青海電網風電與光伏互補特性研究

姬生才 張娉 馬雪

青海省太陽能資源豐富，按全國風能資源分區(qū)劃分標準屬于Ⅳ類資源區(qū)。近年來，青海省光伏、風電發(fā)展迅速。截至2016年年底，青海光伏并網發(fā)電裝機容量為6814MW，占全網電源總裝機容量的29.7%。已開發(fā)的光伏裝機規(guī)模中，94%分布在海西州和海南州;風電裝機容量為685MW，其中，海西州已建成并網風電項目666.5MW，占全省風電總裝機容量的97%。根據(jù)青海省“十三五”能源發(fā)展規(guī)劃，至2020年年底，青海光伏裝機容量將達到24000MW，風電裝機容量將達到7110MW。風電、光伏發(fā)電出力存在間歇性、波動性和隨機性等特點，隨著青海省風電、光伏并網規(guī)模的增大，其給電力系統(tǒng)電網建設、電源結構配置和運行調度模式等帶來新的挑戰(zhàn)，應對風、光互補特性進行研究，以使青海電網更好地消納新能源以及電力系統(tǒng)可調節(jié)電源更好地配合風、光穩(wěn)定運行。

目前，國內學者主要對風、光典型日出力過程的互補特性進行了研究，但對風、光一個完整年出力過程的互補特性研究相對較少。本文將從電量效益和電力效益兩個方面提出風、光互補特性指標，對青海電網2020年風、光一個完整年逐時出力過程進行互補特性分析，以期提高風電、光伏利用效率，促進電網對風電、光伏電量消納，促進我國風電、光伏可持續(xù)健康發(fā)展，保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

基礎數(shù)據(jù)

規(guī)劃水平年（2020年）光伏出力是根據(jù)多年平均8760h太陽輻射數(shù)據(jù)，綜合光伏組件和逆變器類型、運行方式及系統(tǒng)效率等因素，以裝機規(guī)模10MW光伏電站為基礎，模擬分析青海省各縣市光伏電站出力。然后根據(jù)10MW光伏電站出力，按照各縣市2020年規(guī)劃裝機規(guī)模，計算得到各縣市總出力，進而得出規(guī)劃水平年區(qū)域逐時出力。

規(guī)劃水平年（2020年）風電出力是根據(jù)規(guī)劃地區(qū)完整年逐10分鐘實測風速數(shù)據(jù)及規(guī)劃基地數(shù)字化地形圖，結合推薦機型在當?shù)乜諝饷芏认碌墓β是€，以裝機規(guī)模50MW風電場為基礎，采用WindSim7.0軟件推算得到各縣市50MW風電場出力。然后按照2020年各縣市規(guī)劃裝機規(guī)模，計算得到各縣市總出力，進而得出區(qū)域逐時出力。

風光互補特性指標

風電和光伏發(fā)電出力過程均具有不可調控性，兩者之間為自然互補。為研究風電、光伏之間互補性，結合風電、光伏的發(fā)電出力特性，本文從電量效益和電力效益兩個方面進行風、光互補特性分析。

一、電量效益指標

風電、光伏之間互補后的電量效益可通過年利用小時數(shù)、累積電量占比95%時出力系數(shù)、年不均衡系數(shù)、月發(fā)電量標幺值以及日發(fā)電量平滑效應等指標進行研究分析。

二、電力效益指標

風、光互補后的電力效益可通過最大出力、光伏大發(fā)時刻11時-16時保證率95%的逐時出力、最大日調峰需求、出力變率等指標反映。青海風光互補特性計算與分析

青海省太陽能、風能等清潔能源開發(fā)布局主要集中在海西州、海南州——兩者均為千萬千瓦級可再生能源基地。為系統(tǒng)分析青海風、光互補特性，將風、光原始出力數(shù)據(jù)疊加，按照擬定的風、光互補特性指標，對海西州、海南州及青海全省的風、光互補特性進行分析。

一、海西州風光互補特性

根據(jù)青海省“十三五”能源發(fā)展規(guī)劃，海西州2020年光伏裝機規(guī)模達到6960MW，風電裝機規(guī)模達到2940MW，光伏裝機規(guī)模與風電裝機規(guī)模比例為2.5：1。

（一）電量互補效益

海西州2020年風、光互補后的電量效益見表3。由表可得，互補后的年利用小時數(shù)為1855h左右：累積電量占比95%時出力系數(shù)為50%左右（見圖1），相比互補前光伏下降13%;年不均衡系數(shù)為0.15，相比互補前風電下降0.09，月發(fā)電量波動減小，平滑了季節(jié)性月均出力不均（見圖2）：月不均衡系數(shù)為0.25，相比互補前風電下降0.3，日發(fā)電量波動減小。另外，風、光互補后光伏小發(fā)時，風電一般為大發(fā)或平發(fā);風電小發(fā)時，光伏一般為大發(fā)或平發(fā)，風、光同時小發(fā)的天數(shù)幾乎為0（見表4）。海西州2020年風、光在氣象上具有一定的互補性。

