江西省風(fēng)電出力特性分析

王偉++王敏++彭懷德++黃一凡

摘 要：隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的迅速發(fā)展，江西的風(fēng)電接入也大幅上升，分析風(fēng)電出力波動性、不確定性，并統(tǒng)計出風(fēng)電月出力、年出力的規(guī)律，研究風(fēng)力出力對江西電網(wǎng)的影響有重要的意義。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；出力特性；江西電網(wǎng)

中圖分類號： TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）35-101-2

0 引言

隨著近些年風(fēng)電裝機(jī)容量在我國的迅速發(fā)展，作為可再生能源的主要組成部分，發(fā)展風(fēng)電成為改善我國電源結(jié)構(gòu)的重要環(huán)節(jié)。目前中國可再生能源發(fā)電的增長速度已經(jīng)超過其他國家，一年風(fēng)電裝機(jī)容量足足占了全球總量的三分之一江。西電網(wǎng)2015年上半年新增風(fēng)電裝機(jī)容量109MW，而2014年年末風(fēng)電機(jī)組的總裝機(jī)容量為343.2MW，則新增裝機(jī)所占比例達(dá)到31.8%，可見江西的風(fēng)電發(fā)展十分迅速。風(fēng)電的大規(guī)模接入勢必對江西電網(wǎng)調(diào)度帶來巨大影響，因此，深入研究風(fēng)電的出力特性，對分析其對江西電網(wǎng)調(diào)峰可能造成的影響變得更加迫切而重要。

1 風(fēng)力發(fā)電特性概述

通常研究風(fēng)力發(fā)電特性主要是研究單臺風(fēng)機(jī)或風(fēng)電場的功率特性和發(fā)電量特性。但功率特性和發(fā)電量特性又與氣象條件尤其是風(fēng)速、風(fēng)向等密切相關(guān)，因此，要實現(xiàn)對風(fēng)電發(fā)電特性的合理有效分析，對氣象情況特別是江西省風(fēng)資源特性的研究也十分重要。

另外，通過對江西電網(wǎng)典型風(fēng)電場日內(nèi)、月度、年度風(fēng)電出力及發(fā)電量情況的匯總統(tǒng)計，并結(jié)合江西省網(wǎng)季節(jié)變化及傳統(tǒng)能源出力等綜合因素進(jìn)行分析，也可從多方面研究江西省風(fēng)電出力特性，并分析其季節(jié)特性及大規(guī)模接入對電網(wǎng)的影響。

2 江西省風(fēng)能資源分布及其特點

2.1 江西省風(fēng)資源概況

早在2011年，江西省就完成了第二次全省風(fēng)能資源評價，并于同年11月通過了對《江西省風(fēng)能資源詳查和評價》的驗收。根據(jù)評價結(jié)果顯示，受地形和氣候的共同影響，江西省風(fēng)能資源主要集中在贛北鄱陽湖地區(qū)和高海拔山地。其中，鄱陽湖區(qū)為省風(fēng)能資源最密集的區(qū)域，風(fēng)能資源較為豐富的山地則遍布于全省各地。

據(jù)統(tǒng)計，江西省年平均風(fēng)速為1～3.8m/s（除廬山外），最小為德興市，最大為星子縣。年均大風(fēng)日0.5天到28.5天，最少為宜黃縣，最多為星子縣。鄱陽湖濱、贛江、撫河下游和高山頂及峽谷區(qū)風(fēng)能資源較為豐富，年均風(fēng)速在3～5m/s。

2.2 江西省風(fēng)能資源密集區(qū)域

僅從風(fēng)能資源優(yōu)劣考慮，鄱陽湖區(qū)風(fēng)能資源豐富的區(qū)域主要是鄱陽湖北部從湖口到永修的松門山、吉山約60千米長的兩側(cè)湖道和淺灘以及湖中一些島嶼。含鄱陽湖北部狹長湖道南部部分淺灘及屏峰、老爺廟、沙嶺、松門山—吉山、長嶺、磯山湖等地的鄱陽湖北部湖道部分區(qū)域，風(fēng)能資源等級達(dá)到2～3級以上。含白沙洲、小鳴咀、青嵐湖、軍山湖等地的鄱陽湖南部湖體部分區(qū)域，風(fēng)能資源等級為2級；鄱陽湖狹管入口處的獅子山地區(qū)，風(fēng)能資源等級為1～2級。評價指出，鄱陽湖區(qū)風(fēng)能資源品質(zhì)較優(yōu)，應(yīng)用于并網(wǎng)發(fā)電，具有較好的發(fā)展前景。

