基于實(shí)測(cè)功率數(shù)據(jù)的風(fēng)光輸出特性分析

楊海威,謝宜宏,熊 毅,周 健,朱斌泉

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 132012;2.國(guó)網(wǎng)浙江德清縣供電公司,湖州 313200)

●新技術(shù)與應(yīng)用●

基于實(shí)測(cè)功率數(shù)據(jù)的風(fēng)光輸出特性分析

楊海威1,謝宜宏1,熊 毅1,周 健2,朱斌泉2

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 132012;2.國(guó)網(wǎng)浙江德清縣供電公司,湖州 313200)

中國(guó)已進(jìn)入能源發(fā)展的調(diào)整階段,利用新能源發(fā)電是調(diào)整能源發(fā)展的重要趨勢(shì),其中風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電是新能源發(fā)電的新興方向,而分析風(fēng)光輸出功率的特性是評(píng)估風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)影響的重要內(nèi)容。因此，筆者通過(guò)計(jì)算風(fēng)光輸出功率概率密度分布、輸出功率波動(dòng)量概率密度分布,以及分布函數(shù)的特性，分析了風(fēng)光輸出特性,并基于實(shí)測(cè)功率數(shù)據(jù)的算例，驗(yàn)證了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電能夠提高新能源入網(wǎng)的利用率,削弱風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)的影響,風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電可行。

風(fēng)光互補(bǔ);輸出特性;波動(dòng)特性;概率密度分布

當(dāng)前,如何控制污染及發(fā)展新能源成為熱點(diǎn)話題,能源發(fā)展從高碳走向低碳，從低效走向高效,從不清潔走向清潔,從不可持續(xù)走向可持續(xù)是大勢(shì)所趨,也是發(fā)展的必然。在新能源發(fā)展過(guò)程中,必須逐步控制并摒棄傳統(tǒng)污染能源,大力開(kāi)發(fā)利用水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能等可再生清潔能源。截止到2014年,黑龍江省新能源和可再生能源發(fā)電裝機(jī)規(guī)模突破600萬(wàn)kW,比上年增長(zhǎng)13.8%,新能源和可再生能源發(fā)電裝機(jī)占全省電力總裝機(jī)的比例達(dá)24.3%,比上年提高2個(gè)百分點(diǎn)。其中,風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模453.7萬(wàn)kW,增長(zhǎng)15.7%;光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模1.1萬(wàn)kW,實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有的歷史性突破。然而,風(fēng)電機(jī)組的輸出功率和風(fēng)速有關(guān),風(fēng)作為風(fēng)力發(fā)電的能量來(lái)源,并不像傳統(tǒng)的火力發(fā)電等常規(guī)發(fā)電機(jī)組的能量來(lái)源那樣根據(jù)需要來(lái)對(duì)發(fā)電進(jìn)行控制,而且,風(fēng)的隨機(jī)性、間歇性使得風(fēng)力發(fā)電對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生了影響;同樣,光伏和風(fēng)力發(fā)電一樣,面臨著相同的問(wèn)題:光伏發(fā)電和氣溫、有無(wú)云遮擋太陽(yáng)等基礎(chǔ)因素有關(guān),這些因素同風(fēng)相似,都不能進(jìn)行人為的靈活控制。因此,研究風(fēng)電機(jī)組、光伏陣列的有功功率輸出特性及風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)輸出特性具有重要意義。文獻(xiàn)[1]根據(jù)風(fēng)電功率數(shù)據(jù)提取波動(dòng)分量,并采用帶有位移因子和伸縮系數(shù)的t分布來(lái)描述風(fēng)電功率波動(dòng)特性的概率密度分布,隨后分析了多種情況下t分布仍具有很好的實(shí)用性。文獻(xiàn)[2-3]從風(fēng)速的角度進(jìn)行了研究,從風(fēng)速的概率分布模型分析了風(fēng)速對(duì)風(fēng)電功率波動(dòng)的影響,并提出用威布爾分布(weibull分布)等來(lái)計(jì)算風(fēng)速的概率分布模型的相關(guān)參數(shù)。文獻(xiàn)[4]構(gòu)建了基于輸出功率最大相關(guān)性原則的等效風(fēng)速選取方法,提出了表征風(fēng)電機(jī)組整體風(fēng)能捕獲特性的等效風(fēng)能利用概念及其他重要結(jié)論。文獻(xiàn)[5]通過(guò)分析光伏特性模型參數(shù)對(duì)輸出特性的影響規(guī)律,提出一種求解最大功率點(diǎn)的計(jì)算方法,進(jìn)而獲得任意光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下的光伏特性曲線。文獻(xiàn)[6]總結(jié)出集中式光伏陣列處于復(fù)雜光照環(huán)境下的輸出特性,建立了1種復(fù)雜光照環(huán)境下集中式光伏陣列輸出特性的仿真模型。文獻(xiàn)[7]建立了大規(guī)模并網(wǎng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析模型,提出了基于功率變化率改進(jìn)擾動(dòng)觀察最大功率跟蹤算法。文獻(xiàn)[8]通過(guò)對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)能量流動(dòng)和運(yùn)行特性的分析,提出了一種包括最大功率跟蹤控制、負(fù)載功率跟蹤控制、蓄電池充放電控制和系統(tǒng)保護(hù)運(yùn)行等控制策略的協(xié)調(diào)控制方案。但這些研究都是對(duì)其發(fā)電系統(tǒng)的自身特性的研究,或者是對(duì)風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)控制策略的研究,并沒(méi)對(duì)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電捆綁發(fā)電的可行性提供基礎(chǔ)的理論支持。因此,本文基于實(shí)測(cè)的風(fēng)力發(fā)電數(shù)據(jù)和光伏發(fā)電數(shù)據(jù),通過(guò)分析二者自身特性以及捆綁在一起的輸出功率分布特性,進(jìn)而提供風(fēng)光捆綁發(fā)電可行性的理論基礎(chǔ),希望對(duì)處于起步階段的光伏發(fā)電。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電甚至對(duì)新能源發(fā)電的分析和研究起到促進(jìn)作用。

