不同時(shí)間尺度下新能源聯(lián)合發(fā)電特性及最優(yōu)配比

辛業(yè)春，徐廣健，張一峰，楊 勇，董 倩

(東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012)

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速增長(zhǎng)，人們對(duì)能源的需求也越來(lái)越多，而化石能源危機(jī)和全球氣候變暖等因素，又加劇了社會(huì)發(fā)展和能源需求之間的矛盾，風(fēng)電和光伏等新能源為化石能源危機(jī)帶來(lái)了曙光[1-2]。2017年，全國(guó)風(fēng)電年發(fā)電量3 057×108kW·h，棄風(fēng)電量419×108kW·h，棄風(fēng)率12%，光伏年發(fā)電量1 182×108kW·h, 棄光電量73×108kW·h，棄光率6%[3]。風(fēng)能具有波動(dòng)性、隨機(jī)性和不可控制性，大規(guī)模并網(wǎng)威脅著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[4-6]。光伏受溫度光照等氣候影響，存在并網(wǎng)利用率不高，電能質(zhì)量治理成本高等問(wèn)題[7-9]。文獻(xiàn)[10]定義風(fēng)電場(chǎng)負(fù)荷變化的平穩(wěn)性、一致性和互補(bǔ)性指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)功率變化的評(píng)估，單一能源的發(fā)電不能滿足并網(wǎng)的需求。文獻(xiàn)[11]分析單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組、單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)及風(fēng)電場(chǎng)群輸出功率在不同時(shí)間尺度下的波動(dòng)特性。文獻(xiàn)[12]通過(guò)歷史數(shù)據(jù)從不同的維度對(duì)風(fēng)電輸出特性進(jìn)行了綜合分析，包括日輸出特性、季節(jié)輸出風(fēng)電概率分布。文獻(xiàn)[13]分析了風(fēng)電出力相關(guān)性對(duì)計(jì)算風(fēng)電容量可信度的影響，通過(guò)Copula函數(shù)提高對(duì)多風(fēng)電場(chǎng)容量可信度的快速計(jì)算。文獻(xiàn)[14]通過(guò)對(duì)光伏出力的波動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行概率密度擬合，分析不同時(shí)間尺度的光伏出力波動(dòng)特性和隨機(jī)分布特性，僅考慮了單一能源的出力特性。文獻(xiàn)[15]指出大型光伏電站出力隨機(jī)波動(dòng)性對(duì)接入電網(wǎng)的電能質(zhì)量及穩(wěn)定性帶來(lái)了不利影響。文獻(xiàn)[16]建立光伏模型和仿真，對(duì)多個(gè)光伏電站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)研究分析，總結(jié)出光伏電站隨季節(jié)天氣變化運(yùn)行規(guī)律。文獻(xiàn)[17]分析了風(fēng)電和光伏功率的聯(lián)合相關(guān)性，僅以功率波動(dòng)大小進(jìn)行衡量，計(jì)算方法具有一定的局限性。上述文獻(xiàn)都針對(duì)單一新能源發(fā)電特性，而單一新能源發(fā)電具有波動(dòng)性和不可靠性，多種新能源聯(lián)合發(fā)電能夠解決該問(wèn)題。

本文基于比利時(shí)新能源基地歷史數(shù)據(jù)，研究不同時(shí)間尺度下大型風(fēng)電-光伏基地的風(fēng)電和光伏聯(lián)合出力特性問(wèn)題。不同地區(qū)有不同的風(fēng)電和光伏配比，通過(guò)歷史天氣對(duì)風(fēng)電和光伏發(fā)電量預(yù)測(cè)，再結(jié)合本文的究方法可為新能源待開(kāi)發(fā)地區(qū)新能源規(guī)劃和建設(shè)提供參考依據(jù)。

1 新能源聯(lián)合發(fā)電評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 多時(shí)空尺度下風(fēng)電和光伏的波動(dòng)性

(1)

