考慮相關(guān)性的沿海大規(guī)模風(fēng)電場出力特性研究

衛(wèi)　鵬，劉建坤，周　前

（國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103）

考慮相關(guān)性的沿海大規(guī)模風(fēng)電場出力特性研究

衛(wèi)鵬，劉建坤，周前

（國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103）

為了研究沿海地區(qū)密集型大規(guī)模風(fēng)電場出力特性以及相互關(guān)聯(lián)性，以江蘇沿海大規(guī)模風(fēng)電為例，基于EMS系統(tǒng)中的實(shí)測風(fēng)電出力數(shù)據(jù)，對風(fēng)電場之間的有功出力相關(guān)性、概率分布、月最大出力進(jìn)行了分析，研究了風(fēng)電場的有功出力波動情況，并探討了風(fēng)電有功出力對江蘇電網(wǎng)綜合負(fù)荷、調(diào)峰的影響。對于分布式新能源利用率的提高和調(diào)度運(yùn)行的優(yōu)化具有重要意義。

風(fēng)電；出力特性；概率分布；相關(guān)性；波動；調(diào)峰

隨著我國風(fēng)力發(fā)電快速發(fā)展，風(fēng)電總裝機(jī)容量日益增大。風(fēng)電出力的隨機(jī)性、間歇性、不可控等特性給電網(wǎng)運(yùn)行帶來較大的壓力，電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)必需留有足夠的備用電源和調(diào)峰容量［1］，以保證風(fēng)電出力波動時(shí)系統(tǒng)的正常供電。在風(fēng)電場建設(shè)較為集中的地區(qū)，由于地理位置接近，各風(fēng)電場的來風(fēng)情況相近，風(fēng)電場之間有功出力曲線會有一定的相似性［2］，當(dāng)風(fēng)速變化劇烈時(shí)，各風(fēng)電場有功出力波動的疊加將導(dǎo)致風(fēng)電總出力的波動幅度劇增，從而會對電網(wǎng)的調(diào)度帶來更大的壓力［3］。目前，國內(nèi)外對風(fēng)電的研究多集中于風(fēng)電的并網(wǎng)方式和對電網(wǎng)的穩(wěn)定影響等方面［4］，對風(fēng)電場之間的出力相關(guān)性和波動性等方面的研究較少，分析風(fēng)電集中地區(qū)風(fēng)電場的有功出力特性，研究其對電網(wǎng)可能造成的影響并制定有效的應(yīng)對措施變得愈發(fā)緊迫且重要［5］。

江蘇省風(fēng)電場分布較為密集，其風(fēng)電場有功出力具有典型性，文中以江蘇沿海大規(guī)模風(fēng)電場運(yùn)行情況為范例，研究了風(fēng)電集中地區(qū)的風(fēng)電場有功出力特性，并對風(fēng)電有功出力特性對電網(wǎng)的影響進(jìn)行了分析。

1　風(fēng)電場有功出力特性

1.1風(fēng)電場有功出力相關(guān)性

不同風(fēng)電場出力相關(guān)性反映風(fēng)電場之間發(fā)電出力變化趨勢的一致性，是劃分風(fēng)區(qū)的重要依據(jù)之一［6］。風(fēng)電場相關(guān)性與風(fēng)電場之間的地理距離有關(guān)，一般距離較近的風(fēng)電場，其出力變化趨勢較為一致，相關(guān)性則較強(qiáng)，反之則相關(guān)性較弱［7］。

相關(guān)系數(shù)（γ）又稱為皮氏積矩相關(guān)系數(shù)，是說明2個(gè)現(xiàn)象之間相關(guān)關(guān)系密切程度的統(tǒng)計(jì)分析指標(biāo)［8］。γ值的范圍在-1和+1之間。γ>0為正相關(guān)，γ<0為負(fù)相關(guān)，γ=0為不相關(guān)，γ的絕對值越大，相關(guān)程度越高。通常認(rèn)為γ的絕對值大于0.75時(shí)，2個(gè)變量有很強(qiáng)的線性相關(guān)性。相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式為：

其中：X，Y為2個(gè)具有相關(guān)性風(fēng)電場出力；Xˉ和Yˉ分別代表這2個(gè)風(fēng)電場出力的期望。文中對各風(fēng)電場出力的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，具體結(jié)果如表1所示。表中第一行和第一列分別為不同風(fēng)電場的簡稱。

