地市區(qū)域風(fēng)電出力特性分析

彭有福 李鵬 喻琢舟等

摘 要：收集廣東北部某地市2017年1月-2018年8月風(fēng)電實(shí)際出力運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)該市風(fēng)電出力的季節(jié)特性、日特性、出力波動(dòng)率、出力概率區(qū)間、保證容量和有效出力等指標(biāo)進(jìn)行分析，為該市的電力系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電;出力特性;保證容量;有效出力

0 前言

風(fēng)電產(chǎn)業(yè)是我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，風(fēng)力發(fā)電是可再生能源領(lǐng)域中技術(shù)成熟、最具規(guī)模開發(fā)條件的發(fā)電方式之一。積極有序開發(fā)風(fēng)能資源，對(duì)于增加清潔能源供應(yīng)、促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和節(jié)能減排具有重要意義[1]。本文研究的地市區(qū)域位于廣東北部山區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)性氣候，冬半年受北方冷空氣影響，盛行東北季風(fēng)，天氣較為干冷;夏半年則為季風(fēng)低壓、熱帶氣旋外圍環(huán)流所影響，盛行西南和東南季風(fēng)，高溫多雨;區(qū)域的風(fēng)能資源較為豐富。根據(jù)《廣東省陸上風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃（2016-2030年）》成果，至2020年底該市將規(guī)劃建成陸上風(fēng)電總裝機(jī)容量80萬千瓦，至2030年底陸上風(fēng)電總裝機(jī)容量200萬千瓦。

該市風(fēng)電資源待開發(fā)規(guī)模較大，但開發(fā)時(shí)間較晚（第一座風(fēng)電場(chǎng)的投運(yùn)時(shí)間為2016年11月），且對(duì)風(fēng)電出力數(shù)據(jù)研究較少。本文收集2017年1月1日～2018年8月31日（時(shí)間間隔為15分鐘）共計(jì)58368個(gè)時(shí)間點(diǎn)的風(fēng)電出力數(shù)據(jù)，基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法分析該市風(fēng)電的季節(jié)特性、日特性、出力波動(dòng)率、出力概率區(qū)間、保證容量和有效出力，共6個(gè)風(fēng)電出力特性評(píng)價(jià)指標(biāo)，為該市的電力系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行提供參考依據(jù)。

1 風(fēng)電出力特性

1.1 季節(jié)特性

分別對(duì)該市的風(fēng)電出力數(shù)據(jù)進(jìn)行月和季統(tǒng)計(jì)周期的均值處理，該地市區(qū)域的風(fēng)電機(jī)組平均年滿發(fā)小時(shí)為1867h，容量系數(shù)為21.3%。風(fēng)電出力的季節(jié)特性顯示為：風(fēng)電的月平均出力系數(shù)范圍在12.6%至34.6%;最大平均出力系數(shù)出現(xiàn)在10月（34.6%），最小平均出力系數(shù)出現(xiàn)在9月（12.6%）。風(fēng)電的季平均出力系數(shù)范圍在16.4%至27.1%，各季平均出力由大到小的排序?yàn)椋呵?冬>春>夏，與該地區(qū)夏季小水電大發(fā)時(shí)段重疊的幾率較小。

1.2 日特性

先對(duì)該市的風(fēng)電出力每15分鐘間隔的數(shù)據(jù)進(jìn)行月、季、年共3個(gè)不同統(tǒng)計(jì)周期的小時(shí)出力系數(shù)加權(quán)平均值處理，得出月、季、年的風(fēng)電出力系數(shù)小時(shí)曲線，詳見圖1。月、季、年統(tǒng)計(jì)周期的風(fēng)電出力系數(shù)日曲線都呈現(xiàn)“晚上出力大、白天出力小”的特點(diǎn)，除晚上18h～22h處于電網(wǎng)負(fù)荷較高時(shí)段外，晚上22h～次日8h均處于電網(wǎng)負(fù)荷較低時(shí)段，反調(diào)峰特征明顯。

1.3 出力波動(dòng)率

電力系統(tǒng)中由于用電負(fù)荷與電源必須保證時(shí)刻平衡，而用電負(fù)荷與電源都有變化和不確定的特征，所以電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中將保留部分電源設(shè)備容量作為負(fù)荷、事故以及檢修的備用容量。由于風(fēng)的間歇性、隨機(jī)性和波動(dòng)性以及風(fēng)電場(chǎng)的本身特性（如：風(fēng)速變化、風(fēng)剪切、偏航誤差、塔影效應(yīng)等因素）使得風(fēng)電機(jī)組的輸入風(fēng)能具有不穩(wěn)定性，導(dǎo)致了風(fēng)電出力會(huì)隨機(jī)波動(dòng)，從而可能引起系統(tǒng)頻率穩(wěn)定問題，因此在考慮系統(tǒng)電源出力安排與備用容量時(shí)需增加風(fēng)電影響因素。

本文引入風(fēng)電出力波動(dòng)率來表征風(fēng)電出力的不確定性對(duì)系統(tǒng)備用造成的影響。受限于實(shí)際數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為15min，本文僅進(jìn)行15min風(fēng)電出力波動(dòng)率的統(tǒng)計(jì)分析，該市風(fēng)電的15min出力波動(dòng)率最大值為47.3%。15min出力波動(dòng)率在0%～5%區(qū)間的概率為85.5%，占絕大部分;15min出力波動(dòng)率在5%～10%區(qū)間的概率為11.8%;15min出力波動(dòng)率在10%～15%區(qū)間的概率為2.0%;15min出力波動(dòng)率在大于15%區(qū)間的概率為0.7%。

