山西電網(wǎng)風(fēng)電出力特性及消納形勢(shì)分析

任愛(ài)平，李旭霞，胡迎迎

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，山西太原 030001）

山西電網(wǎng)風(fēng)電出力特性及消納形勢(shì)分析

任愛(ài)平，李旭霞，胡迎迎

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，山西太原 030001）

根據(jù)2013年山西風(fēng)電5m in間隔出力及電網(wǎng)負(fù)荷8 760 h數(shù)據(jù)，分析了山西風(fēng)電的出力特性，主要包括與風(fēng)電消納相關(guān)的年特性、日特性、保證容量系數(shù)、有效出力系數(shù)、調(diào)峰特性，可為遠(yuǎn)期的風(fēng)能開(kāi)發(fā)規(guī)劃及風(fēng)電消納能力提供參考。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合“十三五”期間山西風(fēng)電開(kāi)發(fā)規(guī)模以及電網(wǎng)規(guī)劃，對(duì)山西電網(wǎng)風(fēng)電消納形勢(shì)進(jìn)行了研究探討。

風(fēng)電；出力特性；規(guī)劃；消納

0 引言

發(fā)展風(fēng)電等可再生能源是我國(guó)能源戰(zhàn)略調(diào)整的重大決策，在國(guó)家節(jié)能減排及鼓勵(lì)扶持可再生能源產(chǎn)業(yè)等政策的激勵(lì)下，山西省風(fēng)電進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期。2008年8月14日，山西國(guó)際電力集團(tuán)右玉小五臺(tái)風(fēng)電場(chǎng)和平魯敗虎風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)75 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，成為山西首批投產(chǎn)的風(fēng)電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了山西省并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電零的突破[1]。截止目前，山西已并網(wǎng)、核準(zhǔn)在建以及列入國(guó)家能源局?jǐn)M核準(zhǔn)計(jì)劃的風(fēng)電裝機(jī)容量已超過(guò)12 000 MW，“十三五”末規(guī)劃風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到18 000 MW，風(fēng)電的快速崛起推動(dòng)了山西能源轉(zhuǎn)型及清潔能源的發(fā)展。

山西電網(wǎng)風(fēng)電出力特性分析可為“十三五”期間山西電網(wǎng)大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行、風(fēng)能開(kāi)發(fā)規(guī)劃以及調(diào)度運(yùn)行提供依據(jù)，并為山西電網(wǎng)的風(fēng)電消納能力及可參與電力平衡的可靠風(fēng)電容量提供理論參考。因此，從電力系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行的角度，對(duì)風(fēng)電的出力特性進(jìn)行分析是很有必要的。

1 山西風(fēng)能資源分布及風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀

山西省風(fēng)能資源豐富，從空間分布來(lái)看，全省有60%的區(qū)域?qū)亠L(fēng)能資源一般可利用區(qū)，32%的區(qū)域?qū)儆陲L(fēng)能資源較好可利用區(qū)、較豐富區(qū)和最佳區(qū)，8%的區(qū)域?qū)儆陲L(fēng)能資源貧乏區(qū)。風(fēng)能資源較好區(qū)域主要分布在五臺(tái)山高山區(qū)域、管涔山及呂梁山西部區(qū)域、晉西北區(qū)域以及中條山區(qū)域[1]。

截至2013年底，山西電網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)39座，裝機(jī)容量3 357.5MW，主要集中在北部的大同市、忻州市及朔州市，其中北部風(fēng)電裝機(jī)占比為91.21%,南部占比僅為8.78%。從實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，2月份處于供熱期且負(fù)荷全年最低（春節(jié)期間），風(fēng)電消納容量為全年最小，2013年山西電網(wǎng)全年無(wú)棄風(fēng)。

2 山西省風(fēng)電出力特性

風(fēng)電出力特性分析以電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，5min采樣間隔能夠較大程度地保證數(shù)據(jù)的有效性及連續(xù)性，使風(fēng)電出力特性分析更加切實(shí)可靠。本文主要從與風(fēng)電消納相關(guān)的角度，對(duì)風(fēng)電的出力特性部分指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)分析，主要包括年特性、日特性、保證容量系數(shù)、有效出力系數(shù)、調(diào)峰能力。

2.1 年特性

風(fēng)電出力的年特性通過(guò)月平均出力的大小來(lái)體現(xiàn)，主要反映風(fēng)電發(fā)電量的季節(jié)性差異，詳見(jiàn)計(jì)算公式（1）。

