研究背景
随着我国新能源风力发电装机容量逐步扩大，功率预测的预测精准度对电网安全稳定运行起到至关重要的作用，因此，国调对功率预测的精度也提出了更高要求。然而，在目前全球气候变暖、极端天气频发的情况下，现阶段功率预测普遍使用的普通数值天气预报无法对极端天气进行预测，导致了在极端天气发生时预测精度较低，无法满足电网要求。今年四月，国家能源局印发的《风电场利用率监测统计管理办法》对特殊原因（包括极端天气）受限电量也作出统计。如能针对极端天气下的功率预测进行研究，不仅有助于提升风电场功率预测精度，更能够对风电场利用率进行更好的统计与监管，促进风电消纳。
对于风电场，极端天气，尤其是冰灾，会造成风电场风机叶片不同程度的覆冰，对风机的正常发电及运维都产生负面影响。从发电功率来说，较轻的覆冰会让叶片功率有一部分损失，而严重覆冰会导致机组停止运行，输出功率为零；从运维来说，叶片覆冰可对机组造成诸如静态与动态载荷不平衡、机组振动过于剧烈、叶片频率发生变化、疲劳载荷增加、叶片弯矩增加、人身安全隐患等危害。因此，无论是从预测角度还是运维角度，都有必要对风机叶片覆冰做详细研究。
为保障叶片覆冰状态下的风电功率预测精度、并维护风电场正常性运维，国能日新技术研发人员已对风机叶片覆冰的气象原理、覆冰气象条件预报、覆冰状态预报、及覆冰条件下功率预测进行了多年持续性研究，现已取得阶段性成果。
研究成果
一、风机覆冰原理
叶片出现覆冰的条件为：环境温度低于0摄氏度，叶片表面低于-5摄氏度，空气湿度在85%以上。在实际情况下，风机实际产生的覆冰情况也会因每台风机的类型、所处地形、微气候、风机叶片材质、防覆冰或除冰设计等要素而产生很大不同。因此，要保证覆冰预测准确率足够高，功率预测算法可用，必须以实际数据为基准进行特定研究。
二、风机叶片覆冰检测
要对覆冰状态下的风机进行发电功率预测，首先要对风机覆冰状况进行日前预测和实时预报。这就需要提供每台风机精细化的气象预测数据，还需要采集风机的实时气象、功率、状态数据，并对风机进行必要的改造，如增加对覆冰气象参数检测，以及对叶片覆冰状态、覆冰厚度的检测设备。这样不仅可以研究风机覆冰条件积累更多数据，也是对单风机覆冰预测结果准确性的验证。
对于覆冰检测，国能日新建议机组增加叶片振动检测及叶片覆冰传感器。此设备采用直接测量法，根据结冰量增加导致的固体重量增加会引起叶片自然振动频率降低的原理，通过高灵敏度传感器系统采集叶片覆冰数据，经过特殊算法，可实现冰层厚度毫米范围内的测量分辨率，在风机运行或待机情况下都能执行测量。
三、叶片覆冰状态下的功率预测
覆冰状态下的风机组对于功率预测结果的分辨率需要更精细，一般为15min频率，才能够更准确地预测出电站发电能力。而在预测算法设计上，可采用日前预测和实时预报相结合的模式。日前预报算法，根据已评估的覆冰预测概率，整体调整预测功率的比例；而实时预测，则结合风机实测数据，对临近的覆冰状态和单风机运行状态做出评估，更加精准地预测每台风机未来出力状态，从而实时调整未来预测功率。
国能日新风机叶片覆冰预报解决方案
基于在数值气象预报和功率预测算法技术研究及实践应用领域的丰富经验，国能日新在以上专项研究的基础之上，持续完成重点技术攻关，目前已能够自主完成整场、以及单风机叶片覆冰的预报，达到对每台风机的风速、风向、温度、湿度以及覆冰严重程度均可预测，并设计异常气象预报预警平台，可发布覆冰预报预警，同时将覆冰预报结果并入电站功率预测算法平台，经过升级的预测算法，可将覆冰预报数据与标准数值气象预报数据结合，综合给出最优功率预测结果。
值得注意的是，由于风机叶片覆冰预报是基于单风机微地形、微气象的预报研究，该系统的应用首先需要风电场提供准确的风机信息，包括风机名称编号、单风机经纬度坐标、历史覆冰数据，以便覆冰预报系统能够精确匹配每台风机的预报结果。另外，如能通过风机改造，增加风机端温度、湿度测量及风机叶片覆冰状态、覆冰厚度测量设备，这些测量数据将有效提升场站后续覆冰预报精度。因此，为保证覆冰预测的准确性，国能日新建议风电场对相应设备进行改造升级。
国能日新风机叶片覆冰预报解决方案如下：
01收集风电场基础信息、历史气象、风机运行数据、覆冰记录等；
02根据收集的数据建立覆冰预报模型，可支持单机覆冰、整场覆冰预报，预报覆冰严重程度、覆冰厚度；
03建设预警信息发布平台，为电站提供覆冰预报结果发布账号，并同步至站端功率预测系统；
04升级预测算法，根据预警信息优化现有短期、超短期算法模型，提升功率预测精度；
05在完成覆冰预报和系统及算法升级后可进入优化运维阶段。
作为预测系统的补充功能，后续系统运行以及数据和模型优化运维将自动纳入国能日新标准化运维体系，持续为客户提供智能运维服务。
总结
在“新技改”、“新国标”背景下，国家对新能源场站提出更高要求。国能日新风机叶片覆冰预报解决方案，根据每台风机的类型、微地形、微气候，结合风机覆冰状况监测数据，建立定制化算法模型，不仅可对极端天气进行预警，更可结合国能日新功率预测系统输出分辨率为15min频率的日前和实时预测数据，在保证预测数据有效性与预测精度的同时，为风电场提供安全、高效、稳定运行的保障。
在技术创新的道路上，国能日新从未止步——研究风机叶片覆冰状态下的功率预测提升技术，可有效提升风电场功率预测精度，减少损失；保障每一个风机能够安全、高效运行；让每一个客户能够安心、放心、省心。
