電網風電出力特性分析

李仕杰，王鐵強，郭 佳，蘆佳碩

(1.華北電力大學，河北 保定 071003；2.河北省電力公司，石家莊 050021)

目前，風力發電是較成熟、經濟效益較好的一種可再生能源發電技術。隨著風力發電技術的快速發展和國家在政策上對可再生能源發電的重視，風電在河北省南部電網(簡稱“河北南網”)中所占比重不斷提高。風能具有波動性、間歇性以及隨機性等特點[1-3]，這決定了風電的大規模并網會對系統電壓、頻率產生不良影響，從而限制風電的大規模接入。

1 風電場概況

河北南網部分地區風資源豐富，風電裝機容量逐年增加。截至2012年8月，河北南網接入的風電場主要有：滄州地區海興風電場(50 MW)、黃驊風電場(100 MW)，保定地區的蔚州風電場(150 MW)，以及接入220 kV新蔚匯集站的黃花梁、東甸子梁、永勝莊、茶山、甄家灣等風電場(250 MW)。根據河北南部地區可再生能源產業發展規劃，到2013年河北南網風電裝機總容量將達到1 050 MW。河北南網風電機組類型主要為變速恒頻雙饋型機組，額定功率為1.5 MW或2 MW，額定風速為12 m/s，風輪半徑65～70 m，槳葉目數為3。

2 風電出力的波動性和隨機性

2.1 風電出力的波動性

風電出力波動幅度大，波動頻率也無規律性，在極端情況下，風電出力可能在0～100%范圍內變化。圖1為黃驊風電場2011年9月到2012年8月一年的日平均出力曲線。由圖1可知，日平均出力的波動范圍較大，最小值接近0，最大值接近于80 MW額定值。

圖1 日平均出力的年度分布

黃驊風電場實際運行數據表明，風電場的有功功率輸出值會出現連續數日風電大出力和連續數日風電小出力的情形，風電大出力時連續數日風電平均出力達到或超過80%額定功率，風電小出力時連續數日風電平均出力小于10%額定功率。黃驊風電場連續4天風電大(小)出力如圖2所示，其中，2012年4月1日-4日對應風電連續大出力，2012年2月26日-29日對應風電連續小出力。

2.2 風電出力的隨機性

風電出力隨機性強、間歇性明顯，同一風電場相鄰幾日的日平均發電量可能相同，但風電各時段的出力差異明顯。黃驊風電場相鄰2日的風電出力曲

圖2 2012年連續4天風電大(小)出力

線如圖3所示，其中，2日的日均發電量均為390 MWh，但風電出力曲線差異巨大。

圖3 典型相鄰日的風電出力曲線

日均出力變化率的定義如下：

(1)

式中：λ為日平均出力變化率；Pwj為風電當日的日平均出力；Pw.i-1為風電前1日的日平均出力；Ptotal為風電場總裝機容量。

根據黃驊風電場2011年9月-2012年8月的風電功率輸出數據，黃驊風電場相鄰日的平均出力變化率的概率分布曲線如圖4所示。

圖4 相鄰日的日平均出力變化率的概率分布

由圖4可知，黃驊風電場的日平均出力變化率主要分布在0～30%內，日平均出力變化率在30%及以上的天數占到11.2%，日平均出力變化率最大值可達76%。

3 風電出力的相關性和互補性

河北南網相鄰風電場出力在長時間尺度下具有明顯相關性，在短時間尺度下具有明顯互補性。

3.1 長時間尺度下風電出力具有相關性

風電場選址所引起的地理分散效應會降低風電出力的相關性，提高其互補性，但是其作用主要集中在小時級以下時間尺度范圍內。由于黃驊風電場與海興風電場相鄰，因而對于長時間大面積來風時，各個風電場出力的總體趨勢相近。這時，不同風電場的風電出力表現出較大的相關性，導致滄州地區風電總出力波動較大。

