鄭婷婷，單小雨，馬繼濤，尹洪全，王 達(dá)

（1.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010010；2.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司，呼和浩特 010010）

0 引言

近年來，復(fù)雜的國內(nèi)外形勢(shì)形成了全球能源供需緊張的嚴(yán)峻局面，多個(gè)國家和地區(qū)出現(xiàn)了能源電力短缺的情況。2022 年5 月，我國提出加快推進(jìn)以沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)為重點(diǎn)的大型風(fēng)電光伏基地建設(shè)[1]。其中，內(nèi)蒙古風(fēng)能資源技術(shù)可開發(fā)量達(dá)到全國的57%左右，近十年內(nèi)蒙古新能源發(fā)電量達(dá)到1191億kWh，居全國首位。在構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)背景下，我國也面臨能源電力保供和實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的巨大壓力[2]。

受到全球變暖氣候影響，極端異常天氣頻發(fā)，其中低溫寒潮天氣對(duì)風(fēng)力發(fā)電、輸電以及負(fù)荷需求均會(huì)產(chǎn)生影響，給電網(wǎng)的規(guī)劃、運(yùn)行、調(diào)度和控制帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。大規(guī)模并網(wǎng)的新能源具有逆負(fù)荷特性，導(dǎo)致系統(tǒng)的電力平衡對(duì)天氣變化非常敏感[3]。2021年2月，美國得州遭遇寒潮天氣，因間歇性風(fēng)光電源極寒無風(fēng)和風(fēng)機(jī)覆冰脫網(wǎng)引發(fā)電網(wǎng)供需失衡，造成大規(guī)模停電事故[4]。類似的，我國北方地區(qū)電網(wǎng)在迎峰度冬期間將同時(shí)面臨寒潮天氣影響、供暖和用電負(fù)荷需求增加的問題[5]。

現(xiàn)階段，依據(jù)準(zhǔn)確的日前新能源出力預(yù)測(cè)納入電力平衡，利用中長期新能源出力預(yù)測(cè)確定檢修工期，通過精準(zhǔn)的超短期預(yù)測(cè)調(diào)整日內(nèi)發(fā)電計(jì)劃或參與電力現(xiàn)貨交易，可有效解決“保供電”和“保消納”之間的矛盾[6-7]。在風(fēng)電場(chǎng)短期功率預(yù)測(cè)方面，文獻(xiàn)[8]提出一種多變量相空間重構(gòu)和鯨魚優(yōu)化算法深度極限學(xué)習(xí)機(jī)的短期風(fēng)電功率組合預(yù)測(cè)方法；文獻(xiàn)[9]提出一種計(jì)及鄰近風(fēng)電場(chǎng)信息與CNN BiLSTM的短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)方法，引入了鄰近風(fēng)電場(chǎng)的高相關(guān)特征。考慮氣象特征提高風(fēng)電場(chǎng)短期預(yù)測(cè)方面，文獻(xiàn)[10]通過挖掘歷史風(fēng)電功率數(shù)據(jù)和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的時(shí)空特性，構(gòu)建了一種考慮誤差時(shí)空相依性的短期風(fēng)電概率預(yù)測(cè)新框架；文獻(xiàn)[11]通過挖掘氣象特征提出一種基于貝葉斯優(yōu)化調(diào)參的特征挖掘改進(jìn)深度學(xué)習(xí)模型；文獻(xiàn)[12]提出一種考慮氣象特征與波動(dòng)過程關(guān)聯(lián)的短期風(fēng)電功率組合預(yù)測(cè)方法；文獻(xiàn)[13]提出一種基于敏感氣象特征因子篩選與優(yōu)化組合的短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)方法。在寒潮天氣下風(fēng)電功率預(yù)測(cè)研究方面，文獻(xiàn)[14]提出一種寒潮天氣小樣本條件下短期風(fēng)電功率組合預(yù)測(cè)方法。

