基于WRF模式的大同地區(qū)風(fēng)電場發(fā)電量預(yù)報(bào)技術(shù)研究＊

王揚(yáng)，董春卿，馬嚴(yán)枝，郝婧宇，李青青

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基于WRF模式的大同地區(qū)風(fēng)電場發(fā)電量預(yù)報(bào)技術(shù)研究＊

王揚(yáng)，董春卿，馬嚴(yán)枝，郝婧宇，李青青

（山西省氣象臺，山西 太原 030006）

為了研究WRF模式在大同地區(qū)的風(fēng)電預(yù)報(bào)能力，用WRF模式模擬2015-01、2015-04、2015-07、2015-10四個月大同地區(qū)風(fēng)場，評估模擬效果，并根據(jù)模擬結(jié)果采用輪轂高度為80 m的V90-3.0 MW（50 Hz）型風(fēng)機(jī)對該地區(qū)的風(fēng)電量進(jìn)行預(yù)報(bào)。結(jié)果表明，各月實(shí)況日平均風(fēng)速和模擬日平均風(fēng)速相關(guān)系數(shù)均大于等于0.58，模擬效果較好，其中2015-10達(dá)到了0.88，模擬效果最好；各月的有效風(fēng)能密度比例均在93%以上，該地區(qū)的風(fēng)能可利用率是非常高的，特別是在春季和秋季；利用WRF模式模擬的各月逐小時風(fēng)場有偏差，但是模式具有模擬風(fēng)速變化的能力，可用于制作風(fēng)電量預(yù)報(bào)，指導(dǎo)風(fēng)電場建設(shè)和運(yùn)營。

WRF模式；誤差分析；風(fēng)電量預(yù)報(bào)；風(fēng)能

1 引言

風(fēng)能作為一種重要的、清潔的、無污染的、可再生的能源，具有其他能源無可替代的開發(fā)優(yōu)勢，目前，風(fēng)能開發(fā)利用的主要形式是風(fēng)力發(fā)電[1-2]。近年來，我國在積極推廣風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，風(fēng)電場風(fēng)速和發(fā)電量預(yù)報(bào)就成為氣象服務(wù)的重要領(lǐng)域之一。準(zhǔn)確、高分辨率的風(fēng)速預(yù)報(bào)和風(fēng)電預(yù)報(bào)是提高風(fēng)能利用率的關(guān)鍵技術(shù)之一[3-5]。WRF（Weather Research Forecast）模式是新一代中尺度數(shù)值模式和數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)，近年來，廣泛應(yīng)用于風(fēng)電場風(fēng)速預(yù)報(bào)研究中[6-9]。山西大同地區(qū)風(fēng)能資源較為豐富，利用WRF模式模擬近地面層風(fēng)速，在此基礎(chǔ)上評價模擬效果和誤差分析，并利用模擬風(fēng)場結(jié)果制作該地區(qū)發(fā)電量預(yù)報(bào)，有助于高效、合理地利用風(fēng)能資源，為該地區(qū)的風(fēng)能資源的開發(fā)和風(fēng)電場建設(shè)和運(yùn)營提供指導(dǎo)。

2 研究資料及模擬方案

2.1 觀測資料

使用2015-01、2015-04、2015-07、2015-10大同站日平均風(fēng)速觀測值來評價WRF模式模擬效果和分析誤差特征。

2.2 WRF模式模擬方案

使用的WRF模式版本為ARW3.4.1，采用NCEP GFS全球預(yù)報(bào)場作為模式初始場和側(cè)邊界，時間分辨率為6 h，系統(tǒng)由每天OOZ UTC冷啟動開始，進(jìn)行72 h預(yù)報(bào)，時間步長120 s。模式的嵌套方案為單重網(wǎng)格不嵌套，模擬中心為112.6°E，37.8°N，水平網(wǎng)格距為27 km，格點(diǎn)數(shù)為150×150.模式的微物理過程為WSM5，使用RRTM長波輻射方案和Goddard短波輻射方案，陸面過程方案采用Noah陸面過程方案，積云參數(shù)化方案為Grell-Devenyi方案。模式垂直分層方案采用地形追隨坐標(biāo)，模式頂高50 hPa，垂直方向?yàn)?8層，2 km以下18層，最底層為20 m。為了滿足風(fēng)電預(yù)報(bào)需求，設(shè)置模式第2層距地面高度約為70 m，第3層距地面高度約為80 m。模式輸出結(jié)果為模擬區(qū)域2015-01、2015-04、2015-07、2015-10，即冬季、春季、夏季、秋季各選一個月作為代表月的逐小時風(fēng)場。

3 WRF模式模擬誤差特征分析

使用雙線性插值方法得到大同站2015-01、2015-04、2015-07、2015-10的逐小時風(fēng)場資料，主要使用10 m風(fēng)場和模式第2、3層，即70 m、80 m高度的風(fēng)場資料。

分別計(jì)算各月10 m高度實(shí)況日平均風(fēng)速和模擬日平均風(fēng)速相關(guān)系數(shù)為0.58、0.78、0.58和0.88，各月相關(guān)系數(shù)均大于等于0.58，模擬效果較好，其中2015-10達(dá)到0.88，模擬效果最好。

