云南風(fēng)電出力概率分析

劉寶林，王文璽，范磊

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，昆明 650011；2.云南銀塔設(shè)計院，昆明 650011)

云南風(fēng)電出力概率分析

劉寶林1，王文璽1，范磊2

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，昆明 650011；2.云南銀塔設(shè)計院，昆明 650011)

采用概率統(tǒng)計的分析方法，通過對云南風(fēng)電場全年出力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計算，得出各出力區(qū)間的概率值，并對概率分布的數(shù)字特征進(jìn)行了分析。依據(jù)分析結(jié)論，文章在風(fēng)電接入系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)選擇、風(fēng)電參與云南區(qū)域電力平衡計算方面提出建議，具有較強的工程應(yīng)用價值。

概率分布；數(shù)字特征；參數(shù)選擇；電力平衡

0 前言

云南風(fēng)電資源豐富，預(yù)計 “十三五”期間，云南風(fēng)電總裝機將達(dá)到1 339萬kW。由于風(fēng)電波動性、隨機性的特征，出力呈離散性分布，和傳統(tǒng)火電、水電出力特性相差甚遠(yuǎn)，因此用傳統(tǒng)出力曲線的方法來分析風(fēng)電存在較大的困難。針對風(fēng)電出力呈現(xiàn)離散性的特點，本文基于概率統(tǒng)計的方法來分析云南風(fēng)電的出力特征，總結(jié)隱含的規(guī)律性，從而為風(fēng)電接入系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)選擇、風(fēng)電參與電力平衡計算等方面提供理論依據(jù)。

1 分析方法

風(fēng)電出力是一系列離散性隨機變量，僅從發(fā)電功率的散點分布圖來觀察 (如圖1，采樣點為1487)，很難準(zhǔn)確的描述風(fēng)電場的運行特性，而基于概率統(tǒng)計離散性隨機變量的分析方法則能定量的描述風(fēng)電的出力特征。在進(jìn)行風(fēng)電場出力分析時，主要采用概率統(tǒng)計中概率分布、數(shù)學(xué)期望、方差等特征量來進(jìn)行研究。

圖1 風(fēng)電場月出力散點分布圖

概率分布是進(jìn)行風(fēng)電出力特征分析的基礎(chǔ)，由于風(fēng)電波動性、隨機性的特征，其在各區(qū)間出力的可能性只能通過概率來描述。通過出力概率分布分析，可以了解風(fēng)電場主要的出力區(qū)間，可能性較小的出力區(qū)間，從而揭示出風(fēng)電出力統(tǒng)計規(guī)律性。

數(shù)學(xué)期望主要反映了隨機變量的平均值，在風(fēng)電場出力分析中，出力的數(shù)學(xué)期望反映了風(fēng)電場的平均發(fā)電功率。由于發(fā)電功率是基于時間分布的，因此，出力的數(shù)學(xué)期望可有效地描述風(fēng)電場在特定時段內(nèi)的發(fā)電能力。

方差主要反映隨機變量與其數(shù)學(xué)期望的平均偏離程度，值越小表明隨機變量偏離均值的平均程度越小，即越集中于均值。通過計算分析風(fēng)電發(fā)電功率的方差，可定量分析風(fēng)電發(fā)電功率的相對穩(wěn)定度。在風(fēng)電發(fā)電功率的實際計算中，對于特定時間段的樣本數(shù)據(jù)，可通過樣本方差計算來定量反映發(fā)電功率的相對穩(wěn)定度和波動性。

離散性隨機變量數(shù)字特征的數(shù)學(xué)表達(dá)式為[1]：

式中E(X)、D(X)、S2分別表示數(shù)學(xué)期望、方差和樣本方差；pi為xi值對應(yīng)的概率，對于每個樣本數(shù)據(jù)，每個采樣點xi均可看作在統(tǒng)計時間內(nèi)均勻出現(xiàn)，即pi的值相同，為1/n，n為樣本采樣點數(shù)量值。

2 數(shù)據(jù)分析邊界條件

根據(jù)云南已并網(wǎng)運行的風(fēng)電場空間分布情況，文中選取了四座典型的風(fēng)電場進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)分析的邊界條件如下：

1)所有數(shù)據(jù)取自調(diào)度系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，采樣間隔為30分鐘/次。

