關(guān)于貴州山地風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)虛擬測(cè)風(fēng)塔的應(yīng)用分析

周 祥

（粵電集團(tuán)貴州有限公司，貴陽(yáng) 550000）

1 引言

風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)對(duì)接入大量風(fēng)電的電力系統(tǒng)運(yùn)行有重要意義，《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》（GB19963-2011）中對(duì)風(fēng)電場(chǎng)功率預(yù)測(cè)做了強(qiáng)制性規(guī)定，《風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)》中也對(duì)風(fēng)速及風(fēng)功率預(yù)測(cè)的分辨率和準(zhǔn)確性提出了要求，風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)向電網(wǎng)調(diào)度部門(mén)提供未來(lái)15分鐘～4 小時(shí)、次日24 小時(shí)的風(fēng)電場(chǎng)輸出功率預(yù)測(cè)值（時(shí)間分辨率為15分鐘），預(yù)測(cè)誤差（平均相對(duì)誤差）應(yīng)不大于25%。電力系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，維持發(fā)電、輸電、用電之間的功率平衡是電網(wǎng)的責(zé)任。沒(méi)有風(fēng)電的電力系統(tǒng)，電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)根據(jù)日負(fù)荷曲線(xiàn)可以制定發(fā)電計(jì)劃，滿(mǎn)足次日電力的需求。風(fēng)電場(chǎng)輸出功率具有波動(dòng)性和間歇性，風(fēng)電的大規(guī)模接入導(dǎo)致發(fā)電計(jì)劃制定難度大大增加，風(fēng)電給電力系統(tǒng)的調(diào)度運(yùn)行帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。對(duì)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率進(jìn)行預(yù)測(cè)是緩解電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻壓力，提高風(fēng)電接納能力的有效手段之一，同時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)企業(yè)也可以利用風(fēng)電預(yù)報(bào)選擇風(fēng)力較小的天氣合理安排風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的檢修，盡可能減少因風(fēng)電機(jī)組檢修無(wú)法發(fā)電帶來(lái)的發(fā)電量損失。

2 風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)介紹及測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)重要性

風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)包括硬件終端設(shè)施與風(fēng)電預(yù)測(cè)軟件系統(tǒng)。通過(guò)采集數(shù)值氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)輸出功率數(shù)據(jù)、風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)等數(shù)據(jù)，完成對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)、超短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)工作，并向電網(wǎng)側(cè)上傳測(cè)風(fēng)塔氣象數(shù)據(jù)和風(fēng)功率預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。氣象服務(wù)器通過(guò)接收數(shù)值氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)并進(jìn)行加工處理后，經(jīng)反向隔離器將其傳送至風(fēng)功率預(yù)測(cè)服務(wù)器，功率預(yù)測(cè)服務(wù)器通過(guò)防火墻與升壓站和電場(chǎng)風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)相連，進(jìn)行實(shí)發(fā)功率的采集、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、分析工作，風(fēng)電功率預(yù)測(cè)服務(wù)器根據(jù)接收的數(shù)值氣象數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)、風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行并行計(jì)算處理，可以得到168小時(shí)中期功率預(yù)測(cè)和未來(lái)4小時(shí)超短期功率預(yù)測(cè)曲線(xiàn)。

在整個(gè)風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)測(cè)風(fēng)塔的數(shù)據(jù)直接影響預(yù)測(cè)建模精度，是必不可少的一部分，電網(wǎng)公司對(duì)實(shí)時(shí)測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)的上傳有明確要求。

3 貴州地區(qū)測(cè)風(fēng)塔的生存現(xiàn)狀

貴州地區(qū)處于云貴高原，是我國(guó)凝凍災(zāi)害最重、發(fā)生最為頻繁的省份。目前全國(guó)的測(cè)風(fēng)塔為了降低造價(jià)成本，普遍采用拉線(xiàn)式的測(cè)風(fēng)塔，這種測(cè)風(fēng)塔的覆冰能力普遍偏低，往往只能承受25mm及以下的覆冰，而貴州地區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)大多建設(shè)在山頂，每年冬春季的冰凍情況較嚴(yán)重，為保證風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)的精確度，測(cè)風(fēng)塔的位置一般處于具有全場(chǎng)風(fēng)速代表性的地域，此處風(fēng)速較大。當(dāng)測(cè)風(fēng)塔覆冰后，會(huì)加重塔本身重量，此時(shí)如果風(fēng)速過(guò)大，拉線(xiàn)將不能承受測(cè)風(fēng)塔重量而造成測(cè)風(fēng)塔倒塌，造成巨大損失，并且影響風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行及數(shù)據(jù)上傳。根據(jù)粵電集團(tuán)貴州有限公司大頂山風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況，2016年、2017年冬春季，風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔都出現(xiàn)測(cè)風(fēng)塔倒塌情況。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔覆冰倒塌圖

