新疆電網(wǎng)風電出力波動對系統(tǒng)運行的影響分析

袁建黨，晁勤，袁鐵江，李建林,2，李義巖

（1.新疆大學電氣工程學院，新疆維吾爾族自治區(qū)烏魯木齊830047；2.中國電力科學研究院，北京100085）

近年來，風電憑借著清潔高效的特點，在世界范圍內(nèi)得到快速的發(fā)展。新疆風能資源豐富，擁有9大風區(qū)，可開發(fā)利用風區(qū)總面積達15萬km2，可裝機容量達8千萬千瓦以上，前景極其廣闊。但是，截止2009年底，新疆風電總裝機84萬kW，占系統(tǒng)最大負荷的9.4%，最小負荷的19.22%，風力發(fā)電量14.05億千瓦時[1]。所以說，大規(guī)模開發(fā)風電在新疆才剛剛起步，短期將風能作為調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的補充能源，長期將把風能發(fā)展為替代常規(guī)能源的主力能源之一[2]。但是，由于風本身的隨機性及不可控性使得風電出力的隨機波動性增大，影響系統(tǒng)的電能質(zhì)量。同時，根據(jù)《中華人民共和國可再生能源法》，風電要全額上網(wǎng)，因此風電的波動必然會對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來挑戰(zhàn)，國家電網(wǎng)公司為此也發(fā)布了《國家電網(wǎng)風電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》對風電并網(wǎng)設(shè)定門檻。因此，合理有效地評估風電對電力系統(tǒng)的影響顯得勢在必行。

電力系統(tǒng)運行中要保證發(fā)電與負荷的實時平衡。風電出力有波動，負荷同樣有波動，當風電承擔了一部分負荷后，常規(guī)能源機組承擔的負荷波動規(guī)律必然發(fā)生相應(yīng)的變化，從而引起系統(tǒng)運行方式的改變。目前，國內(nèi)外研究主要集中于從理論與仿真的角度考察風電對系統(tǒng)的影響[3-4]，并提出了一些提高電網(wǎng)接納風電能力的方法[5]。

本文依據(jù)實際現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)，利用Matlab與Excel軟件編制數(shù)據(jù)處理程序，從風電接入系統(tǒng)后引起的剩余負荷的峰谷差及波動大小的變化兩方面分析了直調(diào)風電與達坂城風電場等幾個典型風電場對系統(tǒng)運行的影響，所得結(jié)論對電力系統(tǒng)的調(diào)度及規(guī)劃具有重要的參考價值。

1 風電出力對剩余負荷峰谷差的影響

1.1 概述

系統(tǒng)每天的負荷曲線都有一個最高的波峰與一個最小的波谷，如圖1所示，其差值即為該天負荷的最大峰谷差，簡稱峰谷差。為了實現(xiàn)發(fā)電與負荷的實時平衡，發(fā)電機組要根據(jù)負荷的變化實時調(diào)整其出力。當峰谷差越大，發(fā)電系統(tǒng)的大幅度調(diào)節(jié)能力要求就越高，有時會使得一些發(fā)電機組長時間低效率運行，甚至噴油運行。

風電接入系統(tǒng)以后，如果使得常規(guī)能源機組承擔的剩余負荷峰谷差減小，說明該風電的接入改善了系統(tǒng)運行環(huán)境，否則，將加劇系統(tǒng)運行環(huán)境的惡化。

1.2 新疆電網(wǎng)負荷峰谷差

圖2與圖3分別給出了新疆電網(wǎng)在2009年各天的峰谷差及峰谷差在各區(qū)間的分布情況。

從圖2中可以看出新疆電網(wǎng)夏季負荷的峰谷差要比冬季負荷的峰谷差略大。最大值出現(xiàn)在7月中旬左右。圖3顯示了新疆電網(wǎng)在2009年各天的峰谷差主要分布在1 200～1 500 MW的區(qū)間。

