考慮風(fēng)電出力不確定的風(fēng)電并網(wǎng)優(yōu)化探究

閆天一，邱殿成，葛晨陽

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司連云港市贛榆區(qū)供電分司，江蘇連云港 222100）

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會的不斷發(fā)展，風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展越來越快。我國安裝的風(fēng)電裝機(jī)量占到全球總量的三分之一，且還在以每年超過25 GW的速度增長。由于全球環(huán)境問題日益嚴(yán)重和我國的資源日漸短缺，為了加快可持續(xù)發(fā)展的步伐，我國大力發(fā)展風(fēng)電并網(wǎng)，目前風(fēng)電并網(wǎng)已經(jīng)成為比較成熟的新能源。但風(fēng)電出力的不確定性是目前風(fēng)電并網(wǎng)面臨的一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)，研究風(fēng)電出力的隨機(jī)性、間接性等特點(diǎn)，針對不同特性優(yōu)化風(fēng)電并網(wǎng)，可以提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，有效降低成本。

1 風(fēng)電出力的特性

風(fēng)電是將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能再轉(zhuǎn)變成電能，所以風(fēng)電出力與風(fēng)速有著緊密的聯(lián)系，風(fēng)速對風(fēng)電出力的影響較為明顯。分析風(fēng)速的規(guī)律有利于正確理解并把握風(fēng)電出力的規(guī)律，自然界中，風(fēng)有明顯的隨機(jī)性和波動性，受氣候和地形的影響較大，時(shí)大時(shí)小，斷斷續(xù)續(xù)，且不可控制。風(fēng)由基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)組成，風(fēng)電出力最主要的是基本風(fēng)，它作用于風(fēng)機(jī)運(yùn)行的全程中。風(fēng)電出力隨著風(fēng)速立方的增大而增大，由于風(fēng)速的不確定性導(dǎo)致風(fēng)電出力的不確定性[1]。除了風(fēng)速影響風(fēng)電出力，風(fēng)電裝機(jī)內(nèi)部機(jī)械的運(yùn)行對風(fēng)電出力也有一定的影響，機(jī)械的運(yùn)行停滯，力矩變化等也時(shí)刻影響著風(fēng)能、機(jī)械能和電能之間的轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換中難免會產(chǎn)生其他的損耗或者熱能造成風(fēng)電出力的不確定。風(fēng)電出力的不確定性會加大風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的難度，使電力系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)值偏離正常的穩(wěn)定值，進(jìn)而造成系統(tǒng)不平衡，影響風(fēng)電的安全性和可靠性。

通過相關(guān)研究人員的專業(yè)分析，與傳統(tǒng)的火電機(jī)組相比，風(fēng)電出力由于風(fēng)速的不確定性導(dǎo)致風(fēng)電的輸出功率會在短時(shí)內(nèi)頻繁變化，通常情況下雖然風(fēng)電可以滿足人們的電力需求，但沒有與火電機(jī)組一樣相對穩(wěn)定的發(fā)電容量。

2 風(fēng)電出力不確定性分析

風(fēng)電出力有著明顯的波動性、間接性和隨機(jī)性[2]，形成這些特性的因素主要有風(fēng)速的不確定性、風(fēng)電轉(zhuǎn)換過程中的不確定性以及風(fēng)電系統(tǒng)外部的不確定性。由于地形、高度、空氣密度、氣流流向等原因，導(dǎo)致風(fēng)速在風(fēng)向、脈動風(fēng)速等時(shí)空分布上不確定，風(fēng)速預(yù)測系統(tǒng)對風(fēng)的時(shí)空分布不能完整反映，對系統(tǒng)的評估影響較大，增大評估結(jié)果的誤差。風(fēng)電轉(zhuǎn)換過程中的不確定性首先是風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障造成的，比如風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)，檢修等；其次，最大風(fēng)電功率的追蹤過程中出現(xiàn)的較大變化和遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)工況等問題也會影響風(fēng)電間的轉(zhuǎn)換；最后，風(fēng)電裝機(jī)的機(jī)組運(yùn)行特性也會出現(xiàn)相應(yīng)的變化，導(dǎo)致風(fēng)電轉(zhuǎn)換不確定。風(fēng)電系統(tǒng)外部的不確定包括節(jié)假日等重大社會活動時(shí)的電量需求及供應(yīng)等。