在貴州這種普遍式凝凍天氣情況下，選擇拉線(xiàn)式的測(cè)風(fēng)塔就需要承擔(dān)倒塔的風(fēng)險(xiǎn)。而抗冰凍性能更好的自立式測(cè)風(fēng)塔成本較高，一座建設(shè)成本相當(dāng)于5座拉線(xiàn)式測(cè)風(fēng)塔，選用自立式的測(cè)風(fēng)塔也不能保證在極端天氣條件不損毀。貴州風(fēng)電在全國(guó)風(fēng)電中，屬于風(fēng)資源匱乏區(qū)域，2017年年平均利用小時(shí)數(shù)僅為1818h，再加上貴州風(fēng)電的建設(shè)成本普遍偏高，風(fēng)電場(chǎng)的收益有限，如果經(jīng)常性出現(xiàn)固定資產(chǎn)損毀，將不能保證盈利。這樣就需要一種新型的測(cè)風(fēng)技術(shù)來(lái)代替目前應(yīng)用環(huán)境較差的測(cè)風(fēng)塔，獲取風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)資源情況，運(yùn)用風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)的模型分析，上傳滿(mǎn)足電網(wǎng)公司“兩個(gè)細(xì)則”要求的相關(guān)數(shù)據(jù)，而虛擬測(cè)風(fēng)塔技術(shù)恰好能夠適用。

4 虛擬測(cè)風(fēng)塔技術(shù)分析

利用所有風(fēng)機(jī)的歷史測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)和風(fēng)電場(chǎng)地形數(shù)據(jù)，根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)方程，建立基于不同風(fēng)速段的連續(xù)時(shí)間段聚類(lèi)的SVM（支持向量機(jī)）的虛擬風(fēng)速模型，計(jì)算各個(gè)風(fēng)機(jī)在不同風(fēng)速段的風(fēng)速與風(fēng)向權(quán)值，加權(quán)后得到風(fēng)電場(chǎng)指定位置輪轂高處的風(fēng)速和風(fēng)向通過(guò)風(fēng)廓線(xiàn)方程，計(jì)算各個(gè)高度層的風(fēng)速與風(fēng)向；通過(guò)風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)“功率-風(fēng)速”關(guān)系模型，計(jì)算空氣密度；通過(guò)風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)“功率-環(huán)境溫度”關(guān)系模型，計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)平均溫度；根據(jù)溫度和空氣密度計(jì)算相對(duì)濕度和氣壓。

圖2 為實(shí)體測(cè)風(fēng)塔與虛擬測(cè)風(fēng)塔的實(shí)用性對(duì)比：虛擬測(cè)風(fēng)塔的特點(diǎn)：

圖2

風(fēng)向風(fēng)速的模擬計(jì)算：利用風(fēng)電場(chǎng)所有風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)向風(fēng)速儀，以及整風(fēng)場(chǎng)的功率輸出數(shù)值，建立所有風(fēng)電機(jī)組風(fēng)向風(fēng)速-風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電功率數(shù)據(jù)樣本庫(kù)；采用基于模糊綜合評(píng)判模型的建模技術(shù)，建立所有風(fēng)電機(jī)組風(fēng)向風(fēng)速-風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電功率模型，利用樣本庫(kù)的遍歷一年四季的歷史數(shù)據(jù)，對(duì)這一所有風(fēng)電機(jī)組風(fēng)向風(fēng)速-風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電功率模型進(jìn)行訓(xùn)練，確定模糊綜合評(píng)判模型中所有風(fēng)電機(jī)組的權(quán)值。通過(guò)確定權(quán)值后的模型，就可以計(jì)算得到代表整風(fēng)場(chǎng)輪轂高度的風(fēng)向風(fēng)速。

溫度：利用所有風(fēng)電機(jī)組的機(jī)艙的環(huán)境溫度傳感器，以及整風(fēng)場(chǎng)的功率輸出數(shù)值，建立所有風(fēng)電機(jī)組溫度-風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電功率數(shù)據(jù)樣本庫(kù)；采用基于模糊綜合評(píng)判模型的建模技術(shù)，建立所有風(fēng)電機(jī)組溫度-風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電功率模型，利用樣本庫(kù)的遍歷一年四季的歷史數(shù)據(jù)，對(duì)這一所有風(fēng)電機(jī)組溫度-風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電功率模型進(jìn)行訓(xùn)練，確定模糊綜合評(píng)判模型中所有風(fēng)電機(jī)組的權(quán)值。通過(guò)確定權(quán)值后的模型，就可以計(jì)算得到代表整風(fēng)場(chǎng)輪轂高度的溫度。

濕度與氣壓：根據(jù)輪轂高度的風(fēng)速與功率輸出，計(jì)算空氣密度，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，從而計(jì)算得到濕度氣壓。

5 結(jié)論和建議

本文通過(guò)對(duì)貴州地區(qū)的特定天氣情況、風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)測(cè)風(fēng)塔的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，研究虛擬測(cè)風(fēng)塔技術(shù)在貴州山地風(fēng)電場(chǎng)的應(yīng)用前景，研究結(jié)果表明，在全國(guó)風(fēng)電場(chǎng)，尤其是貴州山地風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用虛擬測(cè)風(fēng)塔技術(shù)，可以減少固定資產(chǎn)的投資，提高風(fēng)電場(chǎng)收益率，保證風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，前景廣闊。但在使用過(guò)程中，也需要注意：

采用虛擬測(cè)風(fēng)塔得出的風(fēng)資源情況畢竟是模擬分析，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率需進(jìn)行校驗(yàn)，由于山地風(fēng)電風(fēng)資源情況的復(fù)雜性，在虛擬測(cè)風(fēng)塔的使用過(guò)程中，需要不斷對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。有條件的風(fēng)電場(chǎng)甚至可以選取一段時(shí)間。采用激光測(cè)風(fēng)設(shè)備進(jìn)行測(cè)風(fēng)，再與虛擬測(cè)風(fēng)塔的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。