對(duì)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)中預(yù)測(cè)精度的討論

楊桂興，常喜強(qiáng)，王維慶，姚秀萍

（1.新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830008；2.新疆電力調(diào)度通信中心，新疆 烏魯木齊 830002）

隨著全球氣候問(wèn)題以及能源危機(jī)的出現(xiàn)，人類對(duì)可再生能源的依賴越顯突出。風(fēng)能作為一種可再生潔凈能源的代表，有著廣泛的發(fā)展前景。隨著大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的興起，風(fēng)能越來(lái)越多地被應(yīng)用到發(fā)電行業(yè)。由此也給電力系統(tǒng)帶來(lái)一系列問(wèn)題，例如電壓?jiǎn)栴}、電能質(zhì)量、調(diào)度方案等[1]，特別是風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的不可預(yù)知性，給電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)極大的困難。對(duì)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率進(jìn)行預(yù)測(cè)不但能提高電網(wǎng)運(yùn)行水平，而且可以降低非可再生能源的消耗，提高電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，減少溫室氣體排放，意義重大。

1 研究現(xiàn)狀

國(guó)外在開(kāi)展對(duì)風(fēng)電場(chǎng)出力預(yù)測(cè)方面已經(jīng)取得一些成果。在風(fēng)能開(kāi)發(fā)水平相對(duì)較高的歐美國(guó)家，各種模型的預(yù)測(cè)系統(tǒng)相繼被開(kāi)發(fā)出來(lái)，并投入到實(shí)際應(yīng)用中，取得了良好的預(yù)測(cè)效果[2]。我國(guó)對(duì)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)起步較晚，準(zhǔn)備工作也不及國(guó)外充分，例如，對(duì)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備不夠充分，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)氣象信息的監(jiān)測(cè)和收集技術(shù)不夠成熟等，這些都制約著對(duì)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)[3]。因此，對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集、處理和管理以及如何提高預(yù)測(cè)精度是一個(gè)值得研究的內(nèi)容。

2 預(yù)測(cè)方法

風(fēng)功率預(yù)測(cè)主要有基于時(shí)間序列和基于數(shù)值氣象預(yù)報(bào)2種方法?；跀?shù)值氣象預(yù)報(bào)法[19]又分為2種:1）物理方法又叫基于風(fēng)速的方法：在掌握風(fēng)電場(chǎng)的地理信息的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)值氣象預(yù)報(bào)，由測(cè)風(fēng)塔測(cè)量的風(fēng)速、風(fēng)向換算出風(fēng)電機(jī)組輪轂高度的風(fēng)速、風(fēng)向進(jìn)行預(yù)測(cè)[4]；2）統(tǒng)計(jì)方法又叫基于功率的預(yù)測(cè)方法：需要風(fēng)電場(chǎng)至少一年的歷史數(shù)值氣象數(shù)據(jù),歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)數(shù)值氣象數(shù)據(jù),并采用合適的數(shù)學(xué)算法建立預(yù)測(cè)模型,得出預(yù)測(cè)出力曲線。

電力系統(tǒng)要求風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具有0～48 h短期以及15 min～4 h超短期風(fēng)電場(chǎng)出力預(yù)測(cè)功能，預(yù)測(cè)誤差一般不超過(guò)20%[5]。但遺憾的是，國(guó)內(nèi)的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)測(cè)精度尚難以達(dá)到這個(gè)要求[19]。

2.1 用物理模型預(yù)測(cè)

物理方法的關(guān)鍵是要有精確的物理模型以及準(zhǔn)確的換算方法，結(jié)合風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)功率曲線，得到每個(gè)風(fēng)電機(jī)組的預(yù)測(cè)功率，然后再綜合得到整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)出力[4]，流程如圖1所示。

圖1 物理預(yù)測(cè)模型

采用物理模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)模型的精確度有很高的要求。對(duì)于具有特殊地理位置的風(fēng)電場(chǎng)來(lái)說(shuō)，變化頻繁的自然條件和復(fù)雜的地形地貌給預(yù)測(cè)系統(tǒng)增加了困難[6]，且風(fēng)電場(chǎng)選址一般在比較偏遠(yuǎn)的地區(qū)，如山脊、戈壁灘、草原、海灘和島嶼等[7]。安裝在不同海拔高度以及因容量的不同引起風(fēng)電機(jī)組之間在垂直方向的落差，對(duì)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)測(cè)精確度會(huì)有一定的影響。

