地市區(qū)域風電出力特性分析

彭有福 李鵬 喻琢舟等

摘 要：收集廣東北部某地市2017年1月-2018年8月風電實際出力運行數據進行分析，對該市風電出力的季節(jié)特性、日特性、出力波動率、出力概率區(qū)間、保證容量和有效出力等指標進行分析，為該市的電力系統(tǒng)規(guī)劃和運行提供參考依據。

關鍵詞：風電;出力特性;保證容量;有效出力

0 前言

風電產業(yè)是我國戰(zhàn)略性新興產業(yè)的重要組成部分，風力發(fā)電是可再生能源領域中技術成熟、最具規(guī)模開發(fā)條件的發(fā)電方式之一。積極有序開發(fā)風能資源，對于增加清潔能源供應、促進能源結構調整和節(jié)能減排具有重要意義[1]。本文研究的地市區(qū)域位于廣東北部山區(qū)，屬亞熱帶季風性氣候，冬半年受北方冷空氣影響，盛行東北季風，天氣較為干冷;夏半年則為季風低壓、熱帶氣旋外圍環(huán)流所影響，盛行西南和東南季風，高溫多雨;區(qū)域的風能資源較為豐富。根據《廣東省陸上風電發(fā)展規(guī)劃（2016-2030年）》成果，至2020年底該市將規(guī)劃建成陸上風電總裝機容量80萬千瓦，至2030年底陸上風電總裝機容量200萬千瓦。

該市風電資源待開發(fā)規(guī)模較大，但開發(fā)時間較晚（第一座風電場的投運時間為2016年11月），且對風電出力數據研究較少。本文收集2017年1月1日～2018年8月31日（時間間隔為15分鐘）共計58368個時間點的風電出力數據，基于統(tǒng)計學的方法分析該市風電的季節(jié)特性、日特性、出力波動率、出力概率區(qū)間、保證容量和有效出力，共6個風電出力特性評價指標，為該市的電力系統(tǒng)規(guī)劃和運行提供參考依據。

1 風電出力特性

1.1 季節(jié)特性

分別對該市的風電出力數據進行月和季統(tǒng)計周期的均值處理，該地市區(qū)域的風電機組平均年滿發(fā)小時為1867h，容量系數為21.3%。風電出力的季節(jié)特性顯示為：風電的月平均出力系數范圍在12.6%至34.6%;最大平均出力系數出現(xiàn)在10月（34.6%），最小平均出力系數出現(xiàn)在9月（12.6%）。風電的季平均出力系數范圍在16.4%至27.1%，各季平均出力由大到小的排序為：秋>冬>春>夏，與該地區(qū)夏季小水電大發(fā)時段重疊的幾率較小。

1.2 日特性

先對該市的風電出力每15分鐘間隔的數據進行月、季、年共3個不同統(tǒng)計周期的小時出力系數加權平均值處理，得出月、季、年的風電出力系數小時曲線，詳見圖1。月、季、年統(tǒng)計周期的風電出力系數日曲線都呈現(xiàn)“晚上出力大、白天出力小”的特點，除晚上18h～22h處于電網負荷較高時段外，晚上22h～次日8h均處于電網負荷較低時段，反調峰特征明顯。

1.3 出力波動率

電力系統(tǒng)中由于用電負荷與電源必須保證時刻平衡，而用電負荷與電源都有變化和不確定的特征，所以電力系統(tǒng)運行過程中將保留部分電源設備容量作為負荷、事故以及檢修的備用容量。由于風的間歇性、隨機性和波動性以及風電場的本身特性（如：風速變化、風剪切、偏航誤差、塔影效應等因素）使得風電機組的輸入風能具有不穩(wěn)定性，導致了風電出力會隨機波動，從而可能引起系統(tǒng)頻率穩(wěn)定問題，因此在考慮系統(tǒng)電源出力安排與備用容量時需增加風電影響因素。

本文引入風電出力波動率來表征風電出力的不確定性對系統(tǒng)備用造成的影響。受限于實際數據的時間間隔為15min，本文僅進行15min風電出力波動率的統(tǒng)計分析，該市風電的15min出力波動率最大值為47.3%。15min出力波動率在0%～5%區(qū)間的概率為85.5%，占絕大部分;15min出力波動率在5%～10%區(qū)間的概率為11.8%;15min出力波動率在10%～15%區(qū)間的概率為2.0%;15min出力波動率在大于15%區(qū)間的概率為0.7%。

