風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)論文(2)
風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)論文篇二
風(fēng)電功率預(yù)測技術(shù)與應(yīng)用淺析
摘要：目前隨著風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量的不斷提升，風(fēng)電占所在電網(wǎng)的比例也在逐步增加。由于風(fēng)的高度隨機(jī)波動性和間歇性，使得大容量風(fēng)電接入電網(wǎng)對電力供需平衡、電力系統(tǒng)安全以及電能質(zhì)量等提出更高的要求，而風(fēng)電功率預(yù)測技術(shù)的研究和應(yīng)用，為接入大量風(fēng)電的電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供了重要技術(shù)手段。風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)使電網(wǎng)調(diào)度可以有效利用風(fēng)電資源，提高風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電小時數(shù)。我國風(fēng)電場進(jìn)行功率預(yù)測系統(tǒng)建設(shè)，預(yù)測結(jié)果用于調(diào)度部門的發(fā)電計(jì)劃編排和實(shí)時調(diào)度調(diào)整，對進(jìn)一步提高電網(wǎng)的風(fēng)電接入能力、促進(jìn)風(fēng)電規(guī)?；l(fā)展有重大意義。
關(guān)鍵詞：風(fēng)電場;風(fēng)電功率預(yù)測;調(diào)度;并網(wǎng)
中圖分類號： TM925.11 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
1 引言
開發(fā)利用可再生能源為應(yīng)對全球性能源危機(jī)和環(huán)境污染開辟了新的途徑，對改善能源結(jié)構(gòu)、保證國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。風(fēng)能是目前最具大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)利用潛力的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電是大規(guī)模利用風(fēng)能的有效途徑，也是我國能源和電力可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的最現(xiàn)實(shí)選擇。
我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐步擴(kuò)大，風(fēng)電已成為能源發(fā)展的重要領(lǐng)域。當(dāng)前，我國大力發(fā)展風(fēng)電等可再生新能源，規(guī)劃將建設(shè)一批百萬千瓦、千萬千瓦級風(fēng)電基地，其中酒泉千萬千瓦級風(fēng)電基地已經(jīng)開工建設(shè)。截止2011年底，全國并網(wǎng)風(fēng)電4505萬千瓦。到2015年，陸上風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到9500萬千瓦左右，海上風(fēng)電總?cè)萘窟_(dá)到500萬千瓦。到2020年，我國將建成河北、吉林、黑龍江、甘肅、新疆、蒙東、蒙西、江蘇、山東等9個千萬千瓦級風(fēng)電基地，屆時風(fēng)電裝機(jī)接近1.9億千瓦。
隨著風(fēng)電場大規(guī)模接入主干電網(wǎng)，風(fēng)電場功率波動會對電網(wǎng)電壓、頻率的穩(wěn)定產(chǎn)生一定影響，進(jìn)而影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。電網(wǎng)的發(fā)電用電需時刻保持平衡，而風(fēng)能作為間歇性能源，風(fēng)電場的有功功率出力情況隨風(fēng)速的變化而變化，具有很大的不確定性。這使得風(fēng)電場的有功出力預(yù)測變得尤為重要。盡管風(fēng)電這一可再生能源發(fā)展迅猛，但是調(diào)查結(jié)果顯示[1], 目前國內(nèi)許多風(fēng)電場投產(chǎn)后實(shí)際的年平均發(fā)電量比預(yù)測值低20 %~ 30 %，極少數(shù)風(fēng)電場甚至低達(dá)40 %，導(dǎo)致該結(jié)果的一個重要原因是風(fēng)能資源的測量和評估存在問題。
首先，調(diào)度計(jì)劃制定日益困難。電網(wǎng)調(diào)度部門對風(fēng)電場的管理側(cè)重于風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)的功率和電壓控制，對風(fēng)電場的生產(chǎn)計(jì)劃也強(qiáng)制要求，但由于手段缺乏各風(fēng)電場上報(bào)的發(fā)電計(jì)劃與實(shí)際情況差別較大[2]。無法滿足電網(wǎng)調(diào)度部門安排運(yùn)行方式、制定調(diào)度計(jì)劃的需要。
