基于WRF模式的大同地區風電場發電量預報技術研究＊

王揚，董春卿，馬嚴枝，郝婧宇，李青青

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基于WRF模式的大同地區風電場發電量預報技術研究＊

王揚，董春卿，馬嚴枝，郝婧宇，李青青

（山西省氣象臺，山西 太原 030006）

為了研究WRF模式在大同地區的風電預報能力，用WRF模式模擬2015-01、2015-04、2015-07、2015-10四個月大同地區風場，評估模擬效果，并根據模擬結果采用輪轂高度為80 m的V90-3.0 MW（50 Hz）型風機對該地區的風電量進行預報。結果表明，各月實況日平均風速和模擬日平均風速相關系數均大于等于0.58，模擬效果較好，其中2015-10達到了0.88，模擬效果最好；各月的有效風能密度比例均在93%以上，該地區的風能可利用率是非常高的，特別是在春季和秋季；利用WRF模式模擬的各月逐小時風場有偏差，但是模式具有模擬風速變化的能力，可用于制作風電量預報，指導風電場建設和運營。

WRF模式；誤差分析；風電量預報；風能

1 引言

風能作為一種重要的、清潔的、無污染的、可再生的能源，具有其他能源無可替代的開發優勢，目前，風能開發利用的主要形式是風力發電[1-2]。近年來，我國在積極推廣風力發電技術，風電場風速和發電量預報就成為氣象服務的重要領域之一。準確、高分辨率的風速預報和風電預報是提高風能利用率的關鍵技術之一[3-5]。WRF（Weather Research Forecast）模式是新一代中尺度數值模式和數據同化系統，近年來，廣泛應用于風電場風速預報研究中[6-9]。山西大同地區風能資源較為豐富，利用WRF模式模擬近地面層風速，在此基礎上評價模擬效果和誤差分析，并利用模擬風場結果制作該地區發電量預報，有助于高效、合理地利用風能資源，為該地區的風能資源的開發和風電場建設和運營提供指導。

2 研究資料及模擬方案

2.1 觀測資料

使用2015-01、2015-04、2015-07、2015-10大同站日平均風速觀測值來評價WRF模式模擬效果和分析誤差特征。

2.2 WRF模式模擬方案

使用的WRF模式版本為ARW3.4.1，采用NCEP GFS全球預報場作為模式初始場和側邊界，時間分辨率為6 h，系統由每天OOZ UTC冷啟動開始，進行72 h預報，時間步長120 s。模式的嵌套方案為單重網格不嵌套，模擬中心為112.6°E，37.8°N，水平網格距為27 km，格點數為150×150.模式的微物理過程為WSM5，使用RRTM長波輻射方案和Goddard短波輻射方案，陸面過程方案采用Noah陸面過程方案，積云參數化方案為Grell-Devenyi方案。模式垂直分層方案采用地形追隨坐標，模式頂高50 hPa，垂直方向為38層，2 km以下18層，最底層為20 m。為了滿足風電預報需求，設置模式第2層距地面高度約為70 m，第3層距地面高度約為80 m。模式輸出結果為模擬區域2015-01、2015-04、2015-07、2015-10，即冬季、春季、夏季、秋季各選一個月作為代表月的逐小時風場。

3 WRF模式模擬誤差特征分析

使用雙線性插值方法得到大同站2015-01、2015-04、2015-07、2015-10的逐小時風場資料，主要使用10 m風場和模式第2、3層，即70 m、80 m高度的風場資料。

分別計算各月10 m高度實況日平均風速和模擬日平均風速相關系數為0.58、0.78、0.58和0.88，各月相關系數均大于等于0.58，模擬效果較好，其中2015-10達到0.88，模擬效果最好。

由圖1分析模擬特點發現，很多相同時間的模擬值比實況值要略偏大，說明模擬結果有一定的誤差，同時，各月的模擬值和實況值的兩條折線走向趨勢是大體一致的，說明該模式具有模擬風速變化的能力，能反映風速的逐日變化趨勢，模擬結果可用。分別計算各月模擬和實況月平均風速的絕對誤差為0.73 m/s、1.27 m/s、1.11 m/s和1.05 m/s，可以發現，各月模擬值與實測值的絕對誤差均小于等于1.3 m/s，其中誤差最小為2015-01，誤差最大為2015-04，所以，模式在本次模擬中對春季的模擬效果不是很好，冬季的模擬效果要好于夏季和秋季。