1.3 風電接入系統(tǒng)后剩余負荷峰谷差

以直調(diào)風電為例，從系統(tǒng)負荷中減去直調(diào)風電數(shù)據(jù)，得到常規(guī)能源機組要承擔的剩余負荷。圖4與圖5給出了剩余負荷的峰谷差及峰谷差的分布。

比較圖5與圖3發(fā)現(xiàn)，直調(diào)風電接入以后剩余負荷的峰谷差分布更為分散。接入前，峰谷差集中分布在1 200～1 600 MW之間，接入后的峰谷差大多分布在1 100～1 700MW之間，主要分布區(qū)域變寬，說明直調(diào)風電接入后使得一部分天的峰谷差增加，一部分天的峰谷差減小。比較圖4與圖2，峰谷差的季節(jié)性特點基本沒有大的改變，仍然是夏季的較大，但是最大峰谷差出現(xiàn)在10月底左右。最大峰谷差由原來的1 873.9 MW增大到1 952.7MW。通過計算，系統(tǒng)加入直調(diào)風電以后，剩余負荷峰谷差年均1 373 MW，相比直調(diào)風電加入前的1 371MW增加了2MW，即總體上增大了峰谷差。

相同的方法，表1列出了系統(tǒng)在未接入風電、單獨接入直調(diào)風電以及單獨接入各典型風電場后剩余負荷峰谷差在2009年各個月份及全年的最大值和均值。空格處為風電場未投運或數(shù)據(jù)收集不全。

為了更明顯地體現(xiàn)各風電場的接入對峰谷差的影響，使用各風電場接入前后峰谷差變化差值來表示。圖6畫出了直調(diào)風電與各典型風電場在2009年各月份單獨接入系統(tǒng)引起的峰谷差變化差值曲線。

從圖中可以看出，直調(diào)風電在4至10月份的出力增加了平均峰谷差，增加值的峰值出現(xiàn)在7月份，使平均峰谷差增加了45MW。從各個風電場的情況來看，小草湖風電場對系統(tǒng)的影響最大，其在6至10月份大幅增加了月平均峰谷差，更是在7月份使得月均峰谷差增加了23MW，只在3月份和11月份分別降低了月均峰谷差。

達風3場是本文中提到的裝機容量最大的風電場，截止2009年底，裝機容量達到159MW，由于采集數(shù)據(jù)不全，只能看到2009年前4個月數(shù)據(jù)，但其在降低峰谷差方面起著非常重大的作用。

天潤風電場在投運的幾個月內(nèi)也增加了月均峰谷差，其他幾個風電場大體上均小幅拉低月均峰谷差。增大峰谷差說明該風電場具有一定的反調(diào)峰作用，對系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性、安全穩(wěn)定性帶來威脅。

表1 系統(tǒng)在未接入風電、單獨接入直調(diào)風電及單獨接入各典型風電場后剩余負荷峰谷差/MW

圖6 直調(diào)風電與各典型風電場引起的月均峰谷差偏差比較

2 風電出力對剩余負荷短期波動的影響

2.1 概述

風電出力的隨機波動性是風電的一大特點。風電把隨機波動帶入系統(tǒng)當中，同時負荷也有一定的小范圍隨機波動性，這里均指短時間內(nèi)的隨機波動。如果風電的隨機波動可以彌合負荷的隨機波動，使得剩余負荷的隨機波動性降低，將有效改善常規(guī)能源機組的運行環(huán)境。假如風電接入后，使得常規(guī)能源機組承擔的負荷隨機波動性更大，即出現(xiàn)了兩種隨機波動的同向疊加，這就要求常規(guī)能源機組有更快更強的反應(yīng)及調(diào)節(jié)能力，以跟蹤所帶負荷的隨機變化，這將加大系統(tǒng)的調(diào)頻壓力。同時，這類機組的效率一般比較低，會使得系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性變差。

