泛在化特性的山西省域風(fēng)電多尺度評(píng)估方法研究

南曉強(qiáng)，王小昂

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司，山西 太原 030001）

0 引言

區(qū)域能源特性分析是建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。通過對(duì)現(xiàn)有運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值，明確山西省域、各地區(qū)區(qū)域能源特性，實(shí)現(xiàn)包括新能源在內(nèi)的多種能源的精益控制，可有效提升對(duì)新能源的感知和控制水平，并可進(jìn)一步提升特高壓交直流輸電能力和電網(wǎng)接納新能源的水平，是保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、提高新能源企業(yè)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益的有效手段。構(gòu)建新能源特性多時(shí)間尺度分析辦法，能提高電網(wǎng)對(duì)新能源的感知水平，明確山西省域內(nèi)多能運(yùn)行特性，打造山西電網(wǎng)多源協(xié)調(diào)控制、場(chǎng)網(wǎng)友好互動(dòng)的技術(shù)基礎(chǔ)。

新能源輸出的隨機(jī)波動(dòng)性及出力不確定性，給電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來了不確定性。文獻(xiàn) [1-4]根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了風(fēng)電輸出特性。風(fēng)電輸出特性分析是明確區(qū)域風(fēng)資料特性、掌握風(fēng)電運(yùn)行變化規(guī)律、做好大規(guī)模新能源接入電網(wǎng)適應(yīng)的前提工作。本文利用山西省調(diào)風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)及日?qǐng)?bào)表系統(tǒng)中全省風(fēng)電場(chǎng)有效數(shù)據(jù)，對(duì)全省風(fēng)電輸出特性進(jìn)行分析。

1 風(fēng)功率年度特性分析

1.1 年度時(shí)序分布特性

以山西省調(diào)風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)及日?qǐng)?bào)表系統(tǒng)為基礎(chǔ)，取年運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以日和月為單位求均值，得到的山西電網(wǎng)全網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)日平均功率、月平均功率時(shí)序分布見圖1和圖2。

圖1 風(fēng)功率日平均分布圖

由圖1可知，日平均功率分布范圍較廣，最小值為0（標(biāo)幺值），最大值高于0.8（標(biāo)幺值），且相鄰日之間存在較大的跳躍，有連續(xù)數(shù)日平均功率較大（0.6標(biāo)幺值以上）和連續(xù)數(shù)日平均功率較小（0.2標(biāo)幺值以下） 等情況。由此可以得出山西省域風(fēng)電場(chǎng)輸出功率具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，但也存在一定的規(guī)律。

圖2 風(fēng)功率月平均分布圖

由圖2可知，山西電網(wǎng)風(fēng)電輸出功率月均值最大值為0.33（標(biāo)幺值），最小值為0.11（標(biāo)幺值），其余各月均值在0.2（標(biāo)幺值）以上。由此可以得出山西風(fēng)電輸出功率具有明顯的季節(jié)特性：夏季風(fēng)電場(chǎng)輸出功率最小，夏季的3個(gè)月平均功率僅占風(fēng)電裝機(jī)容量的11%左右；春、秋、冬3個(gè)季節(jié)輸出功率較大，是夏季的2倍左右。

1.2 年度負(fù)荷率特性

在考慮山西全省風(fēng)能資源多樣性、風(fēng)電機(jī)組類型差異性的基礎(chǔ)上，研究較廣區(qū)域輸出特性，結(jié)合小區(qū)域地理及氣候特性導(dǎo)致的個(gè)性特征，對(duì)把握全域整體特性在電網(wǎng)運(yùn)行、規(guī)劃中的意義更為重大。圖3為山西電網(wǎng)風(fēng)電年負(fù)荷率的概率分布圖。

