鹽城地區風電及光電特性研究

吳興泉，萬秋蘭

(東南大學電氣工程學院，江蘇南京210096)

江蘇鹽城地區處于黃海之濱，海岸線長達582 km，占全江蘇海岸線的56%。鹽城地區灘涂面積廣大，占江蘇省灘涂面積的57%，是典型的季風氣候，風力資源豐富，地區年平均風力大于3 m/s，沿海年平均風力在4～5 m/s以上；其光伏資源豐富，日照峰值時數日平均值達到3.98，是太陽能資源較豐富的II類地區[1-6]。至2012年，接受統調的風電場已有4座，總裝機達658 MW，分別是東臺和國華風電廠共258 MW，大豐風電廠200 MW，以及響水風電廠200 MW；光伏電廠并未接受統調，共有219.8 MW。其2011年總負荷為3 758 MW。即在鹽城地區，新能源的滲透率達到了23.36%。

風電具有極強的隨機性，間歇性以及波動性的特點。在大規模并網時，風電的隨機性和波動性將對系統運行及調峰特性造成較大影響，甚至可能影響電力系統運行的穩定性。由于風能具有較強的地域性，內陸風和沿海風有其不同的特點。而光電與風電在季節性上有一定互補性。因此，研究鹽城地區的風電及廣電特性就極為重要。

1鹽城地區風電出力特性

1.1風電年度出力特性

根據鹽城地區2011年至2012年實際測風數據，累加各個風電廠對應時刻的出力數據，畫出2011年3月到2012年3月一年的風電日平均出力曲線，如圖1所示。鹽城地區風電日平均出力分布范圍比較廣，出力情況從接近0到0.9，大部分日平均出力處于0.1左右，其風電年度平均出力為0.18。2011年3月至2012年3月一年的風電月度平均出力曲線如圖2所示。

圖2 2011年3月至2012年3月風電月度平均出力曲線

從圖2中可以看出，在2011年3月至2012年3月這一年里，出力最大月份為2012年2月，將近0.25，出力最低的月份為7月，僅為0.105 3。其中6月、7月、8月以及10月份出力明顯低于0.15，其余則接近0.2或接近0.25。

鹽城地區風電出力在連續一年內的分布特性如圖3所示。風電出力在0～0.5之內的概率為91.7%；出力在0～0.02之內的概率為13.5%；而出力在0.94～0.96之間的概率最低，僅為0.03%。鹽城地區年度風電總輸出功率處于總裝機容量的一半以下。

圖3 2011年3月至2012年3月風電出力分布圖

1.2風電季節出力特性

鹽城地區四季分明，尤其夏冬兩季差異明顯。因此，其風電出力會受到氣候影響。本文按春季（3月至5月）、夏季（6 月至 8 月）、秋季（9 月至 11 月）、冬季（12月至次年2月）進行劃分。

鹽城地區風電出力概率最大的始終處于[0，0.25]區間內。這體現出鹽城所在的東南沿海地區與內陸地區的風電出力分布有所區別。在內陸區域，風電出力的最大概率一般出現在[0.2，0.3]左右，且[0，0.25]的出現概率較低。另外，鹽城地區四季風電出力特性又有所區別，如表1所示。

表1四季出力統計特性

從表1可看出，鹽城地區四季的風電出力分布特性并無太大差異，主要分布均在[0，0.5]區間內。在此區間內的概率可達80%以上。夏秋兩季甚至到90%以上。春、秋、冬三個季節里，風電的方差較大，則波動比較大，出力較分散；夏季方差較小相對集中，且出力相對其他季節明顯較小，出力更多的分布在[0，0.2]；冬季波動最大。

1.3同一地區不同區域之間風電的相關性

1.3.1 短時間下不同區域間風電的相關性

鹽城地區風電場主要分布于3個縣級市：大豐市、東臺市和響水縣。由于響水縣處于鹽城地區最北邊，與東臺市、大豐市相距較遠，在一段短時間內，會削弱風電的相關性，提高區域間風電的互補性。這是由于風電廠分布較廣，在出力時風速分布并不均勻，地區不同地點間的風力差異造成。響水風電場及國華風電場短期出力如圖4所示。由圖4可知，響水風電出力與國華東臺風電場出力呈互補性。從兩者二階矩（如表2所示）也體現了這點，兩者的出力和二階矩分別小于兩者的二階矩。

圖4響水風電場及國華風電場短期出力

表2響水和東臺國華風電場出力方差

1.3.2長時間下不同區域間風電的相關性

長時間內，不同風電場出力呈相關性，且互補性較弱。因為在長時間下，一個地區的風力總體是一致的，如圖5所示。

圖5響水風電場及國華風電場長期出力

2風電的波動特性

2.1風電的年度波動特性

風電之所以會對電網運行造成影響，除了其隨機性外，波動特性也是主要因素之一。本文分析風電波動特性采用一階差分，并分析其分布特性。風電15 min及1 d一階差波動量如圖6、圖7所示。

日前調度時，主要考慮的是15 min的時間間隔。時間間隔15 min波動量分布如圖8、圖9所示。

分析結果表明，在15 min的時間間隔內，風電波動量在±0.1內超過98%，±0.2內的超過了99%；而時間間隔為1 d的波動量，風電波動量在±0.1內的概率為59.7%，±0.2內的概率為82.6%。

15 min時，風電年度最大波動量為+0.3，-0.67，經分析最小波動量-0.67是出現在滿發運行突然切機造成。鑒于這是系統事故不屬于自然情況可將其排除。從圖8也可以看出，分布在負半軸的約等于分布在正半軸。由于15 min間隔全年風電波動量均值約等于0。另分析波動量正、負時刻的均值,為正的波動量均值為0.006，為負的波動量均值為-0.006。可以推斷，鹽城風電的短時波動特性對系統有功調節不會產生影響。時間間隔15 min波動量較小，造成原因之一是風雖然隨機性強，但并非瞬變，氣流的流動亦有其慣性。而15 min內，并無明顯氣候特征，日內分布也較為統一，在短時間內出現大規模變化的概率極低。