（二）電力互補效益

海西州2020年風、光互補后的電力效益指標見表5。由表可得，海西州2020年風、光互補后最大出力相對互補前風、光最大出力之和下降4.1%左右：11時-16時逐時保證率95%時出力為2013～2823MW，相比互補前光伏增加469～501MW，增加了保證出力大小：最大日調峰需求為0.85，相比互補前光伏最大日調峰需求下降0.07，降低了調峰需求;裝機容量±20%內逐時出力變率為99.27%，相比互補前光伏增加7.5%左右，出力更加集中，波動性減?。ㄒ妶D3）。海西州風、光2020年具有一定的互補性。

二、海南州風光互補特性

根據(jù)青海省“十三五”能源發(fā)展規(guī)劃，海南州2020年光伏裝機規(guī)模達到15515MW，風電裝機規(guī)模達到4060MW，光伏裝機規(guī)模與風電裝機規(guī)模比例為3.8：1。

（一）電量互補效益

海南州2020年風、光互補后的電量效益見表6。由表可得，互補后的年利用小時數(shù)為1713h左右：累積電量占比95%時出力系數(shù)為57%左右（見圖4），相比互補前光伏下降12%左右;年不均衡系數(shù)為0.09，相比互補前風電下降0.19，月發(fā)電量波動減小，平滑了季節(jié)性月均出力不均（見圖5）：月不均衡系數(shù)為0.33，相比互補前風電下降0.41，日發(fā)電量波動減小。另外，風、光互補后，光伏小發(fā)時，風電主要為大發(fā)或平發(fā);風電小發(fā)時，光伏一般為大發(fā)或平發(fā)，風、光同時小發(fā)的天數(shù)較少，為14天（見表7）。海南州2020年風、光在氣象上具有一定的互補性。

（二）電力互補效益

海南州2020年風、光互補后的電力效益統(tǒng)計結果見表8。由表可得，互補后的最大出力相對互補前風、光最大出力之和下降4.5%左右：11時-16時逐時保證率95%時出力為2437～3233MW，相比互補前光伏增加1196～1273MW，增加了保證出力大?。汉Ｄ现蒿L電和光伏開發(fā)布局集中，互補后的最大日調峰需求為0.95，相比互補前光伏最大日調峰需求下降0.05，降低了調峰需求：裝機容量±20%內逐小時出力變率為95.83%，相比互補前光伏增加9.5%左右，出力更加集中，波動性減小（見圖6）。海南州風、光2020年具有一定的互補性。

三、青海省風光互補特性

根據(jù)青海省“十三五”能源發(fā)展規(guī)劃，2020年光伏裝機規(guī)模達到24000MW，風電裝機規(guī)模達到7110MW，光伏裝機規(guī)模與風電裝機規(guī)模比例為3.4：1。

（一）電量互補效益

青海省2020年風、光互補后的電量效益指標見表9。由表可得，互補后的年利用小時數(shù)為1757h左右：累積電量占比95%時出力系數(shù)為52%左右（見圖7），相比互補前光伏下降12%左右;年不均衡系數(shù)為0.1，相比互補前風電下降0.08，月發(fā)電量波動減小，平滑了季節(jié)性月均出力不均（見圖8）：月不均衡系數(shù)為0.23，相比互補前風電下降0.25，日發(fā)電量波動減小。另外，風、光互補后，光伏小發(fā)時，風電主要為大發(fā)或平發(fā);風電小發(fā)時，光伏一般為大發(fā)或平發(fā)，風、光同時小發(fā)的天數(shù)較少，僅為1天（見表10）。青海省2020年風、光在氣象上具有一定的互補性。

（二）電力互補效益

青海省2020年風、光互補后的電力效益指標見表11。由表可得?；パa后的最大出力相比互補前風、光電最大出力之和下降8%左右：11時-16時逐時保證率95%時出力為6736～8578MW，相比互補前光伏增加1747～1783MW，增加了保證出力大?。菏芎Ｄ吓c海西地區(qū)風、光互補作用，互補后的最大日調峰需求為0.82，相比互補前光伏最大日調峰需求下降0.14，降低了調峰需求;裝機容量±20%內逐小時出力變率為98.42%，相比互補前光伏增加8.4%左右，出力更加集中，波動性減?。ㄒ妶D9）。青海省風、光2020年具有一定的互補性。

結論

光伏和風電出力過程均具有不可調控性，相較而言，光伏有明顯的晝夜更替并且出力平穩(wěn)，風電則每日的出力過程變化隨機。本文結合光伏、風電發(fā)電出力特性，從電量效益和電力效益兩個方面提出風、光互補特性指標，并對青海海西州、海南州及全省2020年風、光互補特性進行計算分析。結果表明，風、光互補后的累積電量占比95%時，出力系數(shù)相比互補前光伏降低約12%，風、光同時小發(fā)的天數(shù)顯著低于僅光伏小發(fā)或風電小發(fā)的天數(shù)：互補后的最大出力小于互補前風、光電最大出力之和，提高了保證出力，裝機容量±20%范圍內出力頻率增加，出力更加集中。由此可以看出，青海省風、光在電量和電力效益方面均具有一定的互補特性。