海上风电功率预测与电量消纳研究

石礁，白明东,常晨轩,白练

摘要：风能是所有新能源中技术相当成熟的能源，而海上资源储量更是相当可观，本文对海上风电发展现状进行了分析，探讨海上风电电量消纳面临的挑战及提升相关技术工攻克方向，并出给了策略及建议，可供同仁参考。

关键词：海上风电；预测技术；电量消纳；策略

海上风电储量丰富，是构建新型电力系统的必备要素，受限于功率预测及并网送出技术，电量消纳还存在不足。柔性直流和柔性低频输电技术在大规模、远距离海上风电并网与送出方面具有优势，是技术攻关的重点方向。提升海上风电功率预测精度，需要重点攻关海洋气候下功率变化态势感知、极端功率时段识别、预测模型优化等技术。在海上风电基地打造储能、氢能、海水淡化及海洋牧场等场景集成的海上能源岛，是促进海上风电就地消纳的可行举措。

一、海上风电发展现状

（一）海上风电与“双碳”战略目标

我国拥有超过1.8万公里的海岸线，资源储量十分丰富。在5-50米深海，高度为100米的海上风能资源开放量为5亿千瓦，相当于2021年全国发电装机总容量的21%，是我国推进碳达峰碳中和、确保能源供应、实施能源革命、构建新型电力系统的重要支撑力量。

（二）海上风电特性与发展现状

由于海上风能风速较为平稳，平均风速高出陆地约20%，同等容量下年发电量较陆地高出约70%，具有风切变小、风向改变频率低的优点，近年来风电装机规模持续提升。根据国家能源局的数据显示，2021年我国全年新增海上风电装机1690万千瓦，是此前累计建成规模的1.8倍，总装机容量达到2638万千瓦，跃居世界第一。据预测，2021年至2025年全球海上风电新增装机容量预计超过7000万千瓦，年复合增长率约为31.5%。到2025年，预计全球海上风电的新增装机容量占全球新增风电总装机容量的比例将由2020年的6.6%提升至21.3%，成为全球新能源主力。

二、海上风电电量消纳面临的挑战

（一）复杂海洋环境影响风电并网送出

新能源消纳是世界性难题，海上风电由于地处复杂海洋环境，电量消纳形势十分严峻。一是并网送出通道紧张；二是资源分布不均限制电网消纳；三是台风等恶劣天气影响送出，像台风类灾害天气，对海上风电及并网送出系统造成影响。

（二）预测技术不成熟增大电网调控难度

在电网调度计划制定中，超短期和短期功率预测是合理预留备用容量的主要依据，随着海上风电装机容量的不断扩大，精准的功率预测对电力系统的调度、稳定运行的作用愈发明显。当前海上风电功率预测精度不高，其主要原因包括三方面因素。一是海上风电功率预测影响因素具有复杂性。二是强波动性影响功率预测精度。三是不准确的海上数值天气预报（NWP）信息导致预测误差增大。我国用于海上风电的NWP信息开发较晚、精度不高，功率预测误差较大，需要加大电力系统的旋转备用容量，以确保电网稳定，也会加大其运营成本。

（三）反调峰特性影响电网消纳

海上风电最显著的特性便是功出力的随机性、间歇性以及不可控性。截取国家电投浙江嵊泗2号海上风电项目全年发电功率变化曲线进行分析，反映出明显的季节特性，秋季风电出力明显大于其他几个季节。出力在夜间较高，在午后呈现低谷期（见图1），形成反调峰特性，电网频率整定和常规电源调节频率的压力越来越大，增加了电网调峰的难度。调峰能力不足会导致低负荷时期的风忽略，降低了电网消纳能力。

图1嵊泗2号海上风电四季最大出力占容量的百分比日变化曲线

三、提升电网消纳能力的技术攻关方向

（一）海上风电并网与送出技术

海上风电并网与送出技术是电网消纳的基础，当前主要技术方案包括高压交流、柔性直流以及低频输电三种，其中高压交流送出技术相对成熟，安全性、可靠性较高，但交流输电线路（海缆）投资成本较高。统计数据表明，总装机容量在100万千瓦左右、离岸距离小于70千米的海上风电场宜采用交流方面。随着海上风电的发展和直流技术的进步，柔性直流、柔性低频输电技术逐渐成为主导趋势。

