灰色絕對關(guān)聯(lián)度在風(fēng)光互補特性分析中的應(yīng)用

姬生才,王昭亮,牛子曦

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

風(fēng)電出力具有極強的隨機性、間歇性以及波動性的特點[1]，光伏出力也具有一定的波動性[2-3]。在風(fēng)光電大規(guī)模并網(wǎng)時，風(fēng)光電隨機性、波動性將對電力系統(tǒng)運行及調(diào)峰特性造成較大影響，甚至可能影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行[4]。風(fēng)電和光伏出力過程均具有不可調(diào)控性，但光伏出力的規(guī)律性比風(fēng)電要強，有明顯的晝夜更替和相對平穩(wěn)的特性，而風(fēng)電出力過程隨機變化較大沒有規(guī)律可循，所以風(fēng)電與光伏出力之間互補為自然互補，風(fēng)光以互補形式接入電網(wǎng)，可以彌補風(fēng)資源和光資源間歇性所帶來的損失[5]。

中國學(xué)者已從不同角度采用不同方法對風(fēng)光互補特性進行了研究：劉波[6]、李海英[7]從風(fēng)光輸出功率特性和電量角度，研究分析了風(fēng)光在時間上的互補特性；王淑娟等[8-9]通過構(gòu)建風(fēng)光復(fù)合出力模型，研究了風(fēng)光復(fù)合出力特性；趙繼超等[10-12]基于Copula理論，分析了同一地區(qū)風(fēng)光電互補后出力聯(lián)合概率分布特性，并從風(fēng)光電出力的相關(guān)性分析了互補特性；吳興泉[13]基于標準差定義及公式，引入互補率指標描述風(fēng)光互補特性；王社亮等[14]基于風(fēng)光電1 a出力過程，采用最大出力、累積電量占比95%時出力系數(shù)等指標分析風(fēng)光互補特性。目前，風(fēng)光電互補特性研究多針對典型日出力特性分析，而對1 a出力資料研究相對較少。因此，本文將基于風(fēng)電、光伏1 a出力過程資料，引入灰色絕對關(guān)聯(lián)度，全面分析風(fēng)光電互補特性，以期為電力系統(tǒng)其他可調(diào)電源配合風(fēng)光電運行提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 基本資料

根據(jù)青海省電力公司調(diào)度部門提供已建風(fēng)光電站2015年1—12月逐15 min歷史出力資料，參照已建電站規(guī)模及布局，從電站位置、年出力正常性、完整性、可靠性等方面，選取已建代表光伏電站、風(fēng)電場進行風(fēng)光互補特性分析，見表1。

表1 光伏電站、風(fēng)電場基本情況表

2 灰色絕對關(guān)聯(lián)度

灰色關(guān)聯(lián)度是灰色理論的重要組成部分，也是灰色系統(tǒng)分析、預(yù)測和決策的基礎(chǔ)[15]，其基本思想是根據(jù)序列曲線幾何形狀來判斷不同序列之間的聯(lián)系緊密程度[16-17]，具有樣本數(shù)據(jù)不需要特定分布形式，計算方法簡便、工作量小，定量分析結(jié)果與定性分析結(jié)果一致，適用范圍廣的優(yōu)勢[18]。

自鄧聚龍教授提出灰色關(guān)聯(lián)分析模型[19]以來，梅振國又提出了灰色絕對關(guān)聯(lián)度[20]，克服了鄧氏關(guān)聯(lián)度需要確定分辨系數(shù)的不足?；疑^對關(guān)聯(lián)度是根據(jù)兩時間序列在各時段變化態(tài)勢的接近程度來判斷兩曲線的相似程度，算法如下：

設(shè)序列1為X1={X1(k)，k=1，2,…,n}，序列2為X2={X2(k)，k=1，2,…,n}。

(1) 無量綱化

為消除序列量綱和量級對分析影響，增加兩序列的可比性，需要進行無量綱化處理。本次選用灰色關(guān)聯(lián)分析中常用的無量綱化方法均值法。

(1)

(2)

(2) 一次累減

求出序列1和序列2各時段的斜率大小。

α[y1(k+1)]=y1(k+1)-y1(k)

(3)

α[y2(k+1)]=y2(k+1)-y2(k)

(4)

式中：k=1，2,…,n-1。

(3) 計算各時段關(guān)聯(lián)系數(shù)

(5)