風(fēng)電的不確定性不采用高斯分布來描述，較大時(shí)間尺度通常采用2參數(shù)的Welbull分布模型，描述短時(shí)間內(nèi)的風(fēng)速概率時(shí)只需增加參數(shù)個(gè)數(shù)即可[3]。風(fēng)電場的聚集可以降低風(fēng)電總功率的不確定性，可以依據(jù)風(fēng)電場的時(shí)序來協(xié)同調(diào)頻控制。風(fēng)電出力的不確定性會造成電壓波動，其中并網(wǎng)連接點(diǎn)短路、風(fēng)速和塔影效應(yīng)都會造成電壓閃變，電壓閃變引起電網(wǎng)電壓的波動較大，進(jìn)而造成風(fēng)機(jī)頻繁脫網(wǎng)出現(xiàn)故障。風(fēng)力發(fā)電的不確定性還會影響電能質(zhì)量，在風(fēng)電并網(wǎng)瞬間產(chǎn)生的電流可達(dá)到額定電流的2倍左右，風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)時(shí)最高可使電壓升高10%左右，嚴(yán)重影響電能的質(zhì)量。

3 風(fēng)電并網(wǎng)優(yōu)化策略

3.1 預(yù)測風(fēng)電功率

充分利用超短期、短期、長期等不同時(shí)間尺度的風(fēng)電功率預(yù)測技術(shù)，將風(fēng)速的不確定性轉(zhuǎn)變成風(fēng)電功率預(yù)測的不確定性，再提高風(fēng)電功率預(yù)測的精確度，進(jìn)而減小風(fēng)電的不確定性，完善天氣預(yù)報(bào)的歷史數(shù)據(jù)可以提高風(fēng)電功率預(yù)測的精確度，還可以采用智能算法等組合預(yù)測模型來減小預(yù)測誤差。

3.2 提高風(fēng)電場的可控性

采用傳感技術(shù)、通信技術(shù)和調(diào)度控制技術(shù)等提高風(fēng)電場的可控性，利用風(fēng)電場的綜合控制來降低風(fēng)電出力的不確定性。依據(jù)風(fēng)電裝機(jī)的機(jī)型以及分布位置對同一風(fēng)電場分群，同一群組的風(fēng)電機(jī)采用一種控制策略，不同群組相互協(xié)調(diào)，進(jìn)行有效控制，達(dá)到平滑控制總功率[4]；還可以采用儲能和變流器技術(shù)來調(diào)節(jié)有功功率波；采用分層控制法來進(jìn)行無功控制，用分區(qū)控制來進(jìn)行無功調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有序控制，達(dá)到優(yōu)化風(fēng)電并網(wǎng)的目的。

3.3 采用故障穿越術(shù)調(diào)節(jié)

風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中會出現(xiàn)短路等故障造成風(fēng)電出力不確定，針對這一問題，可以采用變槳距控制，串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等故障穿越術(shù)來調(diào)節(jié)因短路造成的電壓不穩(wěn)定。

3.4 采用大容量儲能技術(shù)

采用大容量的儲能技術(shù)來解決電能質(zhì)量問題，目前使用最多的儲能手段是抽水蓄能，它能在提供超大功率和超大電量的同時(shí)擁有較低的成本，除抽水蓄能外還有電池儲能與壓縮空氣儲能手段[5]。儲能系統(tǒng)調(diào)節(jié)風(fēng)電功率主要有：通過功率追蹤來優(yōu)化調(diào)度策略，進(jìn)而調(diào)節(jié)風(fēng)電功率的波動；通過非功率追蹤的參與來穩(wěn)定風(fēng)電功率。