計(jì)及年際耦合關(guān)系的風(fēng)水綜合出力特性研究

陳瑾，王文飛，代丞境，萬航羽，吳政聲

（中國能源建設(shè)集團(tuán)云南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，云南 昆明 650051）

0 前言

云南省以水電、風(fēng)電、光伏等清潔能源為主，由于新能源和水電出力均受天然來水量、風(fēng)速、光照等因素影響。新能源電源出力和水電出力間具有一定的互補(bǔ)性，但相關(guān)聯(lián)合出力能力等相關(guān)分析較少。目前在進(jìn)行電力供需分析時(shí)，由于對風(fēng)電與水電聯(lián)合出力特性欠缺研究，風(fēng)電不僅不能參與電力平衡，還要考慮一定的反調(diào)峰特性，這與實(shí)際運(yùn)行情況有較大差距。有必要深入分析風(fēng)電與水電的互補(bǔ)和協(xié)調(diào)特性，研究新的清潔能源電力電量平衡理論，提高電力供需分析準(zhǔn)確度。

云南是南方電網(wǎng)乃至全國的電源基地，以水電、風(fēng)電為代表的清潔能源裝機(jī)占比達(dá)到80%以上。隨著清潔能源開發(fā)規(guī)模的不斷增加，深入研究以風(fēng)電和水電為代表的清潔能源綜合出力特性模型，對指導(dǎo)西電東送協(xié)議的制定，提升云南電力電量平衡、供需形勢、與省外電力互聯(lián)研究等規(guī)劃工作水平奠定夯實(shí)基礎(chǔ)，為云南電力、能源規(guī)劃及電網(wǎng)發(fā)展提供科學(xué)、合理的決策依據(jù)?，F(xiàn)有研究多集中在分析單個(gè)電源的出力特性及其集群效應(yīng)，而對清潔能源綜合出力特性研究方面，國內(nèi)外暫無文獻(xiàn)提出相應(yīng)的研究方法。本文開展的清潔能源綜合出力特性研究很好地彌補(bǔ)了該領(lǐng)域的空白，為后續(xù)開展該領(lǐng)域研究提供了思路。

文獻(xiàn)[1]提出了面向系統(tǒng)運(yùn)行的風(fēng)電出力特性指標(biāo)體系，為開展新能源出力特性提供了參考。文獻(xiàn)[2]從間歇性能源的波動特性和集群效應(yīng)兩方面建立了間歇性能源出力特性綜合分析體系，為后續(xù)研究含高滲透率間歇性能源區(qū)域電網(wǎng)的規(guī)劃，調(diào)度和運(yùn)行提供參考。文獻(xiàn)[3]基于大量數(shù)據(jù)分析得到的新能源基地三維出力模型與氣象數(shù)據(jù)結(jié)合，并對基地出力進(jìn)行一段時(shí)間的預(yù)測，為區(qū)域電網(wǎng)新能源調(diào)度提供可靠參考。文獻(xiàn)[4]引入了靈活性需求指標(biāo)定量地描述高滲透率可再生能源并網(wǎng)后由于出力波動性對電網(wǎng)運(yùn)行造成的影響，結(jié)果表明所提靈活性供給思路能夠減少系統(tǒng)的靈活性缺額，有利于電網(wǎng)安全運(yùn)行。文獻(xiàn)[5]采用伊藤過程理論建模新能源出力的隨機(jī)性過程，通過算例說明了伊藤過程既可與現(xiàn)有的隨機(jī)性模型相兼容，又可以數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式進(jìn)行參數(shù)在線辨識，從而為伊藤過程在電力系統(tǒng)中的進(jìn)一步應(yīng)用提供了建?；A(chǔ)。

