聯(lián)網(wǎng)風(fēng)電場集群運(yùn)行特性分析

高 凱，朱加明，葛延峰，李鴻博，崔 楊

(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，沈陽110006;2.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林132012;3.國網(wǎng)吉林省電力有限公司培訓(xùn)中心，長春130022)

近年來，隨著風(fēng)電聯(lián)網(wǎng)裝機(jī)容量的快速增長，風(fēng)電電源出力的隨機(jī)波動特性對電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的影響已不容忽視。大規(guī)模風(fēng)電聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行將削弱電網(wǎng)調(diào)度對發(fā)電功率的控制能力，在難以準(zhǔn)確把握風(fēng)電功率波動不利影響的情況下，為確保電網(wǎng)安全運(yùn)行，可能會高估風(fēng)電功率波動帶來的風(fēng)險(xiǎn)而限制風(fēng)電的接入規(guī)模，在一定程度上阻礙了風(fēng)電的規(guī)?；_發(fā)。

為準(zhǔn)確把握風(fēng)電電源特性以及評估風(fēng)電對電網(wǎng)的影響，充分發(fā)掘既有電網(wǎng)的風(fēng)電接納能力，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究工作，文獻(xiàn)［1－2］從數(shù)學(xué)的角度分析了風(fēng)電功率波動服從的概率分布;文獻(xiàn)［3－8］從不同的時間和空間角度運(yùn)用概率統(tǒng)計(jì)的方法分析了風(fēng)電功率波動的特征;文獻(xiàn)［9－12］基于實(shí)測風(fēng)電功率數(shù)據(jù)，仿真分析了風(fēng)電的接入對電力系統(tǒng)運(yùn)行的影響;文獻(xiàn)［13－20］研究了通過儲能平抑風(fēng)電功率波動以提高既有電網(wǎng)對風(fēng)電的接納能力。

上述研究都涉及風(fēng)電功率波動特性分析，大部分都基于風(fēng)電場實(shí)測輸出功率數(shù)據(jù)，事實(shí)上，這些數(shù)據(jù)是已經(jīng)限風(fēng)運(yùn)行后的數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致目前的研究對數(shù)據(jù)中包含的限風(fēng)信息分析較少，而該信息本質(zhì)上是調(diào)度部門為保障電網(wǎng)安全運(yùn)行所采取人工控制的結(jié)果。

本文以東北某省2011年至2013年實(shí)測風(fēng)電運(yùn)行數(shù)據(jù)及限風(fēng)功率數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了該省千萬千瓦級風(fēng)電集群運(yùn)行的典型功率特征，并對全年各季度各時段的發(fā)電量和限風(fēng)電量分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到該省風(fēng)電限風(fēng)的時序特征，旨在掌握風(fēng)電波動特性及限風(fēng)時段的時序特征，以便電網(wǎng)調(diào)度能夠更有效的制定運(yùn)行計(jì)劃。

1 風(fēng)電波動特性統(tǒng)計(jì)量指標(biāo)

風(fēng)電功率在不同時間尺度下的出力水平及變化幅度一直是電網(wǎng)關(guān)心的風(fēng)電功率波動的重要特征，對此，本文采用以下指標(biāo)量來進(jìn)行描述。

設(shè)風(fēng)電場(群)某時刻風(fēng)電功率為Pi，其中P是n維向量，n是指采集到的風(fēng)電功率的總數(shù)，則平均功率為

(2)風(fēng)電功率波動標(biāo)準(zhǔn)差S:描述風(fēng)電功率的波動程度。S越大，則波動越劇烈，反之，越平緩。

(3)風(fēng)電功率一階差分ΔP:描述風(fēng)電功率的波動量變化幅度。

式中:ΔP與S都能夠描述風(fēng)電功率的波動程度，但是ΔP能夠更加直觀的觀察波動量的大小。

(4)相關(guān)系數(shù)r:反映某年各季度電量曲線與該年電量曲線的關(guān)聯(lián)程度。

式中，Wiz，Wjz分別表示第i季度(i=1，2，3，4)與該年各時段發(fā)電量或限電量表示第i季度與該年發(fā)電量或限電量的均值。當(dāng)時表示兩曲線極弱相關(guān)，當(dāng)時表示弱相關(guān)，當(dāng)時表示中等程度相關(guān)，當(dāng)時表示強(qiáng)相關(guān)，當(dāng)表示極強(qiáng)相關(guān)。