當(dāng)β的絕對(duì)值越接近0時(shí)，說(shuō)明功率信號(hào)此時(shí)的變化越小，可認(rèn)為功率信號(hào)變化沒(méi)有波動(dòng)；當(dāng)β的值越大，反映功率信號(hào)波動(dòng)性越大。本文利用分辨率為15 min的真實(shí)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，通過(guò)累積積分并求平均值得到各時(shí)間尺度發(fā)電數(shù)據(jù)。

1.2 多時(shí)空尺度下風(fēng)電和光伏的相關(guān)性

風(fēng)電和光伏之間的相關(guān)性是指兩個(gè)變量之間的關(guān)聯(lián)程度，在同一時(shí)間內(nèi)，風(fēng)電場(chǎng)和光伏電場(chǎng)之間的相關(guān)性強(qiáng)時(shí)，則風(fēng)電和光伏之間的互補(bǔ)特性較弱，用相關(guān)系數(shù)r來(lái)評(píng)判相關(guān)性的強(qiáng)弱。

(2)

其中，r為相關(guān)系數(shù)，用來(lái)度量?jī)蓚€(gè)變量間的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值|r|在0.8～1，認(rèn)為X和Y是強(qiáng)相關(guān)的，在0.5～0.8，是一般相關(guān)的，在0.3～0.5，是弱相關(guān)，在0～0.3，是沒(méi)有相關(guān)的；Cov(X,Y)為X和Y的協(xié)方差，Var[X]是X的方差，Var[Y]是Y的方差。

1.3 多時(shí)間尺度下風(fēng)電和光伏的互補(bǔ)性

不同時(shí)間尺度下風(fēng)電和光伏之間互補(bǔ)程度有一定的差異，風(fēng)光互補(bǔ)性主要體現(xiàn)在，風(fēng)電和光伏發(fā)電受天氣影響較強(qiáng)，風(fēng)機(jī)在白天受風(fēng)力影響出力小，夜間受風(fēng)力影響出力較強(qiáng)，與光伏白天發(fā)電強(qiáng)，夜間不發(fā)電相互補(bǔ)。因此應(yīng)該著重研究日時(shí)間尺度下的互補(bǔ)特性。二者的波動(dòng)變化率分別為 {α1j}、{α2j}，j=1,2,3,…,n-1，定義集合:

B={γj|γj=|α1j-α2j|}

當(dāng)γj=0時(shí)，說(shuō)明兩功率信號(hào)此時(shí)的變化方向相同、速率相等，認(rèn)為兩信號(hào)變化是一致的；當(dāng)γj>0時(shí)，說(shuō)明兩個(gè)功率信號(hào)變化不一致，γj大小反映此時(shí)兩風(fēng)電功率信號(hào)變化不一致的程度。為考察某時(shí)間內(nèi)變化不一致程度，定義指標(biāo)：

(3)

δ越接近于0，說(shuō)明兩信號(hào)在考察時(shí)間內(nèi)的變化特性越一致，互補(bǔ)性越差；反之，δ越大，說(shuō)明兩信號(hào)變化的不一致性越高，互補(bǔ)性越強(qiáng)。

2 能源基地概況及算例分析

本文以比利時(shí)新能源基地的風(fēng)電數(shù)據(jù)和光伏數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，時(shí)間段為2017年9月30日到2018年9月30日，分辨率為15 min。由于有丟失數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)異常的現(xiàn)象，均由其提供的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)代替異常數(shù)據(jù)。

典型日輸出特性分析：風(fēng)電在冬季日輸出的功率最高，夏季日輸出的功率最低；光伏發(fā)電與風(fēng)電相反，在夏季日發(fā)電達(dá)到最大，冬季日發(fā)電最低。風(fēng)電輸出沒(méi)有規(guī)律，相對(duì)于光伏的波動(dòng)性??；光伏發(fā)電時(shí)呈對(duì)稱性，春夏秋三季有劇烈的上升和下降階段。

