大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的出力特性分析

方 平 萬 杰 胡如熠

( 華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引言

風(fēng)電出力特性和電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行是息息相關(guān)的。文獻［1］給出了德國風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展情況，并且分析了德國電力系統(tǒng)在大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電接入后穩(wěn)定性受到的影響;文獻［2，3］給出了以測風(fēng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對風(fēng)力發(fā)電的輸出功率進行模擬分析，對甘肅酒泉地區(qū)的風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)和風(fēng)電出力特性進行了研究，但是由于風(fēng)電出力數(shù)據(jù)的失真，不能保證結(jié)論完全正確;文獻［4］根據(jù)建模方法和預(yù)測模型對象的兩個分類標(biāo)準(zhǔn)，歸納總結(jié)了目前風(fēng)電功率預(yù)測研究的模型和方法，提出了風(fēng)電功率預(yù)測模型的改進方向;文獻［5］給出了風(fēng)電場的不同地理位置對東北電網(wǎng)的影響分析，由于所選取的風(fēng)電場過少，不能夠代表整個電網(wǎng)的風(fēng)電的運行特性;文獻［6］研究了風(fēng)電場無功補償容量的確定以及出口功率因數(shù)與轉(zhuǎn)子滑差的關(guān)系，仿真分析了風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)時對電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊影響和風(fēng)電場接入電網(wǎng)后的穩(wěn)定性;文獻［7］給出了電網(wǎng)在風(fēng)電并網(wǎng)后出現(xiàn)的問題，用于分析的數(shù)據(jù)量少，缺少統(tǒng)計分析的意義;文獻［8］針對酒泉風(fēng)電基地2011年發(fā)生的幾次大規(guī)模風(fēng)機脫網(wǎng)事故，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和數(shù)據(jù)分析，提出了改造風(fēng)電機組、完善風(fēng)電場的集電系統(tǒng)及保護配置等措施;文獻［9-11］給出了針對風(fēng)力發(fā)電的波動性、相關(guān)性和分布規(guī)律方面，對風(fēng)電的輸出功率和電量方面進行了研究分析;文獻［12］從不同時間尺度方面，分析了風(fēng)電功率波動特性對風(fēng)電并網(wǎng)的影響。

本文基于華北電網(wǎng)的實測數(shù)據(jù)，采用時間序列與統(tǒng)計分析的方法，對風(fēng)電的出力特性進行分析，研究風(fēng)力發(fā)電的運行特性指標(biāo)，為促進大規(guī)模的風(fēng)電并網(wǎng)運行與促進大規(guī)模的開發(fā)利用風(fēng)能提供依據(jù)，同時為制定風(fēng)電并網(wǎng)后整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性的調(diào)度規(guī)劃提供理論參考。

1 風(fēng)電出力的波動性和隨機性

風(fēng)力發(fā)電的主要依靠是風(fēng)能，風(fēng)能最大的特點是不確定性和不穩(wěn)定性，導(dǎo)致了風(fēng)力發(fā)電也具有不穩(wěn)定性和波動性。

本文數(shù)據(jù)來源于華北電網(wǎng)2010-2011年的實測風(fēng)電出力數(shù)據(jù)，在原始數(shù)據(jù)中出現(xiàn)個別數(shù)據(jù)缺失或者同一時間多個不同數(shù)據(jù)存在的情況，因此對缺失數(shù)據(jù)用插值法進行補齊，對于多個數(shù)據(jù)進行篩選，明顯為不良數(shù)據(jù)的進行剔除。

1.1 風(fēng)電出力的波動性

選取華北電網(wǎng)2010年的實測數(shù)據(jù)，取每月典型日全天數(shù)據(jù)做平均值，得到2010年1月至2011年1月期間的月平均出力如圖1 所示。

圖1月平均出力圖

10月、11月和12月連續(xù)數(shù)日風(fēng)電日平均出力達到或超過額定出力，同時也有連續(xù)數(shù)日風(fēng)電日平均出力小于額定出力。

1.2 風(fēng)電出力的隨機性

以華北電網(wǎng)春夏秋冬四季為分析時間對象，其中夏季到秋季研究數(shù)據(jù)為2010年5月份至2010年10月份，冬季到春季研究數(shù)據(jù)為2010年11月份至2011年4月份。

圖2 與圖3 分別給出了夏秋季節(jié)與冬春季節(jié)的風(fēng)電日平均出力時序分布散點圖，其中圖中圓點所對應(yīng)的橫坐標(biāo)為夏秋兩季節(jié)每天的日期，圓點所對應(yīng)的縱坐標(biāo)值為相應(yīng)日期下風(fēng)電日平均出力的大小，圓點的疏密程度代表風(fēng)電日平均出力在某范圍內(nèi)的概率的大小，圓點表現(xiàn)的越密集，表示風(fēng)電日出力在該范圍內(nèi)的概率越大。

