基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的風(fēng)電場(chǎng)出力特性研究

文 | 張光軍，馮元

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基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的風(fēng)電場(chǎng)出力特性研究

文 | 張光軍，馮元

近年來(lái)，我國(guó)的風(fēng)電裝機(jī)容量不斷增長(zhǎng)，作為可再生能源的重要組成部分，風(fēng)電對(duì)我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)改善起著至關(guān)重要的作用。掌握風(fēng)能資源特性以及風(fēng)電場(chǎng)出力特性，是研究風(fēng)功率預(yù)測(cè)以及電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電調(diào)度的重要基礎(chǔ)。

寧夏地區(qū)風(fēng)能資源豐富，根據(jù)寧夏氣象科研所統(tǒng)計(jì)，寧夏適宜風(fēng)電開(kāi)發(fā)的風(fēng)能資源儲(chǔ)量達(dá)1214萬(wàn)千瓦，風(fēng)電發(fā)展具有巨大的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)銀川地區(qū)麻黃山風(fēng)電場(chǎng)地區(qū)的風(fēng)能資源情況，研究了單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)在不同時(shí)間尺度下的出力特性。研究結(jié)果為電力公司科學(xué)合理的規(guī)劃風(fēng)電調(diào)度提供重要的參考依據(jù)。

風(fēng)能資源的不穩(wěn)定性

一、數(shù)據(jù)來(lái)源

研究數(shù)據(jù)來(lái)自寧夏銀川麻黃山風(fēng)電場(chǎng)2014年5月1日到2015年4月30日的實(shí)測(cè)出力數(shù)據(jù)。該風(fēng)電場(chǎng)有風(fēng)電機(jī)組33臺(tái)，總裝機(jī)容量49.5MW，數(shù)據(jù)采樣尺度為10分鐘。對(duì)不合理數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除之后，將數(shù)據(jù)折算到1小時(shí)的時(shí)間尺度進(jìn)行計(jì)算分析。

二、風(fēng)速年變化

如圖1所示，風(fēng)速的變化是無(wú)規(guī)律的，波動(dòng)性很大。根據(jù)實(shí)測(cè)的一年數(shù)據(jù)，計(jì)算得到的風(fēng)頻分布關(guān)系如圖2所示，風(fēng)電場(chǎng)年平均風(fēng)速約為6.8m/s。

風(fēng)電場(chǎng)年出力特性

一、一年的出力曲線(xiàn)

這一年內(nèi)，該風(fēng)電場(chǎng)總發(fā)電量為13520萬(wàn)千瓦時(shí)，等效可利用小時(shí)數(shù)約為2731小時(shí)。風(fēng)電場(chǎng)年最大出力為51.1MW，占裝機(jī)容量的103%。由圖3可以看出，風(fēng)電場(chǎng)一年內(nèi)各月、各日、各小時(shí)之間均存在很明顯的變化，沒(méi)有明顯的規(guī)律可言。

二、年出力累計(jì)曲線(xiàn)

將風(fēng)電場(chǎng)一年內(nèi)每小時(shí)的出力按從大到小排序，得到如圖4所示的曲線(xiàn)，曲線(xiàn)與縱軸和橫軸圍成的面積即是風(fēng)電場(chǎng)一年的發(fā)電量。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)該風(fēng)電場(chǎng)一年的出力情況，以裝機(jī)容量的5%為橫坐標(biāo)間隔，得到了風(fēng)電場(chǎng)對(duì)應(yīng)的各出力保證率及出力累計(jì)保證功率，如圖5所示。

由圖5可知，風(fēng)電場(chǎng)年出力主要集中在裝機(jī)容量的0% - 50%，占全年時(shí)間的70%；出力在裝機(jī)容量的0% -80%，占全年時(shí)間的90%；風(fēng)電場(chǎng)年零出力約為434小時(shí)，占全年的5%，年零出力時(shí)間較短；風(fēng)電場(chǎng)達(dá)到滿(mǎn)發(fā)的時(shí)間也較短，約為96小時(shí)。

風(fēng)電場(chǎng)月出力特性

一、各月出力

風(fēng)電場(chǎng)各月發(fā)電量如圖6所示。

總體看來(lái)，風(fēng)電場(chǎng)的月發(fā)電量出現(xiàn)較大波動(dòng)的月份為5月、7月以及12月；在春季、夏季以及秋季的發(fā)電量均比較平穩(wěn)。

二、月內(nèi)出力的波動(dòng)性

由圖6知，風(fēng)電場(chǎng)在2014年8月份與10月份的總發(fā)電量近似，這兩個(gè)月內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)每天的相對(duì)出力如圖7所示。

由圖可知，雖然這兩個(gè)月總出力近似，但每天的出力卻出現(xiàn)很大的反差。8月份，風(fēng)電場(chǎng)每天的出力相對(duì)比較平穩(wěn)，每天最大相對(duì)出力為額定出力的62.5%。而10月份的出力波動(dòng)相對(duì)較大，出現(xiàn)了兩個(gè)尖峰出力日，其巔峰出力接近90%的額定出力，其他日期出力相對(duì)較小，最小出力為額定出力的1.5%。

