風(fēng)電不確定性對電力系統(tǒng)的影響研究

董敏

摘要：隨著新能源使用的增加，人們對可再生發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)也在持續(xù)增多，特別是對風(fēng)電系統(tǒng)的應(yīng)用有了更多的了解。風(fēng)電系統(tǒng)具有消耗低、成本少等優(yōu)點，適宜大規(guī)模建設(shè)的發(fā)電系統(tǒng)。但由于自然風(fēng)力發(fā)電具有不確定性，影響著電能的質(zhì)量和可靠性。本文對風(fēng)電的不確定性進(jìn)行了分析，同時闡述了風(fēng)電不確定性對電力系統(tǒng)的影響，并對風(fēng)電不確定性給出了相應(yīng)的應(yīng)對措施，希望為風(fēng)力發(fā)電提供參考。

Abstract： With the increase in the use of new energy sources， the construction of renewable power generation systems has continued to increase， especially for the application of wind power systems. The wind power system has the advantages of low consumption and low cost， and is suitable for a large-scale power generation system. However， due to the uncertainty of natural wind power generation， it affects the quality and reliability of electric energy. In this paper， the uncertainty of wind power is analyzed， the influence of wind power uncertainty on power system is also expounded， and corresponding countermeasures are given for wind power uncertainty. It is hoped to provide reference for wind power generation.

關(guān)鍵詞：風(fēng)電；不確定性；電力系統(tǒng)；影響

Key words： wind power；uncertainty；power system；impact

中圖分類號：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）33-0182-02

0 引言

風(fēng)力發(fā)電是通過自然界的風(fēng)進(jìn)行發(fā)電，不僅解決了火力發(fā)電中對可再生資源的消耗，也降低了對環(huán)境的污染，是新生能源中的重要發(fā)電形式。但風(fēng)力發(fā)電具有一定的不確定性，能夠給發(fā)電系統(tǒng)帶來影響。只有了解了風(fēng)電的不確定性，明確這些不確定性給電力系統(tǒng)所帶來的影響，并尋求有效的應(yīng)對措施，才能更好地利用風(fēng)力發(fā)電，給用戶提供質(zhì)量可靠的電能資源。

1 風(fēng)電概述

在自然界中，太陽能、風(fēng)能、水能等都是重要的可再生資源，能夠在使用后重新產(chǎn)生，對電力發(fā)電有重要意義。利用這些可再生資源進(jìn)行發(fā)電比傳統(tǒng)的火力發(fā)電有著巨大的優(yōu)點，是減輕環(huán)境污染的重要手段。其中風(fēng)能發(fā)電能夠為廣大用戶提供優(yōu)質(zhì)的電能，是未來能源革命的重要形式。風(fēng)電在我國得到了大規(guī)模的使用，不僅是對電能的極度需求，也是對環(huán)境安全的保護。

但風(fēng)電有著很強的不確定性，會隨著時空的分布而出現(xiàn)間歇性和波動性。對于風(fēng)速的預(yù)報雖然有著一定的誤差，但對風(fēng)力發(fā)電的影響較小，而風(fēng)力的間歇時段預(yù)報有著較大的誤差，這導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電也存在著間歇性，影響了電力的可靠性。隨著地域的擴大，風(fēng)力的間歇性會更加明顯，也讓電網(wǎng)發(fā)電的影響更加巨大。因此要對電網(wǎng)運行中的注入量進(jìn)行預(yù)測，從而實現(xiàn)有效調(diào)度，確保電網(wǎng)電量在風(fēng)電不確定性時能夠得到及時補充。

2 風(fēng)電不確定性

風(fēng)電在使用時，由于自然條件的影響，存在著很多不確定性，這些不確定性會嚴(yán)重影響著電力系統(tǒng)的發(fā)電效果。風(fēng)電的不確定性主要表現(xiàn)為風(fēng)速的波動和間接性、風(fēng)電的隨機性。

