風電場出力特性及其不確定性的對策分析

洪翠，溫步瀛，陳群，江岳文

（1.福州大學電氣工程與自動化學院，福建福州 350012；2.湖北工業大學電氣電子工程學院，湖北武漢 430068）

為保證風電并網后電力系統運行的穩定及電能質量，需采取有力措施應對風能固有隨機特性造成的風電場出力不確定性。本文首先以福建省某沿海風電場運行數據分析風電場的出力，驗證了風電場輸出功率的波動性和隨機性。隨后，文章從電網與風力發電機組2個角度分別考慮了風電不確定性的對策，主要包括風電出力預測、儲能手段以及風電機組自參與調頻等。這些措施均可在應對風電不確定性方面發揮作用。

1 風電場出力特性的分析

1.1 風電場出力的波動變化性

福建省某沿海風電場共有24臺2 MW永磁直驅風力發電機組，2010年1—6月的小時平均有功出力變化曲線如圖1所示。其中，70%裝機容量及以上出力小時數606 h，占13.95%；零出力小時數772 h，占17.78%，風電場尖峰出力與零出力所占比例相當，可見風電場出力具有較大的波動性。圖2所示為該電場出力的幅頻特性曲線，表明了大部分的風電出力部分變化屬于低頻慢變化。對于風電功率預測而言，緩慢變化將更有利于變化特性的捕捉，從而獲得較好的預測結果。

圖1 風電場的小時有功出力曲線Fig.1 Curve of hourly power output in a wind farm

1.2 風電場出力的隨機變化性

圖3所示為發電量相當的兩個鄰近日的出力變化曲線。

圖2 風電功率振幅頻譜Fig.2 Amplitude frequency spectrum of wind farm power

圖3 鄰近日的有功出力Fig.3 Daily power output of two neighboring days

從圖3中可見，兩曲線的變化具有明顯差異，說明雖然最大風能追蹤控制技術可使風力發電機組獲得最佳的能效利用，但風能固有的不確定性仍會使得風力發電機組的出力呈現出隨機多變的不穩定特性。

2 風電出力不確定性影響的應對措施

應對風電出力的不確定性，可將風電出力并入電力負荷后從電網角度出發考慮相應措施，亦可從風電場自身出發，參與系統調頻，穩定系統頻率。

2.1 風電出力不確定性對電力負荷的影響

盡管風電發展迅猛，但其裝機容量及規模仍遠小于常規的水、火電。本文考慮將風電場出力并入電力系統負荷，從電力負荷特性中體現其隨機性與波動性。

風電功率并入之后對電力負荷造成的影響主要包括最大、最小負荷點[1]以及峰谷差值的變化[1-2]，當風力發電占最大負荷的比例越大時影響亦越大。在滿足必要安全裕度的前提下，電網的調峰任務主要是應對系統負荷波動。優良的負荷特性應具有較小的峰谷差，這將更有利于減少系統旋轉備用容量，提高調峰電源的利用效率。

某風電場一般出力日的有功功率變化曲線如圖4所示。

圖4 風電場一般日有功出力曲線Fig.4 Power output curve of the usual day in wind farm

可見，風電功率出力的高峰時段與電力系統日負荷特性的高峰時段（上午8:00～11:00；下午18:00～22:00）并不相關，體現了較為明顯的反調峰特性。一些地區，全年出現反調峰的天數可占全年天數的35.6%～46.6%，反調峰容量可達到風電裝機容量的30%～50%[3]。反調峰的現象導致風電并入后的等效負荷峰谷差變大，惡化了電力系統負荷變化特性。

2.2 電網對于風電出力不確定性的應對措施

風電功率并入電力負荷后，為應對風電出力不確定性，電網一方面可通過風電功率預測提前預知未來的風電出力情況，使調度運行部門更合理地安排旋轉備用容量、有效地實現經濟調度；另一方面應考慮適當的儲能措施，在負荷低谷階段將風電功率輸出過剩的部分通過能量轉換實施存儲，儲存的能量待高峰負荷時再進行釋放，以提高電力系統風電以及火電、核電等其他電源的利用率，從而達到降低成本提高整個電力系統效益的目的。

2.2.1 以提高出力預測精度應對風電不確定

多數風電功率預測研究集中在中、短期預測[4]，主要包括基于數字天氣預報（NWP）及基于歷史數據2類預測方法。

準確有效的風電功率預測可以提高風電注入功率水平、可為電網的運行調度提供可靠依據，并可有效地降低風力發電的成本，減輕風力發電可能對電網造成的不良影響。不過，無論采用哪種方法或是技術，由于風電本身所特有的隨機以及波動特性，風電功率預測結果仍均存在一定的預測誤差，參見圖5。