式中：ξ1,2為序列1與序列2之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)；k=1，2,…,n-1。

(4) 計算關(guān)聯(lián)度

關(guān)聯(lián)度的大小表征序列間的相似程度，關(guān)聯(lián)度越大，兩者相似性越高，即序列所對應(yīng)電源間互補性越小。關(guān)聯(lián)度計算公式如下：

(6)

式中：γ1,2為序列1與序列2之間的關(guān)聯(lián)度。

3 互補特性計算與分析

光伏、風(fēng)電及風(fēng)光之間互補為自然互補，可采用最大出力、累積電量占比95%時出力系數(shù)等常規(guī)互補特性指標分析。另外，本次研究引入了灰色絕對關(guān)聯(lián)度對風(fēng)光互補全過程進行分析，而且考慮到青?？烧{(diào)節(jié)電源中水電比例較大，選擇在水電豐水期(7月)、枯水期(12月)的光伏、風(fēng)電連續(xù)3 d典型出力過程，以說明光伏、風(fēng)電及其之間出力互補情況。

3.1 光伏之間互補特性分析

青海德令哈與錫鐵山地區(qū)同規(guī)模光伏電站之間互補后年發(fā)電量為互補前光伏電站發(fā)電量之和，但互補后最大出力相比互補前光伏電站最大出力之和減小3.6%，累積電量占比95%時出力系數(shù)相比錫鐵山地區(qū)光伏電站降低4.5%。同時，德令哈與錫鐵山地區(qū)光伏電站之間的灰色絕對關(guān)聯(lián)度為0.896，灰色絕對關(guān)聯(lián)度數(shù)值較大，進一步說明德令哈與錫鐵山地區(qū)光伏電站之間互補性較小，見表2。德令哈與錫鐵山地區(qū)雖屬于不同地區(qū)，但光伏出力在時間上存在很強同步性，見圖1～2。德令哈與錫鐵山光伏電站互補前后月發(fā)電量占年均發(fā)電量比例，見圖3，互補后月發(fā)電量變化范圍較互補前變小。

表2 德令哈與錫鐵山地區(qū)同規(guī)模光伏電站之間互補特性指標

圖1 德令哈與錫鐵山地區(qū)同規(guī)模光伏電站7月1—3日出力過程圖

圖2 德令哈與錫鐵山地區(qū)同規(guī)模光伏電站12月1—3日出力過程圖

圖3 德令哈與錫鐵山地區(qū)同規(guī)模光伏電站互補前后月發(fā)電變化圖

3.2 風(fēng)電之間互補特性分析

青海都蘭與錫鐵山地區(qū)同規(guī)模風(fēng)電場之間互補后年發(fā)電量為互補前風(fēng)電場發(fā)電量之和，但互補后最大出力相比互補前風(fēng)電場最大出力之和減小4.0%，累積電量占比95%時出力系數(shù)相比錫鐵山地區(qū)風(fēng)電場降低10.1%。同時，都蘭與錫鐵山地區(qū)風(fēng)電場之間的灰色絕對關(guān)聯(lián)度為0.841，相比德令哈與錫鐵山地區(qū)光伏電站之間數(shù)值減小，進而說明都蘭與錫鐵山地區(qū)風(fēng)電場之間具有一定的互補性，見表3。都蘭與錫鐵山地區(qū)風(fēng)電場受地域風(fēng)資源差異，其出力在時間上存在一定的不同步性，見圖4～5。都蘭與錫鐵山地區(qū)風(fēng)電場互補前后月發(fā)電量占年均發(fā)電量比例見圖6，互補后月發(fā)電量變化范圍顯著變小。

表3都蘭與錫鐵山地區(qū)同規(guī)模風(fēng)電場之間互補特性指標

圖4 都蘭與錫鐵山地區(qū)同規(guī)模風(fēng)電場7月1—3日出力過程圖

圖5 都蘭與錫鐵山地區(qū)同規(guī)模風(fēng)電場12月1—3日出力過程圖

3.3 風(fēng)光之間互補特性分析

青海錫鐵山地區(qū)同規(guī)模風(fēng)光電互補后年發(fā)電量為互補前風(fēng)光電發(fā)電量之和，但互補后最大出力相比互補前風(fēng)電、光電最大出力之和減小4.3%，累積電量占比95%時出力系數(shù)相比光伏電站降低24.5%。同時，錫鐵山地區(qū)風(fēng)光電之間的灰色絕對關(guān)聯(lián)度為0.828，比都蘭與錫鐵山地區(qū)風(fēng)電之間的灰色絕對關(guān)聯(lián)度減小，進而說明風(fēng)光電在時間上具有一定的互補性，見表4。