根據(jù)上述分析表明，該市風(fēng)電出力波動(dòng)率較小，出現(xiàn)突升或突降得概率很低。同時(shí)當(dāng)?shù)鼗痣娧b機(jī)容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于風(fēng)電，也有相當(dāng)比例調(diào)節(jié)速度更快的水電裝機(jī)容量。因此，該市風(fēng)電的消納不會(huì)受到其他電源調(diào)節(jié)速度的限制。

1.4 出力概率區(qū)間

采用概率處理方法，將收集到的58368個(gè)時(shí)間點(diǎn)的風(fēng)電出力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成風(fēng)電出力系數(shù)后進(jìn)行歸一化處理，歸一化區(qū)間如下：

完成歸一化處理后，對(duì)風(fēng)電出力的概率分布情況進(jìn)行分析，詳見圖2?？梢钥闯?，風(fēng)電出力主要集中在0%～55%區(qū)間內(nèi)。出力在0%～10%區(qū)間的概率最大，約占46%。各區(qū)間隨著風(fēng)電出力的增大，概率呈快速減小的趨勢(shì);風(fēng)電出力大于55%時(shí)，其概率已降到2.5%以下。

風(fēng)電出力累計(jì)概率曲線呈現(xiàn)凸二次曲線的特點(diǎn)。出力系數(shù)0～35%，累計(jì)概率達(dá)80%;出力系數(shù)0～55%，累計(jì)概率達(dá)95%;風(fēng)電出力系數(shù)大于55%的累計(jì)概率僅為5%，對(duì)總發(fā)電量的貢獻(xiàn)很小。

1.5 保證容量

保證容量是衡量風(fēng)電在負(fù)荷高峰時(shí)段用于系統(tǒng)電力平衡的容量，表示規(guī)模風(fēng)電高峰負(fù)荷時(shí)段對(duì)常規(guī)機(jī)組的替代作用。一般情況下，其計(jì)算方法是把負(fù)荷高峰時(shí)段的風(fēng)電出力按從大到小排，取在某一保證率下（本文取95%）風(fēng)電的最小出力作為風(fēng)電的保證容量。若風(fēng)電具有一定的保證容量，即認(rèn)為可替代對(duì)應(yīng)保證容量的火電裝機(jī)。在進(jìn)行電力系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)，風(fēng)電的保證容量直接影響其他電源的裝機(jī)規(guī)模[2]。

篩選該市負(fù)荷高峰時(shí)段（負(fù)荷系數(shù)大于90%時(shí)段）的風(fēng)電出力系數(shù)計(jì)算保證容量，詳見圖3。可以看出，當(dāng)?shù)仫L(fēng)電保證容量系數(shù)僅為1.5%，替代系統(tǒng)可靠電源容量作用很小。

1.6 有效出力

有效出力是衡量風(fēng)電在負(fù)荷低谷時(shí)段參與系統(tǒng)調(diào)峰平衡的容量，表示規(guī)模風(fēng)電低谷負(fù)荷時(shí)段對(duì)系統(tǒng)調(diào)峰容量的需求。一般情況下，其計(jì)算方法是把負(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（本文取95%）風(fēng)電的最大出力。進(jìn)行電力系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)，風(fēng)電的有效出力直接影響到系統(tǒng)對(duì)其他電源調(diào)峰能力的需求以及系統(tǒng)調(diào)峰電源的規(guī)劃[2]。

篩選該市負(fù)荷低谷時(shí)段（負(fù)荷系數(shù)小于60%時(shí)段）的風(fēng)電出力系數(shù)計(jì)算有效出力，詳見圖4?？梢钥闯?，當(dāng)?shù)仫L(fēng)電有效出力系數(shù)為62%，低谷負(fù)荷時(shí)段對(duì)系統(tǒng)調(diào)峰容量的需求較大。

2 結(jié)論

（1）通過對(duì)該市風(fēng)電出力特性的研究，得到該市風(fēng)電出力特征如下：在10月平均出力最大，9月最小;秋冬季出力大，春夏季出力小。日特性呈現(xiàn)“晚上出力大、白天出力小”特點(diǎn)，在電網(wǎng)負(fù)荷較低時(shí)段有明顯的反調(diào)峰特征。風(fēng)電出力波動(dòng)率較小，出現(xiàn)突升或突降得概率很低。風(fēng)電出力累計(jì)概率曲線呈現(xiàn)凸二次曲線的特點(diǎn)，出力系數(shù)0～35%，累計(jì)概率達(dá)到80%;出力系數(shù)0～55%，累計(jì)概率達(dá)到95%;風(fēng)電出力系數(shù)大于55%的累計(jì)概率僅為5%。風(fēng)電保證容量系數(shù)1.5%，有效出力系數(shù)62%。

（2）該市風(fēng)電參與電力系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行的平衡。因?yàn)轱L(fēng)電保證容量系數(shù)僅為1.5%風(fēng)電可靠性差，建議風(fēng)電不參加負(fù)荷正常大方式的電力平衡;風(fēng)電有效出力系數(shù)達(dá)62%，建議風(fēng)電參加負(fù)荷正常小方式的電力平衡。

（3）本文收集該市的風(fēng)電出力數(shù)據(jù)為58368個(gè)時(shí)間點(diǎn)（時(shí)間間隔為15分鐘），隨著時(shí)間的推移，風(fēng)電出力數(shù)據(jù)還將不斷積累。建議以年滾動(dòng)周期，將上一年度風(fēng)電出力數(shù)據(jù)加入歷史風(fēng)電出力數(shù)據(jù)庫，對(duì)該地市區(qū)域風(fēng)電出力特性進(jìn)行滾動(dòng)修正。

參考文獻(xiàn)：

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[2]樊揚(yáng)，林勇，徐乾耀，張寧，陳新宇.廣東電網(wǎng)風(fēng)電出力特性分析及其經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2012，6（01）：8-12.