diǎn)可以將含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)進(jìn)行合理調(diào)整，從而有效解決系統(tǒng)內(nèi)部的經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題；叢雨等[7]提出了一種基于改進(jìn)遺傳算法的風(fēng)電場(chǎng)多時(shí)段有功功率優(yōu)化分配模型，有效解決了電力系統(tǒng)小時(shí)級(jí)調(diào)度模式下的功率分配難題，切實(shí)彌補(bǔ)了實(shí)時(shí)調(diào)度模型無(wú)法考慮風(fēng)能和調(diào)度指令變化趨勢(shì)的不足。隨著全球環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，兼顧經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境保護(hù)的電力調(diào)度策略——環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度日益受到廣泛關(guān)注，但目前針對(duì)該問題的研究較少。

本文介紹了澳大利亞牧牛山風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，基于風(fēng)功率預(yù)測(cè)研究、鷹類活動(dòng)特點(diǎn)分析、鷹類追蹤預(yù)警系統(tǒng)研究和電力調(diào)度機(jī)制研究，通過風(fēng)功率預(yù)測(cè)與鷹類追蹤預(yù)警系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化，主動(dòng)控制風(fēng)機(jī)啟停，合理優(yōu)化機(jī)組出力，實(shí)現(xiàn)生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益平衡的示范，為我國(guó)類似風(fēng)電項(xiàng)目綠色開發(fā)、精益運(yùn)營(yíng)提供一套成熟可行的參考解決方案。

1 澳大利亞環(huán)保政策

澳大利亞氣候形態(tài)多樣，地形多變，因而生物多樣性豐富，物種特有性極高。澳大利亞特殊的地理、氣候和自然條件造就了澳大利亞獨(dú)特的自然生態(tài)環(huán)境，澳大利亞也是世界上最早出臺(tái)環(huán)境保護(hù)法律的國(guó)家之一，目前無(wú)論是聯(lián)邦層面還是地方各州，均已建立了十分完善的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和建設(shè)的法律法規(guī)體系，各級(jí)政府對(duì)生態(tài)環(huán)境的環(huán)保要求十分嚴(yán)格，其中塔斯馬尼亞州尤為突出。塔斯馬尼亞州是澳洲唯一的島州，是澳洲自然生態(tài)保護(hù)得最完善的地方。塔斯馬尼亞州90%的電力來(lái)自水力發(fā)電和風(fēng)電，澳大利亞一半左右的清潔能源發(fā)電量由塔斯馬尼亞州提供。

塔斯馬尼亞州生物多樣性保護(hù)政策立法包括瀕危塔斯馬尼亞鷹的恢復(fù)計(jì)劃，包括楔尾鷹和白腹海鷹兩個(gè)物種，這2個(gè)物種都有特定的筑巢要求，尤其是楔尾鷹，需要完整的成熟森林，且要遠(yuǎn)離盛行的強(qiáng)風(fēng)?？傮w恢復(fù)目標(biāo)是通過保護(hù)筑巢棲息地不受破壞、改造和干擾，以及最大限度地減少覓食棲息地的改變和與人類干擾相關(guān)的死亡率的發(fā)生，提高2種鷹類的繁殖成功率，增加其種群規(guī)模和穩(wěn)定性。

2 牧牛山項(xiàng)目基本情況

牧牛山風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目位于塔斯馬尼亞州中央高地，項(xiàng)目總裝機(jī)148.4 MW，年均利用小時(shí)數(shù)接近3 000 h，于2020年8月3日實(shí)現(xiàn)全容量并網(wǎng)[8]。然而風(fēng)電場(chǎng)周邊區(qū)域是瀕危動(dòng)物塔斯馬尼亞楔尾鷹和白腹海鷹的棲息地，澳大利亞政府對(duì)因風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行導(dǎo)致的楔尾鷹受傷或致死數(shù)量頒布了嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)要求，因風(fēng)機(jī)運(yùn)行誤傷致死的楔尾鷹每只罰款2.5萬(wàn)澳元[9]。因此，牧牛山風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目不僅在風(fēng)電場(chǎng)開發(fā)建設(shè)過程中系統(tǒng)落實(shí)了澳政府和塔州要求的各項(xiàng)環(huán)境保護(hù)政策，而且在運(yùn)營(yíng)過程中通過鷹類追蹤預(yù)警系統(tǒng)切實(shí)加強(qiáng)了對(duì)瀕危野生飛禽的保護(hù)，同時(shí)降低對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的不利影響，保證風(fēng)機(jī)高效利用。下面首先對(duì)牧牛山風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)資源特性和環(huán)境保護(hù)應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行介紹。

2.1 風(fēng)資源特性分析

2.1.1 測(cè)風(fēng)塔代表性分析

牧牛山風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域共設(shè)立了3座測(cè)風(fēng)塔CH01、CH02、CH03，其中CH01和CH02均位于現(xiàn)運(yùn)行風(fēng)機(jī)區(qū)域，具有非常好的代表性；CH03測(cè)風(fēng)塔距離現(xiàn)有風(fēng)機(jī)2～3 km，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)西北部風(fēng)機(jī)具有一定代表性。牧牛山風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔、鷹類追蹤預(yù)警系統(tǒng)(IDF)和風(fēng)機(jī)(WTG)分布情況如圖1所示。

