风电功率预测的发展现状与展望

1、风电功率预测的发展现状与展望风电功率预测的发展现状与展望华侨大学信息学院华侨大学信息学院10电气电气B 吴敏玲吴敏玲发展风电功率预测的背景发展风电功率预测的背景 电力系统是一个电力系统是一个复杂的动态系统复杂的动态系统。维持发电、输电、。维持发电、输电、用电之间的功率平衡是电网的责任。没有风电的电力系统，用电之间的功率平衡是电网的责任。没有风电的电力系统，电网调度机构根据电网调度机构根据日负荷曲线日负荷曲线可以制定发电计划，满足次可以制定发电计划，满足次日的电力需求。风电场输出功率具有日的电力需求。风电场输出功率具有波动性和间歇性波动性和间歇性，风，风电的大规模接入导致发电计划制定难度大大增加

2、，风电给电的大规模接入导致发电计划制定难度大大增加，风电给电力系统的调度运行带来巨大挑战。电力系统的调度运行带来巨大挑战。 目前风电对全网的电力平衡已经带来很大的影响。目前风电对全网的电力平衡已经带来很大的影响。对对风电场输出功率进行预测是缓解电力系统调峰、调频压力，风电场输出功率进行预测是缓解电力系统调峰、调频压力，提高风电接纳能力的有效手段之一。同时，风电功率预测提高风电接纳能力的有效手段之一。同时，风电功率预测还可以指导风电场的检修计划，提高风能利用率，提高风还可以指导风电场的检修计划，提高风能利用率，提高风电场的经济效益。电场的经济效益。风电功率预测发展现状 风电场发电功率预测尺度风电

3、场发电功率预测尺度 超短期预测：超短期预测：以分钟为预测单位，用于机组控制以分钟为预测单位，用于机组控制 短期预测：短期预测：以小时为预测单位，用于电网合理调度、保证以小时为预测单位，用于电网合理调度、保证电能质量；也可为风电场参与竞价上网提供保证电能质量；也可为风电场参与竞价上网提供保证 中长期预测：中长期预测：以天、周或月为预测单位，主要用于机组检以天、周或月为预测单位，主要用于机组检修安排或调试修安排或调试 长期预测：长期预测：以年为单位，用于风电场规划设计以年为单位，用于风电场规划设计 目前，中长期预测还存在比较大的困难。目前，中长期预测还存在比较大的困难。短期预测短期预测是目前是目前

4、应用最为广泛的预测技术，主要包含应用最为广泛的预测技术，主要包含统计方法、物理方法、物统计方法、物理方法、物理统计相结合的混合方法。理统计相结合的混合方法。所以下面主要以短期预测作为探究所以下面主要以短期预测作为探究对象。对象。风电场发电功率预测模型风电场发电功率预测模型 物理法 物理法物理法应用大气边界层动力学与边界层气象的理论将数值天气应用大气边界层动力学与边界层气象的理论将数值天气预报系统输出的较粗略预报数据精细化为风电场实际地形、地貌条预报系统输出的较粗略预报数据精细化为风电场实际地形、地貌条件下的预报值，并将预报风速、风向转换为风电机组轮毂高度的风件下的预报值，并将预报风速、风向转换

5、为风电机组轮毂高度的风速、风向，考虑风电机组间尾流影响后，再将预报风速应用于风电速、风向，考虑风电机组间尾流影响后，再将预报风速应用于风电机组的功率曲线，由此得出风电机组的预测功率，通过对所有风电机组的功率曲线，由此得出风电机组的预测功率，通过对所有风电机组的预测功率求和，得到整个风电场的预测功率。机组的预测功率求和，得到整个风电场的预测功率。 物理法的优点物理法的优点在于，在于，不需要风电场历史功率数据的支持不需要风电场历史功率数据的支持，可在，可在物理模型的作用下，根据数值天气预报数据直接进行风电场功率预物理模型的作用下，根据数值天气预报数据直接进行风电场功率预测，适用于无历史功率数据的新

