引言
由于风能资源的随机性特征，风力发电机组和风力发电场的发电功率波动性较强，单台风电机组和全风电场的科学、客观和准确的计算风电场理论发电功率至关重要。随着风力发电应用规模的扩大，风电参与各方的风电场运维经验逐步丰富和风电科技水平大幅提升等多重因素促使风电场理论发电功率计算方法不断成熟。风电场理论发电功率的计算结果准确性、可靠性不断提高。与风电发电阶段相适应的风电场理论功率计算方法逐步在行业规范、行业标准、企业标准和国家标准中得到应用。
风电场的理论发电功率数据是准确研究风电功率预测、客观评价弃风限电情况和合理规划区域风电容量配置的重要基础。准确的计算风力发电场理论发电功率是准确计算弃风电量的前提。风电场出力受限时，要实现准确的统计受限电量，需要风电企业和电网企业应的相互配合。因此，有必要对风电历史运行数据中的限电以及故障等异常数据进行还原重构，以最大限度地反映风电场真实理论发电功率。
一、 风电高质量发展对发电功率 精准计算需求迫切
随着新型电力系统建设向深入推进，风力发电逐步成为电力系统的主力电源。当风电渗透率逐步攀升，风电发电功率的不确定性将给电网调度带来极大的挑战。尽可能的降低风电出力的可预见性和不确定性有利于减少对常规电源备用的需求，更为合理为风电安排备用容量。从全系统来看，更精准的发电功率计算可以以更低的社会成本接纳风电，同时有利于电力系统安全可靠运行。
提高风电场发电功率的精准计算有利于降低风电场的弃风电量。风电出力的不确定性将影响电网的有功平衡。在负荷低谷时段，如果风电出力往上波动较大，常规电源下调容量不足将会造成弃风损失。科学精准的计算风电场的发电功率有利于准备的制定风电运行策略，减少弃风带来的损失。
提高风电场发电功率的精准计算有利于提高电力系统的供电可靠性。在负荷高峰时段，如果风电出力往下波动较大，常规电源上调容量不足将会造成缺电损失。今年9-10月份，由于东北预期大面积的风电场出力同步向下波动导致当地出现供电紧张，电力部门不可以采取了拉闸限电。
提高风电场的发电功率的精准计算更为精准，可以实现精准的预留多少的备用容量，降低风电场的运行成本，也即降低风电的度电成本。由于风电的不可调度性和波动性，在电网经济调度中通常要求常规电源为风电预留旋转备用容量。从全网来看，有利于以更小的旋转备用容量支撑更大规模的风电并网。新型电力系统的建设需要风电等新型电源承担更多的系统平衡责任。
二、 风电场理论发电功率 计算方法的比较分析
（一）计算方法介绍
风电场理论发电功率是指风电场内所有设备处于正常状态时能够发出的有功功率。风电场理论发电功率按照下面的公式通过风电场内所有风电机组的理论发电功率加和得到。
对风电机组的理论发电功率的计算，要以输入修正后的风电机组轮毂高度处的风速进行计算。目前常见的三类风电场理论发电功率的计算方法分别是机舱风速法、样板机法和测风塔法。
机舱风速法是指采用风电机组实际风速-功率曲线，通过实测的机舱风速得出风机理论发电功率，进而计算风电场受限电量的方法。风机停机时机舱风速计仍然正常工作，记录机舱风速值，这是机舱风速法成立的前提。风电机组一般都带有测风装置，包含风速计和风向标，安装于机舱后部的气象架上，见图 1。风速计为风机提供风向测量数据，以实现风机的自动对风、解缆等功能。安装于机舱后部的风速计称为“机舱风速计”，其测量值称为“机舱风速”。
图1 风力发电机机舱后部的风速计和风向标
样板机法是指根据风电场风机地理位置和地势分布，在选定一定数量“样板机”（一般不超过风电场全部风机数量的10%，“样板机”不限电）基础上，通过“样板机”电量推算得出限电风机理论发电功率，进而计算受限电量的方法。
测风塔外推法是在测风塔优化选址基础上，根据风电场所处区域的地形、地貌，采用微观气象学、计算流体力学理论，将测风塔风速、风向推算至风电场每台风机轮毂高度处的风速、风向，并通过风速-功率曲线得出风机理论发电功率，进而计算受限电量的方法。
（二）计算方法对比分析