圖1 牧牛山風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔、鷹類追蹤預(yù)警系統(tǒng)(IDF)和風(fēng)機(jī)(WTG)分布情況

2.1.2 有效數(shù)據(jù)

3座測(cè)風(fēng)塔CH01、CH02、CH03數(shù)據(jù)選取的時(shí)間段均為2014年2月1日～2017年9月24日，除個(gè)別通道外，其余各通道有效率均在99%以上，有效率較好。下文對(duì)該區(qū)域風(fēng)資源特性統(tǒng)一以100 m高度進(jìn)行描述。

2.1.3 風(fēng)速

本文選取完整年時(shí)間段為2014年2月1日～2017年1月31日。

(1)月度變化。CH01/CH02/CH03測(cè)風(fēng)塔100 m高年平均風(fēng)速7.2～8.3 m/s，平均風(fēng)功率密度460～711 W/m2，參照NB/T 31147—2018《風(fēng)電場(chǎng)工程風(fēng)能資源測(cè)量與評(píng)估技術(shù)規(guī)范》 中的風(fēng)功率密度分級(jí)表，可以判定整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)功率密度等級(jí)應(yīng)為3級(jí)以上，風(fēng)能資源較好。其中5月～7月和10月～11月為大風(fēng)月，2月～4月和12月為小風(fēng)月。3座測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速通道月度變化情況如圖2所示。

圖2 3座測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速通道月度變化情況

(2)日內(nèi)變化。CH01/CH02/CH03測(cè)風(fēng)塔典型日風(fēng)速、風(fēng)功率密度變化較平穩(wěn)，白天風(fēng)速、風(fēng)功率密度較大，夜晚風(fēng)速、風(fēng)功率密度較小。3座測(cè)風(fēng)塔風(fēng)功率典型日內(nèi)變化情況如圖3所示。

圖3 3座測(cè)風(fēng)塔風(fēng)功率典型日內(nèi)變化情況

(3)代表年風(fēng)速。經(jīng)過計(jì)算，測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與長(zhǎng)期訂正數(shù)據(jù)差距較小，即實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)即為平風(fēng)年數(shù)據(jù)，可作為代表年數(shù)據(jù)進(jìn)行建模計(jì)算。實(shí)測(cè)風(fēng)速是基于20140201—20170131實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)風(fēng)切變推導(dǎo)出來(lái)100 m高度風(fēng)速數(shù)據(jù)。100 m高度實(shí)測(cè)風(fēng)速和長(zhǎng)期訂正風(fēng)速對(duì)比見表1。

表1 100 m高度實(shí)測(cè)風(fēng)速和長(zhǎng)期訂正風(fēng)速對(duì)比 m/s

2.1.4 風(fēng)向特征

根據(jù)3座測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)分析，該區(qū)域全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲?W)，次主導(dǎo)風(fēng)向西西北(WNW)、北西北(NNW)，主導(dǎo)風(fēng)能方向?yàn)閃，次主導(dǎo)風(fēng)能方向?yàn)閃NW、NNW。該區(qū)域全年主導(dǎo)風(fēng)能方向和主導(dǎo)風(fēng)向一致。

2.1.5 其他

測(cè)風(fēng)塔CH02和CH03綜合風(fēng)切變?yōu)?.134～0.167，CH01綜合風(fēng)切變0.358，風(fēng)切變較大；另外，該區(qū)域100 m高度15 m/s風(fēng)速段平均湍流強(qiáng)度0.111 9～0.139，推薦風(fēng)機(jī)等級(jí)IECB類及以上。

2.2 項(xiàng)目存在的問題

牧牛山風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目主要面臨項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)資源不確定性、瀕危保護(hù)鷹類撞機(jī)風(fēng)險(xiǎn)不可控及誤傷鷹類罰款高昂、對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定產(chǎn)生沖擊導(dǎo)致輔助服務(wù)費(fèi)較高等問題，通過對(duì)風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)效果、鷹類活動(dòng)特點(diǎn)和鷹類追蹤預(yù)警系統(tǒng)效果進(jìn)行評(píng)估分析，考慮環(huán)境效益和風(fēng)電不確定性的經(jīng)濟(jì)調(diào)度運(yùn)行方式，開展環(huán)境友好型風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行優(yōu)化策略研究，實(shí)現(xiàn)既定風(fēng)資源和環(huán)保要求條件下發(fā)電效益最大化目標(biāo)。

2.3 環(huán)境保護(hù)應(yīng)對(duì)措施

牧牛山風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目將綠色設(shè)計(jì)、綠色施工、環(huán)境友好貫穿于項(xiàng)目建設(shè)和運(yùn)營(yíng)全過程，針對(duì)澳政府和塔州要求的各項(xiàng)環(huán)境保護(hù)政策，積極制訂和落實(shí)了一系列應(yīng)對(duì)措施。