圖1 大同站各月模擬日平均風速與實況對比

4 WRF模式在發電量預報中的應用

4.1 風電量預報方法

由模擬風場資料中選取模式第三層即80 m高度的風速和風向資料，并采用輪轂高度為80 m的風機進行風電量預報。依據實際的V90-3.0 MW（50 Hz）型風機功率曲線，如圖2所示，計算各月有效分密度比例，并對各月大同風電場發電量進行初步預報。

有效風能密度的公式為：

式（1）中：W為有效風能密度；N為風速出現的總時數；ρ為空氣密度；Ni為各級別風速出現的時數（i=1，2，3…）；vi為各級別風速（i=1，2，3…）。

工作風速：風力機對額定負載有功率輸出的風速范圍。

4.2 風電量預報結果

本文中選用的風機的工作風速為4～25 m/s，經過計算，2015年各月的有效風能密度占總風能密度的比值均在93%以上，其中2015-04達到98.58%.可見大同地區的風能可利用率還是非常高的，特別是在春季和秋季。

根據功率曲線，按風速大小分三部分來進行計算：①0～4 m/s，風機不工作，不產生輸出功率；②4～14 m/s，這段風速區間內，每個風速值對應一個輸出功率，根據風速查找對應輸出功率即可；③15～25 m/s，從風速大于15 m/s開始，就達到了風機的滿發風速，風機輸出的功率會保持3 000 kW不變，如果風速大于25 m/s，由于風速過大，會對風機造成損壞，風機停止工作。

根據各月模擬逐小時風場資料，統計了各月的有效模擬時數、有效風速時數（即4～25 m/s的風速值），經過計算，得到一臺風機各月發電量，如果電費按每千瓦時0.55元市場價計算，可以估算每臺風機各月的經濟效益分別為13.25萬元、38.49萬元、10.10萬元和19.81萬元。

5 結論

WRF模式模擬的結果有偏差，但具有模擬風速變化的能力；隨高度增加，模擬結果受下墊面和周圍地形的影響減小，本文風電預報所選用的風機輪轂高度為80 m，所以模擬資料可用于風電預報；2015年各月實況日平均風速和模擬日平均風速相關系數均大于等于0.58，模擬效果較好，其中2015-10達到0.88，模擬效果最好。2015年各月的有效風能密度占總風能密度的比值均在93%以上，大同地區的風能可利用率是非常高的，特別是在春季和秋季。

［1］朱瑞兆，薛桁.我國風能資源［J］.太陽能學報，1981，2（02）：118-124.

［2］李春澤，朱蓉，何曉鳳，等.風能資源評估技術方法研究［J］.氣象學報，2007，65（05）：709-717.

［3］穆海振，徐家良，柯曉新，等.高分辨率數值模式在風能資源評估中的應用初探［J］.應用氣象學報，2006，17（02）：152-159.

［4］楊曉鵬，楊鵬武.基于數值模擬的云南省風能資源分布研究［J］.云南大學學報，2012，34（06）：684-688.

［5］張宇，郭振海，林一驊，等.中尺度模式風電場風速短期預報能力研究［J］.大氣科學，2013，37（04）：955-962.

［6］王彬濱，吳息，余江，等.WRF模式在江蘇省沿海風能預報系統中的應用［J］.水電能源科學，2015，33（10）：208-211.

［7］章國材.美國WRF模式的進展和應用前景［J］.氣象，2004，30（12）：27-31.

［8］王澄海，胡菊，靳雙龍，等.中尺度WRF模式在西北西部地區低層風場模擬中的應用和檢驗［J］.干旱氣象，2011，29（02）：161-167.

［9］張華，孫科，田玲，等.應用WRF模型分析風力發電場風速［J］.天津大學學報，2012，45（12）：1116-1120.

王揚（1990—），女，本科，工程師，主要從事災害性天氣數值模擬與診斷分析研究。

山西省氣象局青年基金課題“山西大同地區風電場發電量預報研究”（編號：SXKQNQH20147872）；中國氣象局預報員專項“山西回流強降雪發展機理及數值模擬研究”（編號：CMAYBY2018-010）

2095－6835（2019）03－0060－02

TM614

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.060

〔編輯：張思楠〕