風(fēng)光互補項目的應(yīng)用性研究

北京計鵬信息咨詢有限公司 ■ 王淑娟 汪徐華 任鵬 焦姣

一 引言

風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電是目前我國應(yīng)用最廣、商業(yè)化程度最好的新能源利用形式。截至2011年底，我國并網(wǎng)型風(fēng)電、光伏項目的裝機容量分別達到62.93GW[1]和2.95GW[2]，位居世界前列；到2020年，大型并網(wǎng)風(fēng)電場、光伏電站裝機將分別達到200GW、20GW[3]。要實現(xiàn)2020年規(guī)劃目標，約需要4.1萬km2土地。然而，風(fēng)能、太陽能均屬于低密度、隨機性強、穩(wěn)定性差的能源，風(fēng)電、光伏項目的建設(shè)帶來土地利用率低、出力不穩(wěn)定、電網(wǎng)調(diào)度困難等問題，甘肅、內(nèi)蒙等風(fēng)電大省“棄風(fēng)”現(xiàn)象嚴重。

為解決出力穩(wěn)定性問題，眾多學(xué)者開始研究分布式能源、智能微網(wǎng)、風(fēng)光儲一體化、風(fēng)光互補、風(fēng)水互補等多種新型發(fā)電形式，其中風(fēng)光互補成為理論研究和工程實踐研究的熱點。我國的季風(fēng)氣候、地理位置和地形分布是太陽能、風(fēng)能資源形成的根本原因[4]，文獻5～9分別研究了離網(wǎng)型、并網(wǎng)型風(fēng)光互補的輸出功率特性，并依據(jù)當(dāng)?shù)氐馁Y源條件提出使輸出功率穩(wěn)定的兩者最優(yōu)容量配比。一些電力企業(yè)也在實踐中不斷摸索這方面的經(jīng)驗，全國陸續(xù)建設(shè)了華能南澳風(fēng)光互補電站、河北尚義國華風(fēng)光互補并網(wǎng)發(fā)電電站、山西國際電力右玉小五臺風(fēng)電場風(fēng)光互補項目、國網(wǎng)張北風(fēng)光儲輸項目等。上述研究均是定性提出風(fēng)光互補的優(yōu)勢，未定量表征風(fēng)、光共同輸出相對于單獨輸出穩(wěn)定性的提高程度。

另外，由于風(fēng)電的發(fā)展相對較早，目前已經(jīng)建成的風(fēng)電場內(nèi)有大面積的可利用土地，為建設(shè)光伏電站提供了大量的可利用土地；風(fēng)電場已經(jīng)建成的基礎(chǔ)設(shè)施、風(fēng)電場的管理人員都為光伏電站建設(shè)提供基礎(chǔ)，節(jié)約初始投資和運營管理成本。

本文采用建模計算的方法討論了青海省某風(fēng)電場內(nèi)建設(shè)光伏電站、共同輸出對平穩(wěn)輸出功率的意義，以及風(fēng)電場內(nèi)建設(shè)光伏電站的可行性。

二 資源基本情況

該風(fēng)電場周圍為戈壁灘，地勢平坦開闊。根據(jù)青海省氣象局提供的30年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，項目場址70m高多年平均風(fēng)速為6.8m/s，年平均有效風(fēng)能220.9W/m2，年總輻射量為6614MJ/m2。圖1、圖2分別為根據(jù)所選風(fēng)電場的風(fēng)資源、太陽能資源30年統(tǒng)計數(shù)據(jù)和根據(jù)1年實測的逐時數(shù)據(jù)做出的資源日變化曲線。

從圖1、圖2可以看出，當(dāng)?shù)?年中春季的風(fēng)功率相對較好，而太陽能總輻射量較低；夏季的風(fēng)功率相對較差，而太陽能總輻射量較高。一天之中，白天的風(fēng)功率相對較差，而太陽能總輻射量較高；夜間的風(fēng)功率相對較好，而太陽能總輻射量較低?？梢?，兩種新能源的資源有一定的互補性，風(fēng)光互補可在一定程度上減少對電網(wǎng)的沖擊。

圖2 所選風(fēng)電場的風(fēng)能、太陽能資源1年實測數(shù)據(jù)

為了進一步深入研究風(fēng)電、光電共同輸送帶來的平穩(wěn)出力、減少電網(wǎng)沖擊效果，本文選用所選場址1年逐時的風(fēng)資源數(shù)據(jù)和太陽能資源數(shù)據(jù)進行分析。