1 風(fēng)電和光伏的輸出特性

當(dāng)前,基于實(shí)測(cè)的輸出功率數(shù)據(jù)來(lái)分析風(fēng)電功率和光伏發(fā)電功率的輸出特性是使用較常規(guī)的方法,本文所使用的數(shù)據(jù)是間隔為15 min的風(fēng)電功率數(shù)據(jù)和光伏發(fā)電數(shù)據(jù),時(shí)間長(zhǎng)度為一天,共有96個(gè)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn),因此,能夠反映在一個(gè)完整的負(fù)荷周期內(nèi)的風(fēng)電和光伏的輸出特性。通常情況下,認(rèn)為風(fēng)電機(jī)組的輸出功率和風(fēng)速具有下列關(guān)系:

(1)

式中:P(v)為即時(shí)的功率數(shù)據(jù);ρ為空氣密度;Cp為風(fēng)能捕獲系數(shù);A為風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片掃過(guò)的面積;v為風(fēng)速;vin為切入風(fēng)速;vr為額定風(fēng)速;vout為切出風(fēng)速。

光伏發(fā)電的輸出功率大小取決于光伏面板的能量轉(zhuǎn)換效率ηct和入射太陽(yáng)輻照度,它們的關(guān)系為

pmt=ηctSCAIβt

(2)

式中,SCA為電池面積,Pmt為t時(shí)刻太陽(yáng)輸出功率;Iβt為t時(shí)刻斜面上的太陽(yáng)幅照度。風(fēng)電機(jī)組、光伏太陽(yáng)板和二者捆綁在一起的實(shí)時(shí)功率分布如圖1所示。

圖1 實(shí)時(shí)功率分布圖

從圖1可以發(fā)現(xiàn),風(fēng)光捆綁后向電網(wǎng)輸送時(shí),達(dá)到了風(fēng)光互補(bǔ)。假設(shè)以0.2倍的額定容量為入網(wǎng)的下限,當(dāng)只有風(fēng)電向電網(wǎng)輸送功率時(shí),約有50個(gè)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間可參加電網(wǎng)的調(diào)度;當(dāng)只有光伏發(fā)電向電網(wǎng)輸送功率時(shí),約有30個(gè)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間可參加電網(wǎng)的調(diào)度,而風(fēng)光二者捆綁向電網(wǎng)輸送功率時(shí),約有70～80個(gè)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間可參加電網(wǎng)的調(diào)度,補(bǔ)償了沒(méi)有風(fēng)和沒(méi)有光照對(duì)單獨(dú)發(fā)電系統(tǒng)的影響,大大的增加了新能源發(fā)電占發(fā)電總量的可利用率。相對(duì)波動(dòng)劇烈的風(fēng)力發(fā)電,光伏發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的影響相對(duì)較小,風(fēng)光的輸出特性在沒(méi)有太陽(yáng)光照射時(shí)(對(duì)應(yīng)約10～35數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)持續(xù)的時(shí)間段)就是風(fēng)電自身的輸出特性,在沒(méi)有超過(guò)切入風(fēng)速的風(fēng)速推動(dòng)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電時(shí)(對(duì)應(yīng)約50～75數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)持續(xù)的時(shí)間段)就是光伏發(fā)電的輸出特性。同時(shí),在每天的中午,風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率會(huì)達(dá)到一個(gè)或幾個(gè)極大值,需要進(jìn)行人為調(diào)度或增加儲(chǔ)能系統(tǒng),以保證電網(wǎng)的安全。