(1)環(huán)保管理計(jì)劃。按照項(xiàng)目規(guī)劃許可和環(huán)保許可相關(guān)要求，在項(xiàng)目施工前制定了極為詳盡的環(huán)保管理計(jì)劃，并獲得了澳大利亞環(huán)境部和塔斯馬尼亞州環(huán)保局的批復(fù)。在項(xiàng)目建設(shè)全過程中定期召開環(huán)保專題會(huì)，對(duì)環(huán)保批復(fù)和環(huán)保方案的執(zhí)行情況進(jìn)行跟蹤，報(bào)告項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的環(huán)境事件，第一時(shí)間整改落實(shí)。

(2)一般動(dòng)植物保護(hù)。項(xiàng)目開工伊始，現(xiàn)場(chǎng)便安裝了15臺(tái)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀，記錄動(dòng)植物生長(zhǎng)和活動(dòng)情況，為施工期環(huán)境保護(hù)提供基礎(chǔ)信息和數(shù)據(jù)；按照環(huán)境保護(hù)方案對(duì)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)物及植物采取了必要的保護(hù)措施，對(duì)于無(wú)法避開的動(dòng)物巢穴采取保護(hù)性搬離，防止造成施工傷害；對(duì)施工范圍內(nèi)珍稀植物予以標(biāo)記，減少或避免對(duì)原生植物的清理破壞。

(3)與動(dòng)物救助組織建立合作。項(xiàng)目開工建設(shè)期間，項(xiàng)目公司與塔斯馬尼亞州一家動(dòng)物救助站建立了良好的合作，注意保護(hù)施工過程中可能傷害到的野生動(dòng)物，讓救助站的救助人員經(jīng)常到現(xiàn)場(chǎng)記錄和調(diào)查施工區(qū)域的動(dòng)物生長(zhǎng)和活動(dòng)情況，為施工期環(huán)境保護(hù)提供基礎(chǔ)信息和數(shù)據(jù)；按照環(huán)境保護(hù)方案對(duì)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)物采取了必要的保護(hù)措施，一旦發(fā)現(xiàn)有受傷的動(dòng)物，立即開展救助，得到了了澳大利亞環(huán)境部和塔斯馬尼亞州環(huán)保部門和當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)的高度認(rèn)可和稱贊。

(4)動(dòng)物洞穴環(huán)境保護(hù)。項(xiàng)目開工建設(shè)期間，項(xiàng)目公司在救助站的科學(xué)指導(dǎo)下，注意保護(hù)施工過程中遇到的野生動(dòng)物洞穴，加裝必要的專業(yè)攝像機(jī)記錄和調(diào)查施工區(qū)域動(dòng)物生長(zhǎng)和活動(dòng)情況，按照環(huán)境保護(hù)方案對(duì)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)物采取最嚴(yán)格的保護(hù)措施。對(duì)于無(wú)法避開的動(dòng)物巢穴采取保護(hù)性搬離，防止造成施工傷害；對(duì)施工范圍內(nèi)珍稀植物予以標(biāo)記，減少或避免對(duì)原生植物的清理破壞。

(5)楔尾鷹等瀕危物種保護(hù)。項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)靠近瀕危物種野生動(dòng)物楔尾鷹和白腹海鷹的棲息地，為盡量避免野生動(dòng)物飛行過程中被風(fēng)機(jī)葉片誤傷，項(xiàng)目公司創(chuàng)新性地在澳洲首次引入全球技術(shù)領(lǐng)先的鷹類追蹤預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用圖像識(shí)別和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)識(shí)別鷹類活動(dòng)軌跡，通過360°全景攝像頭及中央分析單元，能在幾秒鐘內(nèi)完成一定范圍內(nèi)飛行物圖像的捕捉、識(shí)別、預(yù)警等一系列動(dòng)作，對(duì)處于鷹類活動(dòng)范圍內(nèi)的運(yùn)行風(fēng)機(jī)機(jī)組進(jìn)行停機(jī)操作，可以大幅降低鷹類撞擊葉片的概率。

另外，牧牛山項(xiàng)目公司為詳細(xì)了解項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)鷹類活動(dòng)特點(diǎn)和行為規(guī)律，提高保護(hù)措施的針對(duì)性和保護(hù)效果，聘請(qǐng)了當(dāng)?shù)貙I(yè)生態(tài)環(huán)保調(diào)查公司，通過現(xiàn)代科學(xué)生態(tài)調(diào)研手段，研究項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)鷹類的棲息分布和行為特點(diǎn)，通過開展生態(tài)調(diào)查研究，收集高度反映項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)鷹類活動(dòng)的具體情況。開展的生態(tài)調(diào)查主要包括：

(1)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)飛禽巢穴分布調(diào)查。對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)及周邊一定范圍區(qū)域開展全面的實(shí)地巡查，落實(shí)飛禽巢分布情況，對(duì)飛禽巢的分布位置、周邊環(huán)境、棲息飛禽種類及數(shù)量等進(jìn)行全面記錄，并每隔一段時(shí)間進(jìn)行復(fù)查。

(2)野生飛禽保育期監(jiān)控。每年野生飛禽保育期(通常為當(dāng)?shù)?月份前后)期間，通過安裝隱蔽攝像裝置等方式記錄鷹巢內(nèi)及附近野生動(dòng)物活動(dòng)。