2.2 風電接入系統(tǒng)后剩余負荷的隨機波動變化

由于原始數(shù)據(jù)的時間間隔為5m in，因此本文也主要分析5min的波動變化。表2為系統(tǒng)在未接入風電、單獨接入直調(diào)風電及單獨接入1典型風電場后剩余負荷平均波動值。

同樣為了方便比較，采用風電接入前后平均波動的變化值來表示。圖7畫出了直調(diào)風電與各典型風電場引起的剩余負荷平均波動的變化值比較曲線。

圖7顯示了直調(diào)風電接入系統(tǒng)以后剩余負荷在2009年12個月當中的平均波動均得到增加，尤其是在2月份，達到了0.74MW的波動增加峰值，而在1月份、4月份、5月份、10月份、12月份的波動增加值相對較小，特別是12月份的0.19 MW達到了12個月中的波動增加最小值。

表2 系統(tǒng)在未接入風電、單獨接入直調(diào)風電及單獨接入1典型風電場后剩余負荷平均波動值/MW

達風3場在第1至4月份使剩余負荷波動性增加較大，增加峰值出現(xiàn)在2月份。達風2場也在第1至4月份使剩余負荷波動性增加較大，之后則影響較小，在5月份和8月份使得剩余負荷的波動性下降。

小草湖風電場是這幾個典型風電場中對剩余負荷波動增加影響較大的一個風電場，圖中顯示在6月份到10月份，其引起的波動增加值在各風電場中是最高的，在2至4月份也有一個較高的值，只在1月份降低了波動性。

達風1場在12個月當中主要也是起到增大波動性的作用，只在9月份使得剩余負荷的波動性略微下降。中節(jié)能風電場在7月份和12月份降低了剩余負荷的波動，在其他月份均產(chǎn)生增大剩余負荷波動性的作用?，斠浪癸L電場只在3月份降低了剩余負荷的波動。白楊河與天潤風電場在投運后的10、11、12月份均抬高了剩余負荷的波動性。

增加剩余負荷的波動對系統(tǒng)運行有害，意味著加大了系統(tǒng)的調(diào)頻壓力，同時使得系統(tǒng)運行效率降低，而減小剩余負荷的波動將有效改善常規(guī)能源機組的運行環(huán)境，使得系統(tǒng)運行經(jīng)濟性提高。從上述分析可以明顯得出各風電場在各運行時段對系統(tǒng)運行的友好程度差異。

3 結(jié)語

本文依據(jù)現(xiàn)場實際運行數(shù)據(jù)，編制數(shù)據(jù)處理軟件程序，計算了系統(tǒng)在單獨接入直調(diào)風電及單獨接入各典型風電場后，2009年12個月中的剩余負荷月均峰谷差及剩余負荷每5min的月平均波動值。與風電接入系統(tǒng)前的值進行了比較，分析得到各風電場在各運行時段對系統(tǒng)運行的影響及對系統(tǒng)運行的友好程度差異。

本文分析及所得結(jié)論可為系統(tǒng)的運行、調(diào)度及規(guī)劃提供重要的依據(jù)與參考，為評估風電場對系統(tǒng)的影響開辟了一條新的途徑，同時，也為后續(xù)更加深入的研究奠定了基礎(chǔ)。

[1] 周修杰.2010—2015年新疆風力發(fā)電行業(yè)投資分析及前景預(yù)測報告[EB/OL].[2012-02-14].www.ocn.com.cn.

[2] 新疆可再生能源發(fā)展定位與前景分析[EB/OL].[2012-02-14].http://istock.jrj.com.cn/article,002202,2739409.htm l.

[3] 雷亞洲.與風電并網(wǎng)相關(guān)的研究課題[J].電力系統(tǒng)自動化，2003，27(8)：84-87.

[4] 遲永寧，劉燕華，王偉勝，等.風電接入對電力系統(tǒng)的影響[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(3)：77-81.

[5] 劉志富，楊濱，趙旭，等.黑龍江省電網(wǎng)如何提高吸納風電能力的分析和建議[J].黑龍江電力，2010，32(3)：172-175.