在全球范圍內(nèi)，隨著開發(fā)技術(shù)和相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)的持續(xù)進步，海上風(fēng)電開發(fā)已經(jīng)成為各國能源投資與發(fā)展的新熱點，風(fēng)電發(fā)展逐漸向具有風(fēng)能資源豐富、距離負荷中心近、消納能力強等特點的海上轉(zhuǎn)移。 受海洋區(qū)域規(guī)劃條件的限制，海上風(fēng)電場的規(guī)劃與選址較為集中，大規(guī)模海上風(fēng)電場的集中并網(wǎng)對電網(wǎng)接納能力產(chǎn)生了極大的挑戰(zhàn)，如何針對海上風(fēng)電場的不可控性和無功特性復(fù)雜的特點進行發(fā)電預(yù)測，成為了世界風(fēng)電研究的重點課題。
1 發(fā)電量研究成為國內(nèi)外重要研究課題
目前很多國家對發(fā)電量預(yù)測開展了相關(guān)研究。 通過WPMS系統(tǒng)預(yù)測，利用數(shù)值天氣預(yù)報數(shù)據(jù)、歷史觀測數(shù)據(jù)、實際測量數(shù)據(jù)建立關(guān)系模型進行預(yù)測，均方根誤差約為7%~19%。 近年來，混沌理論的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)電量預(yù)測方法有了新發(fā)展，利用風(fēng)力發(fā)電機輸出功率的非線性混沌時間序列特性，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進行信息處理和發(fā)電量預(yù)測。 但是上述方法主要適用于發(fā)電量的短期預(yù)測，對現(xiàn)今國內(nèi)外風(fēng)電場中長期的發(fā)電量預(yù)測及提高預(yù)測精確度的研究比較有限。
風(fēng)電論文范例：基于PLC的風(fēng)電機組控制系統(tǒng)設(shè)計
由于海上風(fēng)電場特殊的運行環(huán)境，運維成本遠高于陸地風(fēng)電場，根據(jù)發(fā)電量預(yù)測結(jié)果制定合理的運維檢修策略可最大限度地減少停機帶來的電量損失。 本文提出的月度發(fā)電量預(yù)測方法，是以多年的月度測風(fēng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用WAsP發(fā)電量計算軟件，分月進行發(fā)電量計算，以華南某海上風(fēng)電場為算例，編制月度發(fā)電計劃，并根據(jù)風(fēng)電場的實際運行情況進行驗證和評價。
2 海上風(fēng)電場的月度發(fā)電量預(yù)測
2.1 試驗場址概況
試驗風(fēng)電場場址離岸約20km，周圍多島環(huán)繞，場內(nèi)海底地貌形態(tài)簡單，水下地形較平坦，泥面標(biāo)高為-6m至-12m，場址面積約33km2，完成31臺3MW風(fēng)機并網(wǎng)調(diào)試。
試驗風(fēng)電場場址中心建有一座海上測風(fēng)塔，在風(fēng)機輪轂高度90m裝有風(fēng)速儀和風(fēng)向標(biāo)，2012年7月~2013年7月、2013年7月~2014年7月、2015年7月~2016年7月三個完整測風(fēng)年期間的數(shù)據(jù)獲取率和有效性滿足規(guī)范要求，有效觀測時長為3年，對風(fēng)電場的風(fēng)能資源評估具有很強的代表性。根據(jù)測風(fēng)塔三年完整測風(fēng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計年平均、月平均風(fēng)速，得到年風(fēng)向、風(fēng)能玫瑰圖。
2.2 月度發(fā)電量預(yù)測
從測試風(fēng)電場有效測風(fēng)時間三整年的平均風(fēng)速比較來看，年平均風(fēng)速比較穩(wěn)定，在7.00m/s~7.02m/s之間，且風(fēng)速的季節(jié)分布也比較一致。 用三年的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源進行月度電量預(yù)測可以降低預(yù)測的不確定性。
本文選取實測三年(2012年7月~2014年7月、2015年7月~2016年7月)90m高度分月的測風(fēng)數(shù)據(jù)作為輸入條件，應(yīng)用WAsP軟件，設(shè)置計算中所需要的模型參數(shù)(地表粗糙度、尾流衰減系數(shù)、風(fēng)電場及周邊地形條件、風(fēng)機功率曲線)，分別對風(fēng)電場發(fā)電量進行模擬計算，預(yù)測風(fēng)電場全年的理論發(fā)電量，再折減氣候、線損、功率曲線、可利用率、運維及時性等因素，得到計劃上網(wǎng)電量的預(yù)測結(jié)果。
2.3 實際發(fā)電量驗證與分析
測試風(fēng)電場于2018年12月完成31臺風(fēng)機并網(wǎng)發(fā)電，于2019年1月完成最后一批風(fēng)機的并網(wǎng)調(diào)試。 本文選取2019年1月(最后一批風(fēng)機并網(wǎng)調(diào)試)及2019年2月(全部風(fēng)機正常投產(chǎn))的發(fā)電量，進行與發(fā)電計劃的對比分析。
(1)風(fēng)速評估。