（二）海上风电功率精准预测技术

海上风电功率变化态势感知、极端功率时段识别、预测模型构建与优化等是影响预测精度的关键技术，需要重点攻关。

功率变化态势感知技术。海洋型转折性气象下，海上风电功率呈现剧烈变化，为精确识别转折性功率拐点，需要采用移动均线作为趋势研究对象，通过移动均线的当前时刻变化率计算初始功率突变灵敏度因子，综合评估判定转折点位，从而解决传统预测方法时序噪声造成趋势误判，达到更精准的功率变化态势感知的目标。

极端功率时段识别技术。海洋型气象条件下对功率时段难以完整识别，为精准提取极端天气功率变化时段，可以综合研究风速、气温、功率的60分钟平滑移动平均线，计算功率曲线局部特征差异，并根据综合差异系数向量制定多元识别策略，进而达到完整识别功率曲线的目标。

预测模型构建与优化。传统的功率单值预测方法在海洋型气象条件下预测误差较大，

可以通过攻关功率时序局部波动特征识别与提取技术，构建结合单值预测与概率区间预测的分段预测模型，将时序划分为平缓功率时段与极端功率时段，分别对应单值预测与概率区间预测，减轻运算量，达到提升模型预测精度的效果。

（三）网源协同深度调峰技术

在海上风电大规模并网消纳趋势下，电站结构中的火电机组承担着主要的削峰任务，需要对其削峰策略和机组的综合效益进行研究基于区域电网月度运行数据的关联模型，确定海上风电消纳对电网调峰的影响程度计算,分析了火电机组启停调峰新增能耗,以系统调峰余量作为调峰灵活性为基础,建立了火电机组切峰优化调度模型设定考虑海上风电灵活消纳的机组，以运行成本最小为优化目标，规划策略建立了考虑弹性消费能力的火电机组交付动态计划。

四、对策与建议

（一）实施源网协同规划，确保电能并网送出

在海上风电并网输电情况下，要准确了解海上风电资源储量和分布特征，规划指导风电场和并网建设，控制源站资源配置；做好各区域统筹规划、项目布局、输电线路走廊资源综合调配；加强自主创新，深入开展并网交直流技术经济分析研究、并网关键技术研发、运行控制优化、新技术应用等工作。建立与海上风电并网的技术研发体系，形成领先、创新的综合应用示范平台，解决部分关键技术装备“卡壳”问题。

（二）优化调度运行策略，实施弹性协同控制

在输送方式上，需要充分考虑海上风电的时空特性和风电机组唤醒效应的影响，大容量海上风电接入电网将改变电网潮流分布，同时可能导致潮流分布不均，海上风电退出在极端条件下。天气将极大地影响电网安全稳定运行的风险。开发具有弹性控制能力的分布式静态串联补偿器（DSSC），优化运行控制配置和策略，从网络控制设备角度响应弹性控制能力。

（三）构建功率预测系统，降低电网调控难度

为保证海上风电功率精准预测可操作性，应考虑与海上风电企业联合建立考虑多类型海洋气候的海上风电功率预测模型，并在此基础上构建数据统一、协调配合的海上风电管理与功率预测应用系统。深化数据标准化建设，保证数据格式规范性、统一性，为功率预测系统的规范化部署与有效运行打下坚实基础，进而提升功率预测的准确性。

（四）推进“能源岛”建设，实现风电就地消纳

将海上风电与储能设施、制氢系统或其他电能转换技术有机结合，考虑离网多元化应用模式，突破单一并网应用模式，打造风能、氢能、海水淡化和海上一体化“能源岛”将大型海上风电与储能、高能载体产业（如海水淡化、电解水制氢、电解铝等）直接耦合，形成就近完成系统消纳风电，改变海上风电陆上输送方式，将产品直接输送到岸上，解决海上风电远距离输送问题，降低投资成本，提高风电利用率。

参考文献

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作者简介：石礁(1983.12-)，男，汉族，辽宁大连，硕士研究生,研究方向：电力