時間：2022-10-24 來源：國能日新
研究背景
隨著我國新能源風力發(fā)電裝機容量逐步擴大，功率預測的預測精準度對電網安全穩(wěn)定運行起到至關重要的作用，因此，國調對功率預測的精度也提出了更高要求。然而，在目前全球氣候變暖、極端天氣頻發(fā)的情況下，現階段功率預測普遍使用的普通數值天氣預報無法對極端天氣進行預測，導致了在極端天氣發(fā)生時預測精度較低，無法滿足電網要求。今年四月，國家能源局印發(fā)的《風電場利用率監(jiān)測統(tǒng)計管理辦法》對特殊原因（包括極端天氣）受限電量也作出統(tǒng)計。如能針對極端天氣下的功率預測進行研究，不僅有助于提升風電場功率預測精度，更能夠對風電場利用率進行更好的統(tǒng)計與監(jiān)管，促進風電消納。
對于風電場，極端天氣，尤其是冰災，會造成風電場風機葉片不同程度的覆冰，對風機的正常發(fā)電及運維都產生負面影響。從發(fā)電功率來說，較輕的覆冰會讓葉片功率有一部分損失，而嚴重覆冰會導致機組停止運行，輸出功率為零；從運維來說，葉片覆冰可對機組造成諸如靜態(tài)與動態(tài)載荷不平衡、機組振動過于劇烈、葉片頻率發(fā)生變化、疲勞載荷增加、葉片彎矩增加、人身安全隱患等危害。因此，無論是從預測角度還是運維角度，都有必要對風機葉片覆冰做詳細研究。
為保障葉片覆冰狀態(tài)下的風電功率預測精度、并維護風電場正常性運維，國能日新技術研發(fā)人員已對風機葉片覆冰的氣象原理、覆冰氣象條件預報、覆冰狀態(tài)預報、及覆冰條件下功率預測進行了多年研究，現已取得階段性成果。
研究成果
一、風機覆冰原理
葉片出現覆冰的條件為：環(huán)境溫度低于0攝氏度，葉片表面低于-5攝氏度，空氣濕度在85%以上。在實際情況下，風機實際產生的覆冰情況也會因每臺風機的類型、所處地形、微氣候、風機葉片材質、防覆冰或除冰設計等要素而產生很大不同。因此，要保證覆冰預測準確率足夠高，功率預測算法可用，必須以實際數據為基準進行特定研究。
二、風機葉片覆冰檢測
要對覆冰狀態(tài)下的風機進行發(fā)電功率預測，首先要對風機覆冰狀況進行日前預測和實時預報。這就需要提供每臺風機精細化的氣象預測數據，還需要采集風機的實時氣象、功率、狀態(tài)數據，并對風機進行必要的改造，如增加對覆冰氣象參數檢測，以及對葉片覆冰狀態(tài)、覆冰厚度的檢測設備。這樣不僅可以研究風機覆冰條件積累更多數據，也是對單風機覆冰預測結果準確性的驗證。
對于覆冰檢測改造，國能日新建議機組增加葉片振動檢測及葉片覆冰傳感器。此設備采用直接測量法，根據結冰量增加導致的固體重量增加會引起葉片自然振動頻率降低的原理，通過高靈敏度傳感器系統(tǒng)采集葉片覆冰數據，經過特殊算法，可實現冰層厚度毫米范圍內的測量分辨率，在風機運行或待機情況下都能執(zhí)行測量。
三、葉片覆冰狀態(tài)下的功率預測
覆冰狀態(tài)下的風機組對于功率預測結果的分辨率需要更精細，一般為15min頻率，才能夠更準確地預測出電站發(fā)電能力。而在預測算法設計上，可采用日前預測和實時預報相結合的模式。日前預報算法，根據已評估的覆冰預測概率，整體調整預測功率的比例；而實時預測，則結合風機實測數據，對臨近的覆冰狀態(tài)和單風機運行狀態(tài)做出評估，更加精準地預測每臺風機未來出力狀態(tài)，從而實時調整未來預測功率。
國能日新風機葉片覆冰預報解決方案
基于在數值氣象預報和功率預測算法技術研究及實踐應用領域的豐富經驗，國能日新在以上專項研究的基礎之上，經過過去一年重點攻關，目前已能夠自主完成整場、以及單風機葉片覆冰的預報，達到對每臺風機的風速、風向、溫度、濕度以及覆冰嚴重程度均可預測，并設計異常氣象預報預警平臺，可發(fā)布覆冰預報預警，同時將覆冰預報結果并入電站功率預測算法平臺，經過升級的預測算法，可將覆冰預報數據與標準數值氣象預報數據結合，綜合給出最優(yōu)功率預測結果。
值得注意的是，由于風機葉片覆冰預報是基于單風機微地形、微氣象的預報研究，該系統(tǒng)的應用首先需要風電場提供準確的風機信息，包括風機名稱編號、單風機經緯度坐標、歷史覆冰數據，以便覆冰預報系統(tǒng)能夠精確匹配每臺風機的預報結果。另外，如能通過風機改造，增加風機端溫度、濕度測量及風機葉片覆冰狀態(tài)、覆冰厚度測量設備，這些測量數據將有效提升場站后續(xù)覆冰預報精度。因此，為保證覆冰預測的準確性，國能日新建議風電場對相應設備進行改造。
國能日新風機葉片覆冰預報解決方案如下：
1、收集風電場基礎信息、歷史氣象、風機運行數據、覆冰記錄等；
2、根據收集的數據建立覆冰預報模型，可支持單機覆冰、整場覆冰預報，預報覆冰嚴重程度、覆冰厚度；
3、建設預警信息發(fā)布平臺，為電站提供覆冰預報結果發(fā)布賬號，并同步至站端功率預測系統(tǒng)；
4、升級預測算法，根據預警信息優(yōu)化現有短期、超短期算法模型，提升功率預測精度；
5、在完成覆冰預報和系統(tǒng)及算法升級后可進入優(yōu)化運維階段。作為預測系統(tǒng)的補充功能，后續(xù)系統(tǒng)運行以及數據和模型優(yōu)化運維將自動納入國能日新標準化運維體系，持續(xù)為客戶提供智能運維服務。
總結
在“新技改”、“新國標”背景下，國家對新能源場站提出更高要求。國能日新風機葉片覆冰預報解決方案，根據每臺風機的類型、微地形、微氣候，結合風機覆冰狀況監(jiān)測數據，建立定制化算法模型，不僅可對極端天氣進行預警，更可結合國能日新功率預測系統(tǒng)輸出分辨率為15min頻率的日前和實時預測數據，在保證預測數據有效性與預測精度的同時，為風電場提供安全、高效、穩(wěn)定運行的保障。
在技術鉆研的道路上，國能日新從未止步——研究風機葉片覆冰狀態(tài)下的功率預測，不僅是為了風電場提高功率預測精度，減少損失，也是為了每一個風機能夠安全、高效運行，更是讓每一個客戶能夠安心、放心、省心。