圖3 山西電網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組年負(fù)荷率概率分布圖

圖3中，橫坐標(biāo)5%、10%、15%處所對(duì)應(yīng)的柱狀圖表示負(fù)荷率在±5%區(qū)間的累計(jì)概率，其余以此類推。圖3中，柱狀圖的高低描述了年負(fù)荷率在對(duì)應(yīng)區(qū)間累計(jì)概率的大小。由圖3可以得出山西電網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組的負(fù)荷率在持續(xù)1年時(shí)間里的分布特性：負(fù)荷率概率最大的區(qū)間為 [10%，15%]，在此區(qū)間其累計(jì)概率接近20%；負(fù)荷率概率最小的區(qū)間為[75%，80%]，此區(qū)間累計(jì)概率不足1%；負(fù)荷率的概率分布主要集中在區(qū)間 [5%，50%]，其間隔為5%的累計(jì)概率均超過5%，此區(qū)間累計(jì)概率為80%以上；負(fù)荷率低于5%的累計(jì)概率為5%左右，低于10%的累計(jì)概率為15%，高于60%的概率僅為4%左右。

1.3 風(fēng)電年有效利用小時(shí)數(shù)

圖4給出了風(fēng)電年有效利用小時(shí)數(shù)分布圖。從圖4可以看出，山西電網(wǎng)年度有效利用小時(shí)數(shù)分布在 [0 h，18 h]之間，分布范圍較廣，且波動(dòng)性較大，最大利用小時(shí)數(shù)達(dá)到17.17 h，最小值只有0.31 h，且在夏季，低利用時(shí)間持續(xù)較長(zhǎng)。

圖4 風(fēng)電年有效利用小時(shí)數(shù)分布圖

2 風(fēng)電功率24節(jié)氣特性分析

2.1 風(fēng)電功率24節(jié)氣特性分析

節(jié)氣將每個(gè)季節(jié)分為6個(gè)時(shí)間段，每個(gè)時(shí)間段為15天左右，存在大小月之差時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)14天與16天的情況。每個(gè)節(jié)氣代表著從該天起的一段時(shí)間內(nèi)氣候具有一定的特性。下文對(duì)24節(jié)氣時(shí)間段風(fēng)功率輸出特性進(jìn)行分析。圖5為24節(jié)氣風(fēng)功率輸出特性圖。

從24節(jié)氣風(fēng)功率輸出特性可以看出以下情況。

a） 春季6個(gè)節(jié)氣中驚蟄風(fēng)功率平均輸出值最大，其次為春分；風(fēng)功率波動(dòng)最大時(shí)間段出現(xiàn)在谷雨，其次為春分；立春與雨水時(shí)段風(fēng)功率輸出值較小，波動(dòng)也較小。

b）夏季6個(gè)節(jié)氣中立夏風(fēng)功率平均輸出值最大，其次為小滿；風(fēng)功率波動(dòng)最大時(shí)間段出現(xiàn)在立夏，其次為小滿；夏季其他時(shí)段（包括芒種、夏至、小暑及大暑）風(fēng)功率輸出值較小，波動(dòng)也較小。

c） 秋季6個(gè)節(jié)氣中霜降風(fēng)功率平均輸出值最大，其次為寒露；風(fēng)功率波動(dòng)最大時(shí)間段出現(xiàn)在霜降，其次為寒露與秋分；立秋、處暑與白露時(shí)段風(fēng)功率輸出值較小，波動(dòng)也較小。

d）冬季6個(gè)節(jié)氣中大寒風(fēng)功率平均輸出值最大，其次為小寒，且相對(duì)其他季節(jié)冬季的均值都較大；風(fēng)功率波動(dòng)最大時(shí)間段出現(xiàn)在冬至，其次為立冬；對(duì)比其他季節(jié)，冬季風(fēng)功率的均值及波動(dòng)都較大。

e）從全年變化情況看：夏季風(fēng)電輸出功率較小，比較集中，主要分布在0～0.4（標(biāo)幺值）之間，但存在增幅較大的情況；秋季和冬季風(fēng)電輸出功率的分布比較分散，但風(fēng)電功率增減幅度比較大且出現(xiàn)的頻率較高，最大變化量高達(dá)0.7（標(biāo)幺值）；春季風(fēng)電輸出功率也比較分散，日內(nèi)、日間的增減程度均較大；冬、秋季風(fēng)電機(jī)組負(fù)荷率主要平均分布在 [5%，50%]區(qū)間之內(nèi)。與其余季節(jié)相比，冬、秋季電網(wǎng)風(fēng)電輸出功率的波動(dòng)范圍最大；夏季風(fēng)電機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行概率較高，負(fù)荷率超過40%的情況很少發(fā)生。與其余3個(gè)季節(jié)相比，夏季山西電網(wǎng)風(fēng)電輸出功率最小，發(fā)電量最少；冬季與秋季風(fēng)電機(jī)組的負(fù)荷率集散程度差異不大，但均弱于春季。