(3)場(chǎng)內(nèi)飛禽行為活動(dòng)調(diào)查。通過鷹類追蹤預(yù)警系統(tǒng)對(duì)場(chǎng)內(nèi)飛禽活動(dòng)情況進(jìn)行跟蹤大量拍攝，并對(duì)飛禽活動(dòng)的范圍、出現(xiàn)時(shí)間、頻率、飛行軌跡、飛行速度、飛行姿態(tài)等信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

(4)鷹類、其他鳥類及蝙蝠與風(fēng)機(jī)碰撞調(diào)查。搜尋人員牽領(lǐng)受過專業(yè)訓(xùn)練的搜尋犬，以周為單位對(duì)每臺(tái)風(fēng)機(jī)周邊規(guī)定區(qū)域范圍內(nèi)的鳥類及蝙蝠尸體進(jìn)行搜尋，記錄搜尋結(jié)果并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；對(duì)于發(fā)生的鷹類撞機(jī)導(dǎo)致的死亡事件，項(xiàng)目公司第一時(shí)間將搜尋到的鷹類尸體交給實(shí)驗(yàn)室解剖確認(rèn)死因，同時(shí)按照環(huán)保法及協(xié)議規(guī)定調(diào)整相應(yīng)風(fēng)機(jī)和預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

(5)及時(shí)、高效的信息披露及溝通機(jī)制。在項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)階段，針對(duì)鷹類追蹤預(yù)警系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行定期數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，定期對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行檢修維護(hù)，并持續(xù)檢查更新系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，按照規(guī)定向環(huán)保機(jī)構(gòu)組織通報(bào)鷹類活動(dòng)數(shù)據(jù)及系統(tǒng)對(duì)鷹類預(yù)警保護(hù)的成果。

(6)水土保持。項(xiàng)目在施工過程中，高度重視水土保持，在臨時(shí)擋路和剛開辟的山體旁邊進(jìn)行石子鋪設(shè)，防止塵土飛揚(yáng)和下雨時(shí)的水土流失。

(7)生態(tài)恢復(fù)與定期維護(hù)。施工結(jié)束區(qū)域及時(shí)開展現(xiàn)場(chǎng)植被恢復(fù)工作，播撒牧草草籽，監(jiān)控新播種牧草生長(zhǎng)情況；每周在運(yùn)行機(jī)組周圍開展鳥類和蝙蝠尸體的搜尋和調(diào)研等。

3 風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)效果評(píng)估

對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率進(jìn)行預(yù)測(cè)被認(rèn)為是提高電網(wǎng)調(diào)峰能力，增強(qiáng)電網(wǎng)接納風(fēng)電發(fā)電能力，改善電力系統(tǒng)運(yùn)行安全性與經(jīng)濟(jì)性的最有效、最經(jīng)濟(jì)的手段之一。對(duì)項(xiàng)目而言，提高預(yù)測(cè)的精度和實(shí)效性，根據(jù)預(yù)測(cè)的出力曲線優(yōu)化機(jī)組出力，為發(fā)電計(jì)劃安排提供依據(jù)，便于根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果選擇無(wú)風(fēng)或低風(fēng)時(shí)間段開展設(shè)備維修，達(dá)到降低運(yùn)行成本的目的，有利于提高發(fā)電量和風(fēng)電場(chǎng)容量系數(shù)，提高風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益。

Fulcrum 3D公司研發(fā)的F3D風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)，采用計(jì)算機(jī)大數(shù)據(jù)技術(shù)為不同風(fēng)電項(xiàng)目量身打造風(fēng)功率預(yù)測(cè)模型，通過收集、分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)、風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和天氣預(yù)報(bào)等數(shù)據(jù)，精確預(yù)測(cè)風(fēng)電場(chǎng)功率輸出，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目實(shí)際輸出功率與預(yù)測(cè)輸出功率的最大匹配，有效降低常規(guī)型輔助服務(wù)費(fèi)[10-11]。牧牛山風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目無(wú)特定風(fēng)功率測(cè)風(fēng)塔，因此通過F3D系統(tǒng)，根據(jù)全場(chǎng)風(fēng)機(jī)的SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)功率預(yù)測(cè)。

3.1 月度出力

牧牛山風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)功率預(yù)測(cè)月度平均準(zhǔn)確率基本符合要求，但個(gè)別月份有待提升。從“出力預(yù)測(cè)偏差=風(fēng)功率預(yù)測(cè)功率-實(shí)際出力值”來(lái)看，2021年10月～2022年6月風(fēng)電場(chǎng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)月度正負(fù)向偏差絕對(duì)值在2.2～6.4 MW之間。同時(shí)，從風(fēng)功率預(yù)測(cè)月度平均準(zhǔn)確率來(lái)看，除1月稍微低于85%外，其他月份均在85%以上，依據(jù)NB/T 10205—2019《風(fēng)電功率預(yù)測(cè)技術(shù)規(guī)定》，大部分月份滿足超短期(未來(lái)0～4 h)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)不低于85%的規(guī)定。牧牛山風(fēng)電場(chǎng)月度平均出力預(yù)測(cè)偏差情況如圖4所示。

(注：為降低數(shù)據(jù)分析誤差，本文只考慮實(shí)際出力值>0的情況，并且結(jié)果中包含正負(fù)偏差，只保留結(jié)果，不做相關(guān)運(yùn)算。)