項目裝機容量/MW年發(fā)電量/萬kWh年利用小時數(shù)/h最大出力/MW累積電量95%時出力系數(shù)灰色絕對關(guān)聯(lián)度互補前風(fēng)電49.511836 239150.20.79-光伏508610172246.80.66-互補后99.520445 2055 92.8 0.53 0.828

德令哈地區(qū)光伏電站與錫鐵山地區(qū)風(fēng)電場互補后年發(fā)電量為互補前風(fēng)光電發(fā)電量之和，但互補后最大出力相比互補前風(fēng)電、光電最大出力之和減小7.2%，累積電量占比95%時出力系數(shù)相比光伏降低26.9%，且小于錫鐵山地區(qū)風(fēng)光電互補后累積電量占比95%時出力系數(shù)。同時，德令哈地區(qū)光伏電站與錫鐵山地區(qū)風(fēng)電場之間的灰色絕對關(guān)聯(lián)度為0.814，比錫鐵山地區(qū)風(fēng)光電之間的灰色絕對關(guān)聯(lián)度減小，進而說明不同地區(qū)風(fēng)光電在時間和空間上均具有一定的互補性，且互補性優(yōu)于同地區(qū)風(fēng)光電互補性(見表5)。

表5 德令哈某一光伏電站與錫鐵山某一風(fēng)電場互補特性指標

由圖7～10進而可以看出，風(fēng)電與光伏出力過程在時間上不同步，而且在地域上存在差異，所以，風(fēng)電與光伏在時間和空間上均具有一定的互補性。

青海錫鐵山地區(qū)和德令哈地區(qū)與錫鐵山地區(qū)同規(guī)模風(fēng)光電互補前后月發(fā)電量占年均發(fā)電量比例變化分別見圖11～12。由圖11、12可以看出，風(fēng)光互補后月發(fā)電量占年均發(fā)電量比例顯著降低。

圖7 錫鐵山地區(qū)風(fēng)光電7月1—3日出力過程圖

圖8 錫鐵山地區(qū)風(fēng)光電12月1—3日出力過程圖

圖9 德令哈地區(qū)光伏電站與錫鐵山風(fēng)電場7月1—3日出力過程圖

圖10 德令哈地區(qū)光伏電站與錫鐵山風(fēng)電場12月1—3日出力過程圖

4 結(jié) 語

風(fēng)電和光伏出力具有一定的隨機性、間歇性及波動性等特性，出力過程具有不可調(diào)控性，但光伏出力的規(guī)律性比風(fēng)電要強，有明顯的晝夜更替和相對平穩(wěn)的特性，而風(fēng)電出力過程隨機變化較大沒有規(guī)律可循，所以風(fēng)電與光伏出力之間互補為自然互補。

圖11 錫鐵山地區(qū)風(fēng)光電互補前后月發(fā)電量變化圖

圖12 德令哈地區(qū)光伏電站與錫鐵山風(fēng)電場互補前后月發(fā)電量變化圖

灰色絕對關(guān)聯(lián)度具有計算方法簡便、工作量小，定量分析結(jié)果與定性分析結(jié)果一致，適用范圍廣的優(yōu)勢，經(jīng)對青海省光伏電站之間、風(fēng)電之間及風(fēng)光電之間的常規(guī)互補特性指標和灰色絕對關(guān)聯(lián)度計算分析，光伏電站之間的灰色絕對關(guān)聯(lián)度較大，而風(fēng)電之間的灰色絕對關(guān)聯(lián)度比光伏較小，而且不同地區(qū)風(fēng)光電之間的灰色絕對關(guān)聯(lián)度比同地區(qū)小，進而說明青海光伏電站之間的互補性較小，風(fēng)電之間的互補性優(yōu)于光伏電站之間互補性，不同地區(qū)風(fēng)光電之間互補性大于同地區(qū)?；疑^對關(guān)聯(lián)度計算分析結(jié)果與常規(guī)互補特性指標分析結(jié)果一致，因此，灰色絕對關(guān)聯(lián)度在光伏之間、風(fēng)電之間及風(fēng)光之間互補性分析方面具有一定的適用性，而且計算方法簡便，結(jié)果直觀明了。