6、建风电场。测，适用于无历史功率数据的新建风电场。 此外，物理法可以对每一个大气过程进行分析，并根据分析结此外，物理法可以对每一个大气过程进行分析，并根据分析结果优化预测模型，从而使预测结果更准确。果优化预测模型，从而使预测结果更准确。物理法的缺点物理法的缺点是对由错是对由错误的初始信息所引起的系统误差非常敏感，如风电场地形、地貌的误的初始信息所引起的系统误差非常敏感，如风电场地形、地貌的描述偏差等。描述偏差等。统计法 统计法统计法基于基于“学习算法学习算法”，通过一种或多种算法建立，通过一种或多种算法建立数值天气预数值天气预报历史数据与风电场历史输出功率数据之间的联系报历史数据与风电场历史输出

7、功率数据之间的联系，再根据该关系，再根据该关系，由数值天气预报数据对风电场输出功率进行预测。应用于风电功率由数值天气预报数据对风电场输出功率进行预测。应用于风电功率预测中的统计法主要有递归预测中的统计法主要有递归最小二乘法、人工神经网络、支持向量最小二乘法、人工神经网络、支持向量机等机等。由于。由于人工神经网络人工神经网络方法具有分布并行处理、非线性映射、自方法具有分布并行处理、非线性映射、自适应学习、鲁棒容错和泛化能力等特性，成为了功率预测中应用最适应学习、鲁棒容错和泛化能力等特性，成为了功率预测中应用最广泛的统计方法。统计法不考虑风电场局地效应对数值天气预报数广泛的统计方法。统计法不考虑风

8、电场局地效应对数值天气预报数据的影响，无需对数值天气预报数据进行精细化处理。据的影响，无需对数值天气预报数据进行精细化处理。其优点在于其优点在于，在数据完备的情况下，理论上可以使预测误差达到最小值，预测精在数据完备的情况下，理论上可以使预测误差达到最小值，预测精度较高；但统计法度较高；但统计法需要大量历史数据支持需要大量历史数据支持，且对历史数据变化规律，且对历史数据变化规律的一致性具有很高要求。的一致性具有很高要求。 此外，统计法的建模过程带有此外，统计法的建模过程带有“黑箱黑箱”性性，不利于模型的进一步，不利于模型的进一步优化。因此，为了在学习过程中准确的选择气象变量，应用统计法优化。因此

9、，为了在学习过程中准确的选择气象变量，应用统计法建模仍然需要具备一定的大气物理知识。建模仍然需要具备一定的大气物理知识。混合法 近来，风电功率预测系统的发展倾向于使用近来，风电功率预测系统的发展倾向于使用多种预报方法（如物理法和统计法）集成预报。多种预报方法（如物理法和统计法）集成预报。如时间序列法（统计法）用于如时间序列法（统计法）用于6小时范围以内的风小时范围以内的风电功率预报时，其具有较高的预报精度，而物理电功率预报时，其具有较高的预报精度，而物理法用于法用于6-72小时范围的预报时具有较高的精度，小时范围的预报时具有较高的精度，因此集成两种预报可以提高总体预报精度。现已因此集成两种预报

10、可以提高总体预报精度。现已投入使用的混合方法预报系统有丹麦的投入使用的混合方法预报系统有丹麦的Zephyr和和包括包括7个国家的个国家的23个机构参与研发的新一代风电功个机构参与研发的新一代风电功率预测系统率预测系统ANEMOS。国外风电功率预测现状 国外风电率预测研究工作起步较早，国外风电率预测研究工作起步较早，比较有代表性的方法主要有：丹麦的比较有代表性的方法主要有：丹麦的Ris国家实验室的国家实验室的Prediktor预测系统预测系统、西班牙、西班牙的的LocalPred预测系统预测系统和德国的和德国的AWPT预测预测系统系统等。其主体思想均是利用数值天气预等。其主体思想均是利用数值天气

11、预测提供风机轮毂高度的风速、风向等预测测提供风机轮毂高度的风速、风向等预测信息，然后利用风电功率预测模块提供风信息，然后利用风电功率预测模块提供风电功率预测。电功率预测。国外风电场发电功率预测系统介绍国内风电功率预测现状 我国风力发电起步虽然晚，但是在近十年来的发展势我国风力发电起步虽然晚，但是在近十年来的发展势头却不容忽视。但是就是因为其速度过快的发展，导致了头却不容忽视。但是就是因为其速度过快的发展，导致了风电行业出现了重量不重质的结果。近五年来，从下面的风电行业出现了重量不重质的结果。近五年来，从下面的表格可以看出，虽然风电累计装机容量还在不断持续的发表格可以看出，虽然风电累计装机容量还