2.1.1 風(fēng)速引起的誤差

風(fēng)電機(jī)組吸收風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)化為電能，當(dāng)風(fēng)速大于切入風(fēng)速時(shí)風(fēng)電機(jī)組可以發(fā)電，在允許風(fēng)速范圍內(nèi)，輸出功率與風(fēng)速、空氣密度的關(guān)系滿足風(fēng)功率計(jì)算公式：

式中，P為實(shí)際輸出功率，W；籽為空氣密度；R為圓截面的半徑，m。

預(yù)測(cè)功率誤差百分?jǐn)?shù)由式（2）計(jì)算：

著為風(fēng)速偏差；（3）式表明預(yù)測(cè)功率誤差的大小與漬成正比，對(duì)于平均風(fēng)速為6 m/s，風(fēng)速偏差為0.5 m/s的風(fēng)電場(chǎng)，其預(yù)測(cè)功率誤差百分?jǐn)?shù)e=17.12%。對(duì)大規(guī)模并網(wǎng)型風(fēng)電場(chǎng)來(lái)說(shuō)，這個(gè)數(shù)字顯然讓人難以接受。

2.1.2 風(fēng)速換算

目前基于物理方法預(yù)測(cè)的風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)采用下式進(jìn)行風(fēng)速換算：

1）風(fēng)切變指數(shù)的計(jì)算，測(cè)風(fēng)塔離風(fēng)電機(jī)組一般有幾百米的距離，測(cè)風(fēng)塔處和風(fēng)電機(jī)組處的風(fēng)切變指數(shù)可能存在差異；

2）計(jì)算過(guò)程需要至少3個(gè)測(cè)風(fēng)計(jì)的測(cè)量值，無(wú)法避免和降低由測(cè)風(fēng)計(jì)帶來(lái)的誤差，若風(fēng)速計(jì)因本身質(zhì)量損壞或者自然條件而無(wú)法測(cè)量風(fēng)速，則風(fēng)速換算無(wú)法進(jìn)行。

針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出一種新的風(fēng)速換算方法。當(dāng)大氣穩(wěn)定度處于中性狀態(tài)時(shí)，風(fēng)速隨高度分布滿足下面公式[10]，

式中，V（Z）為在高度Z時(shí)的平均風(fēng)速；ux為摩擦速度，近地面不隨高度變化；k為卡門系數(shù)，一般取0.4；l0為粗糙長(zhǎng)度。

設(shè)同一區(qū)域在不同高度Z1，Z2（Z1逸Z2）時(shí)的風(fēng)速差為△V，可以由（6）式計(jì)算得到：

從而得到單位高度的風(fēng)速變化率△v：

若高度為H0的測(cè)風(fēng)塔測(cè)量風(fēng)速為V0，并令Z2=H0則根據(jù)式（8）得到高度為HZ處的風(fēng)速：

式（8）在計(jì)算過(guò)程中有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）從計(jì)算誤差來(lái)講，式（8）有明顯的優(yōu)勢(shì)，線性誤差明顯低于冪指數(shù)誤差；

2）該方法只需要至少一個(gè)風(fēng)速儀的測(cè)量值，大大降低了對(duì)儀器的依賴性，可靠性得到增強(qiáng)；

3）摩擦速度ux為湍流切應(yīng)力與空氣密度比值的平方根，在近地面不隨高度變化，可以視為常數(shù),HZ，H0沒(méi)有計(jì)算誤差。

2.1.3 基于物理方法的風(fēng)電場(chǎng)出力模型

文獻(xiàn)[9]給出了對(duì)風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔的安裝要求，對(duì)地形復(fù)雜的風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)適當(dāng)增加測(cè)風(fēng)塔，但沒(méi)有給出增加測(cè)風(fēng)塔后風(fēng)電場(chǎng)出力預(yù)測(cè)模型。