15 min時(shí)空輸出特性分析：風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)年持續(xù)功率曲線是將系統(tǒng)一年中的功率按從大到小的順序排列的出力曲線，系統(tǒng)年持續(xù)功率曲線能夠體現(xiàn)一年新能源產(chǎn)生電能水平。比利時(shí)新能源基地聯(lián)合發(fā)電減小極大發(fā)電和極小發(fā)電時(shí)間，使發(fā)電波動(dòng)更平穩(wěn)。

2.1 聯(lián)合發(fā)電特性分析

表1是新能源發(fā)電在不同時(shí)間尺度下的波動(dòng)率，從表中可以發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間尺度的增加新能源發(fā)電波動(dòng)率增加。光伏波動(dòng)率大于風(fēng)電波動(dòng)率，是因?yàn)轱L(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，在短時(shí)間尺度下風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很難改變，因此風(fēng)電在短時(shí)間尺度下風(fēng)電波動(dòng)率小，隨著時(shí)間尺度的增加，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣性難以顯現(xiàn)，風(fēng)電波動(dòng)率增加；光伏發(fā)電不具有“慣性”并且有夜間“斷電”的現(xiàn)象，因此光伏發(fā)電在短時(shí)間尺度下有明顯的波動(dòng)，在日時(shí)間尺度下波動(dòng)很小。

表1 不同時(shí)間尺度下新能源發(fā)電波動(dòng)率

表2是風(fēng)電場(chǎng)和光伏電場(chǎng)之間交叉組合的相關(guān)系數(shù)，表中W1為弗蘭德斯風(fēng)電場(chǎng)；W2為瓦隆風(fēng)電場(chǎng)；Ph1為弗蘭德斯光伏電場(chǎng)；Ph2為瓦隆光伏電場(chǎng)。從該表可以看出，在任何時(shí)間尺度下，單一新能源場(chǎng)之間都存在強(qiáng)相關(guān)性，風(fēng)電和光伏電之間不相關(guān)或存在負(fù)相關(guān)，從側(cè)面可以體現(xiàn)風(fēng)電和光伏之間的存在互補(bǔ)性，單一新能源電場(chǎng)之間具有同時(shí)性。

表2 風(fēng)電和光伏交叉組合的發(fā)電相關(guān)性

表3是風(fēng)電場(chǎng)和光伏電場(chǎng)之間交叉組合發(fā)電的互補(bǔ)性。從該表可以看出，隨著時(shí)間尺度的增加聯(lián)合發(fā)電互補(bǔ)系數(shù)增加，互補(bǔ)性增強(qiáng)，在不同時(shí)間尺度下，單一新能源之間聯(lián)合發(fā)電的互補(bǔ)性系數(shù)最小，不同區(qū)之間風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電的互補(bǔ)性指標(biāo)都是最高的，風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電可以減小同時(shí)發(fā)電的概率，廣域風(fēng)電和光伏聯(lián)合發(fā)電有更好的互補(bǔ)性。

表3 風(fēng)電和光伏交叉組合發(fā)電互補(bǔ)性

2.2 風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電容量最佳配比

為提高風(fēng)光并網(wǎng)率，本文研究風(fēng)電和光伏兩種新能源在日時(shí)空尺度下的不同場(chǎng)景的最佳配比。首先投入比利時(shí)全部風(fēng)電容量，然后逐漸增加光伏容量比重，觀察比重對(duì)年發(fā)電時(shí)間、日發(fā)電波動(dòng)率和年累積發(fā)電的影響，得到風(fēng)電容量和光伏容量最佳配比。圖1是不同風(fēng)光容量配比對(duì)年累積發(fā)電時(shí)間的影響，是通過(guò)風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)年持續(xù)功率最大值得到的年發(fā)電時(shí)間。由于風(fēng)電和光伏之間存在互補(bǔ)性，所以當(dāng)光伏容量逐漸增加之后，光伏彌補(bǔ)風(fēng)電“斷電”時(shí)間，增加新能源年累積發(fā)電時(shí)間。當(dāng)光伏在經(jīng)線上布滿整個(gè)地域，則新能源聯(lián)合發(fā)電時(shí)間常數(shù)達(dá)到飽和，因此，光伏容量和風(fēng)電容量比小于1時(shí)，對(duì)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的年累積時(shí)間是有很大的提升，比例大于1時(shí)，年累計(jì)發(fā)電時(shí)間趨于飽和狀態(tài)。