12、在不断持续的发展，但其增长率显然明显放慢了，其发电开始展，但其增长率显然明显放慢了，其发电开始由速度由速度/规规模导向型发展转向质量模导向型发展转向质量/效率导向型发展效率导向型发展。因为如此种种。因为如此种种的原因，我国风电功率预测在近年来才开始受到行业的重的原因，我国风电功率预测在近年来才开始受到行业的重视，其现在仍处于起步阶段。视，其现在仍处于起步阶段。 我国目前已经开发了基于人工神经网络、支持向量机我国目前已经开发了基于人工神经网络、支持向量机等统计方法的风电功率预测模型，以及基于线性化和计算等统计方法的风电功率预测模型，以及基于线性化和计算流体力学的物理模型，同时正在开展多种统计方法

13、联合应流体力学的物理模型，同时正在开展多种统计方法联合应用研究及统计方法与物理方法混合预测模型的研究。用研究及统计方法与物理方法混合预测模型的研究。 时间时间 成果成果2008年年11月月我国首套具有自主知识产权的风电功率预我国首套具有自主知识产权的风电功率预测系统测系统WPFS由中国电力科学研究院研发完由中国电力科学研究院研发完成，并于吉林省电力调度中心正式投入运成，并于吉林省电力调度中心正式投入运行行2009年年10月月江苏风电功率预测系统建设试点工作顺利江苏风电功率预测系统建设试点工作顺利完成完成2009年年11至至12月月西北电网、宁夏电网、甘肃电网、辽宁电西北电网、宁夏电网、甘肃电网

14、、辽宁电网风电功率预测系统顺利投运网风电功率预测系统顺利投运2010年年4月月以风电功率预测系统为核心的上海电网新以风电功率预测系统为核心的上海电网新能源接入综合系统投入运行，在国家电网能源接入综合系统投入运行，在国家电网世博企业馆完成展示世博企业馆完成展示 目前，全国目前，全国20个省级调度中心上线运行了风电功率预测系个省级调度中心上线运行了风电功率预测系统，约统，约300个风电场使用了我国自主开发的风电功率预测系统，个风电场使用了我国自主开发的风电功率预测系统，预测精度满足应用要求。预测精度满足应用要求。风电功率预测的误差 预测具有不确定性，预测误差是客观存预测具有不确定性，预测误差是客观

15、存在的。预测误差的在的。预测误差的来源主要来源主要有有天气条件快天气条件快速变化、测量数据损坏、风电机组停运、速变化、测量数据损坏、风电机组停运、数值天气预报数据误差较大、预测模型不数值天气预报数据误差较大、预测模型不精确等精确等。明确预测误差的定义有利于对预。明确预测误差的定义有利于对预测方法的优劣性进行评价。常用的预测误测方法的优劣性进行评价。常用的预测误差有差有均方根误差均方根误差(root mean square error，RMSE)、平均绝对误差、平均绝对误差(mean absolute error，MAE)和平均误差和平均误差(mean error，ME)。 预测误差变化曲线如图

16、预测误差变化曲线如图 3 所示，所示， 其中其中为均为均方根误差与装机容量的比值。由图方根误差与装机容量的比值。由图 3可知，预测可知，预测系统性能的优劣是决定预测系统不确定性的重要系统性能的优劣是决定预测系统不确定性的重要因素。因素。随着系统的不断完善，经验和历史数据的随着系统的不断完善，经验和历史数据的积累，预测误差会逐渐较小。积累，预测误差会逐渐较小。 对于一个风电功率预测系统来说，其可靠性主要取决于其预测误对于一个风电功率预测系统来说，其可靠性主要取决于其预测误差的大小，若预测误差过大则会给风电场本身带来很大的损失和给电差的大小，若预测误差过大则会给风电场本身带来很大的损失和给电网调度

17、带来麻烦。所以如何减少风电功率预测误差的研究在一个风电网调度带来麻烦。所以如何减少风电功率预测误差的研究在一个风电功率预测系统里占了很重要的地位。功率预测系统里占了很重要的地位。 据报道，在内蒙古蒙西地区据报道，在内蒙古蒙西地区2012年年4-5月的风电数据统计表上月的风电数据统计表上，4月某天，风电实际发电功率是月某天，风电实际发电功率是292万千瓦，预测数值是万千瓦，预测数值是290万千瓦万千瓦，相差无几；而，相差无几；而5月的某天，实际功率是月的某天，实际功率是290万千瓦，预测值却为万千瓦，预测值却为500万千瓦，相差近万千瓦，相差近50%。内蒙古电力行业协会风能分会秘书长李建春表。内