由表1可看出，各風(fēng)電場出力的相關(guān)系數(shù)大部分在0.75以上，表明各風(fēng)電場出力具有較強(qiáng)的線性相關(guān)性。相關(guān)系數(shù)最大是LY風(fēng)電和RD風(fēng)電，2個(gè)風(fēng)電場距離也在30～50 km內(nèi)，可見風(fēng)電場距離越近相關(guān)性系數(shù)越高。LY風(fēng)電和RD風(fēng)電2015年某一周出力曲線如圖1所示。2個(gè)風(fēng)電場出力變化形狀具有較大相似性，最大和最小出力出現(xiàn)時(shí)間較接近，具有較大的同時(shí)率，因此彼此之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性。相關(guān)性分析結(jié)果表明，未來相關(guān)區(qū)域內(nèi)風(fēng)電規(guī)模進(jìn)一步增大后，風(fēng)電出力特性將基本保持與現(xiàn)有風(fēng)電出力特性的一致性和相似性。

1.2風(fēng)電出力的季節(jié)分布

風(fēng)電發(fā)電量年內(nèi)分布也有一定的規(guī)律性。2015年風(fēng)電月發(fā)電量除以相應(yīng)月最大發(fā)電量，得到年發(fā)電量分布曲線，如圖2所示。一般5—9月為弱風(fēng)期，其發(fā)電量僅為全年發(fā)電量的40%～50%；1—4月、10—12月為盛風(fēng)期，其發(fā)電量為全年發(fā)電量的60%～80%。一年中，發(fā)電量最大的月份為11—12月，發(fā)電量最小的為7—9月。風(fēng)電的這種分布是受自然地理?xiàng)l件所決定的。春季和夏季雖有臺風(fēng)活動，但沿海地區(qū)的平均風(fēng)力為一年中最小的時(shí)期，也是一年中風(fēng)能資源最貧乏的時(shí)期［9］。秋季與冬季由于大風(fēng)天氣多，風(fēng)力大，是一年之中江蘇沿海地區(qū)風(fēng)能資源最豐富的季節(jié)。不同季節(jié)之間發(fā)電量差異較大［10］。為了分析不同季節(jié)發(fā)電量分布的不均衡特性，采用季不均衡系數(shù)作為衡量月發(fā)電量分布情況的一個(gè)指標(biāo)。季不均衡系數(shù)為月發(fā)電量平均值除以最大月發(fā)電量，用式（2）表示［11］：

表1　各風(fēng)電場出力相關(guān)系數(shù)

圖1　RD和LY風(fēng)電場周出力情況

圖2　風(fēng)電出力逐月分布

其中：Pi表示第i個(gè)月的發(fā)電量，i=1，2，3…，12；Pmax為一年中的最大月發(fā)電量。風(fēng)力發(fā)電不同月份之間發(fā)電量差異較大，不均衡度較高，反映在季不均衡系數(shù)上數(shù)值較低，全省季不均衡系數(shù)平均在0.67左右［12］。

1.3風(fēng)電月最大出力

風(fēng)電月最大出力特性是相關(guān)輸變電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。風(fēng)電出力在短時(shí)間內(nèi)（如1 d內(nèi)）有可能在0～100%之間變動［13］。風(fēng)電逐月最大出力不同，但年內(nèi)呈現(xiàn)出規(guī)律性變化。

典型風(fēng)電場RD和GY風(fēng)電場以及全省月最大出力曲線如圖3所示。月最大出力一般出現(xiàn)在1—4月或11—12月。就單個(gè)風(fēng)電場而言，5—9月的月最大出力一般為0.72～0.91 p.u.，1—4月的月最大出力為0.93～1.0 p.u.，10—12月的月最大出力為0.88～1.0 p.u.。從全省來看，風(fēng)電出力率比單個(gè)風(fēng)場低，5—9月的月最大出力一般為0.47～0.77 p.u.，1—4月的月最大出力為0.79～0.86 p.u.，10—12月的月最大出力為0.82～0.96 p.u.。