式（8）表明了對(duì)不同高度的風(fēng)電機(jī)組可以分別進(jìn)行風(fēng)速換算。對(duì)于風(fēng)速分布差異較大的風(fēng)區(qū)，本文提出采用分塊預(yù)測(cè)法,即：將風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速分布分成幾塊，對(duì)風(fēng)速相似的風(fēng)電機(jī)組采用同一風(fēng)速進(jìn)行功率綜合,考慮到實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行方式，風(fēng)電場(chǎng)預(yù)測(cè)輸出功率由下式給出：

式中，Pt為t時(shí)刻風(fēng)電場(chǎng)預(yù)測(cè)輸出功率；Pj為每個(gè)塊中每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的預(yù)測(cè)功率；n表示將所有風(fēng)電機(jī)組劃分為n個(gè)塊；m表示每個(gè)塊中的風(fēng)電機(jī)組個(gè)數(shù)。

采用分塊預(yù)測(cè)法可以使風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)更加準(zhǔn)確，但需要建立相應(yīng)的測(cè)風(fēng)塔。截止第三次全國(guó)風(fēng)資源評(píng)估，僅在8個(gè)省區(qū)10個(gè)風(fēng)電場(chǎng)安裝了70 m和40 m高度總共40座測(cè)風(fēng)塔[7]，且氣象站距離風(fēng)電場(chǎng)相當(dāng)遠(yuǎn)，例如玉門氣象站位于風(fēng)電場(chǎng)東北方向12 km[8]。

2.2 用統(tǒng)計(jì)方法預(yù)測(cè)

統(tǒng)計(jì)方法常用基于時(shí)間序列的方法以及基于人工智能的算法。采用該方法預(yù)測(cè)需要分析輸出功率與氣象信息之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型（流程圖如圖2所示）。目前統(tǒng)計(jì)方法多采用風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓4個(gè)氣象參數(shù)以及風(fēng)電機(jī)組發(fā)電功率曲線作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)訓(xùn)練數(shù)學(xué)模型。統(tǒng)計(jì)方法只需要高質(zhì)量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)氣象信息就能做出預(yù)測(cè)，但對(duì)數(shù)據(jù)的完整性和有效性有很高的要求。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集

氣象數(shù)據(jù)的獲取通過(guò)氣象傳感器采集得到[14]，對(duì)收集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行合理處理將提高預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度，數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

圖2 統(tǒng)計(jì)方法模型流程圖

圖3 數(shù)據(jù)處理流程

根據(jù)風(fēng)的間歇性和波動(dòng)性特點(diǎn)，將風(fēng)速的變化在時(shí)空域內(nèi)分為4種類型：基本風(fēng)速、陣風(fēng)、漸變風(fēng)和噪聲風(fēng)[17]。目前使用的風(fēng)電機(jī)組葉片多采用定槳距和變槳距的控制方式，能在短時(shí)間內(nèi)保持恒定功率輸出，且風(fēng)力機(jī)慣性較大，韌性較強(qiáng)，所以陣風(fēng)對(duì)輸出功率的影響幾乎可以忽略，而在考慮切入風(fēng)速和切出風(fēng)速的發(fā)電特性時(shí)，在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方案中應(yīng)該做一些改進(jìn)，為了獲得更具有代表性的數(shù)據(jù)特征，結(jié)合電力系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)出力預(yù)測(cè)系統(tǒng)的要求（15 min超短期預(yù)測(cè)能力），本文在提高數(shù)據(jù)采集頻率的基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)做了如下改進(jìn)。

提高采集頻率后按式（10）平均后作為t分鐘預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)：

式中，xi：t分鐘內(nèi)風(fēng)速均值，用作預(yù)測(cè)系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)；ki：以t分鐘為單位下的實(shí)時(shí)采集值，將小于切入風(fēng)速的值用零代替，大于切出風(fēng)速的值用切出風(fēng)速代替；n：t分鐘內(nèi)采集次數(shù)。

2.2.2 數(shù)據(jù)管理，驗(yàn)證

數(shù)據(jù)驗(yàn)證是指檢查所有收集到的數(shù)據(jù)是否完整、合理以及消除錯(cuò)誤數(shù)值。這有利于維持測(cè)風(fēng)計(jì)劃期間數(shù)據(jù)的完整性，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)驗(yàn)證能防止因潛在的測(cè)量問(wèn)題引起的數(shù)據(jù)丟失[7]。完整性檢驗(yàn)通過(guò)數(shù)據(jù)完整率表示：

