風(fēng)電場(chǎng)出力特性及其不確定性的對(duì)策分析

洪翠，溫步瀛，陳群，江岳文

（1.福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建福州 350012；2.湖北工業(yè)大學(xué)電氣電子工程學(xué)院，湖北武漢 430068）

為保證風(fēng)電并網(wǎng)后電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定及電能質(zhì)量，需采取有力措施應(yīng)對(duì)風(fēng)能固有隨機(jī)特性造成的風(fēng)電場(chǎng)出力不確定性。本文首先以福建省某沿海風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析風(fēng)電場(chǎng)的出力，驗(yàn)證了風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的波動(dòng)性和隨機(jī)性。隨后，文章從電網(wǎng)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組2個(gè)角度分別考慮了風(fēng)電不確定性的對(duì)策，主要包括風(fēng)電出力預(yù)測(cè)、儲(chǔ)能手段以及風(fēng)電機(jī)組自參與調(diào)頻等。這些措施均可在應(yīng)對(duì)風(fēng)電不確定性方面發(fā)揮作用。

1 風(fēng)電場(chǎng)出力特性的分析

1.1 風(fēng)電場(chǎng)出力的波動(dòng)變化性

福建省某沿海風(fēng)電場(chǎng)共有24臺(tái)2 MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，2010年1—6月的小時(shí)平均有功出力變化曲線如圖1所示。其中，70%裝機(jī)容量及以上出力小時(shí)數(shù)606 h，占13.95%；零出力小時(shí)數(shù)772 h，占17.78%，風(fēng)電場(chǎng)尖峰出力與零出力所占比例相當(dāng)，可見(jiàn)風(fēng)電場(chǎng)出力具有較大的波動(dòng)性。圖2所示為該電場(chǎng)出力的幅頻特性曲線，表明了大部分的風(fēng)電出力部分變化屬于低頻慢變化。對(duì)于風(fēng)電功率預(yù)測(cè)而言，緩慢變化將更有利于變化特性的捕捉，從而獲得較好的預(yù)測(cè)結(jié)果。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)的小時(shí)有功出力曲線Fig.1 Curve of hourly power output in a wind farm

1.2 風(fēng)電場(chǎng)出力的隨機(jī)變化性

圖3所示為發(fā)電量相當(dāng)?shù)膬蓚€(gè)鄰近日的出力變化曲線。

圖2 風(fēng)電功率振幅頻譜Fig.2 Amplitude frequency spectrum of wind farm power

圖3 鄰近日的有功出力Fig.3 Daily power output of two neighboring days

從圖3中可見(jiàn)，兩曲線的變化具有明顯差異，說(shuō)明雖然最大風(fēng)能追蹤控制技術(shù)可使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得最佳的能效利用，但風(fēng)能固有的不確定性仍會(huì)使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的出力呈現(xiàn)出隨機(jī)多變的不穩(wěn)定特性。

2 風(fēng)電出力不確定性影響的應(yīng)對(duì)措施

應(yīng)對(duì)風(fēng)電出力的不確定性，可將風(fēng)電出力并入電力負(fù)荷后從電網(wǎng)角度出發(fā)考慮相應(yīng)措施，亦可從風(fēng)電場(chǎng)自身出發(fā)，參與系統(tǒng)調(diào)頻，穩(wěn)定系統(tǒng)頻率。

2.1 風(fēng)電出力不確定性對(duì)電力負(fù)荷的影響

盡管風(fēng)電發(fā)展迅猛，但其裝機(jī)容量及規(guī)模仍遠(yuǎn)小于常規(guī)的水、火電。本文考慮將風(fēng)電場(chǎng)出力并入電力系統(tǒng)負(fù)荷，從電力負(fù)荷特性中體現(xiàn)其隨機(jī)性與波動(dòng)性。

風(fēng)電功率并入之后對(duì)電力負(fù)荷造成的影響主要包括最大、最小負(fù)荷點(diǎn)[1]以及峰谷差值的變化[1-2]，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電占最大負(fù)荷的比例越大時(shí)影響亦越大。在滿足必要安全裕度的前提下，電網(wǎng)的調(diào)峰任務(wù)主要是應(yīng)對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng)。優(yōu)良的負(fù)荷特性應(yīng)具有較小的峰谷差，這將更有利于減少系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量，提高調(diào)峰電源的利用效率。

某風(fēng)電場(chǎng)一般出力日的有功功率變化曲線如圖4所示。

圖4 風(fēng)電場(chǎng)一般日有功出力曲線Fig.4 Power output curve of the usual day in wind farm