三 復(fù)合輸出功率模擬分析

1 分析方法

(1)根據(jù)當(dāng)?shù)刭Y源情況，分別計算風(fēng)機、光伏的逐時出力。

(2)計算不同容量配比下風(fēng)電、光電復(fù)合的逐時出力。

(3)計算1年內(nèi)不同容量配比下風(fēng)電和光電復(fù)合出力的逐日相對標準偏差，并將全年365個數(shù)據(jù)進行平均，獲得平均值Vσ1。

(4)通過對不同配比下相對標準偏差的分析，獲得風(fēng)電、光電最佳匹配系數(shù)。

(5)計算1年內(nèi)逐日風(fēng)電出力相對標準偏差的平均值Vσ2，光電逐日出力相對標準偏差的平均值Vσ3。

(6)通過比較Vσ2、Vσ3和最佳匹配系數(shù)下的Vσ1，研究風(fēng)光互補是否具有平穩(wěn)出力的優(yōu)勢。

2 計算方法

(1)相對標準偏差Vσ

該指標用來反映樣本中個體的離散程度，相對標準差值越小，表明樣本個體越穩(wěn)定[7]。相對標準差的計算公式為：

式中：Vσ為相對標準差；σ為標準差；u為平均值。

大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)的平均相對標準偏差值越小，說明統(tǒng)計的數(shù)據(jù)越趨于平均值、越穩(wěn)定。

(2)風(fēng)電、光伏復(fù)合出力模型

①風(fēng)電出力Y

風(fēng)機出力與所選設(shè)備、輪轂處風(fēng)速以及空氣密度有關(guān)，一般按照下式來計算：

式中：Y為風(fēng)機輸出功率；R為風(fēng)輪半徑；ρ為空氣密度；V為輪轂處風(fēng)速；Vmin為切入風(fēng)速；Vmax為最大允許風(fēng)速；Vc為額定風(fēng)速。

②光電出力X

影響光伏電站輸出功率的因素一般有輻照強度、安裝傾角、系統(tǒng)效率等。本文光伏電站的輸出功率通過式(3)計算：

式中：X為光伏電站輸出功率；P為光伏裝機容量；Eq為實際太陽輻照強度；Es為標準狀態(tài)下的日照強度；η為光伏電站系統(tǒng)總效率。

③風(fēng)電、光電復(fù)合出力Q

式中：Q為風(fēng)電、光電在一定容量配比下的復(fù)合輸出功率；c為風(fēng)電/光伏的裝機容量比例。

3 計算結(jié)果

(1)最佳匹配系數(shù)

按匹配系數(shù)c在0.1～10范圍內(nèi)，以0.1為步長變化，計算出在當(dāng)?shù)貙崪y的風(fēng)功率密度，并和輻照強度下，風(fēng)電出力、光電出力與復(fù)合出力穩(wěn)定性進行對比，如圖3所示。

從圖3中可以看出：

圖3 風(fēng)電出力、光伏出力與復(fù)合出力時的穩(wěn)定性對比

① 光伏和風(fēng)電共同輸送時逐時出力的Vσ1低于單獨光伏、單獨風(fēng)電逐時出力的Vσ3和Vσ2，即復(fù)合出力的數(shù)據(jù)離散度低，在平均值附近以相對較小的幅度波動，說明復(fù)合出力更穩(wěn)定，更有利于電網(wǎng)的接納；

② 在所選場址風(fēng)資源、光伏資源條件下，c=0.9時，復(fù)合出力的相對標準偏差達到最低值0.75，相對于Vσ2(1.33)和Vσ3(1.17)，逐時出力的離散度分別下降了43%和36%，說明最佳容量配比下的復(fù)合出力穩(wěn)定性遠優(yōu)于單獨光伏、單獨風(fēng)電的出力穩(wěn)定性。

(2)典型日計算結(jié)果

為了進一步定量說明復(fù)合出力穩(wěn)定性相對于單獨風(fēng)電、光伏出力穩(wěn)定性的提高程度，選取春分日、夏至日、秋分日、冬至日作為4個典型日，并以風(fēng)電(1350W)、光伏(1500W)、風(fēng)電/光伏=0.9×(1350W+1500W)為例，計算4個典型日內(nèi)所選場址處的3種情形下的理論出力特性，結(jié)果如圖4所示。可以看出，4個典型日內(nèi)復(fù)合出力的穩(wěn)定性優(yōu)于單獨風(fēng)電或單獨光伏的出力穩(wěn)定性。

表1 4個典型日光伏、風(fēng)電和復(fù)合出力的相對標準偏差

單獨光伏出力、單獨風(fēng)電出力和光伏、風(fēng)電復(fù)合出力的相對標準偏差值如表1所示?？梢钥闯?，復(fù)合出力Vσ在4個典型日的值及全年出力的值都遠低于風(fēng)電、光伏的單獨出力的Vσ，說明復(fù)合的逐時出力穩(wěn)定性大幅提高。

