福建省風(fēng)電出力特性及其對電網(wǎng)的影響分析

林章歲，羅利群

(1.福建省電力有限公司，福州市，350003;2.福建省電力勘測設(shè)計院，福州市，350003)

0 引言

近年來福建省風(fēng)力發(fā)電得到較快的發(fā)展。截至2010年底，福建電網(wǎng)已投運風(fēng)電場18處，裝機容量為625 MW，約占全省電力裝機容量的2%;在建的風(fēng)電場裝機容量約為505 MW(截至2011年4月底)。據(jù)有關(guān)規(guī)劃，2015年福建規(guī)劃風(fēng)電裝機容量為2 500 MW左右，到2020年福建全省陸上風(fēng)力發(fā)電裝機容量可達(dá)3 000 MW以上。

風(fēng)電規(guī)模不斷增大將對電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定、電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，此外還將對電力系統(tǒng)調(diào)峰和電源規(guī)劃等產(chǎn)生顯著影響，后者主要與風(fēng)電出力特性有密切關(guān)系［1-9］。風(fēng)電出力特性變化多端，通常只有基于大量實際數(shù)據(jù)，才能得到風(fēng)電統(tǒng)計規(guī)律性［10］。因此，有必要根據(jù)福建省風(fēng)電實際運行數(shù)據(jù)研究風(fēng)電出力特性，并據(jù)此深入分析風(fēng)電規(guī)模不斷增大對福建電網(wǎng)可能造成的影響。

1 福建風(fēng)電實際出力特性

1.1 風(fēng)電年利用小時

在一個較短的時間跨度內(nèi)，風(fēng)電出力不斷變化，難以預(yù)測。然而，從一個較長的時間跨度(年、季、月)來看，風(fēng)電則表現(xiàn)出較強的規(guī)律性。

裝機年利用小時等于風(fēng)電年發(fā)電量除以相應(yīng)的裝機容量，通常稱為等效滿負(fù)荷發(fā)電小時數(shù)。對福建電網(wǎng)近年來風(fēng)電場裝機年利用小時進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果表明:福建省風(fēng)電平均年利用小時可達(dá)2 377～2 692 h。福建風(fēng)電裝機利用小時具有以下特點:(1)不同地區(qū)風(fēng)電場裝機利用小時差異明顯。總體上，莆田地區(qū)風(fēng)電場裝機利用小時最高，平均達(dá)到3 300～3 400 h;福州地區(qū)次之，平均為2 900～3 100 h;漳州地區(qū)最低，一般為1 800～2 000 h。從逐個風(fēng)電場來看，福建電網(wǎng)裝機利用小時最高的風(fēng)電場為福清高山風(fēng)電場，裝機年利用小時可達(dá)4 000 h以上;最低的是漳州東山風(fēng)電場，個別年份僅1 600 h左右。(2)風(fēng)電裝機年利用小時與風(fēng)電場場址所在位置關(guān)系密切，同一風(fēng)電場裝機利用小時年間變化不大，不同年份之間變化不超過10%，具有明顯的統(tǒng)計規(guī)律性，如圖1～2所示。

圖1 不同地區(qū)風(fēng)電年利用小時Fig.1 Annual utilization hours of wind power for different regions

圖2 風(fēng)力發(fā)電站裝機年利用小時變化Fig.2 Annual utilization hours of wind power for different wind farms

1.2 發(fā)電量的季節(jié)分布特點

風(fēng)電發(fā)電量年內(nèi)分布也有一定的規(guī)律性。以2009和2010年福建全省風(fēng)電每月發(fā)電量除以相應(yīng)的最大月發(fā)電量，得到年發(fā)電量分布曲線，如圖3所示。由圖3可見，一般5～9月為弱風(fēng)期，其發(fā)電量僅占全年發(fā)電量的20% ～30%;1～4月、10～12月為盛風(fēng)期，其發(fā)電量占全年發(fā)電量70% ～80%。一年中，發(fā)電量最大的月份一般為10～11月，發(fā)電量最小的月份為7～9月，一般僅為最大月發(fā)電量的20% ～30%。風(fēng)電的這種分布特點是由福建省自然地理條件所決定的。福建省海岸帶地處低緯度，氣候受太陽輻射、臺灣海峽及兩側(cè)山地地形影響和季風(fēng)環(huán)流的制約，同時受海洋的調(diào)節(jié)，具有典型的亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候特征。春季和夏季雖有臺風(fēng)活動，但沿海地區(qū)的平均風(fēng)力為一年中最小的時期，也是一年中風(fēng)能資源最貧乏的時期。秋季與冬季由于大風(fēng)天氣多，風(fēng)力大，是一年之中福建沿海地區(qū)風(fēng)能資源最豐富的季節(jié)。不同季節(jié)之間發(fā)電量差異較大。