2)所有數(shù)據(jù)均進(jìn)行歸一化處理，方法為：風(fēng)電出力 (%)=風(fēng)電輸出有功功率/風(fēng)電裝機容量×100%。

3)數(shù)據(jù)為風(fēng)電場2013年完整的運行數(shù)據(jù)，區(qū)域選擇為：昆明、楚雄、曲靖、大理，對應(yīng)所選風(fēng)電場分別為甲、乙、丙、丁風(fēng)電場。

4)甲風(fēng)電場全年裝機容量為49.5 MW；乙風(fēng)電場1～6月裝機容量為49.5 MW，7～12月裝機容量為99 MW；丙風(fēng)電場全年裝機容量為99 MW；丁風(fēng)電場全年裝機容量為148.5 MW。

5)數(shù)據(jù)分析暫不考慮設(shè)備檢修、新機組接入導(dǎo)致出力減少等因素影響。

3 概率分析及應(yīng)用

3.1 概率分布分析

通過對云南甲、乙、丙、丁四個風(fēng)電場運行數(shù)據(jù)處理分析，從各風(fēng)電場出力概率分布來看，區(qū)域位置不同的風(fēng)電場出力既存在一定的相似性又顯現(xiàn)較大的差異性：

甲風(fēng)電場 (昆明)全年的風(fēng)電出力主要集中在30%以下，概率為56.1%；超過90%的概率僅為1.6%，出力在80%～90%的概率為9.2%，其他區(qū)間的概率較為均衡，在7%左右；風(fēng)電大出力的月份主要集中在1～3月，出力超過80%的概率均能達(dá)到30%左右。

乙風(fēng)電場 (楚雄)全年的風(fēng)電出力也主要集中在30%以下，概率為78.3%；超過90%的概率僅為0.023%，出力在40%以下的概率占絕大多數(shù)，超過90%，其他區(qū)間的概率分布均較小；風(fēng)電大出力的月份主要為12月，出力超過80%的概率僅只有4%。

丙風(fēng)電場 (曲靖)全年的風(fēng)電出力也主要集中在30%以下，概率為64.1%；超過90%的概率為0.073%，出力在60%以下的概率占絕大多數(shù)，超過90%，其他區(qū)間的概率分布均較??；風(fēng)電大出力的月份主要為2月和3月，但出力概率很小，出力超過80%的概率只在5%左右。

丁風(fēng)電場 (大理)全年的風(fēng)電出力概率分布相對較為均衡，超過90%的概率為0.052%，出力在80%～90%的概率為6.1%，其他各區(qū)間的概率分布均在10%左右；風(fēng)電大出力的月份也主要為2月和3月，出力超過80%的概率在20%左右。

從各風(fēng)電場實際運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析來看，風(fēng)電場超過90%的出力概率均較小，最大概率僅1.6%，位于昆明；其他區(qū)域風(fēng)電場超過90%的出力概率均低于0.1%，遠(yuǎn)低于昆明甲風(fēng)電場的出力概率值。從四個風(fēng)電場的實際裝機規(guī)模分析來看，目前昆明甲電場僅為一期工程，裝機容量為49.5 MW，容量較小，風(fēng)機分布相對集中，易受陣風(fēng)影響，因此風(fēng)電沖擊性出力的可能性相對較高；而位于大理的丁風(fēng)電場裝機容量為148.5 MW，裝機規(guī)模較大，風(fēng)機分布相對分散，因此顯現(xiàn)出各區(qū)間的出力概率分布相對均勻。通過對比分析風(fēng)電場裝機規(guī)模和最大出力可發(fā)現(xiàn)，隨著風(fēng)電場裝機規(guī)模增大，在風(fēng)電場的集群效益作用下，風(fēng)電沖擊性出力將逐步減少，超過90%的風(fēng)電出力降至0.001以下，為小概率事件。

3.2 概率數(shù)字特征分析

根據(jù)公式 (1)，可計算出各風(fēng)電場逐月出力數(shù)學(xué)期望值，結(jié)果見圖1。

圖1 風(fēng)電場月出力均值曲線

從圖1可以看出，云南風(fēng)電場各月的發(fā)電能力呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性：豐期 (6～10月)發(fā)電能力較弱，枯期 (其他月份)發(fā)電能力較強，該特征在大理丁風(fēng)電場的曲線上表現(xiàn)尤為明顯。從全年風(fēng)電場出力均值來看，甲、乙、丙、丁風(fēng)電場年出力均值分別為33%、16%、25%、41%，均在50%以下。

