新疆電網風電出力波動對系統運行的影響分析

袁建黨，晁勤，袁鐵江，李建林,2，李義巖

（1.新疆大學電氣工程學院，新疆維吾爾族自治區烏魯木齊830047；2.中國電力科學研究院，北京100085）

近年來，風電憑借著清潔高效的特點，在世界范圍內得到快速的發展。新疆風能資源豐富，擁有9大風區，可開發利用風區總面積達15萬km2，可裝機容量達8千萬千瓦以上，前景極其廣闊。但是，截止2009年底，新疆風電總裝機84萬kW，占系統最大負荷的9.4%，最小負荷的19.22%，風力發電量14.05億千瓦時[1]。所以說，大規模開發風電在新疆才剛剛起步，短期將風能作為調整能源結構的補充能源，長期將把風能發展為替代常規能源的主力能源之一[2]。但是，由于風本身的隨機性及不可控性使得風電出力的隨機波動性增大，影響系統的電能質量。同時，根據《中華人民共和國可再生能源法》，風電要全額上網，因此風電的波動必然會對系統的安全穩定運行帶來挑戰，國家電網公司為此也發布了《國家電網風電場接入電網技術規定》對風電并網設定門檻。因此，合理有效地評估風電對電力系統的影響顯得勢在必行。

電力系統運行中要保證發電與負荷的實時平衡。風電出力有波動，負荷同樣有波動，當風電承擔了一部分負荷后，常規能源機組承擔的負荷波動規律必然發生相應的變化，從而引起系統運行方式的改變。目前，國內外研究主要集中于從理論與仿真的角度考察風電對系統的影響[3-4]，并提出了一些提高電網接納風電能力的方法[5]。

本文依據實際現場運行數據，利用Matlab與Excel軟件編制數據處理程序，從風電接入系統后引起的剩余負荷的峰谷差及波動大小的變化兩方面分析了直調風電與達坂城風電場等幾個典型風電場對系統運行的影響，所得結論對電力系統的調度及規劃具有重要的參考價值。

1 風電出力對剩余負荷峰谷差的影響

1.1 概述

系統每天的負荷曲線都有一個最高的波峰與一個最小的波谷，如圖1所示，其差值即為該天負荷的最大峰谷差，簡稱峰谷差。為了實現發電與負荷的實時平衡，發電機組要根據負荷的變化實時調整其出力。當峰谷差越大，發電系統的大幅度調節能力要求就越高，有時會使得一些發電機組長時間低效率運行，甚至噴油運行。

風電接入系統以后，如果使得常規能源機組承擔的剩余負荷峰谷差減小，說明該風電的接入改善了系統運行環境，否則，將加劇系統運行環境的惡化。

1.2 新疆電網負荷峰谷差

圖2與圖3分別給出了新疆電網在2009年各天的峰谷差及峰谷差在各區間的分布情況。

從圖2中可以看出新疆電網夏季負荷的峰谷差要比冬季負荷的峰谷差略大。最大值出現在7月中旬左右。圖3顯示了新疆電網在2009年各天的峰谷差主要分布在1 200～1 500 MW的區間。

1.3 風電接入系統后剩余負荷峰谷差

以直調風電為例，從系統負荷中減去直調風電數據，得到常規能源機組要承擔的剩余負荷。圖4與圖5給出了剩余負荷的峰谷差及峰谷差的分布。

比較圖5與圖3發現，直調風電接入以后剩余負荷的峰谷差分布更為分散。接入前，峰谷差集中分布在1 200～1 600 MW之間，接入后的峰谷差大多分布在1 100～1 700MW之間，主要分布區域變寬，說明直調風電接入后使得一部分天的峰谷差增加，一部分天的峰谷差減小。比較圖4與圖2，峰谷差的季節性特點基本沒有大的改變，仍然是夏季的較大，但是最大峰谷差出現在10月底左右。最大峰谷差由原來的1 873.9 MW增大到1 952.7MW。通過計算，系統加入直調風電以后，剩余負荷峰谷差年均1 373 MW，相比直調風電加入前的1 371MW增加了2MW，即總體上增大了峰谷差。

相同的方法，表1列出了系統在未接入風電、單獨接入直調風電以及單獨接入各典型風電場后剩余負荷峰谷差在2009年各個月份及全年的最大值和均值。空格處為風電場未投運或數據收集不全。

為了更明顯地體現各風電場的接入對峰谷差的影響，使用各風電場接入前后峰谷差變化差值來表示。圖6畫出了直調風電與各典型風電場在2009年各月份單獨接入系統引起的峰谷差變化差值曲線。

從圖中可以看出，直調風電在4至10月份的出力增加了平均峰谷差，增加值的峰值出現在7月份，使平均峰谷差增加了45MW。從各個風電場的情況來看，小草湖風電場對系統的影響最大，其在6至10月份大幅增加了月平均峰谷差，更是在7月份使得月均峰谷差增加了23MW，只在3月份和11月份分別降低了月均峰谷差。