2 風(fēng)電和光伏的輸出功率波動(dòng)特性分析

2.1 風(fēng)光輸出功率波動(dòng)量的選取

根據(jù)輸出功率的實(shí)測(cè)值形成波動(dòng)特性的統(tǒng)計(jì)量并不是唯一的,本文使用一階差分量Y(t+Δt)-Y(t)作為衡量風(fēng)光輸出功率波動(dòng)特性的量化指標(biāo),Δt在本文中的取值為15 min,風(fēng)電功率、光伏和風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的波動(dòng)情況如圖2～4所示。

從圖2～4可以發(fā)現(xiàn),風(fēng)電的波動(dòng)最為劇烈,偏離橫軸的程度最大,無(wú)法判斷較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)輸出功率的增減性。光伏發(fā)電的輸出功率相對(duì)平緩,一階差分量的值遠(yuǎn)比風(fēng)電功率波動(dòng)的差分量的值小得多,并且可以清晰的得到從第30至第50個(gè)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間段內(nèi),光伏發(fā)電的輸出功率逐漸增加,從第50至第70個(gè)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間段內(nèi),光伏發(fā)電的輸出功率逐漸下降。當(dāng)進(jìn)行風(fēng)光捆綁外送功率時(shí),其輸出功率波動(dòng)較風(fēng)電功率的輸出功率波動(dòng)平緩,較光伏輸出功率波動(dòng)劇烈,并且,也無(wú)法簡(jiǎn)單的判斷一段時(shí)間內(nèi)輸出功率的增減性。

圖2 風(fēng)力發(fā)電輸出功率波動(dòng)量的散點(diǎn)圖

Fig.2 Scatterplot of wind power output power fluctuation quantity

圖3 光伏發(fā)電輸出功率波動(dòng)量的散點(diǎn)圖

Fig.3 Scatterplot of photovoltaic power generation output fluctuation quantity

圖4 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電發(fā)電輸出功率波動(dòng)量的散點(diǎn)圖

Fig.4 Scatterplot of output power fluctuation amount for wind and light complementary power generating system

2.2 風(fēng)光輸出功率波動(dòng)量的概率密度分布

以風(fēng)電功率、光伏輸出功率和風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)外送功率的一階差分量為統(tǒng)計(jì)量,統(tǒng)計(jì)其概率密度分布,即可得到輸出功率波動(dòng)量的概率密度分布函數(shù),其結(jié)果如圖5所示。

圖5 輸出功率波動(dòng)量的概率密度分布圖

Fig.5 Probability density distribution map of output power fluctuation quantity

從效果圖5可以得知,風(fēng)力發(fā)電和風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電在15 min的間隔內(nèi),在±0.2倍的額定容量?jī)?nèi)波動(dòng)的概率最大,而光伏發(fā)電只在±0.1倍的額定容量?jī)?nèi)波動(dòng),風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的波動(dòng)特性主要為風(fēng)力發(fā)電的波動(dòng)特性。風(fēng)力發(fā)電波動(dòng)量的右偏性明顯,這說(shuō)明風(fēng)力發(fā)電的加速過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)度大于加速時(shí)間,從側(cè)面說(shuō)明了風(fēng)電場(chǎng)選址的正確性。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的波動(dòng)量分布趨于對(duì)稱(chēng)分布,范圍在±0.4倍的額定容量,這個(gè)結(jié)果表明,加入了光伏發(fā)電后,風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的波動(dòng)程度減弱,風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的輸出功率數(shù)據(jù)中,極端的數(shù)據(jù)分布減小,可以推想,當(dāng)幾個(gè)光伏發(fā)電基地和一個(gè)風(fēng)力發(fā)電共同向電網(wǎng)輸送功率時(shí),風(fēng)電功率的波動(dòng)特性對(duì)電網(wǎng)的影響將會(huì)更大程度地被減小。