圖3　風(fēng)電月最大出力逐月分布

風(fēng)電上述特性對相關(guān)配套輸變電設(shè)備建設(shè)和改造的規(guī)劃設(shè)計(jì)有影響。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，在進(jìn)行輸變電設(shè)備建設(shè)、改造的規(guī)劃設(shè)計(jì)中，當(dāng)輸變電設(shè)備長期最大允許電流起控制作用、確定夏季輸變電設(shè)備最大運(yùn)行電流時(shí)風(fēng)電不應(yīng)按照滿發(fā)來考慮。由于風(fēng)電最大出力往往發(fā)生在氣溫較低的冬春兩季，夏季氣溫較高的日子里最大出力較低，從現(xiàn)有風(fēng)電場來看，整個(gè)夏季高溫期間風(fēng)電出力不會超過裝機(jī)容量的90%，超過80%持續(xù)時(shí)間也較短，如表2所示。

可見，風(fēng)電出力一般隨氣溫升高而明顯降低，風(fēng)電出力較大時(shí)氣溫一般是較低的。在設(shè)計(jì)相關(guān)輸變電建設(shè)、改造工程時(shí)應(yīng)該充分考慮這一特性，以節(jié)省輸變電項(xiàng)目的建設(shè)、改造投資。

1.4風(fēng)電出力概率分布

根據(jù)風(fēng)電全年8760 h整點(diǎn)出力，分別按月將出力由大到小進(jìn)行排序，得到全省大負(fù)荷和小負(fù)荷代表月的風(fēng)電出力累積概率曲線如圖4所示。

從圖4中可看出，全年風(fēng)電出力超過0.9 p.u.的概率很小。表3給出了風(fēng)電出力與累積概率統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表2　逐月風(fēng)電出力持續(xù)時(shí)間h

表3　不同累計(jì)概率的風(fēng)電出力

圖4　風(fēng)電出力累計(jì)概率曲線

由表3可見，以1月份為例，風(fēng)電出力超過0.51 p.u.的概率只有10%，超過0.65 p.u.的概率只有5%。如果累積概率（即保證率）要達(dá)到90%，則大部分月份的風(fēng)電出力只有0～0.03 p.u.。因此，風(fēng)電的“保證出力”很低，是極其不穩(wěn)定的電源。

1.5風(fēng)電出力波動情況分析

根據(jù)上文分析，在風(fēng)電場密集地區(qū)，風(fēng)電場之間的有功出力具有較強(qiáng)的相關(guān)性。圖5和圖6是2015年某月LY風(fēng)電和GY風(fēng)電分別同RD風(fēng)電之間的有功出力散點(diǎn)圖，橫坐標(biāo)分別是LY風(fēng)電和GY風(fēng)電的有功出力，縱坐標(biāo)是RD風(fēng)電的有功出力。

圖5　LY風(fēng)電和RD風(fēng)電有功出力散點(diǎn)圖

圖6　GY風(fēng)電和RD風(fēng)電有功出力散點(diǎn)圖

從圖中可以看出，LY風(fēng)電和RD風(fēng)電之間的有功出力相關(guān)性較強(qiáng)，散點(diǎn)明顯呈現(xiàn)出線性相關(guān)的關(guān)系，而GY風(fēng)電和RD風(fēng)電之間的有功出力相關(guān)性相對較差，散點(diǎn)分布較為散亂。

風(fēng)電場的有功出力相關(guān)性總體較強(qiáng)，表4列出了一年內(nèi)全省風(fēng)電場總出力5m in波動幅值情況。5m in波動最大增加量為162.51MW，最大下降量為193.59 MW，分別占了風(fēng)電總裝機(jī)容量的9%和11%。

表4　5m in內(nèi)最大波動幅值

2　風(fēng)電有功出力特性對電網(wǎng)的影響

電網(wǎng)內(nèi)大量風(fēng)電機(jī)組接入后，由于風(fēng)電有功出力的隨機(jī)性和波動性，加大了電網(wǎng)對調(diào)度運(yùn)行和調(diào)峰調(diào)頻能力的要求。為滿足風(fēng)電全額消納的需求，系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行和調(diào)峰能力必須適應(yīng)并滿足系統(tǒng)高峰負(fù)荷時(shí)段風(fēng)電全部停發(fā)，低谷負(fù)荷時(shí)段風(fēng)電全額滿發(fā)的特殊但可能出現(xiàn)的運(yùn)行方式。