W ——風(fēng)電月發(fā)電量；

Pcasc——風(fēng)電機(jī)組容量；

Ds——當(dāng)月天數(shù)。

2013年山西風(fēng)電各月的平均出力系數(shù)在0.13～0.38之間，11月至4月出力較大，其中4月平均出力最大，7月平均出力最小?？傮w來(lái)看，山西風(fēng)電的年特性為春冬兩季大，夏秋兩季小，如圖1所示。

圖1 山西省風(fēng)電各月平均出力系數(shù)

2.2 日特性

根據(jù)風(fēng)電各季節(jié)的日平均出力分析風(fēng)電的日出力變化特性，四季中風(fēng)電出力由大到小依次為春季、冬季、秋季、夏季。就風(fēng)電在1 d中的最大出力出現(xiàn)的時(shí)段來(lái)看，春季出現(xiàn)在16時(shí)到17時(shí)之間，夏季出現(xiàn)在夜晚23 h左右，秋季出現(xiàn)在15時(shí)到16時(shí)之間，冬季出現(xiàn)在夜晚23時(shí)到24時(shí)之間；就風(fēng)電在1 d中的最小出力出現(xiàn)的時(shí)段來(lái)看，夏季、秋季和冬季出現(xiàn)在上午9時(shí)到10時(shí)之間，春季出現(xiàn)在8時(shí)左右，如圖2所示。

2.3 保證容量及有效出力系數(shù)

從電力系統(tǒng)規(guī)劃的角度來(lái)看，風(fēng)電接入電網(wǎng)后可替代的火電裝機(jī)和由于風(fēng)電的隨機(jī)波動(dòng)而產(chǎn)生的對(duì)其他電源的調(diào)峰需求是較為重要的兩個(gè)指標(biāo)，本文針對(duì)風(fēng)電保證容量和風(fēng)電有效出力兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)所產(chǎn)生的替代裝機(jī)效益及調(diào)峰需求進(jìn)行分析[2]。

圖2 山西風(fēng)電日出力曲線

a）保證容量系數(shù)是把負(fù)荷高峰時(shí)段的風(fēng)電出力按從大到小排序，在某一保證率下（如95%）風(fēng)電的最小出力（百分比）。

b）有效出力系數(shù)是把負(fù)荷低谷時(shí)段的風(fēng)電出力按從小到大排序，在某一保證率下（如95%）風(fēng)電的最大出力（百分比）。

按照上述定義，通過(guò)對(duì)2013年山西電網(wǎng)負(fù)荷特性的統(tǒng)計(jì)分析，選擇每日的18點(diǎn)—20點(diǎn)（2 h）作為負(fù)荷高峰時(shí)段進(jìn)行風(fēng)電容量計(jì)算分析。根據(jù)山西風(fēng)電5min間隔的出力數(shù)據(jù)，將每個(gè)月負(fù)荷高峰時(shí)段的風(fēng)電出力 (750或775個(gè)點(diǎn))按照數(shù)值大小進(jìn)行降序排列，形成12個(gè)月的負(fù)荷高峰時(shí)段風(fēng)電持續(xù)出力曲線。在95%保證率下，可得出2013年1月至12月風(fēng)電的保證容量系數(shù)分別為4.5%、5.8%、4.3%、7.8%、4.8%、2.2%、1.4%、1.2%、2.2%、2.3%、3.2%、2.5%，其中4月最大，8月最小。

同理，選擇每日的3點(diǎn)—5點(diǎn)作為負(fù)荷低谷時(shí)段進(jìn)行風(fēng)電有效出力計(jì)算分析。根據(jù)山西風(fēng)電5min間隔的出力數(shù)據(jù)，將每個(gè)月負(fù)荷低谷時(shí)段的風(fēng)電出力按照數(shù)值大小進(jìn)行降序排列，形成12個(gè)月的負(fù)荷低谷時(shí)段風(fēng)電持續(xù)出力曲線，在95%保證率下，可得出2013年1月至12月風(fēng)電的有效出力系數(shù)分別為56.2%、62.7%、60.7%、63.5%、59.9%、38.8%、29.8%、34.1%、35.1%、39.2%、56.7%、60.0%，其中4月最大，7月最小。

