電網(wǎng)風電出力特性分析

李仕杰，王鐵強，郭 佳，蘆佳碩

(1.華北電力大學，河北 保定 071003；2.河北省電力公司，石家莊 050021)

目前，風力發(fā)電是較成熟、經(jīng)濟效益較好的一種可再生能源發(fā)電技術。隨著風力發(fā)電技術的快速發(fā)展和國家在政策上對可再生能源發(fā)電的重視，風電在河北省南部電網(wǎng)(簡稱“河北南網(wǎng)”)中所占比重不斷提高。風能具有波動性、間歇性以及隨機性等特點[1-3]，這決定了風電的大規(guī)模并網(wǎng)會對系統(tǒng)電壓、頻率產(chǎn)生不良影響，從而限制風電的大規(guī)模接入。

1 風電場概況

河北南網(wǎng)部分地區(qū)風資源豐富，風電裝機容量逐年增加。截至2012年8月，河北南網(wǎng)接入的風電場主要有：滄州地區(qū)海興風電場(50 MW)、黃驊風電場(100 MW)，保定地區(qū)的蔚州風電場(150 MW)，以及接入220 kV新蔚匯集站的黃花梁、東甸子梁、永勝莊、茶山、甄家灣等風電場(250 MW)。根據(jù)河北南部地區(qū)可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，到2013年河北南網(wǎng)風電裝機總容量將達到1 050 MW。河北南網(wǎng)風電機組類型主要為變速恒頻雙饋型機組，額定功率為1.5 MW或2 MW，額定風速為12 m/s，風輪半徑65～70 m，槳葉目數(shù)為3。

2 風電出力的波動性和隨機性

2.1 風電出力的波動性

風電出力波動幅度大，波動頻率也無規(guī)律性，在極端情況下，風電出力可能在0～100%范圍內(nèi)變化。圖1為黃驊風電場2011年9月到2012年8月一年的日平均出力曲線。由圖1可知，日平均出力的波動范圍較大，最小值接近0，最大值接近于80 MW額定值。

圖1 日平均出力的年度分布

黃驊風電場實際運行數(shù)據(jù)表明，風電場的有功功率輸出值會出現(xiàn)連續(xù)數(shù)日風電大出力和連續(xù)數(shù)日風電小出力的情形，風電大出力時連續(xù)數(shù)日風電平均出力達到或超過80%額定功率，風電小出力時連續(xù)數(shù)日風電平均出力小于10%額定功率。黃驊風電場連續(xù)4天風電大(小)出力如圖2所示，其中，2012年4月1日-4日對應風電連續(xù)大出力，2012年2月26日-29日對應風電連續(xù)小出力。

2.2 風電出力的隨機性

風電出力隨機性強、間歇性明顯，同一風電場相鄰幾日的日平均發(fā)電量可能相同，但風電各時段的出力差異明顯。黃驊風電場相鄰2日的風電出力曲

圖2 2012年連續(xù)4天風電大(小)出力

線如圖3所示，其中，2日的日均發(fā)電量均為390 MWh，但風電出力曲線差異巨大。

圖3 典型相鄰日的風電出力曲線

日均出力變化率的定義如下：

(1)

式中：λ為日平均出力變化率；Pwj為風電當日的日平均出力；Pw.i-1為風電前1日的日平均出力；Ptotal為風電場總裝機容量。

根據(jù)黃驊風電場2011年9月-2012年8月的風電功率輸出數(shù)據(jù)，黃驊風電場相鄰日的平均出力變化率的概率分布曲線如圖4所示。

圖4 相鄰日的日平均出力變化率的概率分布

由圖4可知，黃驊風電場的日平均出力變化率主要分布在0～30%內(nèi)，日平均出力變化率在30%及以上的天數(shù)占到11.2%，日平均出力變化率最大值可達76%。

3 風電出力的相關性和互補性

河北南網(wǎng)相鄰風電場出力在長時間尺度下具有明顯相關性，在短時間尺度下具有明顯互補性。

3.1 長時間尺度下風電出力具有相關性

風電場選址所引起的地理分散效應會降低風電出力的相關性，提高其互補性，但是其作用主要集中在小時級以下時間尺度范圍內(nèi)。由于黃驊風電場與海興風電場相鄰，因而對于長時間大面積來風時，各個風電場出力的總體趨勢相近。這時，不同風電場的風電出力表現(xiàn)出較大的相關性，導致滄州地區(qū)風電總出力波動較大。

