地區(qū)電網(wǎng)風(fēng)電水電互補(bǔ)的特性分析

姚俊偉，張燕，楊星磊，金蕭，項(xiàng)川，何奇

（囯網(wǎng)宜昌供電公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究所，湖北 宜昌 443000）

1 引言

風(fēng)電與水電的產(chǎn)生都是通過(guò)現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)，將風(fēng)與水等自然元素所具備的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，該過(guò)程無(wú)需燃燒，不會(huì)對(duì)大氣中排放污染物質(zhì)，并且風(fēng)能與水能是自然中取之不盡用之不竭的，因此風(fēng)電與水電被稱為可再生的清潔能源。風(fēng)電與水電具有地域性與季節(jié)性的特性，風(fēng)電的獲取受到地理地形的環(huán)境影響程度較大，并且其還存在較高的波動(dòng)性；水電的獲取則要與季節(jié)特性以及江河的地理分布情況來(lái)進(jìn)行結(jié)合。

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的背景下，國(guó)內(nèi)對(duì)于能源的需求程度也在不斷提升，傳統(tǒng)的能源供給模式已經(jīng)無(wú)法滿足日益提升的能源需求，因此需要加快在新能源領(lǐng)域的發(fā)展，以滿足國(guó)能能源需求的同時(shí)，也能夠符合我國(guó)政策所提出的可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)發(fā)展觀標(biāo)準(zhǔn)。在新能源的發(fā)展領(lǐng)域中，自然能源的占比程度不斷提升，為電力系統(tǒng)的并網(wǎng)提出了新的要求，結(jié)合目前所考慮的解決方式，為使水電與風(fēng)電協(xié)調(diào)運(yùn)行，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行常規(guī)調(diào)控管理。在對(duì)水電與風(fēng)電協(xié)調(diào)運(yùn)行的方案進(jìn)行研究的過(guò)程中，需要首先了解其原理與特性，以及相互之間的聯(lián)系與區(qū)別，進(jìn)而使兩者形成互補(bǔ)，相互進(jìn)行電量與容量的補(bǔ)償。

2 風(fēng)力發(fā)電的特性分析

風(fēng)電產(chǎn)生的效率跟風(fēng)速有直接聯(lián)系，而風(fēng)速則與地理特征、氣候特征等因素有關(guān)，同時(shí)也受到時(shí)空因素的影響，根據(jù)時(shí)間尺度的差異，對(duì)風(fēng)速的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)也不同。圖1展示了風(fēng)速變化過(guò)程中的頻譜、頻率統(tǒng)計(jì)圖，圖中天氣峰值的形成主要是由于氣候變化所造成，圖中的日峰值則是由于溫度的影響所形成。一般情況下，對(duì)于規(guī)模越大的風(fēng)電場(chǎng)，其變化的時(shí)間尺度等級(jí)越小，分鐘級(jí)別以下的變化程度較大，湍流峰值就是與該等級(jí)的時(shí)間尺度相對(duì)應(yīng)。

圖1 風(fēng)速變化時(shí)的功率頻譜圖

由于風(fēng)電功率與風(fēng)速有直接聯(lián)系，學(xué)術(shù)界對(duì)于風(fēng)速進(jìn)行深入研究后建立了多種模型，其中有Weibull、Rayleigh等，Weibull是對(duì)風(fēng)速分布進(jìn)行模擬測(cè)量，能夠通過(guò)現(xiàn)代軟件來(lái)進(jìn)行計(jì)算與統(tǒng)計(jì)，其在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的表現(xiàn)較好。HOMER軟件能夠?qū)︼L(fēng)電場(chǎng)的Weibull概率進(jìn)行分析與統(tǒng)計(jì)，并且能夠通過(guò)曲線圖來(lái)展現(xiàn)，該曲線能夠有效統(tǒng)計(jì)風(fēng)速的分布性與隨機(jī)性概率。為了便于研究，本文對(duì)風(fēng)速概率與Weibull的關(guān)系進(jìn)行假設(shè)，假設(shè)前者服從后者的情況下，能夠構(gòu)建概率密度函數(shù)的算式，具體如式（1）所示：

上式中，v、c、k分別表示風(fēng)速以及Weibull分布的尺寸參數(shù)與形狀參數(shù)，k值的范圍為1.5～3。風(fēng)速的分布計(jì)算式如下：

由于風(fēng)能具備較大程度的隨機(jī)性與分布性，因此風(fēng)電機(jī)組的輸出功率不具備穩(wěn)定性，其數(shù)值的表現(xiàn)形式為分段函數(shù)，當(dāng)風(fēng)速與風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)切入風(fēng)速不能匹配時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率為零。當(dāng)風(fēng)速小于切出風(fēng)速，并且大于額定風(fēng)速的狀態(tài)下，風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率為額定狀態(tài)。

表1 風(fēng)電與水電在協(xié)調(diào)運(yùn)行中所具備的互補(bǔ)內(nèi)容

3 風(fēng)水互補(bǔ)特性分析

風(fēng)能的產(chǎn)生效率主要由風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率決定，風(fēng)電場(chǎng)輸出功率與風(fēng)速以及裝機(jī)類型的關(guān)系較為緊密，同時(shí)波動(dòng)幅度也較大。水電站能夠發(fā)電的同時(shí)，還能夠進(jìn)行防洪灌溉，并且輸出功率也受到河流以及環(huán)境氣候的影響，其也具備一定程度的波動(dòng)性。