(5)其它風(fēng)電電量相關(guān)指標(biāo):包括最大值，最小值，平均值，波動率等。

最大值Wmax:

最小值Wmin:

其中，Wz表示各時段的電量，z表示不同時段(z=1，2，…24)。

波動率ΔW:定義為風(fēng)電發(fā)電量的峰谷差與平均值的比值。波動率越小，說明峰谷值與平均值值相差越遠(yuǎn)，風(fēng)電功率波動越劇烈。

基于該指標(biāo)體系，下文將基于東北某省實(shí)測風(fēng)電運(yùn)行數(shù)據(jù)對該省風(fēng)電波動特性及相應(yīng)發(fā)電、限電時序特性進(jìn)行量化分析。數(shù)據(jù)取自該省某單個風(fēng)場(裝機(jī)容量為24.65 MW)、地區(qū)風(fēng)電場群(裝機(jī)容量為1 642.3 MW，包括上述單個風(fēng)場)以及全省風(fēng)電(裝機(jī)容量4 910.11 MW)，數(shù)據(jù)采樣時間尺度為5 min，數(shù)據(jù)長度為2011.01.01－2013.12.31。

2 風(fēng)電波動特性及匯聚效應(yīng)分析

本文首先研究風(fēng)電場集群過程中的風(fēng)電波動特性，即對比分析單個風(fēng)場、地區(qū)風(fēng)電場群以及全省風(fēng)電輸出功率的波動特性。

圖1給出2012年2月單個風(fēng)場、地區(qū)風(fēng)電場群以及全省風(fēng)電出力曲線的對比圖，表1給出對應(yīng)全年的均值與標(biāo)準(zhǔn)差。其中，功率基準(zhǔn)值取為對應(yīng)的裝機(jī)容量，即單場24.65 MW、地區(qū)場群1 642.3 MW、全省風(fēng)電4 910.11 MW，下同。

圖1 單場、地區(qū)、全省風(fēng)電出力對比

圖2 單場、地區(qū)、全省風(fēng)電功率波動量對比

從圖1中可以很直觀的看出，無論是單場、地區(qū)場群還是全省，風(fēng)電功率具有很大的波動性;從波動程度上可以看出，單場輸出功率波動是最劇烈的，而全省風(fēng)電功率的波動是最小的，這與表1數(shù)據(jù)完全符合。表1表明，風(fēng)電規(guī)模從單個風(fēng)場逐步集群至全省時，風(fēng)電功率波動的標(biāo)準(zhǔn)差由0.193 7逐步減小至0.140 4，說明波動程度也越來越小。

以上僅分析了波動的程度，圖2給出了2012年2月單場、地區(qū)場群、全省風(fēng)電波動量大小的對比。從圖中可以看出，單場風(fēng)電功率的波動量分布在－0.6～0.6 pu，而地區(qū)場群則分布在－0.4～0.4 pu內(nèi)，全省范圍分布在－0.1 ～0.1 pu。

從上面的分析中可以看出，隨著風(fēng)電場裝機(jī)容量的增加，風(fēng)電機(jī)組分布區(qū)域的擴(kuò)大，風(fēng)電功率的相對波動(標(biāo)幺值)越來越平緩，本文將這一特性定義為風(fēng)電場群的匯聚效應(yīng)。為了描述這一特性，借鑒電力系統(tǒng)中年持續(xù)負(fù)荷的思想，將風(fēng)電場群一年中各時點(diǎn)的出力按照從大到小的順序重新排列，并去掉時標(biāo)信息，則得到該風(fēng)電場群的年持續(xù)出力曲線，本文稱之為風(fēng)電場群匯聚效應(yīng)曲線，圖3給出了風(fēng)電規(guī)模由單場－地區(qū)場群－全省風(fēng)電逐步擴(kuò)大過程中匯聚效應(yīng)曲線的變化。