造成原始數(shù)據(jù)損壞和缺失的原因有：淤測(cè)風(fēng)計(jì)本身的測(cè)量精度誤差以及風(fēng)速計(jì)旋轉(zhuǎn)時(shí)由于摩擦阻力和風(fēng)向標(biāo)的電壓死區(qū)帶來(lái)的誤差；于電信號(hào)的失真問(wèn)題；盂存儲(chǔ)設(shè)備和人為原因帶來(lái)的數(shù)據(jù)丟失和破壞；榆人為的修改數(shù)據(jù)造成數(shù)據(jù)的損壞。對(duì)損壞和缺失數(shù)據(jù)采取的措施。

1）目前對(duì)數(shù)據(jù)缺損的情況大多采用插值填補(bǔ)法，但這種方法只是針對(duì)個(gè)別缺損數(shù)據(jù)有效，當(dāng)數(shù)據(jù)連續(xù)缺損時(shí)，插值法顯得無(wú)能為力。本文方案是：對(duì)一個(gè)風(fēng)區(qū)應(yīng)至少安裝兩個(gè)以上測(cè)風(fēng)塔，假設(shè)一個(gè)風(fēng)區(qū)有A、B兩個(gè)測(cè)風(fēng)塔。對(duì)A的缺損數(shù)據(jù)可以根據(jù)A、B氣象數(shù)據(jù)的相關(guān)性進(jìn)行填補(bǔ)，流程圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)填補(bǔ)流程圖

采用這種填補(bǔ)方法，可以對(duì)連續(xù)缺損數(shù)據(jù)進(jìn)行填補(bǔ)，精度取決于A，B測(cè)風(fēng)塔的實(shí)際的地理位置，以及預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確率。模型的選擇采用人工智能或者數(shù)據(jù)挖掘的方法。對(duì)于單個(gè)數(shù)據(jù)缺損的數(shù)據(jù)樣本，采用插值方法更加方便。

2）對(duì)缺失的數(shù)據(jù)進(jìn)行填補(bǔ)僅針對(duì)少數(shù)不可靠數(shù)據(jù)，對(duì)統(tǒng)計(jì)方法需要的大量數(shù)據(jù)而言不具有實(shí)用性。大量數(shù)據(jù)不合理或錯(cuò)誤的氣象因子不能被用作預(yù)測(cè)，而應(yīng)該由其他氣象因子替代?？梢员挥米黝A(yù)測(cè)的因子有：風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓、太陽(yáng)輻射、空氣濕度、空氣密度、降水量、云層高度等9個(gè)氣象因子。對(duì)不能使用的氣象因子可以采用在計(jì)算該氣象因子與其他因子的相關(guān)性的基礎(chǔ)上進(jìn)行替代，由下式給出：

式中，xi'為替代后的氣象因子；xj為其他氣象因子；A為相關(guān)矩陣；i、j為氣象因子下標(biāo)。

3）風(fēng)電場(chǎng)歷史功率數(shù)據(jù)的采集可以有兩種方式:風(fēng)電機(jī)組的歷史功率數(shù)據(jù)和風(fēng)電場(chǎng)的歷史功率數(shù)據(jù)。采用對(duì)每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行預(yù)測(cè)的方案可以提高預(yù)測(cè)精度，風(fēng)電機(jī)組的停機(jī)或人為因素控制功率輸出也會(huì)影響原始數(shù)據(jù)的有效性。對(duì)只具有氣象數(shù)據(jù)而沒(méi)有歷史功率數(shù)據(jù)或歷史功率數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的風(fēng)電機(jī)組，需要對(duì)歷史功率數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)替代，從而使模型能得以進(jìn)行。替代方法可以根據(jù)分塊預(yù)測(cè)方法進(jìn)行，具體為：基于同型機(jī)組，氣象信息相似度最佳以及在控制策略相同的情況下，使用該機(jī)組的功率曲線進(jìn)行替代。若不能滿足以上3種情況，則可以選擇采用塊內(nèi)其他機(jī)組的平均功率曲線進(jìn)行折算后再代替。

2.3 風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行方式對(duì)預(yù)測(cè)系統(tǒng)的影響