圖5為海興風電場和黃驊風電場2012年4月1日-4日風電出力曲線。

圖5 2012年4月1日-4日海興風電場和黃驊風電場出力曲線

由圖5可知，在長時間尺度下，2個風電場出力具有很大的相關性。

3.2 短時間尺度下風電出力具有互補性

在小時級以下短時間尺度內(nèi)，風電場內(nèi)的各風電機組出力和各個風電場出力存在一定的互補性，降低了河北南網(wǎng)風電總出力的變化率。處在不同位置的風電場在同一時刻迎來不同風速的風，因此，各風電場出力變化的時間及速率不同，風電場選址所引起的“分散效應”降低了風電總出力的變化率。

圖6為海興風電場和黃驊風電場2011年10月4日12點-16點風電出力曲線。

圖6 2011年10月4日12點-16點海興風電場和黃驊風電場出力曲線

由圖6可知，在短時間尺度下，2個風電場出力具有很大的互補性。

根據(jù)河北南網(wǎng)風電的實際運行經(jīng)驗，雖然單個風電場出力變化率較大(如圖4所示)，但是在“風風互補”作用下，河北南網(wǎng)整體風電出力變化率較小。圖7為根據(jù)河北南網(wǎng)2011年9月-2012年8月風電運行數(shù)據(jù)繪制的相鄰日的平均出力變化率概率分布曲線。

圖7 相鄰日的日平均出力變化率概率分布

由圖7可知，河北南網(wǎng)風電相鄰日的日平均出力變化率集中分布在30%以下，風電場之間的“風風互補”作用能夠全面提高風功率預測的準確性，提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行能力。

4 內(nèi)陸風風電場與海風風電場功率特性分析

河北南網(wǎng)風電場主要分布在保定和滄州兩地，其中，保定地區(qū)風電場受內(nèi)陸風影響，滄州地區(qū)風電場受海風影響。以下通過中位數(shù)、標準差變異系數(shù)和極差3個統(tǒng)計量分析內(nèi)陸風風電場和海風風電場一年四季的功率特性。表1為根據(jù)河北南網(wǎng)2011年9月-2012年8月風電運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計得內(nèi)陸風風電場和海風風電場上述3個統(tǒng)計量隨季節(jié)變化數(shù)值。

表1 風電場不同季節(jié)輸出功率的中位數(shù)、標準差變異系數(shù)和極差

參數(shù)風電場春季夏季秋季冬季中位數(shù)內(nèi)陸風風電場0.9020.7780.5450.803海風風電場0.8780.7910.8520.816標準差變異系數(shù)內(nèi)陸風風電場0.6690.9061.0300.781海風風電場0.6640.7390.8390.822極差內(nèi)陸風風電場2.4423.7854.4762.551海風風電場2.7463.7233.5233.301

注：表中數(shù)據(jù)為風電場功率輸出值進行歸一化處理后的數(shù)值，歸一化過程中的基準值為風電場輸出功率的算數(shù)平均值。

根據(jù)文獻[4]可知，基本統(tǒng)計量中，中位數(shù)越大、標準差變異系數(shù)越小、極差相對較小時，風電功率特性相對較好。由表1可知，春季和冬季，風電功率特性為內(nèi)陸風風電場優(yōu)于海風風電場，夏季和秋季，風電功率特性為海風風電場優(yōu)于內(nèi)陸風風電場。

5 結論

a. 河北南網(wǎng)風電出力具有明顯的波動性和隨機性，風電出力變化范圍大，相鄰日出力具有不確定性。

b. 河北南網(wǎng)相鄰風電機組、風電場在短時間尺度下存在互補性，風電總出力變化率不大；但是在長時間尺度下，風電出力則表現(xiàn)出很大的相關性。

c. 河北南網(wǎng)內(nèi)各個風電場通過“風風互補”能夠有效的減少風電日平均出力的變化率，提高風電場群功率預測的準確性；各個風電場通過與周邊風電場相聯(lián)系，擴大功率預測范圍，能夠有效提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行能力。

d. 河北南網(wǎng)的內(nèi)陸風風電場和海風風電場功率特性隨季節(jié)不同而不同，春季和冬季，風電功率特性為內(nèi)陸風風電場優(yōu)于海風風電場；夏季和秋季，風電功率特性為海風風電場優(yōu)于內(nèi)陸風風電場。

參考文獻：

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[4] 陳 貞，倪維斗，李 政.風電特性的初步研究[J]. 太陽能學報,2011,32(2):210-215.