達風3場是本文中提到的裝機容量最大的風電場，截止2009年底，裝機容量達到159MW，由于采集數據不全，只能看到2009年前4個月數據，但其在降低峰谷差方面起著非常重大的作用。

天潤風電場在投運的幾個月內也增加了月均峰谷差，其他幾個風電場大體上均小幅拉低月均峰谷差。增大峰谷差說明該風電場具有一定的反調峰作用，對系統運行的經濟性、安全穩定性帶來威脅。

表1 系統在未接入風電、單獨接入直調風電及單獨接入各典型風電場后剩余負荷峰谷差/MW

圖6 直調風電與各典型風電場引起的月均峰谷差偏差比較

2 風電出力對剩余負荷短期波動的影響

2.1 概述

風電出力的隨機波動性是風電的一大特點。風電把隨機波動帶入系統當中，同時負荷也有一定的小范圍隨機波動性，這里均指短時間內的隨機波動。如果風電的隨機波動可以彌合負荷的隨機波動，使得剩余負荷的隨機波動性降低，將有效改善常規能源機組的運行環境。假如風電接入后，使得常規能源機組承擔的負荷隨機波動性更大，即出現了兩種隨機波動的同向疊加，這就要求常規能源機組有更快更強的反應及調節能力，以跟蹤所帶負荷的隨機變化，這將加大系統的調頻壓力。同時，這類機組的效率一般比較低，會使得系統運行的經濟性變差。

2.2 風電接入系統后剩余負荷的隨機波動變化

由于原始數據的時間間隔為5m in，因此本文也主要分析5min的波動變化。表2為系統在未接入風電、單獨接入直調風電及單獨接入1典型風電場后剩余負荷平均波動值。

同樣為了方便比較，采用風電接入前后平均波動的變化值來表示。圖7畫出了直調風電與各典型風電場引起的剩余負荷平均波動的變化值比較曲線。

圖7顯示了直調風電接入系統以后剩余負荷在2009年12個月當中的平均波動均得到增加，尤其是在2月份，達到了0.74MW的波動增加峰值，而在1月份、4月份、5月份、10月份、12月份的波動增加值相對較小，特別是12月份的0.19 MW達到了12個月中的波動增加最小值。

表2 系統在未接入風電、單獨接入直調風電及單獨接入1典型風電場后剩余負荷平均波動值/MW

達風3場在第1至4月份使剩余負荷波動性增加較大，增加峰值出現在2月份。達風2場也在第1至4月份使剩余負荷波動性增加較大，之后則影響較小，在5月份和8月份使得剩余負荷的波動性下降。

小草湖風電場是這幾個典型風電場中對剩余負荷波動增加影響較大的一個風電場，圖中顯示在6月份到10月份，其引起的波動增加值在各風電場中是最高的，在2至4月份也有一個較高的值，只在1月份降低了波動性。

達風1場在12個月當中主要也是起到增大波動性的作用，只在9月份使得剩余負荷的波動性略微下降。中節能風電場在7月份和12月份降低了剩余負荷的波動，在其他月份均產生增大剩余負荷波動性的作用。瑪依塔斯風電場只在3月份降低了剩余負荷的波動。白楊河與天潤風電場在投運后的10、11、12月份均抬高了剩余負荷的波動性。

增加剩余負荷的波動對系統運行有害，意味著加大了系統的調頻壓力，同時使得系統運行效率降低，而減小剩余負荷的波動將有效改善常規能源機組的運行環境，使得系統運行經濟性提高。從上述分析可以明顯得出各風電場在各運行時段對系統運行的友好程度差異。

3 結語

本文依據現場實際運行數據，編制數據處理軟件程序，計算了系統在單獨接入直調風電及單獨接入各典型風電場后，2009年12個月中的剩余負荷月均峰谷差及剩余負荷每5min的月平均波動值。與風電接入系統前的值進行了比較，分析得到各風電場在各運行時段對系統運行的影響及對系統運行的友好程度差異。

本文分析及所得結論可為系統的運行、調度及規劃提供重要的依據與參考，為評估風電場對系統的影響開辟了一條新的途徑，同時，也為后續更加深入的研究奠定了基礎。

[1] 周修杰.2010—2015年新疆風力發電行業投資分析及前景預測報告[EB/OL].[2012-02-14].www.ocn.com.cn.

[2] 新疆可再生能源發展定位與前景分析[EB/OL].[2012-02-14].http://istock.jrj.com.cn/article,002202,2739409.htm l.

[3] 雷亞洲.與風電并網相關的研究課題[J].電力系統自動化，2003，27(8)：84-87.

[4] 遲永寧，劉燕華，王偉勝，等.風電接入對電力系統的影響[J].電網技術，2007，31(3)：77-81.

[5] 劉志富，楊濱，趙旭，等.黑龍江省電網如何提高吸納風電能力的分析和建議[J].黑龍江電力，2010，32(3)：172-175.