表1 單場/地區(qū)場群/全省風(fēng)電全年出力均值與標(biāo)準(zhǔn)差對比(pu)

從圖3中可以看出，單場雖然最大出力超過0.9 pu，但是全年中出力累計(jì)超過0.3 pu僅有1 200 h，出力水平較低。地區(qū)風(fēng)電場群的最大出力達(dá)到了0.8 pu，且全年中出力超過0.3 pu達(dá)到了2 500 h，但全年中有將近1 000 h零出力。從全省風(fēng)電的匯聚效應(yīng)曲線來看，最大出力在三者之中最小，曲線是三者之中最平滑的，并且全年中都處于發(fā)電狀態(tài)。這是因?yàn)槿曛谢静粫霈F(xiàn)由于無風(fēng)而使電網(wǎng)內(nèi)所有風(fēng)電機(jī)組同時停運(yùn)，也不會出現(xiàn)同一電網(wǎng)所有風(fēng)電機(jī)組全部滿發(fā)的現(xiàn)象，不同區(qū)域的風(fēng)電機(jī)組輸出的功率能夠起到互補(bǔ)的作用，使得風(fēng)電功率輸出更加平緩，這也解釋了風(fēng)電場集群過程中最大出力的標(biāo)幺值呈遞減趨勢的原因。

圖3 單場、地區(qū)、全省風(fēng)電匯聚效應(yīng)曲線對比

3 風(fēng)力發(fā)電時序特征分析

風(fēng)電是一種隨季節(jié)性變化很大的電源，統(tǒng)計(jì)不同季度下每日24個時段內(nèi)風(fēng)電發(fā)電量的特征，對于調(diào)度部門掌握風(fēng)電發(fā)電規(guī)律有著重要的參考價(jià)值。本節(jié)將基于某省2011年至2013年風(fēng)電運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖4 2013年風(fēng)電發(fā)電量時段統(tǒng)計(jì)曲線

圖5 2013年各季度風(fēng)電發(fā)電量時段統(tǒng)計(jì)

圖4與圖5分別給出了該省2013年全年及各季度在一天24時段(1 h/時段)的發(fā)電量統(tǒng)計(jì)圖。從圖4與圖5中可以看出，各季度各時段風(fēng)電發(fā)電量曲線走勢大體相同，但峰谷時段會有一定偏移，尤其是第3季度較為明顯。與第1、2、4季度類似，全年風(fēng)電發(fā)電量曲線波動幅度較大。表2統(tǒng)計(jì)了全年與各季度發(fā)電量的典型指標(biāo)。

表2 某省2013年全年與各季度風(fēng)電波動典型指標(biāo)

從表2中可以看出，第3季度波動率最小，說明其波動程度最平緩。從各季度平均值的變化可以看出，第2季度最大，即出力水平最高，而第3季度最小，即出力水平最低。從最大、最小值的出現(xiàn)時間可以看出，最大值出現(xiàn)的時段始終在中午12:00以后，并且第3季度與第4季度均出現(xiàn)在22:00到23:00這個時間段內(nèi)。最小值出現(xiàn)時間始終是在中午12:00以前，第1季度與第4季度出現(xiàn)在3:00到5:00，而第2季度與第3季度出現(xiàn)在7:00到9:00。2013年全年中最大、最小值出現(xiàn)時間與第4季度類似，而且通過對比圖4、圖5可以看出全年各時段的曲線走勢圖與第4季度的走勢相近，這點(diǎn)與下文表3得出的結(jié)論相呼應(yīng)。