另外，基于當(dāng)?shù)厍闆r，引入出力偏離量進(jìn)行研究，“出力偏離量=實(shí)際出力值-調(diào)度值”。由于出力偏離量和最終繳納的調(diào)頻費(fèi)相關(guān)，因此，研究出力偏離量和調(diào)節(jié)調(diào)頻費(fèi)是非常有意義的。從月度出力偏離量來(lái)看，4月和10月～12月正、負(fù)向偏差較大，出力偏離量月度正、負(fù)向偏差情況分布如圖5所示；從調(diào)節(jié)調(diào)頻費(fèi)用來(lái)看，1月、6月以及10月～12月調(diào)頻費(fèi)和單價(jià)均較高，牧牛山風(fēng)電場(chǎng)調(diào)節(jié)調(diào)頻費(fèi)支付及單價(jià)情況如圖6所示。

圖5 出力偏離量月度正、負(fù)向偏差情況分布

(注：圖中的±號(hào)僅僅表示正向偏差調(diào)節(jié)與負(fù)向偏差調(diào)節(jié)所發(fā)生的費(fèi)用，不代表收入與支出。)

3.2 日內(nèi)出力

牧牛山風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)功率預(yù)測(cè)日內(nèi)曲線在晚上匹配度較好，在白天匹配度稍差。基于2021年10月～2022年6月期間9個(gè)月的日內(nèi)整點(diǎn)時(shí)刻數(shù)據(jù)的平均值可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)在7：00～19：00預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度相對(duì)較低，在20：00～次日6：00預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度相對(duì)較高。牧牛山風(fēng)電場(chǎng)日內(nèi)出力情況如圖7所示。

圖7 牧牛山風(fēng)電場(chǎng)日內(nèi)出力情況

4 鷹類活動(dòng)特點(diǎn)

本文選取2個(gè)完整年采集的數(shù)據(jù)，即2020年12月～2022年11月，并且為了方便對(duì)比和描述，下文將把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成典型年對(duì)鷹類活動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

4.1 鷹類活動(dòng)地理空間分布

從地理空間來(lái)看，鷹類活動(dòng)主要分布在牧牛山風(fēng)電場(chǎng)西南側(cè)與回聲湖交界處，同時(shí)風(fēng)電場(chǎng)東北方向也是鷹類的活動(dòng)頻繁區(qū)域。風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)(GW)分布和鷹類活動(dòng)情況如圖8所示。從具體數(shù)值來(lái)看，全場(chǎng)48臺(tái)風(fēng)機(jī)年度累計(jì)停機(jī)時(shí)長(zhǎng)4 092 h，平均85 h/(臺(tái)·a)；年度停機(jī)次數(shù)累計(jì)160 600次，平均3 300次/(臺(tái)·a)，即每臺(tái)風(fēng)機(jī)平均每天停機(jī)超過9次。

4.2 鷹類活動(dòng)時(shí)間分布

從年際變化來(lái)看，每年8月～12月以及1月份為當(dāng)?shù)佞楊惢顒?dòng)頻繁的月份，2月～7月為鷹類活動(dòng)較少的月份。鷹類活動(dòng)年際變化如圖9所示。

圖9 鷹類活動(dòng)年際變化

從年度日內(nèi)變化來(lái)看，當(dāng)?shù)佞楊愒诎滋旎顒?dòng)比較頻繁，夜晚活動(dòng)大大減少，每日中午左右達(dá)到活動(dòng)高峰，每日晚8點(diǎn)～次日凌晨4點(diǎn)鷹類則處于不活動(dòng)狀態(tài)。年度鷹類活動(dòng)日內(nèi)變化情況如圖10所示，其中時(shí)刻4指凌晨4點(diǎn)～5點(diǎn)，其他時(shí)刻以此類推。

圖10 年度鷹類活動(dòng)日內(nèi)變化情況

5 鷹類追蹤預(yù)警系統(tǒng)效果評(píng)估

5.1 鷹類追蹤預(yù)警系統(tǒng)

鷹類追蹤預(yù)警系統(tǒng)主要是利用攝像機(jī)成像技術(shù)精確識(shí)別物種，通過實(shí)時(shí)追蹤定位監(jiān)測(cè)目標(biāo)與風(fēng)機(jī)的位置，結(jié)合人工智能軟件判斷撞機(jī)事件發(fā)生的可能性并根據(jù)判斷結(jié)果向相應(yīng)風(fēng)機(jī)發(fā)出停機(jī)信號(hào)[12]。由于攝像機(jī)視野范圍限制和風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)區(qū)面積一般較大，鷹類保護(hù)系統(tǒng)需要在風(fēng)場(chǎng)內(nèi)安裝多臺(tái)攝像機(jī)。目前，比較成熟的成像技術(shù)有2種，分別是DT Bird和IdentiFlight，主要應(yīng)用在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，牧牛山風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目采用的是IdentiFlight公司研發(fā)的鷹類追蹤預(yù)警系統(tǒng)(IDF)。國(guó)內(nèi)風(fēng)電廠尚沒有采用類似的飛禽識(shí)別與保護(hù)系統(tǒng)[13-15]。