圖3 福建省風(fēng)電發(fā)電量逐月分布Fig.3 Wind capacity distribution in Fujian province

為了分析不同季節(jié)發(fā)電量分布的不均衡特性，采用季不均衡系數(shù)作為衡量月發(fā)電量分布情況的一個指標(biāo)。季不均衡系數(shù)為月發(fā)電量平均值除以最大月發(fā)電量，用式(1)表示。

式中:Ei為第 i月發(fā)電量，i=1，2，...，12;Emax為一年中最大月發(fā)電量。

風(fēng)力發(fā)電不同月份之間發(fā)電量差異較大，不均衡度較高，反映在季不均衡系數(shù)上數(shù)值較低，福建全省季不均衡系數(shù)平均為0.58～0.61。

1.3 風(fēng)電出力相關(guān)性

不同風(fēng)電場出力相關(guān)性反映風(fēng)電場之間發(fā)電出力變化趨勢的一致性，是劃分風(fēng)區(qū)的重要依據(jù)之一。風(fēng)電場相關(guān)性與風(fēng)電場之間的地理距離有關(guān)。一般距離較近的風(fēng)電場，其出力變化趨勢較為一致，相關(guān)性則較強，反之則相關(guān)性較弱［11］。

對福建省風(fēng)電場全年8 760 h出力進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，對于地區(qū)內(nèi)的各風(fēng)電場之間，如莆田石城風(fēng)電場和石井風(fēng)電場之間，漳州的大帽山風(fēng)電場和烏焦灣風(fēng)電場之間，這些風(fēng)電場之間距離一般在30～50 km，實際出力數(shù)據(jù)相關(guān)性分析表明，相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.8～0.9以上;而對于地區(qū)風(fēng)電群之間，如福州和莆田、福州和漳州、莆田和漳州風(fēng)電場出力之間相關(guān)系數(shù)分別為0.748、0.643、0.647。相關(guān)系數(shù)大小也可以根據(jù)風(fēng)電場之間的距離來推算，經(jīng)分析上述數(shù)值與理論分析是吻合的，說明3個地區(qū)風(fēng)電場出力具有較強的相關(guān)性。

表1 基于2010年實際運行數(shù)據(jù)的風(fēng)電場相關(guān)性Tab.1 Correlation coefficients of wind farms based on actual operating data in 2010

福州、莆田和漳州3個地區(qū)2010年1月隨機截取的1周出力曲線如圖4所示。由圖4可見，3個地區(qū)風(fēng)電出力變化形狀具有較大相似性，最大和最小出力出現(xiàn)時間較接近，具有較大的同時率，因此彼此之間具有較強的相關(guān)性。相關(guān)性分析結(jié)果表明，未來相關(guān)區(qū)域內(nèi)風(fēng)電規(guī)模進(jìn)一步增大后，風(fēng)電出力特性將基本保持與現(xiàn)有風(fēng)電出力特性的一致性和相似性。

圖4 福州、莆田和漳州風(fēng)電出力過程片段Fig.4 Chronological curve of wind power in Fuzhou，Putian and Zhangzhou

1.4 風(fēng)電月最大出力

風(fēng)電月最大出力特性是相關(guān)輸變電系統(tǒng)設(shè)計的重要依據(jù)。福建省風(fēng)電典型月發(fā)電出力過程如圖5所示，為2010年1月的風(fēng)電出力。風(fēng)電出力在短時間內(nèi)(如1天內(nèi))有可能在0～100%之間變動。風(fēng)電逐月最大出力不同，但年內(nèi)呈現(xiàn)出規(guī)律性變化。