首先，為了定量分析清潔能源間的相關(guān)性和互補(bǔ)特性，本文借鑒了已有研究成果中應(yīng)用效果較好的Spearman 秩相關(guān)系數(shù)[6-7]，是一個(gè)非參數(shù)性質(zhì)(與分布無關(guān))的秩統(tǒng)計(jì)參數(shù)，因此更適合用來度量非正太變量之間聯(lián)系的強(qiáng)弱[8]。本文將采用此理論開展清潔能源不同時(shí)間尺度上的相關(guān)性分析。其次，在清潔能源相關(guān)性分析基礎(chǔ)上，對于兩個(gè)具有強(qiáng)耦合關(guān)系的隨機(jī)變量，本文提出采用最小二乘法理論[9-11]擬合水電與新能源出力隨機(jī)變量的解析函數(shù)模型，進(jìn)而得到清潔能源綜合出力耦合關(guān)系模型?；谠颇系貐^(qū)全省各流域2015 年所有中小水電的實(shí)際有功出力和2015～2017 三年各流域新能源實(shí)際有功出力數(shù)據(jù)，利用此模型，將水電或新能源典型出力特性轉(zhuǎn)換為最優(yōu)化問題，通過求解最優(yōu)化模型得到各個(gè)流域推薦的電源出力特性曲線。最后，將各個(gè)流域的水、風(fēng)和光三者各自的出力特性曲線進(jìn)行歸一化處理，通過最優(yōu)函數(shù)擬合方法得到水電與新能源出力服從的函數(shù)模型，即找到了能將水電和新能源綜合在一起的耦合關(guān)系函數(shù)。在此耦合關(guān)系模型基礎(chǔ)上，即可深入開展清潔能源綜合出力特性的研究及應(yīng)用。

1 清潔能源相關(guān)性分析

本文提出采用兩種思路來研究清潔能源間的相關(guān)性：一是基于中小水電和新能源實(shí)際的有功出力數(shù)據(jù)，研究水電和新能源在日、周和月三個(gè)時(shí)間尺度上的電量相關(guān)性規(guī)律；二是充分利用云南全省30 個(gè)測風(fēng)塔1996～2015 共20年的實(shí)際平均風(fēng)速數(shù)據(jù)和24 個(gè)干流水電站共20年的實(shí)際平均來水?dāng)?shù)據(jù)（每月一個(gè)平均風(fēng)速和來水?dāng)?shù)據(jù)），研究風(fēng)資源和水資源的時(shí)空關(guān)聯(lián)性。相關(guān)性分析通過MATLAB 2016a 軟件編程實(shí)現(xiàn)算法。

1.1 中小水電與風(fēng)電電量相關(guān)性分析

圖1～圖3 所示為中小水電和風(fēng)電兩者在日、周和月三個(gè)時(shí)間尺度上的電量相關(guān)性變化規(guī)律，另外圖4 表示風(fēng)電和光伏聯(lián)合后作為一個(gè)整體與中小水電的月電量相關(guān)性分析結(jié)果。

圖1 中小水電與風(fēng)電日電量曲線對比

圖2 中小水電與風(fēng)電周電量曲線對比

圖3 中小水電與風(fēng)電月電量曲線對比

圖4 中小水電與新能源月電量曲線對比

由圖可知，水電與風(fēng)電的豐枯互補(bǔ)性非常明顯，風(fēng)電枯期發(fā)電量很好地彌補(bǔ)水電枯期的電力供應(yīng)缺額；此外，三個(gè)時(shí)間尺度的中小水電與風(fēng)電日電量曲線對比表明，隨著時(shí)間尺度的增大，水電與風(fēng)電的電量相關(guān)系數(shù)從-0.56 變到-0.70，相關(guān)性較強(qiáng)，進(jìn)一步表明兩者間本質(zhì)上存在某種耦合函數(shù)關(guān)系。

1.2 干流電站多年平均來水與測風(fēng)塔平均風(fēng)速相關(guān)性分析

為進(jìn)一步挖掘出水電與新能源內(nèi)在的蘊(yùn)含關(guān)系，對云南全省30 個(gè)測風(fēng)塔共20 年的實(shí)際平均風(fēng)速與全省24 個(gè)干流水電站共20 年的實(shí)際平均來水間的相關(guān)性分析結(jié)果如圖5 所示的相關(guān)系數(shù)矩陣（維數(shù)54×54）。圖中每個(gè)方塊代表某個(gè)測風(fēng)塔風(fēng)速與某個(gè)水電站來水的相關(guān)系數(shù)，取值在-1～1 之間，其中值越接近于1，則顏色越接近深紅；值越接近于-1，則顏色越接近深藍(lán)。