把風(fēng)電場各月的出力數(shù)據(jù)看作一個樣本，按照公式 (1)、(3)可計算出各風(fēng)電場逐月樣本方差，結(jié)果見圖2。

圖2 風(fēng)電場月出力樣本方差曲線

樣本方差可描述風(fēng)電發(fā)電功率的相對穩(wěn)定度和波動性，從圖2可以看出，在風(fēng)電場出力較小的月份中，風(fēng)電出力的波動性相對較小，在風(fēng)電出力較大的月份中，風(fēng)電出力的波動性相對較大，風(fēng)電場出力的波動性與出力的大小呈現(xiàn)正向的變化規(guī)律。風(fēng)電場這一性質(zhì)有利于導(dǎo)線熱傳導(dǎo)和散熱，對導(dǎo)線溫度升高具有一定減緩作用[2]。

3.3 技術(shù)參數(shù)選擇方面應(yīng)用

云南風(fēng)電場出力概率分布的特性對風(fēng)電場送出工程導(dǎo)線截面選擇提出了新的挑戰(zhàn)，由于云南單個風(fēng)電場全年出力主要集中在50%以下，單個風(fēng)電場全年超過90%的出力概率相當(dāng)小，大多數(shù)情況下低于0.001，在此情況下采用傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)電流密度的方法來選擇導(dǎo)線截面是否適合，需進(jìn)行深入研究，本文將以容量為85 MW的風(fēng)電場為例進(jìn)行計算分析。

3.3.1 算例計算

方法一：按照經(jīng)濟(jì)電流密度的方法來選擇導(dǎo)線截面[3]，J取1.65(A/mm2)。

方法二：按照風(fēng)電場裝機容量的90%作為極限輸送容量來選擇導(dǎo)線截面。

按方法一選擇，通過查閱 《電力系統(tǒng)設(shè)計手冊》，LGJ-300導(dǎo)線經(jīng)濟(jì)輸送容量為94.3 MW，按溫度修正系數(shù)0.94、功率因數(shù)0.95修正后，可輸送84.2 MW的電力，基本滿足風(fēng)電場電力輸送要求，可選擇LGJ-300導(dǎo)線。

按方法二選擇，導(dǎo)線需輸送的容量為85×0.9 =76.5 MW。通過查閱 《電力系統(tǒng)設(shè)計手冊》，LGJ-150導(dǎo)線持續(xù)極限輸送容量為84.7MVA，按溫度修正系數(shù)0.94、功率因數(shù)0.95修正后，可輸送75.6 MW的電力，基本滿足風(fēng)電場電力輸送要求，可選擇LGJ-150導(dǎo)線。

3.3.2 容量合理性比較

通過對云南風(fēng)電場年出力均值進(jìn)行分析，單個風(fēng)電場最大年出力均值為裝機容量的41%，低于50%。為校驗線路的負(fù)載能力，按風(fēng)電場年出力均值為裝機容量的50%來校驗。導(dǎo)線LGJ-300線持續(xù)極限輸送容量修正后可輸送118.8 MW電力。

按方法一來選擇導(dǎo)線截面，線路年均負(fù)載率為：

按方法二來選擇導(dǎo)線截面，線路年均負(fù)載率為：

110kV線路導(dǎo)線J取1.65(A/mm2)時經(jīng)濟(jì)輸送容量和極限輸送容量比值見表1。

表1 經(jīng)濟(jì)輸送容量和極限輸送容量比值表

從表1可以看出，110kV線路常用型號導(dǎo)線經(jīng)濟(jì)輸送容量和極限輸送容量比值界于55.6%～70.9%，導(dǎo)線截面越大，比值越高，對于穩(wěn)定的電力輸送，按照經(jīng)濟(jì)輸送容量選擇導(dǎo)線截面經(jīng)濟(jì)性較好。