由圖1分析模擬特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，很多相同時間的模擬值比實(shí)況值要略偏大，說明模擬結(jié)果有一定的誤差，同時，各月的模擬值和實(shí)況值的兩條折線走向趨勢是大體一致的，說明該模式具有模擬風(fēng)速變化的能力，能反映風(fēng)速的逐日變化趨勢，模擬結(jié)果可用。分別計(jì)算各月模擬和實(shí)況月平均風(fēng)速的絕對誤差為0.73 m/s、1.27 m/s、1.11 m/s和1.05 m/s，可以發(fā)現(xiàn)，各月模擬值與實(shí)測值的絕對誤差均小于等于1.3 m/s，其中誤差最小為2015-01，誤差最大為2015-04，所以，模式在本次模擬中對春季的模擬效果不是很好，冬季的模擬效果要好于夏季和秋季。

圖1 大同站各月模擬日平均風(fēng)速與實(shí)況對比

4 WRF模式在發(fā)電量預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

4.1 風(fēng)電量預(yù)報(bào)方法

由模擬風(fēng)場資料中選取模式第三層即80 m高度的風(fēng)速和風(fēng)向資料，并采用輪轂高度為80 m的風(fēng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)電量預(yù)報(bào)。依據(jù)實(shí)際的V90-3.0 MW（50 Hz）型風(fēng)機(jī)功率曲線，如圖2所示，計(jì)算各月有效分密度比例，并對各月大同風(fēng)電場發(fā)電量進(jìn)行初步預(yù)報(bào)。

有效風(fēng)能密度的公式為：

式（1）中：W為有效風(fēng)能密度；N為風(fēng)速出現(xiàn)的總時數(shù)；ρ為空氣密度；Ni為各級別風(fēng)速出現(xiàn)的時數(shù)（i=1，2，3…）；vi為各級別風(fēng)速（i=1，2，3…）。

工作風(fēng)速：風(fēng)力機(jī)對額定負(fù)載有功率輸出的風(fēng)速范圍。

4.2 風(fēng)電量預(yù)報(bào)結(jié)果

本文中選用的風(fēng)機(jī)的工作風(fēng)速為4～25 m/s，經(jīng)過計(jì)算，2015年各月的有效風(fēng)能密度占總風(fēng)能密度的比值均在93%以上，其中2015-04達(dá)到98.58%.可見大同地區(qū)的風(fēng)能可利用率還是非常高的，特別是在春季和秋季。

根據(jù)功率曲線，按風(fēng)速大小分三部分來進(jìn)行計(jì)算：①0～4 m/s，風(fēng)機(jī)不工作，不產(chǎn)生輸出功率；②4～14 m/s，這段風(fēng)速區(qū)間內(nèi)，每個風(fēng)速值對應(yīng)一個輸出功率，根據(jù)風(fēng)速查找對應(yīng)輸出功率即可；③15～25 m/s，從風(fēng)速大于15 m/s開始，就達(dá)到了風(fēng)機(jī)的滿發(fā)風(fēng)速，風(fēng)機(jī)輸出的功率會保持3 000 kW不變，如果風(fēng)速大于25 m/s，由于風(fēng)速過大，會對風(fēng)機(jī)造成損壞，風(fēng)機(jī)停止工作。

根據(jù)各月模擬逐小時風(fēng)場資料，統(tǒng)計(jì)了各月的有效模擬時數(shù)、有效風(fēng)速時數(shù)（即4～25 m/s的風(fēng)速值），經(jīng)過計(jì)算，得到一臺風(fēng)機(jī)各月發(fā)電量，如果電費(fèi)按每千瓦時0.55元市場價計(jì)算，可以估算每臺風(fēng)機(jī)各月的經(jīng)濟(jì)效益分別為13.25萬元、38.49萬元、10.10萬元和19.81萬元。

5 結(jié)論

WRF模式模擬的結(jié)果有偏差，但具有模擬風(fēng)速變化的能力；隨高度增加，模擬結(jié)果受下墊面和周圍地形的影響減小，本文風(fēng)電預(yù)報(bào)所選用的風(fēng)機(jī)輪轂高度為80 m，所以模擬資料可用于風(fēng)電預(yù)報(bào)；2015年各月實(shí)況日平均風(fēng)速和模擬日平均風(fēng)速相關(guān)系數(shù)均大于等于0.58，模擬效果較好，其中2015-10達(dá)到0.88，模擬效果最好。2015年各月的有效風(fēng)能密度占總風(fēng)能密度的比值均在93%以上，大同地區(qū)的風(fēng)能可利用率是非常高的，特別是在春季和秋季。

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王揚(yáng)（1990—），女，本科，工程師，主要從事災(zāi)害性天氣數(shù)值模擬與診斷分析研究。

山西省氣象局青年基金課題“山西大同地區(qū)風(fēng)電場發(fā)電量預(yù)報(bào)研究”（編號：SXKQNQH20147872）；中國氣象局預(yù)報(bào)員專項(xiàng)“山西回流強(qiáng)降雪發(fā)展機(jī)理及數(shù)值模擬研究”（編號：CMAYBY2018-010）

2095－6835（2019）03－0060－02

TM614

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.060

〔編輯：張思楠〕