5.2 IDF工作原理

IDF的核心部件由8個(gè)固定位置的廣角光學(xué)傳感器(WFOV)和2個(gè)可水平360°移動(dòng)的高分辨率立體相機(jī)(HRSC)組成，用于采集圖像，基于顏色、羽毛、翅膀形狀和飛行輪廓等特征，建立楔尾鷹識(shí)別規(guī)則?；跈C(jī)器視覺技術(shù)，依據(jù)建立的識(shí)別規(guī)則分析圖像，確定拍攝的圖片與鳥類圖像庫(kù)的匹配情況，提升識(shí)別可靠度和效率。通過選址優(yōu)化，16個(gè)IDF能夠?qū)Ρ舜讼嗷フ諔?yīng)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行全覆蓋[6]。IDF與風(fēng)機(jī)之間進(jìn)行電力和通信連接，IDF的電力需求由風(fēng)機(jī)供給。另外，IDF與基站、變電站、風(fēng)機(jī)之間又建立了通信連接，便于控制信號(hào)的傳輸。

IDF系統(tǒng)能以風(fēng)機(jī)為中心的900 m范圍內(nèi)對(duì)楔尾鷹進(jìn)行自動(dòng)探測(cè)識(shí)別，一旦發(fā)現(xiàn)楔尾鷹進(jìn)入識(shí)別范圍，系統(tǒng)將根據(jù)楔尾鷹的飛行速度和飛行軌跡，預(yù)測(cè)與風(fēng)機(jī)的碰撞時(shí)間。IDF會(huì)根據(jù)預(yù)測(cè)碰撞時(shí)間的長(zhǎng)短判斷風(fēng)機(jī)應(yīng)保持在正常運(yùn)行、降速運(yùn)行或停機(jī)的哪種狀態(tài)，并發(fā)出相關(guān)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)珍稀鷹類的功能。

5.3 IDF可靠性

從2019年11月投產(chǎn)至今，牧牛山項(xiàng)目只發(fā)生過3起楔尾鷹撞擊事故，第一次是由于操作員的失誤導(dǎo)致；第二次和第三次撞擊事件均與植被遮擋有關(guān)。然而這樣的碰撞次數(shù)是遠(yuǎn)低于基于Biosis的牧牛山風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)碰撞模型的預(yù)測(cè)結(jié)果，即首年死亡5只，前2年累計(jì)死亡7只。截至2023年2月底，牧牛山項(xiàng)目全容量并網(wǎng)發(fā)電近3 a時(shí)間內(nèi)，導(dǎo)致鷹類死亡共計(jì)8只。同時(shí)據(jù)環(huán)保組織對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)及周邊鷹類種群數(shù)量調(diào)查發(fā)現(xiàn)，楔尾鷹數(shù)量由項(xiàng)目初期的2個(gè)種群共9只，發(fā)展為3個(gè)種群共14只。因此可以證明，IDF有助于降低鷹撞擊風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而降低因?yàn)轱L(fēng)機(jī)撞擊而造成的鷹死亡率。

通過不斷優(yōu)化IDF系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，牧牛山項(xiàng)目將因IDF控制停機(jī)導(dǎo)致的棄風(fēng)率，從約6.9%控制到了1%左右，在確保鷹類保護(hù)要求的前提下，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益最大化[6]。不可否認(rèn)的是，IDF的運(yùn)行導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)出力受限。由于鷹類活動(dòng)的不可預(yù)測(cè)性，導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)出力隨機(jī)減少，必然會(huì)在電力現(xiàn)貨市場(chǎng)中支付較多的調(diào)節(jié)調(diào)頻費(fèi)。

5.4 IDF存在的不足

(1)使用時(shí)間限制。IDF系統(tǒng)核心設(shè)備為光學(xué)攝像機(jī)和照相機(jī)，在白天具有較好的辨識(shí)度，在夜晚辨識(shí)度會(huì)下降。但是鷹類夜間活動(dòng)頻率較低，未對(duì)保護(hù)效果產(chǎn)生較大影響。

(2)區(qū)分度限制?，F(xiàn)有IDF系統(tǒng)還不能準(zhǔn)確區(qū)分出塔斯馬尼亞楔尾鷹和白腹海雕。只能通過運(yùn)營(yíng)過程中不斷的數(shù)據(jù)庫(kù)人工補(bǔ)錄，盡可能提高對(duì)楔尾鷹和白腹海雕的辨識(shí)準(zhǔn)確度。

(3)地理空間限制。在空曠范圍內(nèi)，IDF可識(shí)別周邊約1公里的鷹類活動(dòng)，但是如果受到樹木或者懸崖等障礙物遮擋，IDF識(shí)別范圍就會(huì)降低，進(jìn)而不能對(duì)鷹類從某個(gè)障礙物方向的“突然襲擊”采取有效的保護(hù)措施。這就要求提高IDF系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)SCADA系統(tǒng)的通訊指令效率，同時(shí)密切監(jiān)控IDF監(jiān)測(cè)塔周邊的植被情況并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，確保IDF系統(tǒng)預(yù)警識(shí)別的效率和準(zhǔn)確。