本文采用相關(guān)系數(shù)這一指標(biāo)來量化全年發(fā)電量與各季度發(fā)電量的關(guān)系，表3給出了2011－2013年該省全年與各季度風(fēng)電發(fā)電量的相關(guān)系數(shù)。從表3中可以看出，2012、2013年全年各時段的出力曲線與同年第4季度最為相似，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.932 1、0.887 1;但從三年整體對比來看，各年度發(fā)電量與同年第2季度發(fā)電量的相關(guān)性較強(qiáng)。

表3 某省2011年至2013年全年與各季度發(fā)電量相關(guān)系數(shù)對比

4 風(fēng)電限風(fēng)時序特征分析

由于風(fēng)電的隨機(jī)性與不可預(yù)測性，使得調(diào)度部門對于風(fēng)電的控制面臨巨大困難，為保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，不得不采取限風(fēng)手段來抑制風(fēng)電功率的波動。通過統(tǒng)計(jì)調(diào)度日各時段內(nèi)限風(fēng)時段的時序特征，得出其一般性規(guī)律，有助于制定調(diào)度計(jì)劃安排，因此本文對全年與各季度的限風(fēng)情況做了分析。

圖6 全年各時段限風(fēng)電量統(tǒng)計(jì)

圖7 各季度各時段限風(fēng)電量統(tǒng)計(jì)

本文假定調(diào)度日內(nèi)共24個調(diào)度時段，每時段1 h。圖6和圖7分別給出2013年全年和各季度調(diào)度日內(nèi)各時段的限風(fēng)電量統(tǒng)計(jì)。從圖7中可以看出，00:00到9:00限風(fēng)電量波動較大，00:00到4:00限風(fēng)電量不斷上升，而在4:00到9:00急劇下降，在9:00到19:00這個時間內(nèi)，限風(fēng)電量波動平緩，而在19:00到24:00這段時間波動加劇。全年限風(fēng)電量的波動趨勢與第1季度走勢特別相近。值得注意的是，第3季度各時段的限風(fēng)電量變化很小，第2季度限風(fēng)電量曲線與與其他曲線差異很大。表4給出了更長時段下(2011年－2013年)各季度及當(dāng)年限風(fēng)電量曲線的相關(guān)系數(shù)。

從表4中可以看出，2013年該省全年各時段的限風(fēng)電量走勢圖與第1季度尤其相近，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.9713。從2011年至2013年三年的數(shù)據(jù)來看，全年各時段的限風(fēng)電量走勢圖與第4季度高度相似，第1季度次之。

表4 某省2011年至2013年全年與各季度限風(fēng)電量相關(guān)系數(shù)對比

5 結(jié) 論

通過上面的分析，本文得出以下結(jié)論，供電網(wǎng)調(diào)度部門制定調(diào)度計(jì)劃時參考:

(1)隨著風(fēng)電場集群裝機(jī)容量的增加以及空間分布區(qū)域的增大，風(fēng)電功率的相對波動變得越來越平緩，具有明顯的匯聚效應(yīng)。

(2)某省2011－2013年風(fēng)電發(fā)電量數(shù)據(jù)分析表明，該省全年風(fēng)電各時段的發(fā)電量曲線與同年第2季度曲線相關(guān)性較大，這可為調(diào)度部門對風(fēng)電功率的預(yù)測提供參考。

(3)某省2011－2013年風(fēng)電限風(fēng)電量數(shù)據(jù)分析表明，該省全年風(fēng)電各時段的限風(fēng)曲線的走勢圖與該年的第4季度高度相似，與第1季度也很接近，這為調(diào)度部門采取限風(fēng)措施提供時段特征參考依據(jù)。

(4)基于各季度發(fā)電量曲線和限風(fēng)曲線，并結(jié)合各季度的負(fù)荷特性，可有助于調(diào)度部門制定減少限風(fēng)、提高風(fēng)資源利用率的調(diào)度策略。

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