對比方法一和方法二的負(fù)載率，方法二由于考慮了風(fēng)電的實際出力特性，選擇的導(dǎo)線年平均負(fù)載率更接近經(jīng)濟(jì)容量的比值，因此方法二選擇的導(dǎo)線經(jīng)濟(jì)性會更好，線路輸送容量更為合理；而方法一選擇的導(dǎo)線負(fù)載率偏低，與經(jīng)濟(jì)容量的比值相差較遠(yuǎn)，導(dǎo)線容量不能得到有效利用。

3.3.3 投資造價比較

LGJ-300和LGJ-150單公里綜合造價相差35萬左右，如單個項目送電線路長度按20公里計算，僅線路投資就將節(jié)省700萬，且送電線路越長，方法二選擇導(dǎo)線投資造價的優(yōu)勢越明顯。云南風(fēng)電項目眾多，考慮項目數(shù)量后基于方法二將節(jié)省巨額的投資。

因此，綜合考慮風(fēng)電場出力概率特點，在風(fēng)電場送出工程導(dǎo)線截面選擇上，建議按照風(fēng)電場裝機容量的90%作為極限輸送容量來選擇導(dǎo)線截面。

3.4 區(qū)域電力平衡計算應(yīng)用

目前云南范圍內(nèi)2013年具有完整運行數(shù)據(jù)的風(fēng)電場有限，在進(jìn)行區(qū)域風(fēng)電場分析時，采用典型風(fēng)電場的分析法來代表區(qū)域風(fēng)電場的出力特性。由于云南電網(wǎng)電源裝機以水電為主，水電裝機比例達(dá)到70%以上，豐、枯期水電出力差異顯著，因此在進(jìn)行電力平衡計算時，多按豐、枯期分別進(jìn)行平衡計算。通過對四個區(qū)域典型風(fēng)電場出力數(shù)據(jù)處理計算，在風(fēng)電參與區(qū)域電力平衡計算時，由于風(fēng)電大出力的概率相當(dāng)?shù)?，因此不宜按照風(fēng)電裝機容量全部參與平衡，而應(yīng)根據(jù)風(fēng)電出力的概率分布特點，以一個相對合理的容量比例來參與平衡。根據(jù)云南風(fēng)電出力的特點，建議選取平衡時風(fēng)電參與的容量：風(fēng)電出力在X值以下能達(dá)到80%的概率出力，為校驗區(qū)域消納風(fēng)電的能力，取出力的上限值X值作為平衡時的出力容量。

4 結(jié)束語

本文基于概率統(tǒng)計的方法來分析云南風(fēng)電的出力特征，通過對云南風(fēng)電場各出力區(qū)間概率分布統(tǒng)計計算，得出主要研究結(jié)論及建議如下：

1)云南單個風(fēng)電場全年出力主要集中在50%以下，其中30%以下的出力占比較高。

2)云南單個風(fēng)電場全年超過90%的出力概率相當(dāng)小，大多數(shù)情況下低于0.001，為小概率事件。

3)云南風(fēng)電場出力的波動性與出力的大小呈現(xiàn)正向的變化趨勢，出力越大，波動性越強。

4)在風(fēng)電場送出工程導(dǎo)線截面選擇方面，建議按照風(fēng)電場裝機容量的90%作為極限輸送容量來選擇。

5)在風(fēng)電參與區(qū)域電力平衡計算方面，建議昆明、楚雄、曲靖、大理及全省區(qū)域分別按如下容量計算：

豐期：分別取風(fēng)電裝機容量的35%、25%、27%、45%、30%進(jìn)行平衡計算。

枯期：分別取風(fēng)電裝機容量的75%、35%、55%、75%、75%進(jìn)行平衡計算。

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Analysis and Application Research for Output Probability of Wind Power in Yunnan

LIU Baolin1，Wang Wenxi1，F(xiàn)AN Lei2
(1.Grid Planning and Research Center，Yunnan Power Grid，Kunming 650011，China；2.Yunnan Yinta Transmission and Transformation Design CO.，LTD，Kunming 650011，China)

In this paper，analysis of characteristics of probability distribution is carried out by the processing of Yunnan wind farm annual output data and using probability and statistics.According to the analysis conclusion，the paper offer propposals in choosing technology parameters for wind power access to the power system and wind power involved in Yunnan regional power balance calculation.The thesis possesses engineering value.

probability distribution；digital features；parameter selection；power balance

TM74

B

1006-7345(2015)03-0075-04

2015-1-9