根據(jù)集控系統(tǒng)的記錄數(shù)據(jù)表明，該風(fēng)電場(chǎng)在6月份至11月份出現(xiàn)連續(xù)數(shù)日的風(fēng)電小出力，在12月份和1月份連續(xù)數(shù)日風(fēng)電大出力的情況。如圖8所示，其中連續(xù)小出力日為2014年10月11日至10月25日（虛線(xiàn)部分），連續(xù)大出力日為2014年12月7日至12月21日（實(shí)線(xiàn)部分）。

風(fēng)電場(chǎng)日出力特性

一、日出力隨機(jī)性

為了分析風(fēng)電場(chǎng)日出力特性，選取典型相鄰日，11月3日和11月4日這兩天的日發(fā)電量近似，日出力曲線(xiàn)如圖9所示。

從圖9可以看出，這兩天雖然發(fā)電量近似，但是在每一天的同一時(shí)刻，風(fēng)電場(chǎng)的出力卻出現(xiàn)很大的反差，說(shuō)明現(xiàn)在的風(fēng)電機(jī)組雖然可以通過(guò)先進(jìn)的控制技術(shù)獲得最佳的風(fēng)能利用系數(shù)，但是風(fēng)能固有的不確定性仍會(huì)使得風(fēng)電機(jī)組的出力呈現(xiàn)出隨機(jī)多變的不穩(wěn)定性。

二、相鄰日平均出力變化率

相鄰日平均出力變化率K定義如下：

其中：

Pi為當(dāng)日平均出力；

Pi-1為前一日平均出力；

P總為風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，風(fēng)電場(chǎng)日出力變化率在10%以?xún)?nèi)的比重最大，占統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的38.7%；日出力平均變化率在50%及以上的天數(shù)約占8.0%，日平均出力變化率最大為77.3%，即出力變化約為38.3MW。

三、全年日變化

從風(fēng)電場(chǎng)的全年出力日變化曲線(xiàn)（圖11）上看，呈現(xiàn)出“一峰一谷”的趨勢(shì)。高峰時(shí)段為晚上22點(diǎn)到凌晨2點(diǎn)，相對(duì)出力約38%；低谷時(shí)段為上午8點(diǎn)到下午5點(diǎn)之間。

寧夏電網(wǎng)的供電負(fù)荷早高峰出現(xiàn)在早上6點(diǎn)到7點(diǎn)，晚高峰出現(xiàn)在19點(diǎn)至23點(diǎn)。從日出力曲線(xiàn)上看，風(fēng)電出力可以迎合電網(wǎng)負(fù)荷晚高峰，但是在早高峰時(shí)卻出現(xiàn)反調(diào)峰特點(diǎn)。

結(jié)論

（一）風(fēng)電場(chǎng)出力具有明顯的波動(dòng)性和隨機(jī)性，風(fēng)電出力的變化范圍較大，風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備利用率良好，年等效可利用小時(shí)數(shù)為2731小時(shí)。

（二）從風(fēng)電場(chǎng)年出力來(lái)看，最大出力為裝機(jī)容量的103%，風(fēng)電場(chǎng)年出力主要集中在裝機(jī)容量的50%以?xún)?nèi)，占全年時(shí)間的70%。

（三）從風(fēng)電場(chǎng)月發(fā)電量來(lái)看，風(fēng)電場(chǎng)在5月、7月和12月發(fā)電量較大，分別為1742萬(wàn)千瓦時(shí)、1441萬(wàn)千瓦時(shí)、1955萬(wàn)千瓦時(shí)；6月發(fā)電量較小，為832萬(wàn)千瓦時(shí)；其余各月發(fā)電量近似，集中在1000萬(wàn)千瓦時(shí)上下。

（四）風(fēng)電場(chǎng)日內(nèi)出力長(zhǎng)期變化規(guī)律明顯，但是每天變化的規(guī)律性不強(qiáng)。風(fēng)電場(chǎng)的年平均日出力特性呈現(xiàn)出明顯的“一峰一谷”的趨勢(shì)，白天出力較低，最小出力為15.3MW；晚上出力較高，最大出力為18.8MW。

（五）風(fēng)電場(chǎng)相鄰日出力差異較小，變化率在10%以?xún)?nèi)的比重最大，占統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的38.7%；日出力平均變化率在50%及以上的天數(shù)只占8.0%。

（六）風(fēng)電場(chǎng)的出力特性直接決定了其對(duì)電網(wǎng)的影響，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)風(fēng)電出力的預(yù)測(cè)，為電網(wǎng)的規(guī)劃和調(diào)度提供可靠的依據(jù)。

（作者單位：國(guó)電電力寧夏新能源開(kāi)發(fā)有限公司）