圖5 風(fēng)電典型月出力過程Fig.5 Chronological curve of Fujian wind power

圖6 2010年風(fēng)電逐月月最大出力變化Fig.6 Monthly maximum output of wind power in 2010

2010年福建2個典型風(fēng)電場(LA和LY)和全省12個月最大出力曲線如圖6所示。由圖6可見，福建省風(fēng)電較大的月份為1～4月和10～12月，5～9月份出力較低。月最大出力一般出現(xiàn)在1月或11～12月。就單個風(fēng)電場而言，5～9月的月最大出力一般為0.74～0.9 pu，1～4月月最大出力為0.92～1.0 pu，10 ～12月月最大出力為0.87～1.0 pu;從全省來看，風(fēng)電出力率比單個風(fēng)場低，5～9月的月最大出力一般為0.48～0.76 pu，1～4月月最大出力為0.78～0.85 pu，10～12月月最大出力為0.81～0.94 pu。

風(fēng)電上述特性對相關(guān)配套輸變電設(shè)備建設(shè)和改造的規(guī)劃設(shè)計有影響。根據(jù)實際運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，需要指出的是，在進(jìn)行輸變電設(shè)備建設(shè)、改造的規(guī)劃設(shè)計中，當(dāng)輸變電設(shè)備長期最大允許電流起控制作用時，確定夏季輸變電設(shè)備最大運行電流時風(fēng)電不應(yīng)按照滿發(fā)來考慮。由于風(fēng)電最大出力往往發(fā)生在氣溫較低的冬春兩季，夏季氣溫較高的日子里最大出力較低，從現(xiàn)有風(fēng)電場來看，整個夏季高溫期間風(fēng)電出力不會超過裝機容量的90%，超過80%持續(xù)時間也較短(參見表2)，并且風(fēng)電出力一般隨氣溫升高而明顯降低，風(fēng)電出力較大時氣溫一般是較低的。在設(shè)計相關(guān)輸變電建設(shè)、改造工程時應(yīng)該充分考慮這一特性，以節(jié)省輸變電項目的建設(shè)、改造投資。

表2 福建某風(fēng)電場逐月風(fēng)電出力持續(xù)小時Tab.2 Wind power output duration for a wind farm in Fujian h

1.5 風(fēng)電出力概率分布

根據(jù)風(fēng)電全年8 760 h整點出力，分別按月將出力由大到小進(jìn)行排序，得到福建全省代表月的風(fēng)電出力累積概率曲線如圖7所示。從圖7中可以看出，全年風(fēng)電出力超過0.90 pu的概率很小。表3給出了風(fēng)電出力與累積概率統(tǒng)計結(jié)果。由表3可見，以1月份為例，風(fēng)電出力超過0.69 pu的概率只有10%，超過0.78 pu的概率只有5%。如果累積概率(即保證率)要達(dá)到90%，則大部分月份的風(fēng)電出力只有0～0.03 pu。因此，風(fēng)電的“保證出力”很低，是極其不穩(wěn)定的電源。

1.6 調(diào)峰特性

圖7 風(fēng)電出力累積概率曲線Fig.7 Cumulative probability curve of wind power output

表3 不同累積概率的風(fēng)電出力Tab.3 Wind power output for different cumulative probabilities pu

從全年來看，福建電網(wǎng)年最大負(fù)荷一般出現(xiàn)在每年夏季高溫期的8月，1～4月負(fù)荷較低。年內(nèi)最大負(fù)荷相差較大，通常1～2月的最大負(fù)荷為全年最大負(fù)荷的77%。與此相對應(yīng)，風(fēng)電年最大出力出現(xiàn)在冬季，在夏季高峰負(fù)荷期間風(fēng)電出力反而較低。