(4)命令單一。如果1臺(tái)IDF發(fā)生故障，那么它所監(jiān)測(cè)的所有風(fēng)機(jī)將會(huì)全部停機(jī)，而不能采取低速運(yùn)行的措施。

(5)維修及時(shí)性有待提升。雖然大多數(shù)IDF故障問題通常在一天或更短的時(shí)間內(nèi)得到解決，但是有些故障是缺乏備品備件造成的。對(duì)此，項(xiàng)目公司按照易損IDF備品備件數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在成本可控的前提下增加備品備件庫(kù)存數(shù)量，提升維修及時(shí)性。

5.5 IDF對(duì)風(fēng)電場(chǎng)出力的影響

從月度出力情況來(lái)看，風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)預(yù)測(cè)的發(fā)電量均大于實(shí)際發(fā)電量。“預(yù)測(cè)偏差=發(fā)電量預(yù)測(cè)值-發(fā)電量實(shí)際值”，發(fā)電量預(yù)測(cè)值指基于風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)預(yù)測(cè)值對(duì)時(shí)間的積分形成的結(jié)果。牧牛山風(fēng)電場(chǎng)出力及IDF動(dòng)作導(dǎo)致的停機(jī)統(tǒng)計(jì)如圖11所示。結(jié)合典型年風(fēng)機(jī)停機(jī)時(shí)長(zhǎng)(專指IDF動(dòng)作導(dǎo)致的停機(jī))來(lái)看，1月、10月～12月預(yù)測(cè)偏差較大，由于這四個(gè)月的風(fēng)能玫瑰圖并沒有發(fā)生較大的變化，即由于風(fēng)能方向不集中造成發(fā)電量降低的可能性大大降低。因此，受IDF頻繁動(dòng)作導(dǎo)致發(fā)電量降低的可能性更大。

圖11 牧牛山風(fēng)電場(chǎng)出力及IDF動(dòng)作導(dǎo)致的停機(jī)統(tǒng)計(jì)

從日內(nèi)出力變化情況來(lái)看，風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)較實(shí)際出力值偏大的時(shí)間主要分布在9點(diǎn)～16點(diǎn)，并在12點(diǎn)達(dá)到最大值。風(fēng)電場(chǎng)出力日內(nèi)變化曲線和日內(nèi)風(fēng)機(jī)停機(jī)時(shí)刻統(tǒng)計(jì)如圖12所示。結(jié)合典型年累計(jì)停機(jī)時(shí)長(zhǎng)(可從側(cè)面反應(yīng)鷹類活動(dòng))對(duì)應(yīng)的時(shí)刻可以看出8點(diǎn)～16點(diǎn)是鷹類活動(dòng)較為活躍的時(shí)間段，因此可以判斷，由于鷹類活動(dòng)引起IDF采取保護(hù)動(dòng)作而發(fā)生停機(jī)，從而引起風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際出力減小。

圖12 風(fēng)電場(chǎng)出力日內(nèi)變化曲線和日內(nèi)風(fēng)機(jī)停機(jī)時(shí)刻統(tǒng)計(jì)

6 風(fēng)功率預(yù)測(cè)與IDF聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化策略分析

6.1 優(yōu)化原則

牧牛山項(xiàng)目?jī)?yōu)化調(diào)度需要綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境保護(hù)、風(fēng)資源不確定性、當(dāng)?shù)仉娏φ{(diào)度和競(jìng)價(jià)規(guī)則等因素，相較傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度，要考慮的因素更多，條件更復(fù)雜。在環(huán)境效益和風(fēng)電不確定性的雙重考核約束下，實(shí)現(xiàn)既定風(fēng)資源和環(huán)保要求條件下發(fā)電效益最大化。

結(jié)合調(diào)節(jié)調(diào)頻費(fèi)用，需盡可能提高風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率，同時(shí)盡可能降低IDF動(dòng)作對(duì)風(fēng)電場(chǎng)出力造成的影響。因此，關(guān)注要點(diǎn)包括風(fēng)電場(chǎng)月度、日內(nèi)出力曲線特征；鷹類活動(dòng)時(shí)空分布特征(時(shí)-月度、日內(nèi)活動(dòng)分布，空-地理空間分布)；電力交易價(jià)格(月度、日內(nèi))；輔助服務(wù)費(fèi)(調(diào)節(jié)調(diào)頻費(fèi))較多及單價(jià)較高的月份。

對(duì)牧牛山項(xiàng)目實(shí)際涉及的調(diào)度目標(biāo)進(jìn)行收集整理，從模型建立的角度對(duì)目標(biāo)進(jìn)行提煉、分類并進(jìn)行函數(shù)化處理。主要考慮2個(gè)方面：①發(fā)電效益最大化，包括通過風(fēng)功率預(yù)測(cè)優(yōu)化出力曲線，提高風(fēng)資源利用效率；②運(yùn)行成本最小化，主要包括正常運(yùn)營(yíng)成本、鷹類死亡政府罰款成本、輔助服務(wù)費(fèi)之和最小化。