其次，電網(wǎng)運(yùn)行越發(fā)困難。風(fēng)電場的大規(guī)模建設(shè)，給電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度和控制帶來了巨大挑戰(zhàn)。加之我國大部分風(fēng)電開發(fā)地區(qū)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對薄弱，建設(shè)和規(guī)劃中的風(fēng)電場大都位于電網(wǎng)薄弱地區(qū)或者末端，如此大規(guī)模的風(fēng)電接入將對電網(wǎng)功率平衡、頻率控制、潮流分布、調(diào)峰調(diào)壓、系統(tǒng)穩(wěn)定、以及電能質(zhì)量等帶來越來越大的影響，如何確保大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，是一個巨大的挑戰(zhàn)[3]。
再次，風(fēng)電限電日益嚴(yán)重。大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后，各風(fēng)電場不能提供較為準(zhǔn)確可靠的發(fā)電計(jì)劃，各省(區(qū))電網(wǎng)調(diào)峰能力十分有限，調(diào)度計(jì)劃安排十分困難，而面對風(fēng)電出力的不確定性，調(diào)度部門只有通過限制特殊時段風(fēng)電場發(fā)電出力，以減小對電網(wǎng)造成的沖擊，保證電網(wǎng)安全運(yùn)行。這將導(dǎo)致清潔的風(fēng)能資源嚴(yán)重的浪費(fèi)。
要解決這些問題，風(fēng)電功率預(yù)測技術(shù)的運(yùn)用和風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)的建設(shè)已經(jīng)成為不可或缺的先決條件。因此，對風(fēng)電場輸出功率進(jìn)行預(yù)測被認(rèn)為是增加風(fēng)電接入容量、提高電力系統(tǒng)運(yùn)行安全性與經(jīng)濟(jì)性的有效手段[4]。
2 國內(nèi)外風(fēng)電功率預(yù)測現(xiàn)狀
歐美等西方國家早在二十世紀(jì)七、八十年代就組織了許多針對風(fēng)能資源的觀測試驗(yàn)及評估方法研究，相繼開發(fā)了諸如WASP、MesoMap、Windfarm及SiteWind等風(fēng)能資源評估軟件或系統(tǒng)[5]。其中WASP應(yīng)用最為廣泛，其核心物理模型是一個微尺度性風(fēng)場診斷模式，而近地層風(fēng)場的形成是一個非線性、多因素影響的過程，因此在復(fù)雜地形應(yīng)用該軟件會產(chǎn)生較大的誤差[6]。目前，短期風(fēng)電功率預(yù)測主要有兩種方法[7]。一是物理方法，先利用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)得到風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、氣溫等天氣數(shù)據(jù)，然后根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組周圍的物理信息得到風(fēng)電機(jī)組輪毅高度的風(fēng)速、風(fēng)向等信息，最后利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率曲線計(jì)算得出風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率;二是統(tǒng)計(jì)方法，即根據(jù)歷史數(shù)據(jù)(風(fēng)速或功率)在天氣狀況與輸出功率間建立映射關(guān)系，然后進(jìn)行預(yù)測。統(tǒng)計(jì)方法中的建模方法主要包括時間序列法[8]、卡爾曼濾波法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、支持向量機(jī)法、小波分析法和灰色預(yù)測法[9]。
國外，基于物理原理的風(fēng)電功率預(yù)測方法是一種主流預(yù)測方法，丹麥Prediktor[10]、德國Previento[11]、西班牙LocalPred-RegioPred[12]都是基于物理原理的風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)，且已經(jīng)投入運(yùn)行。Kamal L[13]等指出風(fēng)電功率預(yù)測中另一種常用的統(tǒng)計(jì)方法的實(shí)質(zhì)是在歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、實(shí)測數(shù)據(jù)和風(fēng)電功率之間建立線性映射關(guān)系，其最基本方式為持續(xù)方法(即預(yù)測值取上一時刻的觀測值)，其他包括回歸分析法、指數(shù)平滑法、時間序列法、卡爾曼濾波法、灰色預(yù)測法等。國外采用的最簡單的統(tǒng)計(jì)模型是 persistence 模型[14]，它假設(shè)下一時刻產(chǎn)生的風(fēng)能等于上一時刻的觀測值。稍微復(fù)雜的模型是用最近幾個時刻的觀測值的平均值來表示下一時刻的預(yù)測值。
隨著我國風(fēng)電的大量建設(shè)和快速發(fā)展，對風(fēng)功率預(yù)測技術(shù)的研究也在逐步深入。文獻(xiàn)[15]提出了基于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電場功率預(yù)測方法，分析了不同高度輸入風(fēng)速對預(yù)測結(jié)果的影響，并實(shí)現(xiàn)了誤差帶的預(yù)測，基于該方法的風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)已運(yùn)行于吉林省電力調(diào)度中心，取得了良好的社會與經(jīng)濟(jì)效益。另外，楊秀媛[16]等利用時間序列法和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)法給出了提前一個觀測時間段的風(fēng)速和風(fēng)功率預(yù)測。