①江西省年平均風(fēng)功率密度大于50W/m2的等值線與年平均風(fēng)速大于3m/s的等值線均位于鄱陽湖區(qū)域；

②風(fēng)功率密度大于150W/m2的等值線，主要出現(xiàn)于鄱陽湖北部；

此外，山地風(fēng)能資源受地形抬升作用也很豐富，風(fēng)向及風(fēng)能一致性良好，對風(fēng)機(jī)機(jī)組布局較為有利。

3 風(fēng)電出力特性分析

3.1 風(fēng)電出力波動性分析

根據(jù)2013-2014年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以鄱陽湖、九江地區(qū)的風(fēng)電場為例。在全年的大部分時間內(nèi)，會有風(fēng)速在接近零與額定風(fēng)速之間變化的情況。與此對應(yīng)，風(fēng)電出力也會出現(xiàn)在接近零與額定出力之間變化的現(xiàn)象。

2013年8月及2014年4月吉山風(fēng)電場日平均出力波動范圍較大，最小值趨近于0，最大值趨近于風(fēng)場額定出力。且風(fēng)電高出力多處于晚上，因為晚上風(fēng)況較好，但是負(fù)荷一般處于低谷期，所以風(fēng)電經(jīng)常具有反調(diào)峰特性。就吉山風(fēng)電場的日出力特性來看，建設(shè)風(fēng)光互補(bǔ)項目是比較合適的，光伏出力在白天處于高峰，風(fēng)電出力在晚上處于高峰，達(dá)到互補(bǔ)狀態(tài)，有利于電網(wǎng)的調(diào)峰。

風(fēng)電場出力具備平滑效應(yīng)和相關(guān)性。平滑效應(yīng)指單個風(fēng)機(jī)的出力波動性一般大于多個風(fēng)機(jī)的出力波動性。因此以場的形式集群建設(shè)風(fēng)機(jī)能夠削弱風(fēng)機(jī)出力的波動性。而相關(guān)性指相鄰風(fēng)機(jī)的波動性趨于相同，這與風(fēng)況相關(guān)。吉山風(fēng)電場共有48臺2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由平滑效應(yīng)可知，整個風(fēng)電場的出力波動性要遠(yuǎn)小于單個風(fēng)機(jī)的出力波動性。

3.2 風(fēng)電出力不確定性分析

同樣以2013年至2014年風(fēng)電場實測數(shù)據(jù)為例，數(shù)據(jù)顯示2014年3月至6月期間均有連續(xù)數(shù)日風(fēng)電出力達(dá)到或接近額定出力的情況，同時，也存在日出力小于額定出力20%的現(xiàn)象，甚至有些幾乎趨近于0。從吉山風(fēng)電場年發(fā)電特性可以看出，風(fēng)電場出力不確定性較大，常出現(xiàn)0出力的情況，且一年中風(fēng)電場的出力有多個峰值。

連續(xù)日最大出力對應(yīng)的時間為2014年5月10日至5月17日，連續(xù)日最小出力時間為2014年6月7日至6月14日。可以看出風(fēng)電場出力的不確定性很強(qiáng)，既有連續(xù)高峰期也有連續(xù)低谷期，這對于系統(tǒng)調(diào)峰能力具有很高的要求。隨著裝機(jī)容量的不斷提升，系統(tǒng)的備用容量和調(diào)度決策都需要做出適當(dāng)?shù)母淖儚亩m應(yīng)風(fēng)電場出力的不確定性。