圖5 干流電站多年平均來水與測風(fēng)塔多年平均風(fēng)速相關(guān)系數(shù)矩陣

由圖可知，測風(fēng)塔與測風(fēng)塔間的相關(guān)系數(shù)絕大多數(shù)分布在0.5 以上，相關(guān)程度較強(qiáng)；水電站與水電站間的相關(guān)系數(shù)基本上都分布在0.75以上，相關(guān)程度極強(qiáng)；而水電站與測風(fēng)塔間的相關(guān)系數(shù)大多數(shù)分布在-0.5 以下，說明風(fēng)水之間存在較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性。

為進(jìn)一步細(xì)化分析水電與風(fēng)電的耦合關(guān)系特性，根據(jù)圖6 所示云南全省范圍內(nèi)不同流域干流水電站與測風(fēng)塔的實(shí)際地理位置，并利用1996～2015 年共20 年的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析了地理位置相近的7 小水電來水與測風(fēng)塔風(fēng)速的相關(guān)性，分別為：吉沙電站與香格里拉測風(fēng)塔、廟林電站與昭通昭陽測風(fēng)塔、魯布革電站與沾益測風(fēng)塔、馬堵山電站與屏邊測風(fēng)塔、龍馬電站與江城測風(fēng)塔和阿鳩田電站與騰沖測風(fēng)塔。

圖6 不同流域干流水電站與測風(fēng)塔地理位置圖

從圖7 可以看出，各流域風(fēng)速與來水逐年年度內(nèi)相關(guān)性系數(shù)均在-0.3 以下，各流域風(fēng)速與來水存在較強(qiáng)的年度內(nèi)負(fù)相關(guān)性；由于阿鳩田代表的怒江流域風(fēng)電資源較差，風(fēng)水相關(guān)性差不影響全省分析；另外，本次流域相關(guān)性缺乏對瀾滄江代表小水電來水與風(fēng)速相關(guān)性分析，但根據(jù)金沙江、紅河、珠江相關(guān)性分析結(jié)論，可認(rèn)為已經(jīng)具有代表性，瀾滄江流域風(fēng)速與來水同樣存在較強(qiáng)的年度內(nèi)負(fù)相關(guān)性。

圖7 不同流域來水與風(fēng)速相關(guān)系數(shù)變化

2 清潔能源綜合出力耦合關(guān)系建模

2.1 新能源分流域典型出力特性

基于云南省2015～2017 年部分風(fēng)電、光伏電站3 年的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)（每隔15 分鐘一個(gè)有功出力數(shù)據(jù)），采用最小二乘非線性擬合的方法分析得到金沙江、瀾滄江、紅河以及珠江四大流域的新能源典型出力特性曲線，擬合結(jié)果如圖8～11 所示。

圖8 金沙江流域新能源最優(yōu)出力曲線擬合

圖9 瀾滄江流域新能源最優(yōu)出力曲線擬合

圖10 紅河流域新能源最優(yōu)出力曲線擬合

圖11 珠江流域新能源最優(yōu)出力曲線擬合

2.2 中小水電分流域典型出力特性

與新能源典型出力特性曲線方法相同，基于中小水電實(shí)際有功出力數(shù)據(jù)，采用最小二乘擬合的方法得到最優(yōu)出力曲線。金沙江、瀾滄江、紅河以及珠江4 個(gè)流域的水電出力特性最優(yōu)曲線擬合結(jié)果如圖12 所示。

圖12 四個(gè)流域水電出力特性最優(yōu)曲線擬合結(jié)果

從曲線擬合效果評價(jià)指標(biāo)來看，以上4 個(gè)流域的擬合優(yōu)度指標(biāo)分別為0.75、0.84、0.94和0.90，擬合效果較好。最終推薦的各流域水電月平均出力特性最優(yōu)曲線函數(shù)關(guān)系分別如式(1)～(4)所示。

