基于WRF模式的大同地区风电场发电量预报技术研究＊

王扬，董春卿，马严枝，郝婧宇，李青青



基于WRF模式的大同地区风电场发电量预报技术研究＊

王扬，董春卿，马严枝，郝婧宇，李青青

（山西省气象台，山西 太原 030006）

为了研究WRF模式在大同地区的风电预报能力，用WRF模式模拟2015-01、2015-04、2015-07、2015-10四个月大同地区风场，评估模拟效果，并根据模拟结果采用轮毂高度为80 m的V90-3.0 MW（50 Hz）型风机对该地区的风电量进行预报。结果表明，各月实况日平均风速和模拟日平均风速相关系数均大于等于0.58，模拟效果较好，其中2015-10达到了0.88，模拟效果最好；各月的有效风能密度比例均在93%以上，该地区的风能可利用率是非常高的，特别是在春季和秋季；利用WRF模式模拟的各月逐小时风场有偏差，但是模式具有模拟风速变化的能力，可用于制作风电量预报，指导风电场建设和运营。

WRF模式；误差分析；风电量预报；风能

1 引言

风能作为一种重要的、清洁的、无污染的、可再生的能源，具有其他能源无可替代的开发优势，目前，风能开发利用的主要形式是风力发电[1-2]。近年来，我国在积极推广风力发电技术，风电场风速和发电量预报就成为气象服务的重要领域之一。准确、高分辨率的风速预报和风电预报是提高风能利用率的关键技术之一[3-5]。WRF（Weather Research Forecast）模式是新一代中尺度数值模式和数据同化系统，近年来，广泛应用于风电场风速预报研究中[6-9]。山西大同地区风能资源较为丰富，利用WRF模式模拟近地面层风速，在此基础上评价模拟效果和误差分析，并利用模拟风场结果制作该地区发电量预报，有助于高效、合理地利用风能资源，为该地区的风能资源的开发和风电场建设和运营提供指导。

2 研究资料及模拟方案

2.1 观测资料

使用2015-01、2015-04、2015-07、2015-10大同站日平均风速观测值来评价WRF模式模拟效果和分析误差特征。

2.2 WRF模式模拟方案

使用的WRF模式版本为ARW3.4.1，采用NCEP GFS全球预报场作为模式初始场和侧边界，时间分辨率为6 h，系统由每天OOZ UTC冷启动开始，进行72 h预报，时间步长120 s。模式的嵌套方案为单重网格不嵌套，模拟中心为112.6°E，37.8°N，水平网格距为27 km，格点数为150×150.模式的微物理过程为WSM5，使用RRTM长波辐射方案和Goddard短波辐射方案，陆面过程方案采用Noah陆面过程方案，积云参数化方案为Grell-Devenyi方案。模式垂直分层方案采用地形追随坐标，模式顶高50 hPa，垂直方向为38层，2 km以下18层，最底层为20 m。为了满足风电预报需求，设置模式第2层距地面高度约为70 m，第3层距地面高度约为80 m。模式输出结果为模拟区域2015-01、2015-04、2015-07、2015-10，即冬季、春季、夏季、秋季各选一个月作为代表月的逐小时风场。

3 WRF模式模拟误差特征分析

使用双线性插值方法得到大同站2015-01、2015-04、2015-07、2015-10的逐小时风场资料，主要使用10 m风场和模式第2、3层，即70 m、80 m高度的风场资料。

分别计算各月10 m高度实况日平均风速和模拟日平均风速相关系数为0.58、0.78、0.58和0.88，各月相关系数均大于等于0.58，模拟效果较好，其中2015-10达到0.88，模拟效果最好。

由图1分析模拟特点发现，很多相同时间的模拟值比实况值要略偏大，说明模拟结果有一定的误差，同时，各月的模拟值和实况值的两条折线走向趋势是大体一致的，说明该模式具有模拟风速变化的能力，能反映风速的逐日变化趋势，模拟结果可用。分别计算各月模拟和实况月平均风速的绝对误差为0.73 m/s、1.27 m/s、1.11 m/s和1.05 m/s，可以发现，各月模拟值与实测值的绝对误差均小于等于1.3 m/s，其中误差最小为2015-01，误差最大为2015-04，所以，模式在本次模拟中对春季的模拟效果不是很好，冬季的模拟效果要好于夏季和秋季。