丁明[17]等利用自回歸滑動平均模型實(shí)現(xiàn)風(fēng)功率預(yù)測。潘迪夫[18]等進(jìn)行了基于時間序列分析和卡爾曼濾波算法的風(fēng)電場風(fēng)速預(yù)測優(yōu)化。陶佳[19]等提出了以混沌理論為基礎(chǔ)、基于相空間重構(gòu)的風(fēng)電出力混沌時間序列預(yù)測的方法。在統(tǒng)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，風(fēng)電功率預(yù)測技術(shù)還延伸出學(xué)習(xí)方法，其實(shí)質(zhì)是在大量歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上通過人工智能而非解析的方式提取系統(tǒng)的非線性映射關(guān)系，具體包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[20]、小波分析[21]、支持向量機(jī)等方法。
物理方法和統(tǒng)計(jì)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。物理方法不需要大量的測量數(shù)據(jù)，但要求對大氣的物理特性及風(fēng)電場特性有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)描述，這些方程求解困難，計(jì)算量大。統(tǒng)計(jì)方法不需要求解物理方程，計(jì)算速度快，但需要大量歷史數(shù)據(jù)?；旌戏椒ㄓ袡C(jī)結(jié)合了物理方法與統(tǒng)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)，可以有效提高預(yù)測精度和預(yù)測方法的適用性。為提高預(yù)測精度，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)都在嘗試各種新的預(yù)測方法，其中多數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、多種預(yù)測方法的集合預(yù)報(bào)逐漸成為發(fā)展趨勢。
近期，國內(nèi)也開始了數(shù)值預(yù)測與統(tǒng)計(jì)預(yù)測相結(jié)合的方法等。馮雙磊[22]等采用解析原理分析風(fēng)電場局地效應(yīng)與風(fēng)電機(jī)組尾流影響，開展了風(fēng)電場功率預(yù)測物理方法研究，文獻(xiàn)[23]分析了物理方法、統(tǒng)計(jì)方法、學(xué)習(xí)方法的特點(diǎn)，重點(diǎn)研究了基于風(fēng)速的預(yù)測方法和基于功率的預(yù)測方法，得出的結(jié)論是：隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的不斷增大，單一模型已不能滿足預(yù)測精度的要求，研究將逐漸轉(zhuǎn)向多種模型的組合預(yù)測上。
3 應(yīng)用案例
針對上述分析，本文以河北北部電網(wǎng)某風(fēng)電場為例，對風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)的實(shí)例建設(shè)展開分析。
3.1 風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)軟件
風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)軟件由預(yù)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)處理模塊、實(shí)時測風(fēng)數(shù)據(jù)處理模塊、短期預(yù)測模塊、超短期預(yù)測模塊、EMS系統(tǒng)接口模塊和圖形用戶界面模塊七部分組成。
(1)預(yù)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫：是預(yù)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，各軟件模塊均通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫完成數(shù)據(jù)的交互。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫存儲來自數(shù)值天氣預(yù)報(bào)處理模塊的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、預(yù)測程序產(chǎn)生的預(yù)測結(jié)果數(shù)據(jù)、EMS系統(tǒng)接口程序產(chǎn)生的實(shí)發(fā)風(fēng)電功率數(shù)據(jù)等。
(2)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)處理模塊：從數(shù)值天氣預(yù)報(bào)服務(wù)商的服務(wù)器下載數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后形成風(fēng)電場各個預(yù)測時段的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)送入預(yù)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。
(3)實(shí)時測風(fēng)數(shù)據(jù)處理模塊：接收實(shí)時氣象遙測站(測風(fēng)塔)數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理，實(shí)時傳送至預(yù)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。