經(jīng)過總結(jié)，牧牛山項(xiàng)目約束條件主要有：①機(jī)組出力約束。要求調(diào)度運(yùn)行需要滿足機(jī)組的性能條件要求；②最小停機(jī)時(shí)間約束。要求盡可能提高瀕危鷹類識(shí)別保護(hù)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性，降低對(duì)項(xiàng)目機(jī)組運(yùn)行的影響；③風(fēng)資源條件約束。風(fēng)資源具有不確定性，要求基于既定風(fēng)資源優(yōu)化調(diào)度；④當(dāng)?shù)馗?jìng)價(jià)機(jī)制約束。要求當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)特定的調(diào)度和競(jìng)價(jià)機(jī)制優(yōu)化調(diào)度。

6.2 建立模型

6.2.1 因素篩選

從累計(jì)停機(jī)時(shí)長(zhǎng)可以看出，10月份鷹類活動(dòng)最頻繁，因此初步選取10月份作為鷹類活動(dòng)頻繁典型情景的月份。從出力穩(wěn)定性來(lái)看，2021年10月份為9個(gè)月數(shù)據(jù)中月度平均風(fēng)功率預(yù)測(cè)偏差最大的月份，同時(shí)也是累計(jì)月度正向、負(fù)向偏差最大的月份。從電力生產(chǎn)和銷售來(lái)看，10月份電量生產(chǎn)最高，但月度上網(wǎng)均價(jià)最低。從調(diào)節(jié)調(diào)頻費(fèi)支付情況來(lái)看，10月份支付費(fèi)用最高，單價(jià)較高。

6.2.2 模型構(gòu)建

從“開源節(jié)流”的角度，以10月份相關(guān)數(shù)據(jù)構(gòu)建模型非常合適。具體模型為

R=P×ΔQ+ΔM+ΔN-H

(1)

式中，R為模型優(yōu)化后的收益；P為10月份上網(wǎng)電價(jià)均價(jià)；ΔQ為電量增益，即通過合理控制策略，10月份發(fā)電量提升的部分；ΔM為用于提高調(diào)頻所支付費(fèi)用的優(yōu)化收益，即通過合理控制策略，用于10月份調(diào)頻費(fèi)支付節(jié)省的部分；ΔN為用于降低調(diào)頻所支付費(fèi)用的優(yōu)化收益，即通過合理控制策略，用于10月份調(diào)頻費(fèi)用節(jié)省的部分；H為鷹類撞死導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)賠償。

H=X×Y

(2)

式中，X為全場(chǎng)10月份鷹類撞死概率；Y為單只鷹死亡的賠償金。

6.3 運(yùn)行優(yōu)化策略

當(dāng)上述計(jì)算結(jié)果R>0時(shí)，可在提高功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確度的基礎(chǔ)上，合理控制IDF動(dòng)作導(dǎo)致的停機(jī)次數(shù)/時(shí)長(zhǎng)。合理控制IDF動(dòng)作具體關(guān)注方向：

(1)去除IDF周邊遮擋。在政策允許的情況下，將IDF周邊的遮擋物，包括大型樹木等進(jìn)行清除。

(2)在時(shí)間上實(shí)行網(wǎng)格化停機(jī)管理。即每日9：00～16：00采取保持現(xiàn)有狀態(tài)/適當(dāng)降低IDF動(dòng)作導(dǎo)致停機(jī)的次數(shù)，每日19：00～次日5：00采取不停機(jī)措施，其余時(shí)間采取適當(dāng)降低IDF動(dòng)作導(dǎo)致的停機(jī)次數(shù)。

(3)在空間上實(shí)行網(wǎng)格化停機(jī)管理。對(duì)GW07～GW09、GW40～GW48共計(jì)12臺(tái)風(fēng)機(jī)采取保持現(xiàn)有IDF動(dòng)作模式或適當(dāng)降低IDF動(dòng)作導(dǎo)致的停機(jī)次數(shù)，其他風(fēng)機(jī)采取不停機(jī)的措施。

(4)提高IDF識(shí)別楔尾鷹的準(zhǔn)確度，以便進(jìn)一步從時(shí)間和空間上優(yōu)化策略2和3。

(5)功率預(yù)測(cè)上報(bào)的時(shí)候要充分考慮鷹類月度和日內(nèi)活動(dòng)規(guī)律，合理上報(bào)出力值。

7 結(jié) 語(yǔ)

在低碳綠色發(fā)展的背景下，人與自然和諧發(fā)展將成為新能源發(fā)展的方向。本文以澳大利亞塔斯馬尼亞州牧牛山風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目為對(duì)象，介紹了首次在澳大利亞引進(jìn)應(yīng)用的鷹類追蹤預(yù)警系統(tǒng)(IDF)，全方位無(wú)死角對(duì)鷹類識(shí)別、獲取飛行速度和軌跡反饋至風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)，主動(dòng)控制風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)?shù)叵∮行ㄎ产椀谋Ｗo(hù)。綜合考慮澳大利亞楔尾鷹保護(hù)要求、風(fēng)資源不確定、當(dāng)?shù)仉娏φ{(diào)度機(jī)制等約束條件，開展了基于環(huán)境效益和風(fēng)電不確定性的環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度運(yùn)行策略研究，希望能夠?yàn)閲?guó)內(nèi)類似風(fēng)電項(xiàng)目綠色開發(fā)、精益運(yùn)營(yíng)提供參考借鑒。