本文對(duì)2021 年冬季內(nèi)蒙古東部（以下簡(jiǎn)稱蒙東）地區(qū)的寒潮天氣過程進(jìn)行總結(jié)，分析了寒潮天氣過程下風(fēng)機(jī)覆冰、大風(fēng)切機(jī)、低溫脫網(wǎng)和晴冷無風(fēng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電出力的影響機(jī)理，以及寒潮天氣過程對(duì)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)的偏差規(guī)律，并提出提升風(fēng)電功率預(yù)測(cè)性能的建議，為提高寒潮天氣下風(fēng)電預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率和新能源消納能力，提高迎峰度冬期間電力保供能力提供保障。

1 蒙東地區(qū)氣候和寒潮過程特征

蒙東地區(qū)所轄范圍包括赤峰、通遼、興安和呼倫貝爾四個(gè)地市，其中赤峰、通遼地區(qū)屬溫帶大陸性氣候，興安和呼倫貝爾地區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候。蒙東地區(qū)四季分明，夏季溫?zé)岫嘤?，冬季寒冷干燥?/p>

冬季陸地寒冷形成高壓，受亞歐大陸強(qiáng)大的西伯利亞冷氣團(tuán)影響，風(fēng)從高緯度大陸吹向海洋，使得蒙東地區(qū)冬季盛行風(fēng)力較強(qiáng)的西北風(fēng)。冷鋒引導(dǎo)的冷空氣東移南下，常會(huì)給我國帶來強(qiáng)降溫甚至寒潮，造成沿途地區(qū)劇烈降溫、大風(fēng)和雨雪天氣。在氣象學(xué)上，當(dāng)冷空氣入侵造成的降溫在一天內(nèi)達(dá)到10 ℃以上，且最低氣溫在5 ℃以下，則稱此冷空氣爆發(fā)過程為一次寒潮天氣過程。寒潮天氣典型的氣象特征為風(fēng)速增大、氣溫驟降、出現(xiàn)陰天輻照度下降等，而過境后鋒后冷高壓會(huì)使氣流下沉，形成晴空無云、輻照度增大、風(fēng)速減小但氣溫持續(xù)偏低的現(xiàn)象。通常影響我國的冷空氣路徑分為西路、中路、東路三類，其中東路路徑主要影響蒙東地區(qū)，該路徑冷鋒過境后的天氣多陰雨雪天氣。

根據(jù)蒙東地區(qū)寒潮天氣影響風(fēng)電出力的過程，將寒潮天氣的特征分為風(fēng)機(jī)覆冰、大風(fēng)切機(jī)、低溫脫網(wǎng)和晴冷無風(fēng)四種類型。以下逐一分析各種寒潮類型對(duì)風(fēng)電運(yùn)行的影響機(jī)理，并結(jié)合蒙東地區(qū)典型案例分析寒潮對(duì)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)的偏差規(guī)律。

2 風(fēng)機(jī)覆冰對(duì)風(fēng)電運(yùn)行和功率預(yù)測(cè)的影響

2.1 對(duì)風(fēng)電運(yùn)行的影響

在我國北方初冬、初春時(shí)期氣溫低、濕度高，風(fēng)機(jī)葉片覆冰對(duì)風(fēng)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了嚴(yán)重影響。寒潮期間，冷凍的細(xì)雨、濕雪或結(jié)冰霧、云和霜與風(fēng)機(jī)葉片表面長時(shí)間慢速碰撞，逐漸導(dǎo)致風(fēng)機(jī)葉片出現(xiàn)覆冰[15]。研究表明，風(fēng)電機(jī)組覆冰形成的主要條件是存在逆溫層、環(huán)境溫度低于0 ℃、葉片表面低于-5 ℃、空氣濕度在85%以上。

風(fēng)機(jī)覆冰會(huì)改變?nèi)~片的空氣動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)，使其輸出功率降低，同時(shí)增加風(fēng)輪和塔架載荷，使得風(fēng)機(jī)振動(dòng)加劇甚至損壞。此外，融冰期葉片表面冰塊還可能脫落或甩出，嚴(yán)重威脅周圍人員的安全。

2.2 對(duì)蒙東風(fēng)電預(yù)測(cè)影響的典型案例

蒙東地區(qū)在每年11月寒潮初期，當(dāng)氣溫逐漸降至0 ℃并伴隨雨雪天氣時(shí)，易發(fā)生風(fēng)機(jī)因覆冰而停機(jī)的情況。以2021-11-05—09寒潮天氣過程為例，此次寒潮蒙東中南部地區(qū)降雪量超過10 mm，氣溫下降14 ℃左右。