3.3 風(fēng)電月出力特性分析

江西省風(fēng)電發(fā)電量年內(nèi)分布有一定規(guī)律性，根據(jù)江西電網(wǎng)2014-2015年度運(yùn)行方式報告，2013年、2014年兩年，江西風(fēng)電發(fā)電總量分別是4.1725億kW·h和4.9226億kW·h；風(fēng)電發(fā)電量主要分布于9月至次年2月。其中2013年9月至12月為風(fēng)電高發(fā)期；2014年則是1月、2月、9月至12月處于高發(fā)狀態(tài)，尤其是2014年2月風(fēng)電發(fā)電量為近兩年最高，達(dá)到了0.72億kW·h。

吉山風(fēng)電場位于江西省永修縣北部，同屬于江西省風(fēng)能資源較為豐富區(qū)域。通過2013年8月-2014年8月統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，吉山風(fēng)電場發(fā)電量較多的月份集中在13年9月中至11月中旬，12月下旬至14年2月底。該風(fēng)電場全年發(fā)電情況基本與江西省年度風(fēng)力發(fā)電趨勢吻合。其中，2013年度風(fēng)電高發(fā)集中在9～11月，2014年風(fēng)電高發(fā)時段為2月。

風(fēng)電的分布特點完全是由于江西本地的氣候特性和地理位置因素影響的。通過江西省季節(jié)特性及風(fēng)資源分布可知，江西省風(fēng)能資源總體呈現(xiàn)出秋冬季大、春夏季小的特點。因此，風(fēng)電出力呈現(xiàn)出枯大、豐小的特征，這與江西省水電出力特性剛好呈現(xiàn)季節(jié)性互補(bǔ)的情況，即風(fēng)電的日出力特性與光伏發(fā)電特性互補(bǔ)，風(fēng)電年出力特性與水電特性互補(bǔ)，因此江西省很適合大范圍發(fā)展風(fēng)力發(fā)電。

3.4 月最大出力分析

風(fēng)電月最大出力特性是相關(guān)輸變電系統(tǒng)設(shè)計的重要依據(jù)。江西風(fēng)電月最大出力曲線與月發(fā)電量趨勢基本一致，均為枯水期較高，豐水期較低。同樣以位于鄱陽湖、九江地區(qū)的吉山風(fēng)電場為例，雖然2013年9月至2014年5月期間的幾個月最大出力都曾達(dá)到了幾乎同一水平，但通過月平均出力再進(jìn)行分析，便可看出，4-9月期間，風(fēng)電的平均發(fā)電出力，處于相對較低水平，而2013年10月～2014年2月期間，除2014年1月平均出力略小之外，其他基本與發(fā)電量趨勢相符。

通過分析單個風(fēng)電場裝機(jī)容量可知，吉山風(fēng)電場裝機(jī)為96MW，在10月至次年2月的枯水期內(nèi)，10月和2月平均出力都達(dá)到了裝機(jī)容量50%的水平，而豐水期時則大幅降低?？紤]集群效應(yīng)時，枯水期的風(fēng)電最大出力也可維持在35%～45%之間。

3.5 風(fēng)電出力季節(jié)特性分析

根據(jù)2014年、2015年江西省年度運(yùn)方報告可知，江西省受地理位置、氣候等條件等影響，全年降水量相對較多，全省年平均降水量分別是1458毫米和1697.6毫米。其中，2013年全年降水與歷史同期相比偏少，尤其是7月至9月期間，降水量與常年相比降低三至五成；而2014年全年降水量相對基本持平，但7月、8月、11月降水量明顯偏多。

一季度和四季度發(fā)電量較少，其中，一季度為枯水期，水庫運(yùn)行根據(jù)電網(wǎng)和下游城市生活、工業(yè)用水綜合利用等實際情況，合理控制運(yùn)用，以充分發(fā)揮水庫綜合利用效益；而三季度過后，隨著全省降水量大幅減少，到四季度水庫再次迎來枯期，以抗旱用水為主控制發(fā)電，多年調(diào)節(jié)水庫參與電網(wǎng)調(diào)峰和事故備用。

而風(fēng)電各月出力情況與水電趨勢形成鮮明對比，2013年和2014年，風(fēng)電發(fā)電情況都呈現(xiàn)出秋冬季多，春夏季少的特點。其中，風(fēng)電高發(fā)出現(xiàn)在9月至次年2月期間，而夏季尤其是5～7月，風(fēng)電發(fā)電量幾乎僅為全年風(fēng)電高發(fā)時段的三成左右。