圖5 24節(jié)氣風(fēng)功率輸出特性圖

2.2 24節(jié)氣風(fēng)功率波動(dòng)性

圖6為24節(jié)氣風(fēng)功率波動(dòng)曲線圖。從圖6可以看出，24節(jié)氣風(fēng)功率波動(dòng)分布在 [-0.5，0.55]（標(biāo)幺值）之間，范圍較廣，風(fēng)功率波動(dòng)最大值出現(xiàn)在冬至前后，達(dá)到0.55（標(biāo)幺值），在驚蟄、立夏及立冬也出現(xiàn)較大的波動(dòng)，最小值出現(xiàn)在芒種，只有0.04（標(biāo)幺值）。

圖6 24節(jié)氣風(fēng)功率波動(dòng)曲線圖

2.3 24節(jié)氣風(fēng)電逆調(diào)峰特性

圖7為24節(jié)氣風(fēng)電逆調(diào)峰日占比圖。從圖7可以看出，24節(jié)氣逆調(diào)峰日占比分布在 [20%，90%]之間，范圍較廣，且波動(dòng)性較大，最大逆調(diào)峰日占比出現(xiàn)在小寒，達(dá)到86.80%，最小值出現(xiàn)在芒種，只有23.33%。全年的平均值達(dá)到47.27%，約達(dá)到一半時(shí)間處于逆調(diào)峰時(shí)間。

圖7 24節(jié)氣風(fēng)電逆調(diào)峰日占比圖

2.4 24節(jié)氣風(fēng)電有效利用小時(shí)數(shù)

圖8為24節(jié)氣風(fēng)電有效利用累積小時(shí)數(shù)分布圖。從圖8可以看出，由于受大氣環(huán)流的影響，24節(jié)氣風(fēng)電功率變化明顯，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

a）從大雪節(jié)氣開始，山西將處于蒙古高壓中心的前部，地面盛行西北氣流，該氣流強(qiáng)度大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，一直持續(xù)至立春前后。

b） 進(jìn)入清明節(jié)氣后，隨著氣溫的逐漸升高，蒙古高壓和阿留申低壓將明顯減弱消退，西風(fēng)氣流北移，強(qiáng)度大減，而西太平洋反氣旋環(huán)流則顯著加強(qiáng)，流經(jīng)黃土高原一帶時(shí)會(huì)出現(xiàn)一連串小型反氣旋，受其影響，山西地區(qū)在谷雨前后會(huì)出現(xiàn)大風(fēng)天氣。

c）隨著小滿節(jié)氣的到來，地面氣溫逐步升高，印度低壓發(fā)展并控制了整個(gè)亞洲大陸，西太平洋副熱帶高壓的勢(shì)力也大大增強(qiáng)，并向北擴(kuò)展，山西處于低壓前部，地面主要吹東南風(fēng)，但環(huán)流比較平直，強(qiáng)度比冬季顯著減弱。

d） 進(jìn)入白露后，隨著大陸氣溫的逐漸下降，地面氣壓場(chǎng)形勢(shì)會(huì)發(fā)生顯著變化，蒙古高壓和阿留申低壓開始活躍，而印度低壓和西太平洋副熱帶高壓開始明顯衰退，山西由小滿一直持續(xù)至立秋時(shí)節(jié)的偏南風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)槠憋L(fēng)，風(fēng)力逐步增大。

e）從24節(jié)氣風(fēng)電有效利用累積小時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，24節(jié)氣風(fēng)電有效利用累積小時(shí)數(shù)分布在 [30 h，135 h]之間，范圍較廣，且波動(dòng)性較大，最大利用累積小時(shí)數(shù)出現(xiàn)在冬至，達(dá)到130.32 h，最小值出現(xiàn)在夏至，只有31.42 h，且在夏至前后低利用小時(shí)數(shù)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