具備有效風電功率預測系統時的風電場實際出力表示為：

圖5 風電場的日有功出力預測Fig.5 Daily power output prediction in wind farm

式中，Pf為風電功率預測結果；ΔP為對應于Pf的預測偏差功率，它是一個隨機變化量；。風電功率預測將風電出力的不確定性轉化成為預測誤差的不確定性?？赏ㄟ^提高預測精度以及預測誤差的穩定性以達到改善風電的隨機性的目的，從而有效應對風電的不確定特性。

雖然可以通過誤差修正的措施有效提高風電功率預測的精度[5]，但誤差并不會消除，單純依靠風電功率預測難以從根本上解決風電所具有的隨機性。

2.2.2 以儲能措施應對風電不確定

當并網風電功率超過電網可為其提供的調峰極限，電網將難以平衡風電出力，從而造成頻率越限，嚴重時將導致電網解列[1]。應考慮采取適當的能量存儲手段作為輔助措施，考慮儲能平衡后的風電注入功率為：

式中，Ps為儲能單元的充放電功率（Ps＞0時單元放電；Ps＜0時單元充電）。合理控制儲能單元，即可調節風電注入電網功率Pin，平衡由于風電的隨機波動性對于系統調峰等方面的影響。

但是，由于風電功率的反調峰特性也并非一直存在[3]，以儲能手段應對風電不確定性時，仍存在如何合理選取儲能容量大小的問題。此外，各類儲能系統的響應速度也是影響合適的儲能方式選定的因素，此時可參考頻域分析的結論考慮采用適合的儲能系統。

2.3 風電自身參與調頻穩定系統頻率

當電力系統頻率變化時，頻率隨時間變化的過程主要決定于有功功率缺額的大小與系統中所有轉動部分的機械慣性。常規機組容量被風電機組替代后可能使得電力系統的慣量有所下降，對電網的頻率控制產生不利影響[6]。原因在于作為風力發電主流機型之一的雙饋變速風力發電機組，其控制策略使其機械功率與系統的機械功率解耦，失去了對系統頻率的快速響應?？赏ㄟ^對雙饋感應風力發電機組上附加控制環節，使風電機組具有一定的慣性，響應系統的頻率變化，穩定系統頻率。

常規機組的功頻靜態特性系數K*為：

于是，ΔP*=K*Δ f，因此可在雙饋機組功率控制環節中附加一個隨頻率變化的功率參考值，使風電機組模擬常規機組的慣性，通過控制轉子動能以實現頻率控制[7]，響應系統的頻率變化?？刂葡到y如圖6所示。

圖6 附加頻率控制的雙饋風力發電機組功率控制框圖Fig.6 Control block diagram with frequency control added to power control in DFIG

或者在傳統槳距角控制中增加一個隨頻率變化的槳距角參考值，使得系統頻率變化時，通過控制槳葉節距來控制發電機有功，進而參與系統的頻率調整，實現頻率控制[8]?？刂葡到y實現如圖7所示。

圖7 附加頻率控制的雙饋風力發電機組槳距角控制框圖Fig.7 Control block diagram with frequency control added to pitch angle control in DFIG

綜合應用上述兩種措施進行了系統頻率變化時的響應特性仿真分析研究，增加頻率控制環節前后的系統頻率變化特性曲線對比如圖8所示。為了清晰看出風電機組的調頻特性，擾動信號取為了階躍信號?？梢?，當系統頻率波動時，在雙饋風力發電機組的轉子控制和槳距角控制環節中附加頻率控制環節可有效地提高風電場的頻率響應能力，穩定了系統頻率。

因此，當并網風電功率超過電網可為其提供的調峰極限，使得電網將難以平衡風電出力而造成頻率越限時，除可采用前述儲能措施進行平衡之外，通過對風電機組的有效控制，風電場自身直接參與系統調頻，也能減少風電不確定性對于系統造成的影響。

圖8 增加頻率控制環節前后的系統頻率特性曲線Fig.8 Curve of system frequency before and after frequency control added

3 結語

受風能固有隨機特性的影響，風電場有功出力的變化波動性大且沒有什么確定的變化規律。大量風電功率注入電力網后，風電出力的波動性、隨機性等不確定特性對于電力系統運行、頻率穩定及經濟調度等方面均有影響。準確有效的風電功率預測、合理適當的儲能以及風電機組自參與調頻等措施均可有效地應對風電出力不確定性對于電力系統所造成的影響。這些措施的合理應用，可從一定程度上解決風電功率的不確定性，提高風電功率的利用率、減少棄風減發的幾率。

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