(4)短期預(yù)測模塊：從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中取出數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，通過預(yù)測模型計(jì)算出風(fēng)電場次日0～72h的預(yù)測結(jié)果，并將預(yù)測結(jié)果送回系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。
(5)超短期預(yù)測模塊：從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中提取風(fēng)電場功率數(shù)據(jù)、測風(fēng)數(shù)據(jù)，通過預(yù)測模型計(jì)算出風(fēng)電場未來4小時的輸出功率，并將預(yù)測結(jié)果送回系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。
(6)EMS 系統(tǒng)接口模塊：將風(fēng)電場各自動化系統(tǒng)(主要包括升壓站監(jiān)控系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng))的實(shí)時功率數(shù)據(jù)傳送到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，同時將預(yù)測結(jié)果從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫上取出，發(fā)送給EMS系統(tǒng)。
(7)圖形用戶界面模塊：與用戶交互，完成數(shù)據(jù)及曲線顯示，系統(tǒng)管理及維護(hù)等功能。
3.2 風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)硬件
風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)運(yùn)行需要輸入的數(shù)據(jù)包括：數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、風(fēng)電場實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)和風(fēng)電場實(shí)時氣象數(shù)據(jù)。其中數(shù)值天氣預(yù)報(bào)取自Internet，風(fēng)電場實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)取自升壓站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，風(fēng)電場實(shí)時氣象數(shù)據(jù)取自測風(fēng)塔。
風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)硬件通常包括風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)服務(wù)器、氣象數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，以及實(shí)時測風(fēng)塔(包括溫濕度、氣壓、風(fēng)力風(fēng)向傳感設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、供電設(shè)備)等。由于風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)源來自不同的安全分區(qū)，因此應(yīng)嚴(yán)格按國家電監(jiān)會《電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定》的要求，設(shè)置完備的二次系統(tǒng)安全防護(hù)設(shè)備。系統(tǒng)聯(lián)接與結(jié)構(gòu)如圖3-2。
圖3-2 風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)硬件方案系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖
3.3 風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)運(yùn)行效果
按照風(fēng)電功率預(yù)測時間分辨率一般取15min的要求，一天取96個預(yù)測點(diǎn)，與風(fēng)電場實(shí)際出力進(jìn)行對比。圖3-3和圖3-4分別顯示了該風(fēng)電場2013年4月某一周內(nèi)實(shí)發(fā)功率與短期預(yù)測功率、超短期預(yù)測功率的曲線對比。實(shí)測短期預(yù)測均方根誤差(RMSE)為15.231%，超短期預(yù)測均方根誤差(RMSE)達(dá)到了13.737%。以上兩項(xiàng)精度指標(biāo)均優(yōu)于電網(wǎng)調(diào)度中心對風(fēng)電場功率預(yù)測的一般要求。
該風(fēng)電場通過風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)的部署，取得了良好的應(yīng)用效果。
4 風(fēng)電功率預(yù)測的發(fā)展建議