福建電網(wǎng)典型日的負(fù)荷曲線大致可以分為夏季和冬季2類。夏季出現(xiàn)上午、下午、晚上3個高峰，負(fù)荷曲線呈“三峰”形狀。冬季典型日負(fù)荷曲線呈“雙駝峰”狀，負(fù)荷高峰分別出現(xiàn)在上午11:00和晚上18:00，早峰日益突出。冬、夏典型日最小負(fù)荷均大致發(fā)生在每日3:00～5:00。按照福建電網(wǎng)典型日負(fù)荷曲線，對福建全省風(fēng)電實際調(diào)峰運行情況進(jìn)行統(tǒng)計分析，高峰時段(分早、午、晚3個時段)出力與低谷出力之差即為風(fēng)電的相應(yīng)時段的調(diào)峰出力，2010年統(tǒng)計結(jié)果見表4。表中正調(diào)峰數(shù)值為月最大值，反調(diào)峰值為月最小值(絕對值最大)。

表4 風(fēng)電逐月調(diào)峰出力情況Tab.4 Monthly output of wind power for peak load regulation pu

對實際運行數(shù)據(jù)分析表明，福建風(fēng)電逐月均存在正調(diào)峰和反調(diào)峰2種情況。全年出現(xiàn)反調(diào)峰的天數(shù)達(dá)到130～170天，占全年天數(shù)的35.6% ～46.6%。反調(diào)峰容量最大可達(dá)風(fēng)電裝機容量的30% ～50%。因此，必須高度關(guān)注風(fēng)電反調(diào)峰問題。風(fēng)電反調(diào)峰典型日出力曲線見圖8。

2 風(fēng)電對福建電網(wǎng)的影響

2.1 風(fēng)電對電網(wǎng)綜合負(fù)荷的影響

圖8 風(fēng)電典型日發(fā)電出力曲線Fig.8 Daily output curve of wind power

“十二五”期間福建省風(fēng)電規(guī)模增大，故以2015年福建電網(wǎng)為例分析風(fēng)電影響。根據(jù)福建電網(wǎng)現(xiàn)有風(fēng)電實際出力特性，分別預(yù)測2015年各地區(qū)新增風(fēng)電場出力特性以及2015年全省風(fēng)電出力特性。全省負(fù)荷扣除風(fēng)電出力后得到綜合負(fù)荷曲線(或稱修正負(fù)荷曲線)及相應(yīng)的持續(xù)負(fù)荷曲線(圖9)和年最大負(fù)荷曲線(圖10)，其中2015年全省風(fēng)電裝機按2 500 MW考慮。從圖9～10中可以看出:(1)從持續(xù)負(fù)荷曲線來看，扣除風(fēng)電出力以后，負(fù)荷有所下降。說明風(fēng)電將導(dǎo)致大部分時間綜合負(fù)荷減少，因此在同樣裝機的前提下系統(tǒng)可靠性將有所提高。換言之，有了風(fēng)電后，在維持相同可靠性前提下，可減少系統(tǒng)裝機，因此，從可靠性觀點來看，風(fēng)電也具有潛在的容量效益。(2)扣除風(fēng)電出力后的綜合負(fù)荷曲線的年最大負(fù)荷數(shù)值基本保持不變，并且仍發(fā)生在8月。此外，2月、3月、6月份最大負(fù)荷也維持不變，其他月份考慮風(fēng)電后的綜合負(fù)荷比全網(wǎng)負(fù)荷低1% ～4%。

圖9 2015年福建電網(wǎng)持續(xù)負(fù)荷曲線Fig.9 Sustained load curve of Fujian power grid in 2015

圖10 2015年福建電網(wǎng)年負(fù)荷曲線Fig.10 Annual load curve of Fujian power grid in 2015

2.2 風(fēng)電對電力平衡的影響及容量效益

由于風(fēng)電對8月份最高負(fù)荷影響很小，從電力平衡觀點來看，8月份是福建電力平衡的控制月，因此，福建風(fēng)電對電力平衡的裝機容量需求不會有影響。這說明福建風(fēng)電容量效益是很低的。這是風(fēng)電隨機性、間歇性的基本特性所決定的，福建風(fēng)電90%保證率的出力只有0～3%，其“保證出力”很低，因而風(fēng)電容量效益也很低。

2.3 風(fēng)電對調(diào)峰的影響

根據(jù)預(yù)測的全省風(fēng)電出力特性，不難得到2015年扣除風(fēng)電出力后福建電網(wǎng)日綜合負(fù)荷曲線(2月份)，見圖11。從11圖中可以看出，考慮風(fēng)電影響后，修正負(fù)荷曲線的峰谷差明顯增大。