選取香港橫瀾島測風(fēng)三年同期的月平均風(fēng)速，與測試風(fēng)電場的測風(fēng)塔測風(fēng)期三年的月平均風(fēng)速進行相關(guān)分析。 相關(guān)系數(shù)R為0.78，認為橫瀾站與測風(fēng)塔月平均風(fēng)速具有較好的線性相關(guān)關(guān)系，因此將橫瀾站作為試驗風(fēng)電場的參證站進行大小風(fēng)月的評估。
橫瀾站2019年1月實測風(fēng)速22.8km/h，即6.33m/s，將該風(fēng)速與試驗風(fēng)電場前三年實測對應(yīng)的橫瀾島1月數(shù)據(jù)6.8m/s進行比較可見，2019年1月較三年測風(fēng)期間1月的月平均風(fēng)速較小，風(fēng)速低約7%。 用線性關(guān)系推算風(fēng)電場2019年1月實際風(fēng)速約為6.89m/s。
橫瀾站2019年2月實測風(fēng)速23.4km/h，即6.5m/s，將該風(fēng)速與試驗風(fēng)場前三年實測對應(yīng)的橫瀾島2月數(shù)據(jù)6.53m/s進行比較可見，2019年2月與三年測風(fēng)期間2月的月平均風(fēng)速持平，測風(fēng)三年的數(shù)據(jù)可用于試驗風(fēng)電場2019年2月的發(fā)電量預(yù)測。
(2)應(yīng)發(fā)電量。
由于1月發(fā)電計劃的制定依據(jù)于三年測風(fēng)風(fēng)速7.4m/s，高于2019年1月的實際風(fēng)速，所以應(yīng)找到接近于實際風(fēng)速6.89m/s的計劃發(fā)電量，用以評估試驗風(fēng)電場的實際發(fā)電情況。 實驗風(fēng)電場測風(fēng)期間1月、3月及全年的測風(fēng)風(fēng)速基本符合韋布爾分布曲線，本文暫取3月(平均風(fēng)速為6.79m/s)與全年計劃(平均風(fēng)速為6.97m/s)的均值作為2019年1月的參考理論發(fā)電量：
2019年1月應(yīng)發(fā)電量=(1608+(19932×31/365))/2=1650萬kW·h
因2019年2月采用測風(fēng)三年的實際風(fēng)速，應(yīng)發(fā)電量直接取表2發(fā)電計劃中的2月1939萬kW·h。
(3)實際發(fā)電情況分析。
2019年1月，31臺風(fēng)機實際發(fā)電量總計1603萬kW·h，上網(wǎng)電量1551萬kW·h，略低于實際應(yīng)發(fā)電量1650萬kW·h。 從現(xiàn)場調(diào)試情況看，2019年1月最后一批并網(wǎng)風(fēng)機正處于調(diào)試狀態(tài)，發(fā)電不穩(wěn)定，故障較多。 31臺風(fēng)機平均可利用率為90%，且6#、8#、9#、13#可利用率不足80%，對發(fā)電量造成較大影響。
在2019年1月應(yīng)發(fā)電量中，如扣除6#、8#、9#、13#四臺風(fēng)機的發(fā)電量，由調(diào)試引起的損失約50%電量118萬kW·h，即1650-118=1532萬kW·h，與實際發(fā)電量的1551萬kW·h較為接近，低約1%。
2019年2月31臺風(fēng)機實際發(fā)電量總計2236萬kW·h，上網(wǎng)電量2172萬kW·h，略高于實際應(yīng)發(fā)電量1939萬kW·h。 2019年2月風(fēng)機已全部完成調(diào)試，進入正常運行狀態(tài)，風(fēng)場平均可利用率為98%(高于制訂計劃預(yù)估時采用的預(yù)期值95%)，各風(fēng)機實發(fā)功率與用于計算的功率曲線吻合度達95%以上，可認為2019年2月風(fēng)電場實際狀態(tài)略優(yōu)于制定發(fā)電計劃的假定條件。 考慮可利用率對于發(fā)電量的影響，在2019年2月應(yīng)發(fā)電量中應(yīng)增加部分電量即61萬kW·h，即1939+61=2000萬kW·h，略低于實際風(fēng)況下應(yīng)發(fā)電量2172kW·h，低約8%。
經(jīng)上述分析，2019年1月和2月的實際風(fēng)況下應(yīng)發(fā)電量與實際發(fā)電量的月度比較一致，風(fēng)電場的風(fēng)機可利用率直接影響應(yīng)發(fā)電量與實際發(fā)電量的匹配性，誤差可控制在10%以內(nèi)。
3 結(jié)論
本文以華南某海上風(fēng)電場為試驗場址，對發(fā)電量的月度預(yù)測及分析方法進行了研究，主要結(jié)論如下：
(1)利用WAsP軟件全面考慮地形、氣象條件、地表粗糙度、尾流衰減、阻礙物、風(fēng)機排布方案等對發(fā)電量的影響，進行海上風(fēng)電場月度發(fā)電量預(yù)測，可為企業(yè)制定發(fā)電計劃提供科學(xué)的依據(jù)。
(2)月度發(fā)電量預(yù)測應(yīng)選擇合適的數(shù)據(jù)源，多年度測風(fēng)數(shù)據(jù)用于月度發(fā)電量預(yù)測可以降低預(yù)測的不確定性。 測試結(jié)果表明，實際風(fēng)況下應(yīng)發(fā)電量與實際發(fā)電量的月度比較一致，風(fēng)電場的風(fēng)機可利用率直接影響應(yīng)發(fā)電量與實際發(fā)電量的匹配性，誤差可控制在10%以內(nèi)。
(3)根據(jù)實際風(fēng)況下的理論發(fā)電量計算結(jié)果與實際發(fā)電量的對比分析，應(yīng)充分考慮設(shè)備的運行狀況，如風(fēng)機可利用率、風(fēng)機功率曲線等因素。
【作者簡介】劉沙
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