風(fēng)電場(chǎng)自身的運(yùn)行維護(hù)，運(yùn)行人員對(duì)機(jī)組的開(kāi)機(jī)、停機(jī)，給風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)帶來(lái)一些問(wèn)題。

文獻(xiàn)[16]指出，風(fēng)電穿透功率受諸多因素影響，如系統(tǒng)運(yùn)行方式、網(wǎng)絡(luò)約束常規(guī)機(jī)組處理等，所以當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率大于電力系統(tǒng)的接納能力時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)將被限電，考慮到風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際的功率輸出應(yīng)按式（13）進(jìn)行預(yù)測(cè)。

式中，Pt為t時(shí)刻風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際輸出功率；Pi為風(fēng)電場(chǎng)每臺(tái)機(jī)組的額定輸出功率；△Pm為風(fēng)電機(jī)組未滿發(fā)時(shí)的功率缺額；Pl為停運(yùn)中每臺(tái)機(jī)組的額定功率。

但對(duì)于預(yù)測(cè)系統(tǒng)來(lái)講，人為的控制功率輸出直接影響原始數(shù)據(jù)的有效性。本文提出建立三組數(shù)據(jù)庫(kù)：控制下的實(shí)際輸出功率數(shù)據(jù)庫(kù)玉、不受控制時(shí)輸出功率差額數(shù)據(jù)庫(kù)域和理論輸出功率數(shù)據(jù)庫(kù)芋。其中數(shù)據(jù)庫(kù)玉用作風(fēng)電場(chǎng)功率預(yù)測(cè)，上報(bào)調(diào)度部門；數(shù)據(jù)庫(kù)芋用于本風(fēng)電場(chǎng)數(shù)學(xué)建模和風(fēng)電機(jī)組的功率預(yù)測(cè)；數(shù)據(jù)庫(kù)域用作功率缺額對(duì)比和計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)總的功率預(yù)測(cè)。

3 對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)的展望

采用精確的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)模型，提高基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的完整率和有效性，結(jié)合更加科學(xué)的數(shù)據(jù)處理方法，建立相應(yīng)的風(fēng)電場(chǎng)管理制度將會(huì)對(duì)預(yù)測(cè)系統(tǒng)帶來(lái)很大幫助。本文認(rèn)為在今后的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)方面還需要做以下工作。

1）開(kāi)發(fā)相應(yīng)軟件對(duì)風(fēng)電場(chǎng)氣象信息進(jìn)行統(tǒng)一管理；數(shù)值天氣預(yù)報(bào)信息能夠提供更高分辨率的氣象信息，至少應(yīng)適用于本文提出的分塊預(yù)測(cè)方案。

2）提高風(fēng)速計(jì)的機(jī)械可靠性和測(cè)量精度，風(fēng)向標(biāo)方面，應(yīng)減少死區(qū)范圍。測(cè)量方法可以用電信號(hào)來(lái)代替目前的機(jī)械式方法。

3）將智能算法應(yīng)用到數(shù)據(jù)管理中來(lái)，基于數(shù)據(jù)挖掘的機(jī)器算法更能發(fā)掘出數(shù)據(jù)之間的潛在聯(lián)系。

4）未來(lái)的風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具備相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序和管理軟件，計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)完成數(shù)據(jù)處理過(guò)程，工作人員不再直接處理數(shù)據(jù)，只起監(jiān)督作用。

4 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)述了當(dāng)前風(fēng)電給電力系統(tǒng)帶來(lái)的挑戰(zhàn)，引出風(fēng)電功率預(yù)測(cè)的必要性，簡(jiǎn)要介紹風(fēng)電功率的預(yù)測(cè)模型，重點(diǎn)分析了當(dāng)前風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)中誤差較大的各種原因，包括預(yù)測(cè)策略和模型，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行方式，人為因素給預(yù)測(cè)系統(tǒng)帶來(lái)的影響。

針對(duì)以上原因，本文給出了適合于風(fēng)電場(chǎng)預(yù)測(cè)系統(tǒng)并能提高預(yù)測(cè)精度的措施。最后對(duì)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了展望，提出了在開(kāi)發(fā)預(yù)測(cè)系統(tǒng)的過(guò)程中還需要進(jìn)一步做的工作。

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