風(fēng)機(jī)發(fā)電風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源需求的日益增多，風(fēng)機(jī)發(fā)電技術(shù)也日益發(fā)展。有效優(yōu)化電網(wǎng)的調(diào)度可以更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電功率的預(yù)測(cè)，不但能夠使電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，更對(duì)提高風(fēng)電場(chǎng)在電力市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)地位有著至關(guān)重要的作用。該文首先提出了具有先進(jìn)的統(tǒng)計(jì)方法的風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)國(guó)內(nèi)風(fēng)功率預(yù)測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀作了簡(jiǎn)要敘述，同時(shí)把高精度數(shù)值氣象預(yù)報(bào)作為重要基礎(chǔ)，力求搭建完備的數(shù)據(jù)調(diào)查和記錄的系統(tǒng)，針對(duì)風(fēng)功率預(yù)測(cè)精度低的問題提出了相應(yīng)的改進(jìn)方法，使之更好地利用各個(gè)通訊口采集風(fēng)電場(chǎng)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，力求為風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行和管理提供更有效的輔助作用，供大家研究和參考。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)發(fā)電 功率預(yù)測(cè) 系統(tǒng) 研究與應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）08（a）-0026-02

隨機(jī)變化的風(fēng)速、風(fēng)向?qū)е嘛L(fēng)電場(chǎng)輸出功率具有間歇性、波動(dòng)性以及隨機(jī)性等特點(diǎn)，大量風(fēng)電場(chǎng)集中并網(wǎng)不僅會(huì)對(duì)電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定以及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)重要影響，更直接限制著電網(wǎng)接納風(fēng)電的效率[1]。風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，可以使調(diào)度運(yùn)行人員根據(jù)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的波動(dòng)的情況，更加合理地采取應(yīng)對(duì)措施，保障電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和可靠性。功率預(yù)測(cè)和負(fù)荷預(yù)測(cè)的結(jié)合，還有很多好處，比如更夠調(diào)整調(diào)度運(yùn)行的人員、優(yōu)化常規(guī)電廠的發(fā)電計(jì)劃、增加風(fēng)電的并網(wǎng)的容量、改善電網(wǎng)的調(diào)峰能力，對(duì)改善電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，減少溫室氣體的排放具有非常重要的意義[2]。

另外，對(duì)風(fēng)電功率的預(yù)測(cè)還能夠提高風(fēng)電在電力市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)提高上網(wǎng)電價(jià)也具有重要作用。對(duì)普通的風(fēng)電場(chǎng)而言，風(fēng)電功率的預(yù)測(cè)還能夠?qū)ζ髽I(yè)合理安排檢修計(jì)劃起到重要的參考作用，從而進(jìn)一步提高企業(yè)的盈利能力。

1 關(guān)于國(guó)內(nèi)外風(fēng)功率預(yù)測(cè)的現(xiàn)狀研究

我國(guó)的風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)二十余年的發(fā)展，已經(jīng)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，在全球已經(jīng)獲得了很廣泛的應(yīng)用。近年以來(lái)，國(guó)際上都十分重視風(fēng)機(jī)發(fā)電風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)的研究，已經(jīng)開始開發(fā)更高級(jí)的預(yù)測(cè)模型，各發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開始研究在復(fù)雜地形、極端天氣以及海上風(fēng)電等惡劣條件下的風(fēng)功率的預(yù)測(cè)系統(tǒng)。當(dāng)下，西班牙和丹麥等風(fēng)電大國(guó)的風(fēng)電技術(shù)領(lǐng)先世界，如西班牙已經(jīng)能夠達(dá)到提前48 h、平均誤差在20%之下、提前24 h平均誤差在10%之下[3]。

