风电规模化发展,离不开风电功率预测

    摘要：

    随着风力发电装机容量的不断提升,风电占所在电网的比例也在逐步增加。由于风的高度随机波动性和间歇性,使得大容量的风电接入电网会对电力供需平衡、电力系统的安全、以及电能质量带来严峻挑战。风电功率预测系统使风电场可以向电网公司提供准确的发电功率预测曲线,这使得电网调度可以有效利用风电资源,提高风电发电上网小时数额。对我国大型风电场进行功率预测,所得结果作为调度部门的有力借鉴,对促进风电的规模化发展大有裨益。

    1 引言

    我国风电产业规模逐步扩大,风电已成为能源发展的重要领域。截至2008 年12月31日,我国累计建成239个风电场,总装机达到1217万千瓦,另有1230万千瓦项目批复在建川。2009年全国新增风电生产能力356万千瓦,风电装机已达1600万千瓦。并已规划在内蒙古、甘肃、新疆、河北和江苏等风能资源丰富地区,建设6个千万千瓦级风电基地川。尽管风电这一可再生能源发展迅猛,但是调查结果显示,目前国内许多电场投产后实际的年平均发电量比预测值低20%~30%,极少数电场甚至低达40%,导致该结果的一个重要原因就是风能资源的测量和评估存在问题,对我国典型地区风资源规律的认识,对我国风电场的建设缺乏理论依据。

    由于一般风电项目报告风电场考虑20年的运行状况,在计算发电量时,许多折减因素根本没有发生。若恶劣气候停机3%,功率曲线保证率95%等,如不考虑这些因素,在对风电场实际发电量与理论进行对比时,相差会更大。

    (1)在无法满足规范要求的情况下,由于风资源观测系列太短,设计单位机械地利用临近气象站的长期观测数据进行数据订正。由于气象站因城市化,气候变暖等影响,造成近期气象站观测数据较长期偏小,致使订正后的数据较风电场实际数据偏大。另一方面由于规范要求的气象站距风电场要近,地形相似等条件,多数情况下根本不能满足;

    (2)安装的测风仪的位置不适合,多数安装在山头或地形较高处,代表性差;

    (3)大多数风电场地形复杂控制工程网版权所有,安装的测风仪数量太少,不能全面反映风电场风资源。

    研究风能精细评估和风场微观选址技术研究,确立我国在大型风场数值仿真领域的国际领先地位。一般可研报告计算的发电量偏大。设计单位在家计算风电场发电量时,主要有以下原因致使计算的发电量偏大。在进行风资源分析及发电量计算时,设计单位多采用丹麦WASP软件进行计算分析。但由于我国国土面积大,地形条件十分复杂,国外的数值模式,尤其是欧洲的小尺度数值模式,其中的湍流闭合参数基本都是本地的近地湍流观测试验结果确定的,与我国地形地表状况相差甚远。因此其计算结果与实际相差较大,且绝大多数情况下,结果偏大。国内多数风电场实际发电量均比可研报告小,就充分证明了这一点。

    2 国内外技术现状

    欧美等西方国家早在20世纪70一80年代就组织了许多针对风能资源的观测试验及评估方法研究,相继开发了诸如WASP、 MesoMap、windfarm以及SiteWind等风能资源评估软件或系统。其中WASP应用最为广泛,其核心物理模型是一个微尺度线性风场诊断模式,而近地层风场的形成是一个非线性、多因子影响的过程,因此在复杂地形应用该软件会产生比较大的误差。由于风能资源分布范围广、能量密度相对较低且具有一定的不稳定性,准确的资源评估是进行风能资源开发利用的关键环节,而进行资源评估的前提是必须掌握风能资源的形成机理与分布特征。