2.1風(fēng)電對電網(wǎng)綜合負(fù)荷的影響

全省負(fù)荷扣除風(fēng)電出力后得到綜合負(fù)荷（或稱修正負(fù)荷曲線）曲線如圖7所示。

圖7　綜合負(fù)荷曲線

從圖7中可以看出：（1）從持續(xù)負(fù)荷曲線來看，扣除風(fēng)電出力以后，負(fù)荷有所下降。說明風(fēng)電將導(dǎo)致大部分時(shí)間綜合負(fù)荷減少，因此在同樣裝機(jī)的前提下系統(tǒng)可靠性將有所提高。換言之，有了風(fēng)電后，在維持相同可靠性前提下，可減少系統(tǒng)裝機(jī)，因此，從可靠性觀點(diǎn)來看，風(fēng)電也具有潛在的容量效益。（2）扣除風(fēng)電出力后的綜合負(fù)荷曲線的年最大負(fù)荷數(shù)值基本保持不變，并且仍發(fā)生在7月。各月考慮風(fēng)電后的綜合負(fù)荷比全網(wǎng)負(fù)荷低1%～4%。

2.2風(fēng)電對調(diào)峰的影響

圖8是江蘇電網(wǎng)某典型日的電網(wǎng)日用電負(fù)荷曲線和風(fēng)電場日出力變化曲線。

圖8　日負(fù)荷曲線

由圖中可看出，在負(fù)荷高峰時(shí)，風(fēng)電場很難提供足夠的出力，而在低谷負(fù)荷階段，風(fēng)電場卻出現(xiàn)出力高峰，由此可見，江蘇境內(nèi)風(fēng)電場的反調(diào)峰特性明顯。隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的增大，這種出力特性勢必要求調(diào)度部門對風(fēng)電出力情況做出較精確的預(yù)測，對現(xiàn)有的開機(jī)方式做出調(diào)整。

3　結(jié)束語

在風(fēng)電集中地區(qū)，風(fēng)電場之間的有功出力具有較強(qiáng)的相關(guān)性。根據(jù)對2015年江蘇投運(yùn)的12座風(fēng)電場的分析結(jié)果，各個(gè)風(fēng)電場有功出力曲線相似，有功出力相關(guān)系數(shù)大部分在0.75以上，且風(fēng)電場之間距離越近，相關(guān)性越強(qiáng)。根據(jù)2015年全年統(tǒng)計(jì)結(jié)果，江蘇風(fēng)電場總有功出力5min變化幅值最高可達(dá)193.59MW，占總裝機(jī)容量的11%。

根據(jù)以上結(jié)論，建議如下：（1）在風(fēng)電集中地區(qū)，各風(fēng)電場應(yīng)加強(qiáng)有功出力調(diào)控，確保有功出力最大變化率滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求；（2）風(fēng)電集中地區(qū)的風(fēng)電總出力波動幅度大，電網(wǎng)運(yùn)行中需采取相應(yīng)針對性措施，安排必要的旋轉(zhuǎn)備用容量；（3）針對風(fēng)電場有功出力特性，電網(wǎng)應(yīng)加強(qiáng)風(fēng)功率預(yù)測，提高預(yù)測的準(zhǔn)確性，尤其是電網(wǎng)高峰和低谷負(fù)荷時(shí)段風(fēng)功率預(yù)測的準(zhǔn)確性。

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Research on Power Output Characteristics of Coastal Large-scale W ind Farm s Considering Their Correlation

WEIPeng，LIU Jiankun，ZHOUQian
（StateGrid Jiangsu Electric PowerCompany Electric PowerResearch Institute，Nanjing 211103，China）

In order to study power output characteristics and interrelatedness of intensive large-scale wind farms located around coastal areas，the large-scalewind farmssitatcoastal areas of Jiangsu were taken as an example and somework was done.Based on the fieldmeasurement data of outputw ind power from the EMS system，active power correlation，probability distributionsand themonthlymaximum outputpow er among w ind farmsw ere analyzed.The fluctuation ofw ind farmsoutput activepowerwasstudied and the impactofoutputactivewind poweron the composite load of Jiangsu aswellason peak-load regulation was discussed.This work is important for the utilization rate improvement and dispatching optim ization of distributed new energy.

w ind power；poweroutputcharacteristics；probability distribution；correlation；fluctuation；peak-load regulation

TM 614

A

1009-0665（2016）05-0006-05

衛(wèi)鵬（1988），男，陜西寶雞人，工程師，從事電力系統(tǒng)運(yùn)行仿真及規(guī)劃研究工作；

劉建坤（1980），男，山東濰坊人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)分析及規(guī)劃研究工作；

周前（1978），男，江蘇無錫人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)仿真及規(guī)劃研究工作。

電網(wǎng)技術(shù)

2016-04-05；

2016-05-27

國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（IDSY15042）