因為風電裝機容量為658 MW，全年平均波動量為3.95 MW。考慮到鹽城地區2011年總負荷為3 758 MW，接受統調的火電機組為1 895 MW。絕大部分情況下，鹽城地區可以負擔現有風電的波動量。根據規劃，2013年鹽城地區風電裝機容量將達到1 400 MW，負荷達到4 000 MW，估算其風電的波動量為±8.4 MW。2008年，江蘇省AGC負荷高峰時的調節裕度為14 MW/min。可以預見2013年電網是能夠調節風電波動量的。

2.2風電的季節波動特性

比較圖6與圖7，在0點兩側，波動量幾乎均勻分布。但以1 d為時間尺度明顯比以15 min為時間尺度更為分散。在1 d為時間尺度的情況下，風電的波動呈現一定的季節性，明顯的夏季波動要比其他季節小，波動及范圍主要在[-0.2，0.2]區間內；春季風電波動量更多地在區間[-0.4，0.4]左右波動；秋冬季風電的波動量更多地分布在[-0.6，0.6]內，相對無規律。如圖10—13所示。

由圖10—13可以看出，以1 d為時間間隔時，四季風電波動量分布有明顯不同。春季風電波動量在±0.2以內的概率為65.6%；夏季為87.8%；秋季為76.7%；冬季為75.6%。秋季與冬季更為接近。春季波動量最為發散，夏季則最為集中。時間間隔為1 d時，波動量明顯，且每個季節均有其不同的特征。在風電預測中，必須考慮季節因素。

3不同時間尺度的調峰特性

3.1日調峰特性

調峰特性,一直是風電接納的一大問題。風電具有反調峰特性[7-11]，是對風電調峰特性的普遍認知。負荷區間一般高峰時段均處于白天，從上午10:00到晚上22:00為峰，其余為谷。按照這兩個時段統計2011年至2012年度風電的峰谷特性。

在上午10:00到晚上22:00時段，風電出力比當天其余時段風電出力高的日子有349 d，而負荷的低谷時段，風電出力比負荷高峰時段出力高的天數僅有14 d。即是說，在鹽城地區，風電的反調峰特性并不是特別突出。其中，春季負荷高峰風電出力比負荷低谷風電出力高的天數為85 d，夏季為88 d，秋季90 d，冬季為86 d。2011年3月至2012年3月各月份風電反調峰情況如表3所示。表3亦驗證了鹽城地區四季風電日內反調峰特性并非特別突出。

表3 2011年3月至2012年3月各月份風電反調峰情況

3.2月度調峰特性

鹽城地區風電有明顯的季節性，夏季出力最小，春季最大，秋冬季次之。但負荷電量卻有所不同，夏季是負荷的高峰，冬春季的負荷相對少，尤其是農歷新年期間為負荷最低谷。鹽城地區2011年月度出力如圖14所示。鹽城地區2011年負荷指示如圖15所示。

由圖14、圖15可以知道，在2011年6月到8月，是負荷的高峰期，而此時鹽城地區的風電出力恰恰為低谷。

在2013年，風電裝機容量將達到400 MW，屆時鹽城地區負荷預計為1 400 MW，風電滲透率將達到28.5%，反調峰特性在高滲透的電網條件下將會更為突出。

4鹽城地區風電與光伏的互補特性

4.1鹽城地區光伏出力

鹽城地區四季光伏典型出力如圖16所示。其中夏季日出力最大，均值為18.53 MW；冬季日出力最小，僅為12.56 MW；而春季平均日出力為14.81 MW，秋季為18.61 MW。

由圖16可以看出，光伏發電日出力曲線近似于正弦曲線。

4.2鹽城地區風光的互補特性

為了研究鹽城地區風電和光伏電廠的物理上的互補特性，本文引入互補率描述其互補特性的指標：

式（1）中：σA為系統中容量最大的一種不可調資源（本文中為風電）的方差；σB為計入另外的不可調資源后，系統中不可調資源（本文中指風電與光伏發電之和）總的方差；k值為互補率指標。k值取值范圍為（-∞，1）。當k＜0時，認為系統中的不可調資源不存在互補性；k＞0時，則認為其存在一定互補性。k值越大，則互補程度越好，反之亦然。

表4四季典型互補率

由鹽城典型風電日出力曲線、光伏典型日出力曲線以及互補率公式得到結果如表4所示。由表4可知，除秋季外，其余三季風電與光伏均有互補性。

5結束語

在沿海地區，風電的輸出對于內陸風電有較大的差異性。經過分析，江蘇省鹽城地區的風電具有其典型特性。

（1）鹽城地區風電有較強的季節性。夏季風電出力明顯偏小，春季最大，而秋冬季節出力次之，且差異不大。

（2）鹽城地區風電具有很強的波動性和隨機性，連續兩天風電出力亦會明顯不同，且風電出力變化范圍較大。由分析可知，以15 min為時間間隔時，連續兩個時刻間的風電出力差異并不大，居然大部分處于區間[-0.2，0.2]內；而以1 d為時間間隔時，相鄰2 d的出力差異呈季節性，夏季出力波動更為集中，春季則最為發散，秋冬季次之。

（3）鹽城地區風電在長時間尺度內具有反調峰特性，但在日內，反調峰特性并不突出。在一年內，夏季和冬季有明顯的反調峰特性。

（4）鹽城地區風電與光電具有互補性，除秋季外，其他三季均體現了這一特性。

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