隨著科技的發(fā)展，可再生能源發(fā)電將成為未來(lái)能源的主流趨勢(shì)，因此需要各種不同類型的可再生能源進(jìn)行相互協(xié)調(diào)，共同為國(guó)家能源供給來(lái)服務(wù)。在可再生能源中，水電與風(fēng)電就具有較好的互補(bǔ)條件，被能源行業(yè)與社會(huì)各界所重視。國(guó)際能源機(jī)構(gòu)在對(duì)二者進(jìn)行深入研究分析后指出，需要通過(guò)制定相應(yīng)的實(shí)施協(xié)議方案來(lái)發(fā)展集成系統(tǒng)項(xiàng)目。由于我國(guó)地大物博，在風(fēng)電與水電的發(fā)展上具有一定優(yōu)勢(shì)，并且東北地區(qū)具備同時(shí)開(kāi)發(fā)兩種可再生能源的特質(zhì)，能夠有效開(kāi)展風(fēng)水聯(lián)合調(diào)度的研究。并且國(guó)家政府對(duì)該項(xiàng)研究也較為重視，通過(guò)設(shè)立多項(xiàng)重大科技項(xiàng)目來(lái)促進(jìn)風(fēng)電與水電的聯(lián)合發(fā)展。

風(fēng)電與水電之所以能夠進(jìn)行聯(lián)合互補(bǔ)發(fā)展，主要因?yàn)槎呔邆漭^大的時(shí)空差異，具體的差異有季節(jié)差異與調(diào)節(jié)技術(shù)差異，因此能夠進(jìn)行有效的互補(bǔ)。表1展示了風(fēng)電與水電在協(xié)調(diào)運(yùn)行中所具備的互補(bǔ)。

（1）季節(jié)互補(bǔ)性。自然資源都具有一定的季節(jié)性影響，同樣風(fēng)電與水電也不例外，在我國(guó)夏季的風(fēng)速要比冬季小，并且降水比冬季充沛，因此夏季的季節(jié)特性使得風(fēng)能較小而水電較為充分，而冬季則是風(fēng)電充分，水電發(fā)電量不足。水電還存在豐水期與枯水期因素的影響，不同的水期直接影響到水流量與發(fā)電量，水電當(dāng)?shù)厝盏乃髁勘容^穩(wěn)定，屬于日級(jí)波動(dòng)較小的狀態(tài)。風(fēng)電的波動(dòng)屬于小時(shí)級(jí)別，在日內(nèi)的波動(dòng)幅度較大。水電與風(fēng)電相互協(xié)調(diào)能夠?qū)Σ▌?dòng)性進(jìn)行互補(bǔ)。圖2展示了克什克騰旗地區(qū)水電與風(fēng)電的季節(jié)互補(bǔ)表現(xiàn)，從兩圖曲線來(lái)看，互補(bǔ)關(guān)系非常明顯。

（2）技術(shù)特性互補(bǔ)。水電發(fā)電站在修建時(shí)都具備蓄水的功能，通過(guò)對(duì)水量的儲(chǔ)備能夠間接對(duì)電能進(jìn)行儲(chǔ)備。通過(guò)蓄水能夠使水電站較好的應(yīng)對(duì)時(shí)間較短的波動(dòng)，使得水電與風(fēng)電結(jié)合時(shí)，在風(fēng)能較大使得風(fēng)電輸出效率提升的情況下，可以讓水電站進(jìn)行蓄水，而風(fēng)能變小使得風(fēng)電的輸出效率降低的情況下，可以通過(guò)防水提升水電輸出，這樣可以形成較為規(guī)律的循環(huán)，從而一直保持穩(wěn)定的總輸出功率。

圖2 內(nèi)蒙古克什克騰旗地區(qū)風(fēng)電與水電在季節(jié)上的互補(bǔ)性

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)風(fēng)能與水能發(fā)電進(jìn)行概述，并對(duì)二者的功率特性進(jìn)行了分析，在前任的研究基礎(chǔ)上，通過(guò)風(fēng)能發(fā)電的相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)Weibull分布的合理性進(jìn)行了分析與驗(yàn)證，根據(jù)風(fēng)速Weibull分布對(duì)各種尺度標(biāo)準(zhǔn)與形狀參數(shù)的風(fēng)電功率進(jìn)行了計(jì)算分析。在對(duì)風(fēng)電規(guī)模不斷提升而出現(xiàn)的并網(wǎng)與消納問(wèn)題上，提出了對(duì)目前風(fēng)電與水電進(jìn)行相互協(xié)調(diào)互補(bǔ)的構(gòu)想方案，并對(duì)風(fēng)電與水電結(jié)合的客觀可行性與互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)特性進(jìn)行了分析，其中對(duì)風(fēng)電與水電的季節(jié)性互補(bǔ)以及技術(shù)特性互補(bǔ)方面的內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)分析。通過(guò)風(fēng)電與水電的協(xié)同運(yùn)行，能夠有效解決現(xiàn)階段存在的風(fēng)電消納問(wèn)題。