我國(guó)的風(fēng)機(jī)發(fā)電風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)也取得了很大進(jìn)展，雖然起步較晚，但是我國(guó)經(jīng)過(guò)許多年的技術(shù)創(chuàng)新和投入，已經(jīng)具備完善的解決難題和實(shí)際中出現(xiàn)的問題的能力。可以說(shuō)是成就斐然。我國(guó)相關(guān)的風(fēng)機(jī)發(fā)電風(fēng)力預(yù)測(cè)的機(jī)構(gòu)結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，建立和健全了大量的風(fēng)功率預(yù)測(cè)模塊，這種人工智能的算法和體系在很大程度上提高了風(fēng)功率預(yù)測(cè)的精度。另外，我國(guó)還提出了有效的風(fēng)功率預(yù)測(cè)方案，這能在很大程度上解決因?yàn)榇笠?guī)模接入風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)所造成的沖擊問題。

2 風(fēng)機(jī)發(fā)電風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)的組成

功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：功率預(yù)測(cè)主機(jī)、NWP處理處理器、防火墻、反向物理隔離裝置、預(yù)測(cè)系統(tǒng)客戶端以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和附屬設(shè)備等[4]。

3 風(fēng)機(jī)發(fā)電風(fēng)功率預(yù)測(cè)技術(shù)方法總結(jié)分類

利用空氣動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)等基本的原理，也就是數(shù)值天氣預(yù)報(bào)就是風(fēng)功率的預(yù)測(cè)技術(shù)，它基本是借助歷史天氣的試驗(yàn)為重要的經(jīng)驗(yàn)，利用數(shù)值計(jì)算的方法來(lái)預(yù)測(cè)風(fēng)場(chǎng)輸出功率的一門科學(xué)。

風(fēng)機(jī)發(fā)電風(fēng)功率預(yù)測(cè)技術(shù)的直接方法是以風(fēng)速為基礎(chǔ)的預(yù)測(cè)方法，基于功率的預(yù)測(cè)方法被稱為間接方法，這兩種方法的功率預(yù)測(cè)都由預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)模型來(lái)確定。

物理方法利用NWP數(shù)據(jù)（主要是風(fēng)速）作為輸入的參考數(shù)據(jù)，并且需要充分考慮風(fēng)電場(chǎng)的地形以及地表的粗糙程度，附近的障礙物、風(fēng)機(jī)輪的高度，機(jī)械的轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)、風(fēng)機(jī)特性曲線和風(fēng)機(jī)的控制策略等技術(shù)作為建設(shè)模型的對(duì)象來(lái)確定相對(duì)適合風(fēng)功率預(yù)測(cè)的中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)。

另一種常用的方法是統(tǒng)計(jì)方法，這一方法的實(shí)質(zhì)是在風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)的輸入端和風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)的輸出端這兩個(gè)端口建立一種映射函數(shù)，在不考慮風(fēng)速的情況之下，直接利用NWP這一數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)風(fēng)場(chǎng)的輸出功率進(jìn)行直接的預(yù)測(cè)。常見的統(tǒng)計(jì)方法大致有以下幾個(gè)：時(shí)間序列法、指數(shù)平滑法、概率預(yù)測(cè)法、灰色預(yù)測(cè)法、小波分解方法和數(shù)據(jù)挖掘方法[5]。在這些方法中，最典型的方法是時(shí)間序列，其特點(diǎn)是隨機(jī)性高、具有平穩(wěn)的數(shù)據(jù)，且必須要計(jì)算機(jī)的程序才能夠識(shí)別。另外，這種方法所采用的數(shù)據(jù)相對(duì)單一，預(yù)測(cè)的周期很短，其對(duì)誤差的設(shè)計(jì)也不夠合理，因?yàn)樗哂幸陨系膬?yōu)點(diǎn)，所以其多用于優(yōu)化控制。

描述系統(tǒng)輸入和輸出之間關(guān)系的時(shí)候，需要用到解析方程來(lái)解決，建立非線性預(yù)測(cè)的學(xué)習(xí)模型。常見的學(xué)習(xí)方法有：支持向量機(jī)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、混合專家經(jīng)驗(yàn)法、模糊邏輯法等。最典型和最常見的就是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，這種方法因其具有很強(qiáng)大的自動(dòng)適應(yīng)能力，自動(dòng)學(xué)習(xí)能力以及優(yōu)良的容錯(cuò)性和泛化能力，因而被廣泛地應(yīng)用于信號(hào)的管理、模式的識(shí)別、智能檢測(cè)以及汽車和金融等領(lǐng)域。