江西省水電大發(fā)基本都是在豐水期，即第一季度剛過，降雨量增加、水庫開始蓄水，因此，從3月開始水電出力呈現(xiàn)出明顯上升趨勢，而隨著第四季度降雨量減少、水庫水位降低，為保證下游日常用水用電安全，水電開始減少出力。而風(fēng)電則剛好呈現(xiàn)出相反趨勢，隨著秋季開始全省風(fēng)力增加，風(fēng)電出力逐漸上升，直到次年2月風(fēng)電都會呈現(xiàn)出高發(fā)趨勢。

據(jù)統(tǒng)計，2014年發(fā)電利用小時數(shù)為4501小時，其中，水電2319小時，風(fēng)電1869小時。一年中，風(fēng)電發(fā)電量最大的月份為2月、發(fā)電量最小的月份為7月，最小發(fā)電月的發(fā)電量為最大發(fā)電月的30%左右。

4 風(fēng)電日出力特性分析及對電網(wǎng)的影響

風(fēng)電出力日特性是指由于日內(nèi)不同時段光照、氣溫等影響，風(fēng)速在日內(nèi)各時段統(tǒng)計意義上的大小不同而導(dǎo)致風(fēng)電出力在日內(nèi)的相對變化規(guī)律。根據(jù)《2014年江西電網(wǎng)年度運(yùn)方報告》及《江西省2013-2014年度電場整點負(fù)荷統(tǒng)計》數(shù)據(jù)，從中選取了位于風(fēng)資源密集區(qū)域的鄱陽湖/九江地區(qū)的吉山風(fēng)電場為例，對其年度日出力情況進(jìn)行分析，具體情況如下：

吉山風(fēng)電場目前總裝機(jī)容量為96MW，其中，2013年7月底投產(chǎn)8臺2MW風(fēng)機(jī)，總功率16MW，同年8月中旬再投運(yùn)40臺2MW風(fēng)機(jī)，風(fēng)電場總裝機(jī)達(dá)到96M。據(jù)統(tǒng)計，由2013年8月至2014年8月期間，吉山風(fēng)電場發(fā)電情況，風(fēng)電最大平均出力出現(xiàn)在19：00—23：00，最小平均出力出現(xiàn)在10：00—14：00，該區(qū)域風(fēng)電夜間平均出力大于白天，風(fēng)電日內(nèi)平均出力曲線與負(fù)荷曲線的趨勢相反，因此，可以推斷，風(fēng)電在白天具有較大概率的反調(diào)峰特性；從傍晚19：00至次日凌晨1：00期間，風(fēng)電的出力與負(fù)荷變化趨勢相同，由此可推斷，風(fēng)電在傍晚至夜間期間具有較大概率的正調(diào)峰特性。

通過對同一區(qū)域不同季節(jié)風(fēng)電的發(fā)電情況進(jìn)行分析，同以吉山風(fēng)電場為例。第一季度（2014年3-5月）、第二季度（2014年6-8月），日均發(fā)電趨勢較平穩(wěn)，全天各時段出力波動性不大；從第三季度（2013年9-11月）、第四季度（2013年12月-2014年2月）開始，風(fēng)電在白天呈現(xiàn)明顯的反調(diào)峰特性，而進(jìn)入傍晚時段，呈現(xiàn)出正調(diào)峰特性。

5 結(jié)論

不論是風(fēng)電還是水電，其年度發(fā)電趨勢都與氣候及地理位置等因素密切相關(guān)，由于其氣候及風(fēng)資源條件的影響導(dǎo)致江西省風(fēng)能資源總體呈現(xiàn)出秋冬季大、春夏季小的特點，而降水呈現(xiàn)出春夏季大、秋冬季少的特點，因此，江西省風(fēng)電出力也呈現(xiàn)出枯大、豐小的典型特征，風(fēng)電與水電從年度發(fā)電趨勢上基本可實現(xiàn)互補(bǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

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