圖8 24節(jié)氣風(fēng)電有效利用累積小時(shí)數(shù)分布圖

3 結(jié)論

a）全年最大日平均風(fēng)速基本出現(xiàn)在冬季的1月份，最小日平均風(fēng)速分布相對(duì)分散，出現(xiàn)在夏季的8月、9月。山西電網(wǎng)風(fēng)電在每年的10月到次年的4月為富風(fēng)期，平均風(fēng)速為6～8 m/s，月平均利用小時(shí)數(shù)在200 h以上。每年5月至9月為小風(fēng)期，平均風(fēng)速不足5 m/s，月平均利用小時(shí)數(shù)在100 h左右。從24節(jié)氣來看：從大雪節(jié)氣開始，山西將處于蒙古高壓中心的前部，地面盛行西北氣流，該氣流強(qiáng)度大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，一直持續(xù)至立春前后；進(jìn)入清明節(jié)氣后，隨著氣溫的逐漸升高，蒙古高壓和阿留申低壓將明顯減弱消退，西風(fēng)氣流北移，強(qiáng)度大減，而西太平洋反氣旋環(huán)流則顯著加強(qiáng)，流經(jīng)黃土高原一帶時(shí)會(huì)出現(xiàn)一連串小型反氣旋，受其影響，山西地區(qū)在谷雨前后會(huì)出現(xiàn)大風(fēng)天氣；隨著小滿節(jié)氣的到來，地面氣溫逐步升高，印度低壓發(fā)展并控制了整個(gè)亞洲大陸，西太平洋副熱帶高壓的勢(shì)力也大大增強(qiáng)，并向北擴(kuò)展，山西處于低壓前部，地面主要吹東南風(fēng)，但環(huán)流比較平直，強(qiáng)度比冬季顯著減弱；進(jìn)入白露后，隨著大陸氣溫的逐漸下降，地面氣壓場(chǎng)形勢(shì)會(huì)發(fā)生顯著變化，蒙古高壓和阿留申低壓開始活躍，而印度低壓和西太平洋副熱帶高壓開始明顯衰退，山西由小滿一直持續(xù)至立秋時(shí)節(jié)的偏南風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)槠憋L(fēng)，風(fēng)力逐步增大。從地域性來看：忻州、朔州地區(qū)最大月平均風(fēng)速出現(xiàn)在冬季，春季次之，最小月平均風(fēng)速出現(xiàn)在夏季，但也在5 m/s以上，忻州、朔州地區(qū)風(fēng)向穩(wěn)定，全年均為西北風(fēng)；運(yùn)城地區(qū)風(fēng)速相對(duì)較小，年風(fēng)速平均值在2.9 m/s左右，受季風(fēng)變化的影響較小，主要為地方性風(fēng)。由于山西電網(wǎng)風(fēng)資源富風(fēng)期與枯風(fēng)期差異顯著，給電力平衡、火電機(jī)組檢修計(jì)劃安排提出了新要求。

b）山西風(fēng)電輸出功率具有明顯的季節(jié)特性：夏季風(fēng)電場(chǎng)輸出功率最小，其3個(gè)月平均功率僅占風(fēng)電裝機(jī)容量的11%左右；春、秋、冬3個(gè)季節(jié)輸出功率較大，是夏季的2倍左右。秋季和冬季風(fēng)電輸出功率的分布比較分散，但風(fēng)電功率增減幅度比較大且出現(xiàn)的頻率較高；春季風(fēng)電輸出功率也比較分散，日內(nèi)、日間的增減程度均較大。春季6個(gè)節(jié)氣中驚蟄風(fēng)功率平均輸出值最大，其次為春分；風(fēng)功率波動(dòng)最大時(shí)間段出現(xiàn)在谷雨，其次為春分；夏季6個(gè)節(jié)氣中立夏風(fēng)功率平均輸出值最大，其次為小滿；風(fēng)功率波動(dòng)最大時(shí)間段出現(xiàn)在立夏，其次為小滿；秋季6個(gè)節(jié)氣中霜降風(fēng)功率平均輸出值最大，其次為寒露；風(fēng)功率波動(dòng)最大時(shí)間段出現(xiàn)在霜降，其次為寒露與秋分；冬季6個(gè)節(jié)氣中大寒風(fēng)功率平均輸出值最大，其次為小寒，且相對(duì)其他季節(jié)冬季的均值都較大；風(fēng)功率波動(dòng)最大時(shí)間段出現(xiàn)在冬至，其次為立冬；對(duì)比其他季節(jié)，冬季的均值及波動(dòng)都較大；從全年24節(jié)氣來看，大寒風(fēng)功率平均輸出值最大，其次為驚蟄，風(fēng)功率波動(dòng)最大時(shí)間段出現(xiàn)在冬至，其次為大雪。