3 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)輸出特性分析

對(duì)于波動(dòng)劇烈的風(fēng)力發(fā)電,通常用2種方法來(lái)刻畫(huà)其功率的輸出特性,一種是基于隨機(jī)序列的方法,包括馬爾可夫鏈、蒙特卡洛理論以及其他隨機(jī)過(guò)程模型;另一種是基于概率密度函數(shù)的方法。本文將風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率從0到最大值分成N個(gè)區(qū)間,每個(gè)區(qū)間可以稱(chēng)作一個(gè)小功率區(qū)間,那么每個(gè)小功率區(qū)間的頻數(shù)不盡相同,因而形成不同高度的矩形。當(dāng)所有的矩形的面積為1時(shí),每一個(gè)功率區(qū)間的頻率就是此功率區(qū)間在功率總體分布中出現(xiàn)的概率,將每個(gè)區(qū)間中點(diǎn)對(duì)應(yīng)的概率值連接起來(lái)就形成了總體功率的概率密度曲線,風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的輸出功率的概率密度分布情況如圖6所示。

統(tǒng)計(jì)風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電輸出功率的概率密度分布,得到的概率密度分布函數(shù)曲線如圖7所示。

從圖6、圖7可以得出,風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電對(duì)電網(wǎng)是有益的,首先降低了風(fēng)力發(fā)電或光伏發(fā)電出現(xiàn)不出力或很少出力的情況的概率,風(fēng)力發(fā)電從約60%、光伏發(fā)電從約45%下降到了30%左右;其次,持續(xù)出力的情況大大增強(qiáng),風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電在0～0.4和0.6～0.9倍的額定容量?jī)?nèi)都能以10%的概率運(yùn)行;最后,風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的輸出功率概率密度分布函數(shù)曲線平緩,在一定的時(shí)間段內(nèi)呈現(xiàn)相同的增減性,即風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電后,極端的功率數(shù)據(jù)減少,對(duì)應(yīng)的物理過(guò)程可以解釋為風(fēng)力發(fā)電的快速變化分量并沒(méi)有全部流向電網(wǎng),其中一部分被光伏發(fā)電系統(tǒng)吸收。值得注意的是風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電會(huì)出現(xiàn)超容量運(yùn)行,且對(duì)應(yīng)的概率值并不可以忽略,但這種結(jié)果也從側(cè)面說(shuō)明了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電有必要增加儲(chǔ)能系統(tǒng)。

圖6 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的概率密度分布

圖Fig.6 Probability density distribution map of output power for coind and light complementary power generating system

圖7 三種發(fā)電方式輸出功率的概率密度分布圖

Fig.7 Probability density distribution maps of three kinds of power generation output power

4 結(jié) 論

本文通過(guò)實(shí)測(cè)的功率數(shù)據(jù),通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析,得到了以下結(jié)論。

1) 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電增加了單一形式發(fā)電的入網(wǎng)時(shí)間,提高了新能源發(fā)電的利用率。

2) 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的波動(dòng)特性主要是風(fēng)力發(fā)電的波動(dòng)特性,且波動(dòng)程度減弱;部分風(fēng)力發(fā)電的快速變化量被光伏系統(tǒng)吸收。

3) 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電具有很高的可行性,且是新能源發(fā)電中主要的發(fā)展方向。

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(責(zé)任編輯 郭金光)

Output characteristic analysis of wind and solar hybrid generation system based on real measured power data

YANG Haiwei1, XIE Yihong1, XIONG Yi1, ZHOU Jian2, ZHU Binquan2

(1.School of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, China;2. State Grid Zhejiang Deqing Electric Power Supply Company, Huzhou 313200, China)

China has entered an adjustment period of energy development, providing a new direction for new energy, the significant part of energy adjustment, which is wind and solar hybrid power generation. To evaluate the influence of wind and solar hybrid system on power grid, the key point is the analysis of the characteristics of wind and solar output power. This paper explains the output characteristics of wind and solar hybrid system on the basis of the calculation of the probability density distribution of wind and solar output power, wind and solar output power variations and the characteristics of the distribution function. The analysis of the example based on the real measured power data shows that wind and solar power generation, which is proved to be feasible, can improve the utilization of grid-connected new energy, weaken the influence of wind power on the grid.

wind and solar hybrid; output power characteristics; variations; probability density distribution

2015-03-10。

楊海威(1990—),男，在讀碩士研究生,主要從事新能源發(fā)電聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)的研究。

TM615

A

2095-6843(2015)04-0343-04