數值天氣預報在風電場發電量預報中的應用

　　4 風速與發電量的關系分析
　　風速與發電量大小變化是一一對應的關系，各種機型均有各自的理論功率特性，由于地理位置、氣候條件、溫度、濕度、大氣壓力等因素，不同的機型實際功率特性與理論功率特性有一定差別，對于電量預報來說，應以實際的功率輸出為準。為了達到預報的準確性，按照地區電力調度管轄，各風電場應與當地氣象部門密切合作，通過大量的反復試報，剔除不合理的數據，使其預報的結果逐步達到和接近實際，從而滿足電力部門的要求。
　　下面我們以如東一期100MW 風電場為例，根據對1# 和6# 風電機組2008 年1 月到12 月每小時發電量與風電機組自配測風儀所測風速數據分析，其切入風速并非與理論曲線相吻合。在60 m 高度，風速小于4.5 m/s 時該型機組基本不發電，即使啟動機組，機組也不會發電，反而還需吸收電網的電，因此記錄顯示為負數，為此統計風速與發電量的關系時，以4.5m/s 風速作為起點。另外，從風電機組發電量數據中發現，當平均風速達到或超過12 m/s 且能持續一段時間時，該型風電機組達最大發電狀態，即達到2000 kW·h 的額定輸出值，與理論曲線相比提前達到額定值。但由于風的多變性，持續12m/s 以上的風速較少，且往往是瞬時達到或超過12 m/s，瞬時又小于12 m/s，所以，統計平均風速為12 m/s 乃至13m/s 對應的平均發電量是小于2000 kW·h 的。而當平均風速達到14 m/s 時，即使風速有些變化，機組也是在最大發電狀態。我們知道風是不斷變化的且與其他氣象要素有著緊密的聯系，因此從以下幾個方面對風速與發電量的關系進行分析。
　　4.1 平均風速與平均發電量
　　影響風電機組發電量的因素很多，相同的風速不同的風向、不同的氣壓、不同的溫度以及不同發電機的性能均會產生出不同的電量數據。在不考慮其他任何因素的情況下，只用風速作參照，將平均風速為4.5 m/s–5.4 m/s 作為5 m/s 風速段與對應時段的發電量進行統計；將5.4 m/s–6.5 m/s 作為6 m/s風速段與對應時段的發電量進行統計，以此類推，對應各風速段與發電量關系見表2。
 

表2 各風速段對應1 小時平均發電量（單位：kW·h）

圖1 不同風速下風電機組V80-2MW實際輸出功率特性圖（單位：kW·h）

　　4.2 代表性驗證
　　為了驗證表2 中平均數據的代表性，我們從2 臺風電機組全年的所有數據中（每10 分鐘一個數據）遴選出同一風速維持達20 分鐘或以上（如某日10 ：10 和10 ：20 風速均為7.0m/s）所對應的發電量數據，且將后10 分鐘發電量數據作樣本統計，計算結果是6.0 m/s 風速對應的10 分鐘平均發電量是35.7 kW·h，也就是一小時發電量可達214.2 kW·h，7.0m/s 風速對應的10 分鐘平均發電量是68.6 kW·h，也就是一小時發電量可達411.6 kW·h。由于較大風速情況下符合條件的樣本較少，我們只統計了6.0 m/s 和7.0 m/s 兩個風速樣本。從這兩個統計數據看，表2 中的平均值有很好的代表性。
　　4.3 相同風速不同風向下發電量的分析
　　我們知道不同的風向即表示有不同的天氣系統影響或控制著本地，而不同的天氣系統影響本地時相應的溫度、氣壓均有較大的變化，且三者之間有明確的對應關系。比如冬季多受冷高壓控制，吹北到西北風，溫度低，氣壓高，空氣密度大；而夏季多吹偏南風，溫度高，氣壓低，空氣密度小。因此，統計出相同風速不同風向情況下的發電量，即代表著不同溫度、不同氣壓條件下風與發電量的關系。由于有些風向的風出現較大風速的幾率很小，樣本太少存在較大的不穩定性，因此我們仍然選取在各個風向上出現次數相對比較多的6 m/s–9 m/s 風速下不同風向發電量的變化情況。統計結果見圖2。

圖2 相同風速不同風向下發電量變化圖（單位：kW·h）

　　從圖2 中可以看出，當風向為西南、南或西風時，相同風速下的發電量明顯比其他風向偏小，這主要是當地面為這些風向時，往往是受西南暖濕氣流影響，溫度高，氣壓低，空氣密度小，并且在本風電場的南面和西南方向建有許多的廠房和酒店樓房，對近地面風有較大的阻擋作用。而當地面刮偏北風（北、東北、西北）時，本地處在冷空氣的影響或冷高壓的控制之下，溫度低，氣壓高，空氣密度大，且風電場北面為大海，在同樣的風速下，風電機組的功率明顯變大。計算6 m/s、7 m/s、8 m/s、9 m/s 風速段不同風向下的發電量情況，以東南風向的發電量作均值，得出其他風向平均發電量的增減百分率（表3）：

表3 各風向之間發電量差值平均百分比