在12個(gè)月所得數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行全年統(tǒng)計(jì)分析（共9 125個(gè)點(diǎn)），2013年山西風(fēng)電保證容量為2.3%，有效出力系數(shù)為57.1%，分別如圖3、4所示。通過(guò)以上計(jì)算可知，冬春兩季風(fēng)電保證容量及有效出力系數(shù)較大，夏秋兩季較小，與風(fēng)電的年特性分析是一致的。由于風(fēng)電的隨機(jī)性和間歇性，風(fēng)電保證容量較小，風(fēng)電替代火電裝機(jī)的容量十分有限；而有效出力系數(shù)則反映了電網(wǎng)調(diào)峰盈虧與可接納風(fēng)電裝機(jī)容量的折算關(guān)系，對(duì)風(fēng)電的消納能力有著直接的影響。

圖3 2013年山西風(fēng)電保證容量示意圖

圖4 2013年山西風(fēng)電有效出力示意圖

2.4 調(diào)峰特性

風(fēng)電出力的不確定性對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷平衡帶來(lái)了較大的影響，為了分析風(fēng)電接入后對(duì)系統(tǒng)調(diào)峰的影響情況，針對(duì)2013年風(fēng)電并網(wǎng)后山西電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差變化概率分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示。

風(fēng)電并網(wǎng)后系統(tǒng)峰谷差增大，即風(fēng)電起到反調(diào)峰作用；峰谷差減小，即風(fēng)電起到正調(diào)峰作用。總體看來(lái)，2013年峰谷差變化區(qū)間是-1 000～1 250MW，其中正值對(duì)應(yīng)的是風(fēng)電反調(diào)峰效果，合計(jì)概率為67.4%；負(fù)值對(duì)應(yīng)的是風(fēng)電正調(diào)峰效果，合計(jì)概率為32.6%，可見(jiàn)山西風(fēng)電接入系統(tǒng)后反調(diào)峰較正調(diào)峰作用更為顯著，并且風(fēng)電裝機(jī)容量越大，風(fēng)電反調(diào)峰現(xiàn)象越嚴(yán)重，電網(wǎng)調(diào)峰越困難。另外，不同的季節(jié)風(fēng)電接入對(duì)系統(tǒng)峰谷差的影響也略有不同，山西風(fēng)電冬春兩季出力較大，對(duì)峰谷差的影響較夏秋兩季更為明顯。

表1 2013年風(fēng)電并網(wǎng)后山西電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差變化概率統(tǒng)計(jì)

為進(jìn)一步了解風(fēng)電大發(fā)情況下不同時(shí)段的出力情況，選取2013年風(fēng)電大發(fā)季節(jié)（11月—4月）風(fēng)電出力及負(fù)荷日變化曲線進(jìn)行分析，如圖5所示。可以看出，冬春兩季風(fēng)電大發(fā)情況下，風(fēng)電的反調(diào)峰特性十分明顯，大部分時(shí)段風(fēng)電出力與電網(wǎng)負(fù)荷呈相反的變化趨勢(shì)，如負(fù)荷高峰時(shí)段（18點(diǎn)—20點(diǎn)）風(fēng)電出力呈下降趨勢(shì)，而后夜負(fù)荷低谷時(shí)段，風(fēng)電出力呈上升趨勢(shì)。由于冬春兩季存在供熱機(jī)組出力下限問(wèn)題，風(fēng)電的反調(diào)峰特性將進(jìn)一步加重電網(wǎng)的調(diào)峰壓力。

3 山西省風(fēng)電消納形勢(shì)及提高風(fēng)電消納能力措施分析

“十三五”末，山西電網(wǎng)規(guī)劃風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到18 000 MW，由風(fēng)電出力特性分析可知，冬季是風(fēng)電出力較高的季節(jié)，也是山西電網(wǎng)調(diào)峰最困難的時(shí)期，風(fēng)電集中的北部地區(qū)局部網(wǎng)架薄弱而且負(fù)荷水平較低，風(fēng)電大發(fā)送出受限?！笆濉逼陂g風(fēng)電消納能力不足，棄風(fēng)現(xiàn)象不可避免，建議采取以下措施提高風(fēng)電消納能力。

a）通過(guò)特高壓通道進(jìn)行外送。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司的電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃以及國(guó)家能源局組織的《關(guān)于開(kāi)展落實(shí)大氣污染物防治行動(dòng)計(jì)劃電網(wǎng)實(shí)施方案》，“十三五”期間將建成蒙西—晉北—北京西、榆橫—晉中—石家莊1 000 kV特高壓交流外送通道及晉北—江蘇±800 kV特高壓直流外送通道，由于山西風(fēng)能資源主要分布在北部3市（大同市、忻州市、朔州市），富余風(fēng)電裝機(jī)可通過(guò)北部特高壓通道，采用風(fēng)火打捆的方式實(shí)現(xiàn)風(fēng)電外送，提高風(fēng)電利用效率。

