地區電網風電水電互補的特性分析

姚俊偉，張燕，楊星磊，金蕭，項川，何奇

（囯網宜昌供電公司經濟技術研究所，湖北 宜昌 443000）

1 引言

風電與水電的產生都是通過現代先進技術，將風與水等自然元素所具備的動能轉化為電能，該過程無需燃燒，不會對大氣中排放污染物質，并且風能與水能是自然中取之不盡用之不竭的，因此風電與水電被稱為可再生的清潔能源。風電與水電具有地域性與季節性的特性，風電的獲取受到地理地形的環境影響程度較大，并且其還存在較高的波動性；水電的獲取則要與季節特性以及江河的地理分布情況來進行結合。

在我國經濟不斷發展的背景下，國內對于能源的需求程度也在不斷提升，傳統的能源供給模式已經無法滿足日益提升的能源需求，因此需要加快在新能源領域的發展，以滿足國能能源需求的同時，也能夠符合我國政策所提出的可持續發展的科學發展觀標準。在新能源的發展領域中，自然能源的占比程度不斷提升，為電力系統的并網提出了新的要求，結合目前所考慮的解決方式，為使水電與風電協調運行，該方案能夠實現對風電場進行常規調控管理。在對水電與風電協調運行的方案進行研究的過程中，需要首先了解其原理與特性，以及相互之間的聯系與區別，進而使兩者形成互補，相互進行電量與容量的補償。

2 風力發電的特性分析

風電產生的效率跟風速有直接聯系，而風速則與地理特征、氣候特征等因素有關，同時也受到時空因素的影響，根據時間尺度的差異，對風速的評估標準也不同。圖1展示了風速變化過程中的頻譜、頻率統計圖，圖中天氣峰值的形成主要是由于氣候變化所造成，圖中的日峰值則是由于溫度的影響所形成。一般情況下，對于規模越大的風電場，其變化的時間尺度等級越小，分鐘級別以下的變化程度較大，湍流峰值就是與該等級的時間尺度相對應。

圖1 風速變化時的功率頻譜圖

由于風電功率與風速有直接聯系，學術界對于風速進行深入研究后建立了多種模型，其中有Weibull、Rayleigh等，Weibull是對風速分布進行模擬測量，能夠通過現代軟件來進行計算與統計，其在現實應用中的表現較好。HOMER軟件能夠對風電場的Weibull概率進行分析與統計，并且能夠通過曲線圖來展現，該曲線能夠有效統計風速的分布性與隨機性概率。為了便于研究，本文對風速概率與Weibull的關系進行假設，假設前者服從后者的情況下，能夠構建概率密度函數的算式，具體如式（1）所示：

上式中，v、c、k分別表示風速以及Weibull分布的尺寸參數與形狀參數，k值的范圍為1.5～3。風速的分布計算式如下：

由于風能具備較大程度的隨機性與分布性，因此風電機組的輸出功率不具備穩定性，其數值的表現形式為分段函數，當風速與風電場的風機切入風速不能匹配時，風電場的輸出功率為零。當風速小于切出風速，并且大于額定風速的狀態下，風電場的輸出功率為額定狀態。

表1 風電與水電在協調運行中所具備的互補內容

3 風水互補特性分析

風能的產生效率主要由風電場的輸出功率決定，風電場輸出功率與風速以及裝機類型的關系較為緊密，同時波動幅度也較大。水電站能夠發電的同時，還能夠進行防洪灌溉，并且輸出功率也受到河流以及環境氣候的影響，其也具備一定程度的波動性。

隨著科技的發展，可再生能源發電將成為未來能源的主流趨勢，因此需要各種不同類型的可再生能源進行相互協調，共同為國家能源供給來服務。在可再生能源中，水電與風電就具有較好的互補條件，被能源行業與社會各界所重視。國際能源機構在對二者進行深入研究分析后指出，需要通過制定相應的實施協議方案來發展集成系統項目。由于我國地大物博，在風電與水電的發展上具有一定優勢，并且東北地區具備同時開發兩種可再生能源的特質，能夠有效開展風水聯合調度的研究。并且國家政府對該項研究也較為重視，通過設立多項重大科技項目來促進風電與水電的聯合發展。

風電與水電之所以能夠進行聯合互補發展，主要因為二者具備較大的時空差異，具體的差異有季節差異與調節技術差異，因此能夠進行有效的互補。表1展示了風電與水電在協調運行中所具備的互補。

（1）季節互補性。自然資源都具有一定的季節性影響，同樣風電與水電也不例外，在我國夏季的風速要比冬季小，并且降水比冬季充沛，因此夏季的季節特性使得風能較小而水電較為充分，而冬季則是風電充分，水電發電量不足。水電還存在豐水期與枯水期因素的影響，不同的水期直接影響到水流量與發電量，水電當地日的水流量比較穩定，屬于日級波動較小的狀態。風電的波動屬于小時級別，在日內的波動幅度較大。水電與風電相互協調能夠對波動性進行互補。圖2展示了克什克騰旗地區水電與風電的季節互補表現，從兩圖曲線來看，互補關系非常明顯。

（2）技術特性互補。水電發電站在修建時都具備蓄水的功能，通過對水量的儲備能夠間接對電能進行儲備。通過蓄水能夠使水電站較好的應對時間較短的波動，使得水電與風電結合時，在風能較大使得風電輸出效率提升的情況下，可以讓水電站進行蓄水，而風能變小使得風電的輸出效率降低的情況下，可以通過防水提升水電輸出，這樣可以形成較為規律的循環，從而一直保持穩定的總輸出功率。

圖2 內蒙古克什克騰旗地區風電與水電在季節上的互補性

4 結語

本文對風能與水能發電進行概述，并對二者的功率特性進行了分析，在前任的研究基礎上，通過風能發電的相關數據對Weibull分布的合理性進行了分析與驗證，根據風速Weibull分布對各種尺度標準與形狀參數的風電功率進行了計算分析。在對風電規模不斷提升而出現的并網與消納問題上，提出了對目前風電與水電進行相互協調互補的構想方案，并對風電與水電結合的客觀可行性與互補優勢特性進行了分析，其中對風電與水電的季節性互補以及技術特性互補方面的內容進行詳細分析。通過風電與水電的協同運行，能夠有效解決現階段存在的風電消納問題。