4 風(fēng)機(jī)發(fā)電風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)的誤差分析

風(fēng)機(jī)發(fā)電風(fēng)功率的預(yù)測(cè)畢竟只是預(yù)測(cè)，誤差存在也是客觀的，因?yàn)轱L(fēng)速會(huì)受到不確定的天氣狀況影響，受限于風(fēng)電機(jī)組，預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型等不良數(shù)據(jù)的影響，具體的誤差有下面幾點(diǎn)。

（1）波動(dòng)的風(fēng)速給預(yù)測(cè)模型的輸出帶來(lái)了誤差，這是因?yàn)轱L(fēng)資源具有很大的隨機(jī)性和不確定性，這使得誤差不可避免。

（2）數(shù)學(xué)模型的精確度低。在當(dāng)前我國(guó)使用的風(fēng)功率預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)模型很單一，這不能夠全面地反映實(shí)際的濕度和地貌等因素，盡管也有些組合的精度大大提高，但是就整體而言國(guó)內(nèi)的預(yù)測(cè)技術(shù)并不是很成熟。

5 風(fēng)機(jī)發(fā)電風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)的不足之處和改進(jìn)方法

風(fēng)機(jī)發(fā)電風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)的不足之處有風(fēng)電消納能力的局限、輸入數(shù)據(jù)單一及周圍的環(huán)境和物理因素的影響。另外，不完善的測(cè)風(fēng)塔采集系統(tǒng)，使得誤差沒有經(jīng)過(guò)人為修正，誤差很大。具體的改進(jìn)措施如下。

（1）優(yōu)化組合風(fēng)力預(yù)測(cè)的模型，預(yù)報(bào)NWP的信息，這可以有效地縮小在惡劣天氣和極端天氣下的誤差，大大提高預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)度。

（2）加速NWP更新的頻率，改善數(shù)學(xué)模型和數(shù)據(jù)輸入的同時(shí)，更新現(xiàn)代的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，提高輸出的精準(zhǔn)度。

（3）充分地利用小波分析、混沌理論、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能方法，對(duì)預(yù)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化組合分析，提高預(yù)測(cè)的可靠性和精準(zhǔn)度。

（4）在對(duì)風(fēng)功率短期預(yù)測(cè)的時(shí)候，盡快更新NWP的數(shù)據(jù)，提高風(fēng)功率預(yù)測(cè)的技能和方法。

6 結(jié)語(yǔ)

總之，我國(guó)電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行和發(fā)展離不開對(duì)風(fēng)速和風(fēng)力發(fā)電功率的預(yù)測(cè)，對(duì)風(fēng)速和風(fēng)力發(fā)電的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)能夠極大地提高風(fēng)電企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。我國(guó)已經(jīng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)的風(fēng)電場(chǎng)功率預(yù)測(cè)模型，其具有分析訓(xùn)練簡(jiǎn)單、結(jié)果穩(wěn)定可靠、執(zhí)行速度極快、硬件消耗資源少、精準(zhǔn)預(yù)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。

盡管自然界的風(fēng)速變化莫測(cè)，風(fēng)機(jī)發(fā)電的功率預(yù)測(cè)的難度也很大，以目前的技術(shù)水平來(lái)看，其精準(zhǔn)度還有待進(jìn)一步提高，但是有理由相信，隨著技術(shù)水平的不斷提高，獲得的歷史數(shù)據(jù)越來(lái)越多，采取新的NWP等數(shù)據(jù)來(lái)應(yīng)對(duì)和預(yù)測(cè)突發(fā)天氣等，這些都能夠進(jìn)一步提高風(fēng)機(jī)發(fā)電功率預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)度。

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