    我国风能资源丰富区主要分布在三北北部以及沿海岸线陆上离海岸线距离3一5公里的范围内。实践发现,对于我国北部风能资源丰富区内的风电场来说,除了需要进一步考虑低温、沙尘暴等极端天气条件外,选择目前国内外技术成熟的风电机组,基本可以满足风电场建设的需要www.cechina.cn,但这一区域内,电网条件往往成为制约其风能资源开发利用的限制条件在这一区域的外围区域,风能资源有所减弱,但电网、交通等风电建设的配套条件要好很多。对于沿海风能资源丰富带内,除了北部部分省市外,大多数地区存在台风的影响, 并且与北部风能资源丰富带相比,这些区域的风能资源相对要弱一些,即所谓的高生存风速、低平均风速地区。根据IEC有关标准,如果在沿海区域建设风电场, 则必须选择风力机设计安全等级高、成本高的风电机组。同时,我国内陆的大多数省份CONTROLENGINEERINGChina版权所有,风能资源相对贫乏,但也存在一些风能资源相对丰富、呈孤岛式分布的小范围区域。我国的风能资源研究工作始于20世纪70年代,气象部门曾先后进行过三次风能资源普查, 在最近完成的“全国大型风电场建设前期工作”中,根据全国2400余气象台站实测资料对全国风能资源分布进行了更为详细的普查,估算出全国离地面10m高度层上的风能资源量,其中我国陆地上离地面10m高度风能资源技术可开发量为3亿千瓦。近年来,国际、国内的大部分风能资源方面的研究计划、项目主要是进行风能资源评估技术手段的研发,很少有针对风能资源形成、分布、变化机理以及评估技术原理的研究。

    3 近海风资源

    我国近海风能资源丰富CONTROLENGINEERINGChina版权所有,初步估算,近海可开发的风能资源为7.5亿千瓦, 约为陆地风能资源的3倍’,开发潜力巨大,但是目前我国尚缺乏近海风电建设经验,近海风能资源测量与评估以及海上风力发电机组国产化刚刚起步,近海风电建设技术规范体系也鱼需建立。“十一五”期间,近海风电开发利用已列入国家科技支撑计划。2006年,上海市政府组织了东海大桥10万千瓦风电场建设项目的招投标工作,标志着我国近海风电开发进入了实施性阶段。我国风电行业向海上进军树立了典范。然而,近海风电场建设的技术难度大。首先控制工程网版权所有,近海风电场前期工作更为复杂,需要在海上竖立测风塔,并对海底地形及其运动、工程地质等基本情况进行实地勘测其次,近海风电场需要考虑风和波浪的双重载荷,对风力发电机组支撑结构的强度要求更高第三,海上风力发电机组的单机容量更大,制造技术更复杂,对风力发电机组防腐蚀等要求更为严格第四,海上气候环境恶劣,天气、海浪、潮汐等因素复杂多变,风力发电机组的吊装、项目建设施工以及运行维护难度更大。

    近海风资源的详查,尤其是对于风电场输出功率的预测更是一项核心技术,丹麦、荷兰等国已经在这方面取得了系列成果,精确度也在逐步提高,而我国这方面还未进行深入研究。近海风力发电是继陆地风力资源之后未来大规模利用风能的一种重要形式。我国关于近海风电技术的研究还不够深入,由于风资源特征、气候和地理条件与陆地的情况相差很远,从风轮动态气动设计、整机的结构布局和结构动力学设计到风电系统控制、输送和技术均具有一系列特殊问题需要解

    4 结束语

    风能为间歇性能源,风电场的有功功率和无功功率将随风速的变化而变化。在分析风电场接入电力系统时,需要考虑风电场输出功率波动范围大的特点。对于某些风能资源比较丰富的地区,随着风电场建设规模的扩大,风电场装机容量在当地负荷中所占的比例增加。风电场的功率波动会对地区电网运行产生一定影响。主要是功率波动带来的电压变化问题。所以,应积极开展风电功率预测研究,尤其是超短期预测,尽早向电力系统调度部门提供必要信息,便于系统调度,进一步提高风电的接入能力。