数值天气预报在风电场发电量预报中的应用

　　4 风速与发电量的关系分析
　　风速与发电量大小变化是一一对应的关系，各种机型均有各自的理论功率特性，由于地理位置、气候条件、温度、湿度、大气压力等因素，不同的机型实际功率特性与理论功率特性有一定差别，对于电量预报来说，应以实际的功率输出为准。为了达到预报的准确性，按照地区电力调度管辖，各风电场应与当地气象部门密切合作，通过大量的反复试报，剔除不合理的数据，使其预报的结果逐步达到和接近实际，从而满足电力部门的要求。
　　下面我们以如东一期100MW 风电场为例，根据对1# 和6# 风电机组2008 年1 月到12 月每小时发电量与风电机组自配测风仪所测风速数据分析，其切入风速并非与理论曲线相吻合。在60 m 高度，风速小于4.5 m/s 时该型机组基本不发电，即使启动机组，机组也不会发电，反而还需吸收电网的电，因此记录显示为负数，为此统计风速与发电量的关系时，以4.5m/s 风速作为起点。另外，从风电机组发电量数据中发现，当平均风速达到或超过12 m/s 且能持续一段时间时，该型风电机组达最大发电状态，即达到2000 kW·h 的额定输出值，与理论曲线相比提前达到额定值。但由于风的多变性，持续12m/s 以上的风速较少，且往往是瞬时达到或超过12 m/s，瞬时又小于12 m/s，所以，统计平均风速为12 m/s 乃至13m/s 对应的平均发电量是小于2000 kW·h 的。而当平均风速达到14 m/s 时，即使风速有些变化，机组也是在最大发电状态。我们知道风是不断变化的且与其他气象要素有着紧密的联系，因此从以下几个方面对风速与发电量的关系进行分析。
　　4.1 平均风速与平均发电量
　　影响风电机组发电量的因素很多，相同的风速不同的风向、不同的气压、不同的温度以及不同发电机的性能均会产生出不同的电量数据。在不考虑其他任何因素的情况下，只用风速作参照，将平均风速为4.5 m/s–5.4 m/s 作为5 m/s 风速段与对应时段的发电量进行统计；将5.4 m/s–6.5 m/s 作为6 m/s风速段与对应时段的发电量进行统计，以此类推，对应各风速段与发电量关系见表2。
 

表2 各风速段对应1 小时平均发电量（单位：kW·h）

图1 不同风速下风电机组V80-2MW实际输出功率特性图（单位：kW·h）

　　4.2 代表性验证
　　为了验证表2 中平均数据的代表性，我们从2 台风电机组全年的所有数据中（每10 分钟一个数据）遴选出同一风速维持达20 分钟或以上（如某日10 ：10 和10 ：20 风速均为7.0m/s）所对应的发电量数据，且将后10 分钟发电量数据作样本统计，计算结果是6.0 m/s 风速对应的10 分钟平均发电量是35.7 kW·h，也就是一小时发电量可达214.2 kW·h，7.0m/s 风速对应的10 分钟平均发电量是68.6 kW·h，也就是一小时发电量可达411.6 kW·h。由于较大风速情况下符合条件的样本较少，我们只统计了6.0 m/s 和7.0 m/s 两个风速样本。从这两个统计数据看，表2 中的平均值有很好的代表性。
　　4.3 相同风速不同风向下发电量的分析
　　我们知道不同的风向即表示有不同的天气系统影响或控制着本地，而不同的天气系统影响本地时相应的温度、气压均有较大的变化，且三者之间有明确的对应关系。比如冬季多受冷高压控制，吹北到西北风，温度低，气压高，空气密度大；而夏季多吹偏南风，温度高，气压低，空气密度小。因此，统计出相同风速不同风向情况下的发电量，即代表着不同温度、不同气压条件下风与发电量的关系。由于有些风向的风出现较大风速的几率很小，样本太少存在较大的不稳定性，因此我们仍然选取在各个风向上出现次数相对比较多的6 m/s–9 m/s 风速下不同风向发电量的变化情况。统计结果见图2。

图2 相同风速不同风向下发电量变化图（单位：kW·h）

　　从图2 中可以看出，当风向为西南、南或西风时，相同风速下的发电量明显比其他风向偏小，这主要是当地面为这些风向时，往往是受西南暖湿气流影响，温度高，气压低，空气密度小，并且在本风电场的南面和西南方向建有许多的厂房和酒店楼房，对近地面风有较大的阻挡作用。而当地面刮偏北风（北、东北、西北）时，本地处在冷空气的影响或冷高压的控制之下，温度低，气压高，空气密度大，且风电场北面为大海，在同样的风速下，风电机组的功率明显变大。计算6 m/s、7 m/s、8 m/s、9 m/s 风速段不同风向下的发电量情况，以东南风向的发电量作均值，得出其他风向平均发电量的增减百分率（表3）：

表3 各风向之间发电量差值平均百分比