可見(jiàn)，風(fēng)電功率出力的高峰時(shí)段與電力系統(tǒng)日負(fù)荷特性的高峰時(shí)段（上午8:00～11:00；下午18:00～22:00）并不相關(guān)，體現(xiàn)了較為明顯的反調(diào)峰特性。一些地區(qū)，全年出現(xiàn)反調(diào)峰的天數(shù)可占全年天數(shù)的35.6%～46.6%，反調(diào)峰容量可達(dá)到風(fēng)電裝機(jī)容量的30%～50%[3]。反調(diào)峰的現(xiàn)象導(dǎo)致風(fēng)電并入后的等效負(fù)荷峰谷差變大，惡化了電力系統(tǒng)負(fù)荷變化特性。

2.2 電網(wǎng)對(duì)于風(fēng)電出力不確定性的應(yīng)對(duì)措施

風(fēng)電功率并入電力負(fù)荷后，為應(yīng)對(duì)風(fēng)電出力不確定性，電網(wǎng)一方面可通過(guò)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)提前預(yù)知未來(lái)的風(fēng)電出力情況，使調(diào)度運(yùn)行部門(mén)更合理地安排旋轉(zhuǎn)備用容量、有效地實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)調(diào)度；另一方面應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)膬?chǔ)能措施，在負(fù)荷低谷階段將風(fēng)電功率輸出過(guò)剩的部分通過(guò)能量轉(zhuǎn)換實(shí)施存儲(chǔ)，儲(chǔ)存的能量待高峰負(fù)荷時(shí)再進(jìn)行釋放，以提高電力系統(tǒng)風(fēng)電以及火電、核電等其他電源的利用率，從而達(dá)到降低成本提高整個(gè)電力系統(tǒng)效益的目的。

2.2.1 以提高出力預(yù)測(cè)精度應(yīng)對(duì)風(fēng)電不確定

多數(shù)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)研究集中在中、短期預(yù)測(cè)[4]，主要包括基于數(shù)字天氣預(yù)報(bào)（NWP）及基于歷史數(shù)據(jù)2類預(yù)測(cè)方法。

準(zhǔn)確有效的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)可以提高風(fēng)電注入功率水平、可為電網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)度提供可靠依據(jù)，并可有效地降低風(fēng)力發(fā)電的成本，減輕風(fēng)力發(fā)電可能對(duì)電網(wǎng)造成的不良影響。不過(guò)，無(wú)論采用哪種方法或是技術(shù)，由于風(fēng)電本身所特有的隨機(jī)以及波動(dòng)特性，風(fēng)電功率預(yù)測(cè)結(jié)果仍均存在一定的預(yù)測(cè)誤差，參見(jiàn)圖5。

具備有效風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)時(shí)的風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際出力表示為：

圖5 風(fēng)電場(chǎng)的日有功出力預(yù)測(cè)Fig.5 Daily power output prediction in wind farm

式中，Pf為風(fēng)電功率預(yù)測(cè)結(jié)果；ΔP為對(duì)應(yīng)于Pf的預(yù)測(cè)偏差功率，它是一個(gè)隨機(jī)變化量；。風(fēng)電功率預(yù)測(cè)將風(fēng)電出力的不確定性轉(zhuǎn)化成為預(yù)測(cè)誤差的不確定性?？赏ㄟ^(guò)提高預(yù)測(cè)精度以及預(yù)測(cè)誤差的穩(wěn)定性以達(dá)到改善風(fēng)電的隨機(jī)性的目的，從而有效應(yīng)對(duì)風(fēng)電的不確定特性。

雖然可以通過(guò)誤差修正的措施有效提高風(fēng)電功率預(yù)測(cè)的精度[5]，但誤差并不會(huì)消除，單純依靠風(fēng)電功率預(yù)測(cè)難以從根本上解決風(fēng)電所具有的隨機(jī)性。

2.2.2 以儲(chǔ)能措施應(yīng)對(duì)風(fēng)電不確定

當(dāng)并網(wǎng)風(fēng)電功率超過(guò)電網(wǎng)可為其提供的調(diào)峰極限，電網(wǎng)將難以平衡風(fēng)電出力，從而造成頻率越限，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致電網(wǎng)解列[1]。應(yīng)考慮采取適當(dāng)?shù)哪芰看鎯?chǔ)手段作為輔助措施，考慮儲(chǔ)能平衡后的風(fēng)電注入功率為：

式中，Ps為儲(chǔ)能單元的充放電功率（Ps＞0時(shí)單元放電；Ps＜0時(shí)單元充電）。合理控制儲(chǔ)能單元，即可調(diào)節(jié)風(fēng)電注入電網(wǎng)功率Pin，平衡由于風(fēng)電的隨機(jī)波動(dòng)性對(duì)于系統(tǒng)調(diào)峰等方面的影響。

但是，由于風(fēng)電功率的反調(diào)峰特性也并非一直存在[3]，以儲(chǔ)能手段應(yīng)對(duì)風(fēng)電不確定性時(shí)，仍存在如何合理選取儲(chǔ)能容量大小的問(wèn)題。此外，各類儲(chǔ)能系統(tǒng)的響應(yīng)速度也是影響合適的儲(chǔ)能方式選定的因素，此時(shí)可參考頻域分析的結(jié)論考慮采用適合的儲(chǔ)能系統(tǒng)。