圖5為海興風電場和黃驊風電場2012年4月1日-4日風電出力曲線。

圖5 2012年4月1日-4日海興風電場和黃驊風電場出力曲線

由圖5可知，在長時間尺度下，2個風電場出力具有很大的相關性。

3.2 短時間尺度下風電出力具有互補性

在小時級以下短時間尺度內，風電場內的各風電機組出力和各個風電場出力存在一定的互補性，降低了河北南網風電總出力的變化率。處在不同位置的風電場在同一時刻迎來不同風速的風，因此，各風電場出力變化的時間及速率不同，風電場選址所引起的“分散效應”降低了風電總出力的變化率。

圖6為海興風電場和黃驊風電場2011年10月4日12點-16點風電出力曲線。

圖6 2011年10月4日12點-16點海興風電場和黃驊風電場出力曲線

由圖6可知，在短時間尺度下，2個風電場出力具有很大的互補性。

根據河北南網風電的實際運行經驗，雖然單個風電場出力變化率較大(如圖4所示)，但是在“風風互補”作用下，河北南網整體風電出力變化率較小。圖7為根據河北南網2011年9月-2012年8月風電運行數據繪制的相鄰日的平均出力變化率概率分布曲線。

圖7 相鄰日的日平均出力變化率概率分布

由圖7可知，河北南網風電相鄰日的日平均出力變化率集中分布在30%以下，風電場之間的“風風互補”作用能夠全面提高風功率預測的準確性，提高系統安全穩定運行能力。

4 內陸風風電場與海風風電場功率特性分析

河北南網風電場主要分布在保定和滄州兩地，其中，保定地區風電場受內陸風影響，滄州地區風電場受海風影響。以下通過中位數、標準差變異系數和極差3個統計量分析內陸風風電場和海風風電場一年四季的功率特性。表1為根據河北南網2011年9月-2012年8月風電運行數據統計得內陸風風電場和海風風電場上述3個統計量隨季節變化數值。

表1 風電場不同季節輸出功率的中位數、標準差變異系數和極差

參數風電場春季夏季秋季冬季中位數內陸風風電場0.9020.7780.5450.803海風風電場0.8780.7910.8520.816標準差變異系數內陸風風電場0.6690.9061.0300.781海風風電場0.6640.7390.8390.822極差內陸風風電場2.4423.7854.4762.551海風風電場2.7463.7233.5233.301

注：表中數據為風電場功率輸出值進行歸一化處理后的數值，歸一化過程中的基準值為風電場輸出功率的算數平均值。

根據文獻[4]可知，基本統計量中，中位數越大、標準差變異系數越小、極差相對較小時，風電功率特性相對較好。由表1可知，春季和冬季，風電功率特性為內陸風風電場優于海風風電場，夏季和秋季，風電功率特性為海風風電場優于內陸風風電場。

5 結論

a. 河北南網風電出力具有明顯的波動性和隨機性，風電出力變化范圍大，相鄰日出力具有不確定性。

b. 河北南網相鄰風電機組、風電場在短時間尺度下存在互補性，風電總出力變化率不大；但是在長時間尺度下，風電出力則表現出很大的相關性。

c. 河北南網內各個風電場通過“風風互補”能夠有效的減少風電日平均出力的變化率，提高風電場群功率預測的準確性；各個風電場通過與周邊風電場相聯系，擴大功率預測范圍，能夠有效提高系統安全穩定運行能力。

d. 河北南網的內陸風風電場和海風風電場功率特性隨季節不同而不同，春季和冬季，風電功率特性為內陸風風電場優于海風風電場；夏季和秋季，風電功率特性為海風風電場優于內陸風風電場。

參考文獻：

[1] 汪寧渤．甘肅酒泉千萬千瓦風電基地面臨的挑戰與應對措施[J]．電網與清潔能源,2009,30(7):43-47．

[2] 林衛星，文勁宇，艾小猛，等．風電功率波動特性的概率分布研究[J].中國電機工程學報,2012,32(1):38-46．

[3] 肖創英，汪寧渤，陟 晶，等．甘肅酒泉風電出力特性分析[J].電力系統自動化,2010,34(17)：64-67．

[4] 陳 貞，倪維斗，李 政.風電特性的初步研究[J]. 太陽能學報,2011,32(2):210-215.