圖2 與圖3 對比兩個圖可以看出:夏秋兩季中圓點分布比較密集，表示風(fēng)電日平均出力大部分比較集中，且相對較小;冬春兩季中圓點分布較稀松，表示風(fēng)電日平均出力較為分散，同時日間的風(fēng)電出力增減幅度較大。

2 風(fēng)電出力變化特性分析

2.1 風(fēng)電日平均出力的變化率

取某連續(xù)兩天的數(shù)據(jù)進行研究分析，僅對電網(wǎng)在某特定時間內(nèi)的出力變化率的大小進行討論研究。

出力變化率計算公式(1)如下:

式中:Vnt—出力變化率;

ΔPn—風(fēng)電出力波動量;

n—采樣點;

Δt—采樣時間間隔。

以下是分別對20 分鐘級別和1 小時級別的風(fēng)電出力變化率進行研究。

圖4 所示:20 分鐘級的出力變化率相鄰時間波動較為平緩，基本沒有出力變化率為0 情況，最大變化率為正數(shù)值，接近30MW/分鐘;有一些連續(xù)變化的變化率全為正數(shù)值或全為負(fù)數(shù)值的情況，表明風(fēng)電出力在連續(xù)的增加或連續(xù)的減少，但是連續(xù)變化幅度很小，表明風(fēng)電出力在該段時間內(nèi)波動比較緩慢。

圖5 所示:小時級的出力變化率相鄰時間波動較分鐘級的波動明顯，最大變化率為正數(shù)值，已經(jīng)超過1000MW/小時，該時段前后波動量較大;與分鐘級變化率一樣，有一些連續(xù)變化的變化率全為正數(shù)值或全為負(fù)數(shù)值的情況，不同的是連續(xù)變化幅度較大，風(fēng)電出力在該段時間內(nèi)波動比較劇烈。

2.2 風(fēng)電出力同時率

風(fēng)電出力的同時率是各個風(fēng)電場發(fā)電同時達到最高的幾率，即日最高發(fā)電出力與當(dāng)日風(fēng)電場并網(wǎng)機組總?cè)萘康谋戎怠?/p>

以華北2010年5月份和6月份的實測數(shù)據(jù)，分析風(fēng)電場風(fēng)力發(fā)電與風(fēng)電場反調(diào)峰之間的關(guān)系。

圖6 華北電網(wǎng)風(fēng)電5—6月份每日最大同時率變化曲線

從圖6 可知，華北電網(wǎng)5月份風(fēng)電出力的同時率均在70%以下，同時率大部分低于60%。相比于5月份，6月份的出力同時率要低，均在60%以下，大部分低于50%。僅從出力同時率上不能夠反映風(fēng)電出力同時率與風(fēng)電場限制出力的關(guān)系，因此再在相應(yīng)時間內(nèi)統(tǒng)計華北電網(wǎng)反調(diào)峰的天數(shù)，進行比較分析。如表1 所示。

表1 華北電網(wǎng)風(fēng)電5—6月份反調(diào)峰的時間

表1 中，5月份反調(diào)峰的時間為12 天，6月份反調(diào)峰的時間為6 天。同時結(jié)合圖6 分析可知，風(fēng)電出力的同時率越高，則該風(fēng)電場的限制出力情況就會越多，不利于風(fēng)電場的安全穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

通過對風(fēng)電出力基本特性、變化特性的研究，可以得到如下結(jié)論:

(1)華北電網(wǎng)的風(fēng)電出力具有非常明顯的波動特性和隨機特性，風(fēng)電出力的最大值出現(xiàn)的時間段均不同，并且在不同時間段內(nèi)，風(fēng)電出力都有一定的差異，其在相同范圍內(nèi)風(fēng)電出力的概率也有很大的差異。

(2)在不同的時間尺度下，風(fēng)電出力變化率的變化幅度不一樣，選取合適的時間尺度，對研究風(fēng)電并網(wǎng)時的出力波動情況具有重要意義。

(3)通過對風(fēng)電出力同時率的分析結(jié)合其對應(yīng)時間段內(nèi)電網(wǎng)反調(diào)峰的天數(shù)分析可知，隨著風(fēng)電出力同時率的增大，對于一個風(fēng)電場的限制出力情況就會越多，這不利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。因此，要合理規(guī)劃風(fēng)電廠的建設(shè)。

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