b）調(diào)整電源結(jié)構(gòu)。構(gòu)建合理的電源結(jié)構(gòu)是有效提高風(fēng)電接納能力的前提條件，目前山西電網(wǎng)的電源結(jié)構(gòu)是以煤電為主，供熱機(jī)組占相當(dāng)高的比例，只有1座抽水蓄能電站與少數(shù)的天然氣發(fā)電機(jī)組，風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模已遠(yuǎn)超水電，電源結(jié)構(gòu)不夠合理。因此，適時(shí)建設(shè)合理比例的調(diào)峰電源（如抽水蓄能和燃?xì)庹{(diào)峰電源）是十分必要的。通過(guò)合理安排負(fù)荷低谷時(shí)段調(diào)峰機(jī)組的運(yùn)行方式，積極發(fā)揮其削峰填谷吸納風(fēng)電的重要作用，能夠在一定程度上提高風(fēng)電的消納能力。

c）提高供熱機(jī)組調(diào)峰深度。由于山西電網(wǎng)供熱機(jī)組占比較高，冬季供熱期難以滿足全額接納政府提出的風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)規(guī)劃目標(biāo)，建議出臺(tái)供熱期間供熱機(jī)組調(diào)峰的補(bǔ)償激勵(lì)機(jī)制，鼓勵(lì)供熱機(jī)組參與深度調(diào)峰，并對(duì)新建火電、熱電等常規(guī)電源機(jī)組的合理調(diào)峰能力及最小開(kāi)機(jī)出力進(jìn)行權(quán)威性確認(rèn),要求達(dá)到設(shè)計(jì)水平并嚴(yán)格考核，充分挖掘供熱機(jī)組調(diào)峰潛力[3]，提高風(fēng)電消納水平。

在運(yùn)用上述措施以及風(fēng)電出力特性結(jié)論的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)峰平衡計(jì)算可知，“十三五”期間山西電網(wǎng)規(guī)劃風(fēng)電基本能夠?qū)崿F(xiàn)全部消納。

4 結(jié)束語(yǔ)

研究采用數(shù)據(jù)為2013年山西風(fēng)電出力的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析所得出的風(fēng)電出力特性只能反映當(dāng)年的風(fēng)電實(shí)際運(yùn)行情況，具有一定的片面性和局限性。因此，還需針對(duì)日后逐年積累的風(fēng)電出力數(shù)據(jù)進(jìn)行滾動(dòng)研究，不斷提高相關(guān)指標(biāo)分析的準(zhǔn)確度，才能更加全面地反映山西風(fēng)電的出力特性，為山西風(fēng)電開(kāi)發(fā)規(guī)模及消納能力研究提供更為有力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

[1]張向東.山西風(fēng)能資源及風(fēng)電發(fā)展概述 [J].山西電力，2009 （5）：48-50.

[2]辛頌旭，白建華，郭雁珩.甘肅酒泉風(fēng)電特性研究 [J].能源技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2010，22（12）：16-20.

[3]郭象容.關(guān)于電網(wǎng)接納大規(guī)模風(fēng)電能力的思考 [J].廣東電力，2011，24（5）：20-23.

Analysis on Wind Power Characteristics and Accommodation of Shanxi Power Grid

REN Aiping,LIXuxia,HU Yingying

(State Grid Shanxi Econom ic and Technical Research Institute,Taiyuan,Shanxi 030001,China)

According to awhole-year outputdata of Shanxiwind power(every 5-minute interval data and 8 760 hours load data), this paper has analyzed thewind power characteristics related with wind power accommodation,mainly including the seasonal and daily features,ensured capacity,effective power and peaking characteristics of Shanxiwind power，which can provide reference for long-term planning of wind source development and wind power accommodation.Finally,the capability of Shanxiwind power accommodation is explored combiningwith thewind powerdevelopmentscale and powergrid planning during the Thirteenth Five Years period.

wind power;outputcharacteristics;planning;accommodation

TM614

A

1671-0320（2016）03-0041-04

2015-12-31，

2016-03-28

任愛(ài)平（1981），女，山西朔州人，2007年畢業(yè)于華北電力大學(xué)電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè)，工程師，從事電網(wǎng)規(guī)劃工作；

李旭霞（1976），女，山西襄汾人，2004年畢業(yè)于華北電力大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，高級(jí)工程師，從事電網(wǎng)規(guī)劃管理工作；

胡迎迎（1988），女，山西平陸人，2013年畢業(yè)于華北電力大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，助理工程師，從事電網(wǎng)規(guī)劃工作。