圖4 4個典型日風(fēng)電、光伏和復(fù)合出力特性

通過上述分析可以看出，風(fēng)電、光電按一定容量配比的復(fù)合出力更加平穩(wěn)，會減少對電網(wǎng)的沖擊，有利于提高電網(wǎng)接納可再生能源的積極性。在不同地區(qū)，光伏、風(fēng)電的比例會隨風(fēng)資源、太陽能資源情況的變化而不同。

四 用地方案研究

風(fēng)電、光電要共同輸出，需要共用1個升壓變電站，即風(fēng)電場、光伏電站在同一場區(qū)內(nèi)建設(shè)或者鄰近建設(shè)。目前，國內(nèi)風(fēng)電裝機已經(jīng)超過50GW，主要位于內(nèi)蒙古、新疆、寧夏、甘肅等西北地區(qū)。這些地區(qū)太陽能資源十分豐富，因此十分有利于建設(shè)風(fēng)、光共同輸送的風(fēng)光互補電站。為了進一步探討風(fēng)光同場的可行性，本文嘗試在所選風(fēng)電場的風(fēng)機布點圖上選取光伏電站場址。

首先，需要考慮風(fēng)機的陰影問題。本風(fēng)電場選用金風(fēng)2.5MW風(fēng)機，本文用Sunlight軟件建模分析其陰影情況。將風(fēng)輪等效為一個2m厚的圓盤，葉輪直徑及輪轂高度均按100m考慮。計算時段為9:00～15:00，風(fēng)機朝向為WNW，分別計算春分、夏至、秋分、冬至日的風(fēng)機陰影范圍。經(jīng)過計算，在所選風(fēng)電場內(nèi)，所選風(fēng)機在4個典型日內(nèi)的投影為700×500的矩形范圍之內(nèi)。風(fēng)機模型全年投影的俯視圖如圖5所示。

圖5 風(fēng)機模型全年投影俯視圖

實際風(fēng)電場中的風(fēng)機布點一般根據(jù)地形和風(fēng)向等因素進行布置。圖6為所選風(fēng)電場的風(fēng)機布點圖，在圖中做出每個風(fēng)機的陰影面積。該風(fēng)電場的總裝機容量為50MW，大概需要安裝55MWp光伏組件可達到在當(dāng)?shù)刭Y源條件下的最優(yōu)配比。按照工程經(jīng)驗，光伏電站的占地面積大約需要1.4km2的土地。圖6中場址1、2、3、4均為1.2km×1.2km的矩形，范圍內(nèi)可以建設(shè)一個55MWp的光伏電站。除上述4塊場地外，在風(fēng)電場內(nèi)可選出多塊光伏電站場址。

圖6 在風(fēng)機布點圖上選擇光伏電站場址

通過上述分析，在風(fēng)電場的空地中建設(shè)一個集中式、規(guī)模最優(yōu)、可通過同一個升壓變電站共同送出的光伏電站是可行的。由于靠近升壓變電站會節(jié)省輸電線路，因此在其他條件相同的情況下，越靠近升壓變電站的位置越優(yōu)。

風(fēng)電項目業(yè)主在自己已有的風(fēng)電場內(nèi)，選擇合適的場址建設(shè)光伏電站可以節(jié)約利用土地，提高土地的利用效率。其次，對已建成的升壓變電站進行改造，實現(xiàn)風(fēng)電、光電共同輸出，可以節(jié)約一定的土建投資，減少項目的管理人員和運營時的管理成本，從而提高項目的收益。

五 結(jié)論

本文通過對風(fēng)電、光電復(fù)合出力特性的研究、對現(xiàn)有風(fēng)電場內(nèi)建設(shè)光伏電站項目可行性研究，得出以下結(jié)論：

(1)風(fēng)電、光電按一定容量配比的復(fù)合出力更加平穩(wěn)，會減少對電網(wǎng)的沖擊，有利于電網(wǎng)接納可再生能源的積極性。

(2)在不同地區(qū)，風(fēng)電、光電的容量比會隨風(fēng)、太陽能資源情況的變化而不同，本項目所選場址兩者的最優(yōu)配比為0.9。

(3)結(jié)合風(fēng)電場內(nèi)空余面積，可集中布置下容量配比最優(yōu)的光伏電站。

(4)業(yè)主通過改造現(xiàn)有風(fēng)電場，實現(xiàn)風(fēng)光同場、共同送出，可節(jié)約投資、減少管理成本，提高項目收益。

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