｜離岸風場高解析度短期預測技術與應用

摘要：國內風力發電開始往離岸風場開發，海上作業的經費、規模以及風險都非常大，擁有準確的海氣象資訊對於業者從事相關海事工程是非常重要。國內的海氣象預測技術相對於海事工程成熟，藉由專業技術的整合，即可提供特定離岸風場作業環境預測資訊，並加值到各個階段不同應用需求，例如海上施工期規劃、施工機具安全評估、運轉維護（Operation and Maintenance；O&M）風險管理以及短期發電量預測等，本文將針對短期預測技術、颱風預測案例以及未來離岸風場應用進行介紹。

Abstract: Domestic wind power industry is developing towards offshore wind farms. Because the funds, size, and risk of offshore wind farm are larger than onshore projects, accurate weather and ocean information for the relevant marine engineering industry is very important. Weather and ocean forecasting technologies are more advanced than marine engineering technologies in Taiwan. Through the integration of professional and technical skills, we can provide operating environment information for a specific offshore wind farm and further added value to the various stages of different applications, such as marine construction planning, construction equipment safety assessment, operation and maintenance (O&M) risk management and short-term wind power forecasting, etc. This paper will introduce short-term forecasting techniques, case studies of typhoon forecasting, and the future of offshore wind farm applications.

關鍵詞：短期預測、離岸風場、風況條件

Keywords：Short term forecasting, Offshore wind farm, Wind condition

前言
為了因應國內能源占比需求，基於風力機技術成熟以及陸域優良場址趨於飽和的考量下，目前以離岸風力發電最具潛力，尤其是深海地區風能佳、腹地廣大，可避開環境生態與人為活動等競合問題。目前政府因應行政面、環境面以及技術面的現況下，開發方式以循序漸進式為主，配合國內離岸開發能力以及風力機產業鏈之建立，規模由小而大，由示範機組獎勵開啟序幕以致力未來推廣至大型電場營運。由於離岸風電場之施工及O&M皆須仰賴風電服務業，考慮風場計畫開發規模以及設置營運成本，離岸風場中風力機設備佔計畫總預算僅約30 ~ 40 %，而海事工程（含施工及海上電網設施）以及O&M費用則約為55 %，因此海事施工能量與成本之掌握，影響計畫投資獲利甚鉅。故實質開發重點仍應回歸至技術面，例如開發前環境調查分析與可行性風險評估、施工中風力機設備的運輸與安裝技術、以及完工後風力電場營運維護管理。

目前國外所發展的風能預測技術已應用於陸域/沿岸/離岸式風力發電場、併聯電網或獨立電網。以歐盟ANEMOS （Development of A NExt Generation Wind Resource Forecasting SysteM for the Large-Scale Integration of Onshore and OffShore Wind Farms；ANEMOS）與ANEMOS-Plus研究計畫[1]為例，建置不同物理與統計模式進行各個模式的短期預測模擬分析，透過使用者介面來執行許多不同的預測模組並發展成一套整體性預測工具，藉由系集預測、機率預測多重比較其差異性，並結合高解析氣象預報以可節省經費並獲得更好的發電量預測結果，另外為了加強風能預測技術的實用性，並將短期預測模組整合於風力發電場營運系統中，方便經營者進行風力發電場管理及維護工作。

美國國家大氣研究中心（National Center for Atmospheric Research；NCAR）一直以來都積極發展天氣即時預報系統，在風力電場的應用，則延伸了氣象預報的基本技術[2]，現在應用於風能預測的即時四維資料同化和預報氣象系統（Real-Time Four-Dimensional Data Assimilation；RTFDDA）和系集數值預報系統（Ensemble Real-Time Four Dimensional Data Assimilation；E-RTFDDA）就是結合同化和氣象觀測，將預報結果作為動力積分預測系統的輸入以轉換成發電量預測。運用風電場資料和創新發展的新進模式預測統計後處理技術，獲得誤差訂正和概率校準的風電場預測，得以很顯著的改善模式預測。2008年Xcel Energy公司請NCAR協助解決風能預測問題，NCAR為Xcel Energy公司開發了一套上述的預測系統，開發建置期程為2年，等系統建置完成後，再由NCAR負責Xcel Energy公司技術人員訓練與操作。根據Xcel Energy統計，此風電場預測系統在2010年的開發試用期就為該公司節省750萬美金。

離岸風場O&M比起陸域尤其重要的關鍵之處，在於準確即時掌握離岸風場海氣象天候狀況，以規劃安排並進行例行性定期維護、突發性的維修或纜線修復、備品供應以及維修船隻調度等，不僅僅只是風能好壞或是發電量可用率高低而已，上述不確定性因素均可能導致許多營運上的困難，甚至無法確認實際開發成本與風險。國內目前有國科會、台電綜合研究所、核能研究所、工研院、成大近海水文中心以及其他學術單位等投入進行風能、波浪、海流、發電量各種短期預測相關研究，但並無全面的預測整合系統，也因離岸尚未開發，故至今尚未有實際應用案例。基於海象預測資訊為離岸風場開發及O&M的重要參考資訊，對於海事工程的調度及施工具有重大的影響，由於海上前置作業的動員經費及規模都非常龐大，而其反應的時間都較陸地緩慢，故擁有準確的預測資訊對於業者從事相關工程的施工調度是非常重要，工研院將投入海域施工環境分析暨自動預測系統之開發與研究，提供特定離岸風場未來72小時風速、波浪、海流時序列預測資訊服務。