金沙江流域：

瀾滄江流域：

紅河流域：

珠江流域：

其中x=1,2,....,12 為自變量，表示月份；f1～f4為因變量，分別表示4 個(gè)流域的中小水電月平均出力曲線(出力百分比%)。

3 清潔能源綜合出力耦合關(guān)系模型

根據(jù)以上各流域中小水電和新能源最優(yōu)出力曲線擬合結(jié)果，最終推薦采用1 階Fourier 模型來刻畫清潔能源間的耦合關(guān)系函數(shù)關(guān)系，基于最小二乘非線性函數(shù)擬合理論得到如下各流域清潔能源綜合出力模型如圖13 和式(5)所示。

圖13 分流域清潔能源耦合關(guān)系模型

各流域擬合指標(biāo)統(tǒng)計(jì)如表1 所示。由表可知，金沙江流域一階函數(shù)擬合后的綜合評價(jià)指標(biāo)得分最高，其中R-square 指標(biāo)達(dá)到了0.975，RMSE 誤差僅為0.092；而其它流域擬合效果則相對較差，RMSE 誤差達(dá)到0.2 以上。綜合來看，采用一階Fourier 模型能很好地揭示小水電與新能源的本質(zhì)函數(shù)關(guān)系，若進(jìn)一步增加模型的復(fù)雜度，以提升非線性函數(shù)擬合的效果，則存在過擬合的問題。

表1 各流域耦合關(guān)系函數(shù)擬合評價(jià)指標(biāo)

4 綜合出力特性對電力保證率的影響

綜合各干流電站月平均出力特性曲線、流域徑流式中小水電月平均出力特性曲線、流域新能源月平均出力特性曲線，并考慮規(guī)劃年電源裝機(jī)容量，即可得到規(guī)劃年對應(yīng)來水保證率下的清潔能源綜合出力特性：

式中：x=1,2,....,12 為自變量，表示月份；n=1,2,....,N代表各個(gè)流域，N表示流域個(gè)數(shù)；fLHn(x)表示第n個(gè)流域干流電站在x月份的平均出力特性；fsHn(x)表示第n個(gè)流域中小水電在x月份的平均出力特性；WLHn、WSHn、WCn分別為第n個(gè)流域干流電站、中小水電、新能源裝機(jī)容量，an、bn、cn分別表示第n個(gè)流域清潔能源耦合關(guān)系模型的耦合因子。

定義清潔能源綜合出力保證率：以多年平均來水概率下清潔能源發(fā)電能力為基準(zhǔn)值，不同來水概率水文年下清潔能源發(fā)電能力與基準(zhǔn)值的比值，即為該水文概率下的綜合出力保證率：

式中：η為在來水概率為P水文年下清潔能源的綜合出力保證率，EP為在來水概率為P水文年下清潔能源的發(fā)電量（億千瓦時(shí)）；E多年平均來水為在多年平均來水概率下清潔能源的發(fā)電量（億千瓦時(shí)）。

5 結(jié)束語

本文提出一種計(jì)及年際耦合關(guān)系的風(fēng)水綜合出力特性研究方法。主要研究結(jié)論如下：

1）全面分析了清潔能源間的不同時(shí)間尺度的相關(guān)性和互補(bǔ)性，利用最小二乘非線性擬合的思路對清潔能源的強(qiáng)耦合關(guān)系進(jìn)行建模，進(jìn)而指導(dǎo)構(gòu)建全省清潔能源綜合出力特性模型。

2）基于云南地區(qū)清潔能源多年的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析并總結(jié)了云南地區(qū)清潔能源綜合出力耦合關(guān)系特性，大量仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提方法是有效且適用的。

3）本文所提耦合關(guān)系模型為后續(xù)開展清潔能源綜合出力特性以及區(qū)域電網(wǎng)規(guī)劃、調(diào)度和運(yùn)行提供參考。