分析寒潮過程中氣溫、降水變化對(duì)風(fēng)電出力的影響可知，寒潮初期大風(fēng)降溫，蒙東全網(wǎng)風(fēng)電出力陡升；中期出現(xiàn)雨夾雪、局部地區(qū)大到暴雪，風(fēng)電出力出現(xiàn)回落；后期持續(xù)大風(fēng)降溫，風(fēng)電逐漸上升至較高出力。寒潮期間由于覆雪后持續(xù)降溫，出現(xiàn)風(fēng)機(jī)覆冰脫網(wǎng)情況，據(jù)統(tǒng)計(jì)，受覆冰影響的風(fēng)電場(chǎng)16個(gè)，影響出力400 MW。

統(tǒng)計(jì)此次寒潮過程蒙東風(fēng)電出力和預(yù)測(cè)結(jié)果如圖1所示，可見在風(fēng)機(jī)覆冰類型寒潮過程中，初期風(fēng)電爬坡過程和中期風(fēng)電下降過程預(yù)測(cè)出力均出現(xiàn)負(fù)偏差，后期因風(fēng)機(jī)覆冰脫網(wǎng)導(dǎo)致風(fēng)電預(yù)測(cè)結(jié)果偏高出現(xiàn)正偏差。

圖1 2021-11-05—09蒙東風(fēng)電出力預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.1 Wind power prediction results of eastern InnerMongolia from November 5 to November 9, 2021

3 大風(fēng)切機(jī)對(duì)風(fēng)電運(yùn)行和功率預(yù)測(cè)的影響

3.1 對(duì)風(fēng)電運(yùn)行的影響

風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中會(huì)承受多種復(fù)雜的力矩作用，當(dāng)實(shí)際風(fēng)速達(dá)到風(fēng)電機(jī)組所能承受的最大風(fēng)速以上時(shí)，機(jī)組的風(fēng)能捕獲量提高，疲勞載荷增加，易出現(xiàn)塔架倒塌、葉輪飛車等事故，影響機(jī)組壽命?？紤]極端大風(fēng)天氣下風(fēng)機(jī)運(yùn)行的安全性，規(guī)定風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電的最大風(fēng)速為切出風(fēng)速，當(dāng)機(jī)艙測(cè)風(fēng)儀測(cè)量風(fēng)速超過切出風(fēng)速且持續(xù)時(shí)間超過切出動(dòng)作設(shè)定時(shí)間后，機(jī)組將切出運(yùn)行，停止發(fā)電。

3.2 對(duì)蒙東風(fēng)電預(yù)測(cè)影響的典型案例

根據(jù)近3年月平均利用小時(shí)數(shù)和月平均同時(shí)率統(tǒng)計(jì)結(jié)果，蒙東地區(qū)每年10月至次年5月均為大風(fēng)期，期間寒潮天氣過程中風(fēng)電場(chǎng)將出現(xiàn)大風(fēng)切機(jī)，導(dǎo)致風(fēng)電出力大幅下降。此外，蒙東部分風(fēng)電場(chǎng)因投運(yùn)時(shí)間較早，部分型號(hào)風(fēng)機(jī)切出風(fēng)速偏低，導(dǎo)致在冬季大風(fēng)期易發(fā)生大風(fēng)切機(jī)情況。 以2021-12-16—19 寒潮天氣過程為例。此次寒潮過程蒙東大部地區(qū)多云見晴，降雪量較小，風(fēng)速曲線呈快速上升并持續(xù)大風(fēng)過程，部分地區(qū)因風(fēng)速持續(xù)過高導(dǎo)致風(fēng)機(jī)切出，據(jù)統(tǒng)計(jì)，出現(xiàn)大風(fēng)切機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)3個(gè)，影響出力312.5 MW。