从应用的时间顺序来看，依次为早期应用的样板机法，以及后来的测风塔外推法，再到最近兴起的机舱风速法。受制于风电发展初期技术水平以及全社会数值计算能力水平的影响，最初应用的风电场理论发电功率以样板机法，后来随着计算能力的发展，人工智能等技术与风电功率计算相结合促进了测风。测风数据外推法能够实现风电场理论功率计算,在精度要求较低时，无测风数据直接采用数值天气预报数据亦可，但该方法整体精度相对较低,恢复精度亦受季节性变化和 风电场附近地形地貌变化的影响,且计算复杂。
从准确性来看，主要的三种计算方法依次为机舱风速法、测风塔法、样板机法。由于风机出力受到地表状况、风向、风机尾流等因 素的影响，不同风机的出力并非简单的线性关系， 且实时发生着变化，因而样板风机法存在过度简化的问题，特别是在风电场地形等条件较为复杂的情况下容易带来较大的计算误差。测风塔没有充分考虑机组的实际所处区域的地表、风向等对影响出力的因素，主要依靠测风数据推算，计算精度相对较差。
从对数据的要求来看，测风塔法对数据要求较低，只要有风电场资料和测风等基础数据便能够实现风电场理论功率计算，但是测风塔外推法对计算要求较高，需要庞大的数值计算能力。样板机法需要风电场10%左右机组的运行数据，若整个风电场均停机运行则难以准确测量，或者规定必须保留10%的机制投运；机舱风速法要求提供每个风电机组的机舱风速。
与样板机法和测风数据外推法相比，机舱风速方法优势明显，主要原因是采用分段函数拟合得到功率曲线的数学表达式 ，能够对全区段风速与功率的关系进行准确描述，不会产生由于插值或均值计算带来的误差 。
（三）计算方法的发展趋势
随着人工智能、大数据和云计算与风电的紧密结合，从计算输入的数据到计算过程均可以与上述的数字科技深度融合，一方面可以提高输入风速数据的准确性，另一方面可以通过海量数据训练人工智能，达到风速数据与风电输出功率更精准的计算，准确率和可靠性将较目前有显著的提升。
三、 更为精准的理论风力发电量计算 在实践中得以应用
在实际的应用方面，理论发电功率计算方法在能源主管办法制定的管理办法及行业标准、国家电网企业标准以及最新颁布的国际标准均有应用。
（一）积极参与国际标准合作
近年来我国风电规模增长迅猛，并且在风电大规模并网、传输和运行方面获得了相当多的实际经验和成果，IEC组织将新成立的TC8SC8A“大容量可再生能源接入电网”工作组和TC8SC8B“分布式能源电力系统”工作组的秘书处设立于中国，我国技术专家能够更多地参加到国际标准的制订工作中，开展更为广泛的技术交流，极大地提高了我国风电在电网接入技术领域的话语权。IEC SC 8A“大容量可再生能源接入电网”技术分委会由国家电网公司牵头发起，主要负责大容量可再生能源发电并网技术领域的国际标准化工作，涵盖大容量可再生能源发电（包括风电、太阳能等）并网的术语和定义、资源评价与功率预测、并网技术条件、规划与设计、并网符合性、运行与维护、控制和保护、分析与评估等方面。
（二）加速纳入国内标准体系
为了应对弃风电量不断增加以及风电机组的可靠接入电力系统，国家电网在风电场理论功率计算方面投入了大量精力并出台了企业标准。国家电网企业标准《Q∕GDW 11900-2018风电理论功率及受阻电量计算方法》指出，风电受限电量计算方法一般建议釆用机舱风速法，也可釆用样板机法、测风塔外推法等其他经过验证的计算方法；具体可由风电企业与所属电网调度机构协商确定。
今年国家标准《GB_T 40603-2021 风电场受限电量评估导则》正式开始实施，其中明确提出了机舱风速法，并给出了从风电机组到风电场详细的理论发电功率计算方法。
（三）行业主管部门及时采纳
为了有效解决风电场可用发电能力和弃风电量评估严重失真的问题，2013年发布了行业标准《NB/T 31055-2014,风电场理论可发电量与弃风电量评估导则》。2021年11月12日，国家能源局发布关于征求对《风电场利用率计算办法（征求意见稿）》意见的函。此次征求意见稿正式发布执行之后，2013年1月电监会发布的《风电场弃风电量计算办法（试行）》（办输电〔2012〕154号）将同时废止。经过对比，最大的变化主要体现在风电受限电量的计算方法。本次修订的风电受限电量计算方法推荐釆用机舱风速法，也可以采用样板机法和测风数据外推法，电监会发布的《办法》一般采用样板机法。其中，风电场样板机选取数量原则上不超过机组数量的 10%。新修订的计算方法的变化或将更准确、更接近实际的限电量。
来源：海南省绿色金融研究院