图1 大同站各月模拟日平均风速与实况对比

4 WRF模式在发电量预报中的应用

4.1 风电量预报方法

由模拟风场资料中选取模式第三层即80 m高度的风速和风向资料，并采用轮毂高度为80 m的风机进行风电量预报。依据实际的V90-3.0 MW（50 Hz）型风机功率曲线，如图2所示，计算各月有效分密度比例，并对各月大同风电场发电量进行初步预报。

有效风能密度的公式为：

式（1）中：W为有效风能密度；N为风速出现的总时数；ρ为空气密度；Ni为各级别风速出现的时数（i=1，2，3…）；vi为各级别风速（i=1，2，3…）。

工作风速：风力机对额定负载有功率输出的风速范围。

4.2 风电量预报结果

本文中选用的风机的工作风速为4～25 m/s，经过计算，2015年各月的有效风能密度占总风能密度的比值均在93%以上，其中2015-04达到98.58%.可见大同地区的风能可利用率还是非常高的，特别是在春季和秋季。

根据功率曲线，按风速大小分三部分来进行计算：①0～4 m/s，风机不工作，不产生输出功率；②4～14 m/s，这段风速区间内，每个风速值对应一个输出功率，根据风速查找对应输出功率即可；③15～25 m/s，从风速大于15 m/s开始，就达到了风机的满发风速，风机输出的功率会保持3 000 kW不变，如果风速大于25 m/s，由于风速过大，会对风机造成损坏，风机停止工作。

根据各月模拟逐小时风场资料，统计了各月的有效模拟时数、有效风速时数（即4～25 m/s的风速值），经过计算，得到一台风机各月发电量，如果电费按每千瓦时0.55元市场价计算，可以估算每台风机各月的经济效益分别为13.25万元、38.49万元、10.10万元和19.81万元。

5 结论

WRF模式模拟的结果有偏差，但具有模拟风速变化的能力；随高度增加，模拟结果受下垫面和周围地形的影响减小，本文风电预报所选用的风机轮毂高度为80 m，所以模拟资料可用于风电预报；2015年各月实况日平均风速和模拟日平均风速相关系数均大于等于0.58，模拟效果较好，其中2015-10达到0.88，模拟效果最好。2015年各月的有效风能密度占总风能密度的比值均在93%以上，大同地区的风能可利用率是非常高的，特别是在春季和秋季。

［1］朱瑞兆，薛桁.我国风能资源［J］.太阳能学报，1981，2（02）：118-124.

［2］李春泽，朱蓉，何晓凤，等.风能资源评估技术方法研究［J］.气象学报，2007，65（05）：709-717.

［3］穆海振，徐家良，柯晓新，等.高分辨率数值模式在风能资源评估中的应用初探［J］.应用气象学报，2006，17（02）：152-159.

［4］杨晓鹏，杨鹏武.基于数值模拟的云南省风能资源分布研究［J］.云南大学学报，2012，34（06）：684-688.

［5］张宇，郭振海，林一骅，等.中尺度模式风电场风速短期预报能力研究［J］.大气科学，2013，37（04）：955-962.

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［7］章国材.美国WRF模式的进展和应用前景［J］.气象，2004，30（12）：27-31.

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王扬（1990—），女，本科，工程师，主要从事灾害性天气数值模拟与诊断分析研究。

山西省气象局青年基金课题“山西大同地区风电场发电量预报研究”（编号：SXKQNQH20147872）；中国气象局预报员专项“山西回流强降雪发展机理及数值模拟研究”（编号：CMAYBY2018-010）

2095－6835（2019）03－0060－02

TM614

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.060

〔编辑：张思楠〕