統(tǒng)計(jì)此次寒潮過程蒙東風(fēng)電出力和預(yù)測(cè)結(jié)果如圖2所示，可見在大風(fēng)切機(jī)類型寒潮過程中，前期風(fēng)電快速爬坡過程出現(xiàn)負(fù)偏差，后期因大風(fēng)切機(jī)導(dǎo)致風(fēng)電預(yù)測(cè)結(jié)果偏高出現(xiàn)正偏差。

圖2 2021-12-16—19蒙東風(fēng)電預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.2 Wind power prediction results of eastern Inner Mongolia from December 16 to December 19, 2021

4 低溫脫網(wǎng)對(duì)風(fēng)電運(yùn)行和功率預(yù)測(cè)的影響

4.1 低溫對(duì)風(fēng)電運(yùn)行的影響

風(fēng)電機(jī)組在低溫下運(yùn)行時(shí)，零部件的性能、機(jī)組的可維護(hù)性將發(fā)生變化，情況嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鸢踩鹿?。隨著環(huán)境溫度降低，空氣密度增大，風(fēng)機(jī)出力特性將發(fā)生變化，可能導(dǎo)致過發(fā)過載現(xiàn)象。傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪箱、主軸等主要機(jī)械部件在低溫時(shí)可能發(fā)生脆性斷裂，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。風(fēng)機(jī)的潤滑油在低溫下黏度變大，流動(dòng)性變差，機(jī)組因得不到充分的潤滑油供給，將危及設(shè)備的安全運(yùn)行。因此，風(fēng)機(jī)制造廠家為風(fēng)電機(jī)組配置了低溫保護(hù)，在環(huán)境溫度過低（低于-30 ℃）時(shí)自動(dòng)停止運(yùn)行，避免主要零部件受到損壞而影響風(fēng)機(jī)壽命，并導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。

4.2 低溫脫網(wǎng)對(duì)蒙東風(fēng)電預(yù)測(cè)影響的典型案例

每年冬季，蒙東北部地區(qū)遭遇極寒天氣，呼倫貝爾大興安嶺地區(qū)甚至達(dá)到-42 ℃。蒙東地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)配置的低溫保護(hù)風(fēng)機(jī)，當(dāng)保護(hù)定值低于-30 ℃時(shí)發(fā)生脫網(wǎng)，即低溫脫網(wǎng)。以2021-12-23—27寒潮天氣過程為例，此次寒潮過程蒙東局部地區(qū)降雪，全網(wǎng)風(fēng)電出力經(jīng)歷快速爬坡并急速下降，再升高并持續(xù)大風(fēng)過程。蒙東北部地區(qū)降溫至-30 ℃以下，受其影響該地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)出現(xiàn)低溫脫網(wǎng)情況，據(jù)統(tǒng)計(jì)低溫停機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)20個(gè)，影響出力500 MW。

統(tǒng)計(jì)此次寒潮過程蒙東風(fēng)電出力和預(yù)測(cè)結(jié)果如圖3所示，可見初期風(fēng)電爬坡過程出現(xiàn)負(fù)偏差，中期風(fēng)電下降過程出現(xiàn)正偏差，后期因低溫脫網(wǎng)導(dǎo)致風(fēng)電預(yù)測(cè)結(jié)果偏高出現(xiàn)正偏差。

圖3 2021-12-23—27蒙東風(fēng)電出力預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.3 Wind power prediction results of eastern Inner Mongolia from December 23 to December 27, 2021

5 晴冷無風(fēng)對(duì)風(fēng)電運(yùn)行和功率預(yù)測(cè)的影響

5.1 對(duì)風(fēng)電運(yùn)行的影響

寒潮過境后，鋒后冷高壓會(huì)使氣流下沉，形成晴空無云、輻照度增大、風(fēng)速減小、氣溫持續(xù)偏低的現(xiàn)象，即寒潮后期會(huì)出現(xiàn)晴冷無風(fēng)天氣。此時(shí)風(fēng)電出力降低，但因氣溫持續(xù)偏低導(dǎo)致用電負(fù)荷激增，風(fēng)電表現(xiàn)出逆負(fù)荷的特性，此時(shí)易造成電網(wǎng)缺電。