18、蒙古电力行业协会风能分会秘书长李建春表示，风电预测的示，风电预测的偏差最高时可达到偏差最高时可达到60%-70%。国家电网公司国调中。国家电网公司国调中心水电及新能源处处长裴哲义给出的心水电及新能源处处长裴哲义给出的平均偏差为平均偏差为40%以上以上，这个数据，这个数据远超国家规定的远超国家规定的20%。 内蒙古电力公司调通中心副主任侯佑华负责蒙西地区的电力调内蒙古电力公司调通中心副主任侯佑华负责蒙西地区的电力调度，在他看来，目前中国的风电功率预测效果不尽如人意，侯佑华表度，在他看来，目前中国的风电功率预测效果不尽如人意，侯佑华表示：示：“昨天下午给出预测，电网按照预测数据，安排好了第二天每个

19、昨天下午给出预测，电网按照预测数据，安排好了第二天每个风电场的调度电量，风电场的调度电量，而实际上，预测往往不准，给电网调度带来困难而实际上，预测往往不准，给电网调度带来困难。” 预测技术不成熟带来的直接后果体现在钱的损失上。据侯佑介绍预测技术不成熟带来的直接后果体现在钱的损失上。据侯佑介绍，内蒙古的电力要通过华北电网送到京津等地，预测偏差会造成，内蒙古的电力要通过华北电网送到京津等地，预测偏差会造成供电供电潮流波动潮流波动，为此，华北电网，为此，华北电网每月最高会罚蒙西电网每月最高会罚蒙西电网800万元万元。 风电功率预测误差偏大不单单是内蒙风电功率预测误差偏大不单单是内蒙古一个地区存在的问

20、题。目前古一个地区存在的问题。目前 ，我，我 国国 单单 个个 风风 电电 场场 日前日前 预预 测测 均均 方方 根根 误误 差差 为为 1 0 20 ， 区区 域域 短短 期期 预预 测测 均均 方方 根根 误误 差差 为为 1 02 5 。 这这 与与 德德 国国 6 左左 右右 的的 预测预测 误误 差差 还还 有有 一一 定定 的的 差差 距，与距，与 电电 网网 负负 荷荷 预预 测测 水水 平平 相相 比差比差 距距 更更 大大 。 超超 短短 期期 预测预测 进进 行行 了了 一一 些些 试试 点点 研研 究究 ，提，提 前前 4 h 的的 预预 测测 均均 方方 根根 误误

21、差差 为为 1 0 1 8 。 通过以下表格数据更能清楚看到这一通过以下表格数据更能清楚看到这一点。点。 涉及风电功率预测的相关规范 风电功率预测的准确性与风电事故发生几率有很大风电功率预测的准确性与风电事故发生几率有很大程度的关联。程度的关联。 在我国的风电发电场中，因为预测值在我国的风电发电场中，因为预测值偏大偏大而导致而导致电网电网调度出现问题调度出现问题和预测值和预测值偏小偏小而导致不得不而导致不得不弃风弃风的情况时不的情况时不时会发生。时会发生。 国家电网公司国调中心水电及新能源处处长国家电网公司国调中心水电及新能源处处长裴哲义裴哲义曾曾在一篇报道中表示：为了保障电网安全稳定运行和风

22、电充在一篇报道中表示：为了保障电网安全稳定运行和风电充分消纳，国家电网公司组织所属科研单位积极开展风电接分消纳，国家电网公司组织所属科研单位积极开展风电接纳能力研究和评估工作，指导风电运行。在实际调度工作纳能力研究和评估工作，指导风电运行。在实际调度工作中，中，积极推进风电功率预测和监控体系建设，根据风电预积极推进风电功率预测和监控体系建设，根据风电预测情况，测情况，统筹常规能源和风电的运行，将风电纳入月度电统筹常规能源和风电的运行，将风电纳入月度电量平衡和日前调度计划管理，量平衡和日前调度计划管理，保证了电网安全稳定运行和保证了电网安全稳定运行和风电的充分利用。风电的充分利用。 为什么会导致