根據上述分析表明，該市風電出力波動率較小，出現(xiàn)突升或突降得概率很低。同時當地火電裝機容量遠遠大于風電，也有相當比例調節(jié)速度更快的水電裝機容量。因此，該市風電的消納不會受到其他電源調節(jié)速度的限制。

1.4 出力概率區(qū)間

采用概率處理方法，將收集到的58368個時間點的風電出力數據轉化成風電出力系數后進行歸一化處理，歸一化區(qū)間如下：

完成歸一化處理后，對風電出力的概率分布情況進行分析，詳見圖2。可以看出，風電出力主要集中在0%～55%區(qū)間內。出力在0%～10%區(qū)間的概率最大，約占46%。各區(qū)間隨著風電出力的增大，概率呈快速減小的趨勢;風電出力大于55%時，其概率已降到2.5%以下。

風電出力累計概率曲線呈現(xiàn)凸二次曲線的特點。出力系數0～35%，累計概率達80%;出力系數0～55%，累計概率達95%;風電出力系數大于55%的累計概率僅為5%，對總發(fā)電量的貢獻很小。

1.5 保證容量

保證容量是衡量風電在負荷高峰時段用于系統(tǒng)電力平衡的容量，表示規(guī)模風電高峰負荷時段對常規(guī)機組的替代作用。一般情況下，其計算方法是把負荷高峰時段的風電出力按從大到小排，取在某一保證率下（本文取95%）風電的最小出力作為風電的保證容量。若風電具有一定的保證容量，即認為可替代對應保證容量的火電裝機。在進行電力系統(tǒng)規(guī)劃時，風電的保證容量直接影響其他電源的裝機規(guī)模[2]。

篩選該市負荷高峰時段（負荷系數大于90%時段）的風電出力系數計算保證容量，詳見圖3。可以看出，當地風電保證容量系數僅為1.5%，替代系統(tǒng)可靠電源容量作用很小。

1.6 有效出力

有效出力是衡量風電在負荷低谷時段參與系統(tǒng)調峰平衡的容量，表示規(guī)模風電低谷負荷時段對系統(tǒng)調峰容量的需求。一般情況下，其計算方法是把負荷低谷時段的風電出力按從小到大排序，在某一保證率下（本文取95%）風電的最大出力。進行電力系統(tǒng)規(guī)劃時，風電的有效出力直接影響到系統(tǒng)對其他電源調峰能力的需求以及系統(tǒng)調峰電源的規(guī)劃[2]。

篩選該市負荷低谷時段（負荷系數小于60%時段）的風電出力系數計算有效出力，詳見圖4。可以看出，當地風電有效出力系數為62%，低谷負荷時段對系統(tǒng)調峰容量的需求較大。

2 結論

（1）通過對該市風電出力特性的研究，得到該市風電出力特征如下：在10月平均出力最大，9月最小;秋冬季出力大，春夏季出力小。日特性呈現(xiàn)“晚上出力大、白天出力小”特點，在電網負荷較低時段有明顯的反調峰特征。風電出力波動率較小，出現(xiàn)突升或突降得概率很低。風電出力累計概率曲線呈現(xiàn)凸二次曲線的特點，出力系數0～35%，累計概率達到80%;出力系數0～55%，累計概率達到95%;風電出力系數大于55%的累計概率僅為5%。風電保證容量系數1.5%，有效出力系數62%。

（2）該市風電參與電力系統(tǒng)規(guī)劃和運行的平衡。因為風電保證容量系數僅為1.5%風電可靠性差，建議風電不參加負荷正常大方式的電力平衡;風電有效出力系數達62%，建議風電參加負荷正常小方式的電力平衡。

（3）本文收集該市的風電出力數據為58368個時間點（時間間隔為15分鐘），隨著時間的推移，風電出力數據還將不斷積累。建議以年滾動周期，將上一年度風電出力數據加入歷史風電出力數據庫，對該地市區(qū)域風電出力特性進行滾動修正。

參考文獻：

[1]廣東省發(fā)展改革委.廣東省陸上風電發(fā)展規(guī)劃（2016-2030年）[Z].2016-11-23.

[2]樊揚，林勇，徐乾耀，張寧，陳新宇.廣東電網風電出力特性分析及其經濟性評價[J].南方電網技術，2012，6（01）：8-12.