2.1 風(fēng)速存在波動性和間接性

風(fēng)在運動時，風(fēng)速會表現(xiàn)出不確定性，主要是具有波動性和間接性。在時間上，每段時間的風(fēng)速是不同的，平均風(fēng)速難以平穩(wěn)把握。并且風(fēng)速具有時段性，并不是時刻存在的，有些時候會出現(xiàn)較大風(fēng)速，有些時候風(fēng)速則較小，有些時候則沒有風(fēng)。因此由于風(fēng)速的波動性和間接性，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并不能一直依靠風(fēng)力進(jìn)行發(fā)電，這給系統(tǒng)的運作帶來了影響，造成無法平穩(wěn)且持續(xù)地向外供應(yīng)電力。通過研究發(fā)現(xiàn)，在一個小時內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電的變化量占總?cè)萘康?0～35%，但隨著時間的延長，四到十二小時則風(fēng)電變化量超過了50%。這種發(fā)電功率的波動性是由于脈動風(fēng)速所引起。對于風(fēng)電的間歇性，則無法進(jìn)行預(yù)測，通常是處于隨機變化的。表1為風(fēng)速的波動性和間歇性研究表。

2.2 風(fēng)電存在著隨機性

由于風(fēng)速的波動性和間歇性，在對風(fēng)電進(jìn)行研究時，需要對當(dāng)?shù)氐淖匀粴夂蜻M(jìn)行長時間觀察，進(jìn)而了解風(fēng)的運行規(guī)律，制定適宜當(dāng)?shù)仫L(fēng)力發(fā)電的可行方案。合理的風(fēng)電方案能夠在一定程度上解決風(fēng)電的不確定性，但風(fēng)電的隨機性是難以消除的，會一直存在，這不僅同當(dāng)?shù)氐淖匀粴夂蛴嘘P(guān)，也同地域性和空間性的自然環(huán)境有緊密聯(lián)系。例如，某個時間段，沿海地區(qū)會出現(xiàn)臺風(fēng)天氣，給風(fēng)力發(fā)電帶來了嚴(yán)重的影響。臺風(fēng)是并不是持續(xù)出現(xiàn)的，并不代表該地區(qū)的自然氣候，因此存在著隨機性。在風(fēng)電轉(zhuǎn)換時，設(shè)備發(fā)生故障的時間和頻率等都存在隨機性。

2.3 風(fēng)電的不確定性因素

風(fēng)速的不確定性主要在平均風(fēng)速、風(fēng)向等上得到體現(xiàn)。由于自然環(huán)境的復(fù)雜性，外界的地形、高度、空氣密度等都會影響到風(fēng)速，直接導(dǎo)致風(fēng)速存在不確定性。常用Weibull分布作為平均風(fēng)速的概率模型，分布的尺度和性質(zhì)參數(shù)可直觀地反應(yīng)風(fēng)速期望和標(biāo)準(zhǔn)差。普通的統(tǒng)計方法能夠?qū)︼L(fēng)電功率的不確定性因素做出反映，卻不能將風(fēng)的時空分布進(jìn)行完整反映，因此，利用風(fēng)電的不確定性對風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行評估時，結(jié)果會存在一定的偏差。

對風(fēng)電轉(zhuǎn)換的不確定性造成影響的因素主要是：風(fēng)機故障、風(fēng)速越限引起的切入切出、機組運行特性變化、最大風(fēng)電功率同遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)等工況變化。風(fēng)電系統(tǒng)內(nèi)部和外部都存在不確定性因素，包括發(fā)電機組、負(fù)荷、隨機事件等。表2是風(fēng)電系統(tǒng)內(nèi)部和外部存在的不確定性因素。

3 風(fēng)電不確定性對電力系統(tǒng)的影響

由于風(fēng)電具有極強的不確定性，給風(fēng)電系統(tǒng)的運行帶來了影響，這種影響時具有時空特性的。

3.1 對頻率產(chǎn)生的影響

風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以在一定程度上反應(yīng)系統(tǒng)低于外來干擾的能力，風(fēng)電系統(tǒng)的充裕性則表現(xiàn)了系統(tǒng)能夠為用戶提供電力能力的高低。由于在評估風(fēng)險和控制風(fēng)險時存在著不確定性，并且包含了對分岔、混沌理論的研究，造成不確定性因素對大規(guī)模風(fēng)電會形成極大的影響。不同地區(qū)風(fēng)電機組在相同的調(diào)頻時間尺度上有著不同的功率波動，風(fēng)電場的集聚效應(yīng)也在一定程度上對風(fēng)電功率的波動構(gòu)成影響，并且可以降低這種波動。