c）從風(fēng)電24節(jié)氣有效利用累積小時(shí)數(shù)分布圖可以看出，24節(jié)氣有效利用累積小時(shí)數(shù)分布范圍較廣，且波動(dòng)性較大，最大利用累積小時(shí)數(shù)出現(xiàn)在冬至，最小值出現(xiàn)在立秋，且在立秋前后低利用小時(shí)數(shù)持續(xù)較長(zhǎng)。

d）從24節(jié)氣風(fēng)電逆調(diào)峰日占比分布圖可以看出，24節(jié)氣逆調(diào)峰日占比分布在 [20%，90%]之間，范圍較廣，且波動(dòng)性較大，最大逆調(diào)峰日占比出現(xiàn)在小寒，達(dá)到86.80%，最小值出現(xiàn)在芒種，只有23.33%。全年的逆調(diào)峰日平均值達(dá)到47.27%，約有一半時(shí)間處于逆調(diào)峰。

e） 從24節(jié)氣風(fēng)功率波動(dòng)曲線可以看出，24節(jié)氣風(fēng)功率波動(dòng)分布在 [-0.5，0.55]（標(biāo)幺值）之間，范圍較廣，風(fēng)功率波動(dòng)最大值出現(xiàn)在冬至前后，達(dá)到0.55（標(biāo)幺值），在驚蟄、立夏及立冬也出現(xiàn)較大的波動(dòng)，最小值出現(xiàn)在芒種，只有0.04（標(biāo)幺值），對(duì)全網(wǎng)的功率調(diào)節(jié)造成較大的干擾。

f）從風(fēng)速日變化曲線可以看出：風(fēng)速日變化以凌晨0點(diǎn)左右最大，午后13點(diǎn)次之，日出后最小。白天，太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，由于地表增熱不均、亂流發(fā)展，使上下層空氣交換頻繁，上層動(dòng)量下傳，使近地層風(fēng)速加大；午后亂流發(fā)展最強(qiáng)，風(fēng)速逐步增大；隨著太陽(yáng)輻射的減弱，亂流減弱，近地面層風(fēng)速逐漸減??；日落后隨著地表溫度的變化，上下層空氣交換將持續(xù)，風(fēng)速會(huì)在這段時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大；凌晨5點(diǎn)左右地表結(jié)束熱交換，風(fēng)速急劇減小，至日出后達(dá)到最小。風(fēng)速的變化導(dǎo)致風(fēng)電輸出功率的波動(dòng)性，對(duì)全網(wǎng)的功率調(diào)節(jié)造成較大的干擾，使日調(diào)整更加困難。

g）從風(fēng)功率日變化曲線可以看出：山西電網(wǎng)風(fēng)電日平均功率分布范圍較廣，存在最小值接近0和最大值高于0.8（標(biāo)幺值）的情況，相鄰日之間有時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的跳躍，存在連續(xù)數(shù)日平均功率較大和連續(xù)數(shù)日平均功率較小等情況。由此可以得出，風(fēng)電場(chǎng)輸出功率具有較強(qiáng)的隨機(jī)性、波動(dòng)性和不確定性，對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量造成影響，如電壓偏差、電壓波動(dòng)和閃變，更重要的是，需分析其對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定及電壓穩(wěn)定性的影響。