(1)加快風(fēng)電場側(cè)風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)建設(shè)。風(fēng)電場開展精細(xì)化預(yù)測并上報(bào)發(fā)電計(jì)劃是其履行本身義務(wù)的具體體現(xiàn)。風(fēng)電場應(yīng)盡快建立預(yù)測系統(tǒng)，不斷完善更新基礎(chǔ)資料，建立精細(xì)化風(fēng)電功率預(yù)測，同時風(fēng)電場將預(yù)測結(jié)果上報(bào)給電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)。并且，風(fēng)電場預(yù)測系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)與風(fēng)電場建設(shè)同步進(jìn)行。
(2)盡快完善電網(wǎng)側(cè)風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)的建設(shè)。電網(wǎng)側(cè)風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)應(yīng)既要實(shí)現(xiàn)預(yù)測區(qū)域的全覆蓋，又要實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電場上報(bào)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析和考核，以促進(jìn)預(yù)測水平的不斷提升。
(3)持續(xù)深化風(fēng)電功率預(yù)測相關(guān)技術(shù)研究。風(fēng)電功率預(yù)測精度很大程度上取決于預(yù)測模型的建立和預(yù)測方法的選擇，因此相關(guān)技術(shù)問題一直都是風(fēng)電功率預(yù)測發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵。
(4)開展跨行業(yè)合作。風(fēng)電功率預(yù)測是我國風(fēng)電大規(guī)模發(fā)展面臨的一個課題，需要?dú)庀笮袠I(yè)和電力行業(yè)開展深度合作，發(fā)揮各自優(yōu)勢，共同推動預(yù)測技術(shù)水平的提高。目前，各個風(fēng)電場的風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)所需的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)均從國內(nèi)外的不同氣象局購買，這些數(shù)值天氣預(yù)報(bào)分辨率各有不同，直接造成各風(fēng)電場預(yù)測結(jié)果精度參差不齊;對于同一區(qū)域內(nèi)多個風(fēng)電場而言，還會造成重復(fù)購買數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的浪費(fèi)現(xiàn)象。因此建議風(fēng)電功率系統(tǒng)由公共氣象部門統(tǒng)一建設(shè)，風(fēng)電場只需建設(shè)實(shí)時測風(fēng)塔。
(5)僅依靠風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)還不能完全消除風(fēng)電并網(wǎng)帶來的影響。隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)深入，未來在風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，電網(wǎng)調(diào)度中心還將逐步加強(qiáng)風(fēng)電場功率和電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)建設(shè)，使調(diào)度部門可以像調(diào)度常規(guī)發(fā)電廠一樣對風(fēng)電場進(jìn)行AGC、AVC控制，實(shí)現(xiàn)對大規(guī)模風(fēng)電場的在線經(jīng)濟(jì)調(diào)度，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
(6)隨著風(fēng)光聯(lián)合互補(bǔ)新能源電站的試點(diǎn)與推廣，風(fēng)電與光伏相結(jié)合的功率預(yù)測系統(tǒng)將成為未來技術(shù)的發(fā)展方向。
5 結(jié)論
開展風(fēng)力發(fā)電功率預(yù)測是提高電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、安全性的有效途徑。風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)的建設(shè)較好地解決了風(fēng)力發(fā)電無法計(jì)劃的難題，為大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)后系統(tǒng)的穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供技術(shù)支撐。不斷加強(qiáng)風(fēng)電功率預(yù)測技術(shù)研究，提高預(yù)測精度是保障風(fēng)電進(jìn)一步快速發(fā)展的客觀基礎(chǔ)。目前風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)尚不完善，但其發(fā)展和利用空間很大。隨著進(jìn)一步的研究和探索，以風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)為代表的新能源電廠出力預(yù)測系統(tǒng)將越來越成熟，從而支持著新能源電廠逐步向可控可調(diào)方向發(fā)展，最終使電網(wǎng)真正實(shí)現(xiàn)綠色電力成為可能。
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