3.2 對電壓產(chǎn)生影響

風(fēng)電功率波動會導(dǎo)致風(fēng)電系統(tǒng)的電壓產(chǎn)生波動，主要是由于風(fēng)速、湍流強度、塔影效應(yīng)等對電壓閃變值的改變。在低頻段范圍內(nèi)，電壓閃變值的離散化計算誤差較小，適宜應(yīng)用在風(fēng)電引起的電壓波動中。

導(dǎo)致風(fēng)機頻繁脫網(wǎng)的因素主要是電機上網(wǎng)環(huán)節(jié)需求、電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性等。大規(guī)模風(fēng)機入網(wǎng)，電網(wǎng)中增加了感應(yīng)電機，讓電壓失穩(wěn)，因此，風(fēng)機脫網(wǎng)現(xiàn)象時有發(fā)生。對于這種情況，一般可以安裝動態(tài)無功補償設(shè)備加以控制，能夠有效降低電壓失穩(wěn)的情況，防止安全事故的產(chǎn)生。

3.3 對暫態(tài)穩(wěn)定性構(gòu)成影響

對于恒速異步風(fēng)力發(fā)電機，本身并不存在同步穩(wěn)定性問題。一些文獻(xiàn)根據(jù)EEAC理論，希望利用FSIG取代同步發(fā)電機。在這一過程中，當(dāng)風(fēng)機的類型發(fā)生改變，存在著故障位置、時間的不同時，將會影響到電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。特別是介入高等級電壓時，對風(fēng)力發(fā)電機的暫態(tài)穩(wěn)定性的影響更為明顯，需要利用變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，讓系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到提升。對于不對稱故障和動態(tài)負(fù)荷運行模式，也要加強對風(fēng)機接入暫態(tài)穩(wěn)定性的重視程度，做好相應(yīng)的應(yīng)急和研究。

3.4 對系統(tǒng)性能造成影響

風(fēng)電系統(tǒng)的性能非常重要，良好的性能可以保持電力的穩(wěn)定性，滿足一定范圍內(nèi)用戶的用電需求。但風(fēng)電的不確定性會影響到風(fēng)電系統(tǒng)的性能，給電能的生產(chǎn)帶來干擾。風(fēng)電不確定性會影響電力輸送設(shè)備，對發(fā)電系統(tǒng)的各項參數(shù)造成影響，進(jìn)而降低了電力輸送設(shè)備的性能，讓電力輸送變得更加困難。風(fēng)電不確定會降低發(fā)電系統(tǒng)的性能，讓系統(tǒng)性能出現(xiàn)波動，需要利用更多的性能控制設(shè)備對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行控制，這在一定程度上降低了系統(tǒng)運行的可靠性，給電能的生產(chǎn)帶來困擾。

3.5 對電力市場產(chǎn)生影響

風(fēng)電的不確定性讓風(fēng)電系統(tǒng)對各級備用容量增加了，例如對調(diào)頻和旋轉(zhuǎn)備用的需求得到提高。隨著可再生資源需求和使用的不斷增加，可以利用需求側(cè)管理措施對備用市場和充裕度進(jìn)行控制，讓市場力得到緩解。控制和優(yōu)化市場充裕度，做好合約決策和執(zhí)行決策環(huán)節(jié)，對電力市場的博弈和風(fēng)險動態(tài)配置資源進(jìn)行有效管理，讓風(fēng)電不確定性對電力市場的影響得到相應(yīng)控制和降低。

4 結(jié)束語

風(fēng)力是重要的可再生能源，對發(fā)電有著重要的作用。但風(fēng)電具有不確定性，不僅風(fēng)速存在間歇性和波動性，風(fēng)電也存在隨機性，這給電力系統(tǒng)的安全性、充裕性等帶來了影響，很大程度上干擾了電能的質(zhì)量和經(jīng)濟性。為了讓風(fēng)電能夠得到有效利用，需要對風(fēng)電功率預(yù)報進(jìn)行完善，從時間、經(jīng)濟、技術(shù)、環(huán)境等多方面進(jìn)行控制和優(yōu)化，做好發(fā)電、運輸、用電等環(huán)節(jié)的控制，使所有環(huán)節(jié)都得到調(diào)節(jié)，降低成本和時間尺度上的風(fēng)險。只有更好地了解風(fēng)電的不確定性，才能進(jìn)一步提高風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為國家的風(fēng)電系統(tǒng)做出貢獻(xiàn)。

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