23、这种质量跟不上数量的尴为什么会导致这种质量跟不上数量的尴尬的局面呢？归根到底还是那个老问题尬的局面呢？归根到底还是那个老问题风电场发展过程中只注重速度和规模而风电场发展过程中只注重速度和规模而忽略了技术与效率忽略了技术与效率。 终于在我国风电场近年来频频发生事终于在我国风电场近年来频频发生事故后，国家终于不得不重视起风电行业的故后，国家终于不得不重视起风电行业的规范，加快建立起了规范，加快建立起了涉及风电功率预测方涉及风电功率预测方面的风电发电的相关规范面的风电发电的相关规范。近年来我国风电事故 时间时间 事故事故2010年年1月月大唐左云项目的风机倒塌大唐左云项目的风机倒塌2010年年1月月

24、东汽华能宝龙山风场风机烧毁事故东汽华能宝龙山风场风机烧毁事故2010年年4月月内蒙巴音锡勒风场机组着火内蒙巴音锡勒风场机组着火2010年年7月月丹东海洋红风电场丹东海洋红风电场8号风机故障号风机故障2010年年8月月甘肃瓜州在建风机组发生倒塌甘肃瓜州在建风机组发生倒塌2011年年2月月酒泉风电基地电缆头三相短路故障酒泉风电基地电缆头三相短路故障仅2011年6月到8月建立的规范关于印发风电场功率预测预报管关于印发风电场功率预测预报管理暂行办法的通知理暂行办法的通知关于加强风电场并网运行管理的关于加强风电场并网运行管理的通知通知关于分散式接入风电开发的通知关于分散式接入风电开发的通知大型风电场并网

25、设计技术规范大型风电场并网设计技术规范风电开发建设管理暂行办法风电开发建设管理暂行办法风电功率预测存在的问题风电功率预测存在的问题1 1、风电功率预测还没建立完善的数据基础。、风电功率预测还没建立完善的数据基础。 风电功率预测的基础是数值天气预报。风电功率预测的基础是数值天气预报。在我国，风电功率预测的数值天气预报模式在我国，风电功率预测的数值天气预报模式还没有建立，国内的风电功率预测系统采用还没有建立，国内的风电功率预测系统采用的还是国外的数值天气预报数据。的还是国外的数值天气预报数据。2 2、预测精度与电网调度运行的要求相差甚远。、预测精度与电网调度运行的要求相差甚远。 就目前来说，风电功

26、率预测的误差还是就目前来说，风电功率预测的误差还是比较大，在负荷低谷期和负荷高峰期的偏差比较大，在负荷低谷期和负荷高峰期的偏差尤为严重，若发电厂按照这样的风电预测曲尤为严重，若发电厂按照这样的风电预测曲线安排发电计划，那么其将面临很大的冒险。线安排发电计划，那么其将面临很大的冒险。3 3、预测的时间尺度有待改进。、预测的时间尺度有待改进。 随着随着 我我 国国 电力工业电力工业 的快的快 速速 发发 展展 ，电，电 力力 系系 统统 步步 入入 了了 大大 电电 网网 、大、大 机机 组组 时时 代代 ， 而而 大大 机组机组 起停起停 费用费用 较较 高高 ，短，短 周期的频繁周期的频繁起起

27、 停将停将 带来带来 巨大的巨大的 社会代价社会代价 。因此风电并。因此风电并网容量网容量 的进的进 一步增一步增 加加 客观上要客观上要 求求 系系 统统 运运行行 方方 式式 和和 发发 电电 计计 划划 安安 排排 必必 须须 向向 更更 长长 时时 间尺间尺 度度 延延 伸伸 ， 这这 也也 对对 风风 电电 年年 度度 、月、月 度度 等等 较较 长长 时时 间间 尺尺 度度 的的 预预 测测 提提 出出 了了 更更 高高 的要的要 求求 。风电功率预测的未来展望风电功率预测的未来展望 对于中国来说，风电行业经过了几年的对于中国来说，风电行业经过了几年的冰封期终于渐渐有回暖的迹象了，这主要有冰封期终于渐渐有回暖的迹象了，这主要有赖于国家对风电行业进行了一系列的规范，赖于国家对