5.2 對(duì)蒙東風(fēng)電預(yù)測(cè)影響的典型案例

統(tǒng)計(jì)風(fēng)資源情況可知，蒙東地區(qū)在冬季至次年春季均為大風(fēng)期，但在2022 年1 月份出現(xiàn)了持續(xù)1周的無風(fēng)天氣。以2022-01-18—24為例，期間蒙東大部地區(qū)天氣晴朗，風(fēng)力僅為1—2 級(jí)，持續(xù)無風(fēng)導(dǎo)致蒙東全網(wǎng)風(fēng)電出力僅為1000 MW 左右，2022 年1月蒙東風(fēng)電出力和預(yù)測(cè)結(jié)果如圖4 所示，可見晴冷無風(fēng)導(dǎo)致風(fēng)電預(yù)測(cè)結(jié)果偏高出現(xiàn)正偏差。

圖4 2022年1月蒙東風(fēng)電出力預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.4 Wind power prediction results of eastern Inner Mongolia in January, 2022

6 結(jié)論及建議

6.1 結(jié)論

根據(jù)蒙東地區(qū)寒潮天氣影響風(fēng)電出力的過程，將寒潮天氣的特征分為4 種類型，分析了各種寒潮類型對(duì)風(fēng)電運(yùn)行的影響機(jī)理，并結(jié)合蒙東地區(qū)典型案例研究了寒潮對(duì)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)的偏差規(guī)律，得出以下結(jié)論。

（1）寒潮屬于極端突變天氣，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)對(duì)于極端突變天氣的模擬容易產(chǎn)生幅值偏差和相位偏差。寒潮初期風(fēng)電爬坡過程預(yù)測(cè)出現(xiàn)負(fù)偏差，寒潮期間伴隨降雪過程則風(fēng)電出力呈下降趨勢(shì)并出現(xiàn)負(fù)偏差。

（2）寒潮期間，因風(fēng)電場(chǎng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型中未考慮風(fēng)機(jī)覆冰、大風(fēng)切機(jī)和低溫脫網(wǎng)因素，使得預(yù)測(cè)模型中開機(jī)容量與實(shí)際情況存在偏差，進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)電、光伏預(yù)測(cè)出力均存在正偏差。

（3）寒潮過境后出現(xiàn)晴冷無風(fēng)的天氣，風(fēng)電資源較差，風(fēng)電出力降低，風(fēng)電預(yù)測(cè)出現(xiàn)正偏差。

6.2 建議

針對(duì)上述寒潮天氣過程中風(fēng)電預(yù)測(cè)產(chǎn)生偏差的規(guī)律，可從以下方面開展相關(guān)工作。

（1）加強(qiáng)寒潮天氣的預(yù)測(cè)預(yù)警工作。通過與地方氣象局建立合作機(jī)制，開展特殊天氣特征的氣象專家診斷工作，提前掌握寒潮過程的預(yù)警信息，掌握寒潮影響嚴(yán)重地區(qū)的局部精細(xì)化氣象預(yù)報(bào)預(yù)警信息，開展低溫寒潮天氣過程下新能源發(fā)電預(yù)測(cè)預(yù)警技術(shù)研究。

（2）開展新能源功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)升級(jí)改造。督促新能源場(chǎng)站提高數(shù)值天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，開展預(yù)測(cè)模型修正，每日上報(bào)兩次預(yù)測(cè)曲線和對(duì)應(yīng)時(shí)段的實(shí)際開機(jī)容量，通過提升新能源場(chǎng)站預(yù)測(cè)性能提高全網(wǎng)新能源預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。

（3）鼓勵(lì)風(fēng)電場(chǎng)開展風(fēng)機(jī)低溫運(yùn)行能力提升改造。蒙東地區(qū)部分風(fēng)電場(chǎng)投運(yùn)時(shí)間較長，風(fēng)機(jī)型號(hào)較舊，不具備低溫運(yùn)行的能力，通過鼓勵(lì)風(fēng)電場(chǎng)開展風(fēng)電機(jī)組抗凍、除冰研究和試驗(yàn)，引導(dǎo)風(fēng)電企業(yè)對(duì)已投產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行抗寒抗凍改造，提高風(fēng)電機(jī)組在極寒地區(qū)的適應(yīng)能力。