圖11 風(fēng)電對福建電網(wǎng)日負(fù)荷曲線的影響Fig.11 Effect of wind power on daily load of Fujian power grid

風(fēng)電對福建電網(wǎng)峰谷差的影響見圖12。大部分月份“峰谷差”均有所增大，其中，2月份“峰谷差”增大了1 132 MW。峰谷差增大將導(dǎo)致原有電源調(diào)峰壓力加大。

圖12 風(fēng)電對福建電網(wǎng)峰谷差的影響Fig.12 Effect of wind power on peak-valley difference of Fujian power grid

可見，根據(jù)實際運行數(shù)據(jù)，2015年風(fēng)電對調(diào)峰的影響將比文獻(xiàn)［3，11］中的分析要嚴(yán)重得多，風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)后的調(diào)峰問題需要進(jìn)一步加以關(guān)注。

近年來，隨著福建電網(wǎng)峰谷差逐年增大，電網(wǎng)調(diào)峰日益困難。目前福建省大型火電機組在實際運行中的調(diào)峰深度已達(dá)到60%左右，接近或達(dá)到機組調(diào)峰能力技術(shù)極限。根據(jù)預(yù)測，2015年全省最大峰谷差達(dá)到12 200 MW左右，計及風(fēng)電以后，峰谷差增加到13 330 MW左右。而“十二五”期間電源項目主要是福建寧德核電廠一期(4×1 089 MW)、福清核電廠一期(4×1 085 MW)，已經(jīng)明確的調(diào)峰電源只有福建仙游抽水蓄能電站4×300 MW機組(預(yù)計于2013年底投運)，不能滿足調(diào)峰需求。因此，加快調(diào)峰電源建設(shè)已刻不容緩。

3 結(jié)論

(1)福建省風(fēng)電裝機年利用小時與風(fēng)電場所在地理位置關(guān)系密切，同一廠址裝機利用小時年間變化不大，全省風(fēng)電平均年發(fā)電小時可達(dá)2 377～2 692 h。福建風(fēng)電裝機利用小時的分布特點是:中部地區(qū)(莆田、福清等地)最高，可達(dá)到3 300 h以上，說明風(fēng)電資源較優(yōu);自中部往南(或往北)呈逐步降低趨勢，至漳州地區(qū)一般僅1 600～2 000h。這一特點可供今后制訂新一輪風(fēng)電開發(fā)規(guī)劃和場址優(yōu)選參考。

(2)福建風(fēng)電出力特性具有以下特點:1)全省各地區(qū)風(fēng)電出力之間具有較強的相關(guān)性。2)風(fēng)電逐月最大發(fā)電出力(發(fā)電量)分布均呈現(xiàn)明顯季節(jié)性特點，5～9月份的月風(fēng)電最大出力(發(fā)電量)均較低，1～4月、10～12月月最大出力(發(fā)電量)較大。3)全年風(fēng)電出力超過裝機容量90%的概率很小，多數(shù)月份風(fēng)電保證率達(dá)到90%時的風(fēng)電出力在3%以下，因此風(fēng)電“保證出力”很低。4)實際運行數(shù)據(jù)分析說明風(fēng)電逐月均存在反調(diào)峰情況，全年出現(xiàn)反調(diào)峰的天數(shù)達(dá)到130～170天，占全年天數(shù)的35.6% ～46.6%。反調(diào)峰容量可達(dá)到風(fēng)電裝機容量的30%～50%。

(3)從綜合負(fù)荷、電力平衡、調(diào)峰等方面分析探討風(fēng)電對2015年福建電網(wǎng)的影響，結(jié)果表明，從綜合負(fù)荷曲線(含風(fēng)電)來看，年最大負(fù)荷數(shù)值基本保持不變，因此從電力平衡觀點來看，福建風(fēng)電對電力平衡的裝機容量需求沒有明顯的影響。福建風(fēng)電容量效益是很低的。風(fēng)電大規(guī)模投運后，將引起綜合負(fù)荷的峰谷差增大，從而導(dǎo)致原有電源調(diào)峰壓力明顯加大，需要進(jìn)一步加以關(guān)注。

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