2.3 風(fēng)電自身參與調(diào)頻穩(wěn)定系統(tǒng)頻率

當(dāng)電力系統(tǒng)頻率變化時(shí)，頻率隨時(shí)間變化的過(guò)程主要決定于有功功率缺額的大小與系統(tǒng)中所有轉(zhuǎn)動(dòng)部分的機(jī)械慣性。常規(guī)機(jī)組容量被風(fēng)電機(jī)組替代后可能使得電力系統(tǒng)的慣量有所下降，對(duì)電網(wǎng)的頻率控制產(chǎn)生不利影響[6]。原因在于作為風(fēng)力發(fā)電主流機(jī)型之一的雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其控制策略使其機(jī)械功率與系統(tǒng)的機(jī)械功率解耦，失去了對(duì)系統(tǒng)頻率的快速響應(yīng)。可通過(guò)對(duì)雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上附加控制環(huán)節(jié)，使風(fēng)電機(jī)組具有一定的慣性，響應(yīng)系統(tǒng)的頻率變化，穩(wěn)定系統(tǒng)頻率。

常規(guī)機(jī)組的功頻靜態(tài)特性系數(shù)K*為：

于是，ΔP*=K*Δ f，因此可在雙饋機(jī)組功率控制環(huán)節(jié)中附加一個(gè)隨頻率變化的功率參考值，使風(fēng)電機(jī)組模擬常規(guī)機(jī)組的慣性，通過(guò)控制轉(zhuǎn)子動(dòng)能以實(shí)現(xiàn)頻率控制[7]，響應(yīng)系統(tǒng)的頻率變化。控制系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 附加頻率控制的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率控制框圖Fig.6 Control block diagram with frequency control added to power control in DFIG

或者在傳統(tǒng)槳距角控制中增加一個(gè)隨頻率變化的槳距角參考值，使得系統(tǒng)頻率變化時(shí)，通過(guò)控制槳葉節(jié)距來(lái)控制發(fā)電機(jī)有功，進(jìn)而參與系統(tǒng)的頻率調(diào)整，實(shí)現(xiàn)頻率控制[8]?？刂葡到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)如圖7所示。

圖7 附加頻率控制的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組槳距角控制框圖Fig.7 Control block diagram with frequency control added to pitch angle control in DFIG

綜合應(yīng)用上述兩種措施進(jìn)行了系統(tǒng)頻率變化時(shí)的響應(yīng)特性仿真分析研究，增加頻率控制環(huán)節(jié)前后的系統(tǒng)頻率變化特性曲線對(duì)比如圖8所示。為了清晰看出風(fēng)電機(jī)組的調(diào)頻特性，擾動(dòng)信號(hào)取為了階躍信號(hào)。可見(jiàn)，當(dāng)系統(tǒng)頻率波動(dòng)時(shí)，在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子控制和槳距角控制環(huán)節(jié)中附加頻率控制環(huán)節(jié)可有效地提高風(fēng)電場(chǎng)的頻率響應(yīng)能力，穩(wěn)定了系統(tǒng)頻率。

因此，當(dāng)并網(wǎng)風(fēng)電功率超過(guò)電網(wǎng)可為其提供的調(diào)峰極限，使得電網(wǎng)將難以平衡風(fēng)電出力而造成頻率越限時(shí)，除可采用前述儲(chǔ)能措施進(jìn)行平衡之外，通過(guò)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的有效控制，風(fēng)電場(chǎng)自身直接參與系統(tǒng)調(diào)頻，也能減少風(fēng)電不確定性對(duì)于系統(tǒng)造成的影響。

圖8 增加頻率控制環(huán)節(jié)前后的系統(tǒng)頻率特性曲線Fig.8 Curve of system frequency before and after frequency control added

3 結(jié)語(yǔ)

受風(fēng)能固有隨機(jī)特性的影響，風(fēng)電場(chǎng)有功出力的變化波動(dòng)性大且沒(méi)有什么確定的變化規(guī)律。大量風(fēng)電功率注入電力網(wǎng)后，風(fēng)電出力的波動(dòng)性、隨機(jī)性等不確定特性對(duì)于電力系統(tǒng)運(yùn)行、頻率穩(wěn)定及經(jīng)濟(jì)調(diào)度等方面均有影響。準(zhǔn)確有效的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)、合理適當(dāng)?shù)膬?chǔ)能以及風(fēng)電機(jī)組自參與調(diào)頻等措施均可有效地應(yīng)對(duì)風(fēng)電出力不確定性對(duì)于電力系統(tǒng)所造成的影響。這些措施的合理應(yīng)用，可從一定程度上解決風(fēng)電功率的不確定性，提高風(fēng)電功率的利用率、減少棄風(fēng)減發(fā)的幾率。

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