圖1 光伏和風(fēng)電容量配比對(duì)年累計(jì)發(fā)電時(shí)間的影響

圖2是不同風(fēng)光容量配比對(duì)日波動(dòng)率的影響。隨著光伏容量占的比重越來(lái)越高，風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電日波動(dòng)率逐漸降低，光伏與風(fēng)電容量配比在0.1～1.0，日波動(dòng)率快速下降，光伏和風(fēng)電配比在1.68～4.70，日波動(dòng)率緩慢下降并趨于穩(wěn)定。增加光伏容量的比重能夠減小聯(lián)合發(fā)電的日波動(dòng)率。

圖2 光伏和風(fēng)電容量配比對(duì)日波動(dòng)的影響

圖3是不同風(fēng)光容量配比對(duì)年累積能量標(biāo)幺值的影響，該圖是通過(guò)Matlab對(duì)風(fēng)光不同配比下聯(lián)合系統(tǒng)年持續(xù)功率曲線做積分得到的年累積做功，縱坐標(biāo)是曲線累積做功的標(biāo)幺值，其值大小代表系統(tǒng)年做功量的多少。隨著光伏比重的逐漸增加，聯(lián)合發(fā)電年做功標(biāo)幺值逐漸降低。光伏容量與風(fēng)電容量配比在0.1～1.0，年做功標(biāo)幺值快速下降，光伏和風(fēng)電配比在1.68～4.70，年做功標(biāo)幺值緩慢下降并趨于穩(wěn)定。

綜上所述，風(fēng)電容量和光伏容量最佳配比區(qū)間是在1∶1至1∶1.68之間，該比例區(qū)間既能滿足年發(fā)電時(shí)長(zhǎng)和較小的日發(fā)電波動(dòng)率，也有一個(gè)良好的年發(fā)電量。

3 結(jié)論

本文基于比利時(shí)新能源基地?cái)?shù)據(jù)，研究各時(shí)間尺度下的風(fēng)電和光伏及其聯(lián)合輸出特性。建立各時(shí)空尺度下風(fēng)電和光伏輸出波動(dòng)性、相關(guān)性和互補(bǔ)性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)約束條件得到風(fēng)光容量最佳配比。并得到如下結(jié)論。

a.通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)的分析，風(fēng)電能夠彌補(bǔ)光伏夜間“斷電”的現(xiàn)象，在夏季和冬季風(fēng)電和光伏具有明顯的互補(bǔ)特性。

b.由于短時(shí)間尺度下風(fēng)電機(jī)組具有慣性，所以風(fēng)電的波動(dòng)率比光伏波動(dòng)率小，風(fēng)電和光伏聯(lián)合發(fā)電增加了新能源的容量減小光伏發(fā)電的波動(dòng)率；大規(guī)模新能源聯(lián)合發(fā)電能能夠有效減小新能源發(fā)電波動(dòng)率。

c.在任何時(shí)間尺度下風(fēng)電場(chǎng)和光伏電場(chǎng)之間存在負(fù)相關(guān)或不存在相關(guān)。風(fēng)電和光伏之間的互補(bǔ)性高于單一類型電場(chǎng)之間的互補(bǔ)性，并隨著時(shí)間尺度在增加互補(bǔ)性越強(qiáng)。

d.通過(guò)改變現(xiàn)有風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量和光伏裝機(jī)容量的比例對(duì)年累積發(fā)電時(shí)間、發(fā)電波動(dòng)率和年累積發(fā)電標(biāo)幺值的影響，得到風(fēng)電容量和光伏容量的最優(yōu)配比區(qū)間。