鹽城地區(qū)風(fēng)電及光電特性研究

吳興泉，萬秋蘭

(東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南京210096)

江蘇鹽城地區(qū)處于黃海之濱，海岸線長達(dá)582 km，占全江蘇海岸線的56%。鹽城地區(qū)灘涂面積廣大，占江蘇省灘涂面積的57%，是典型的季風(fēng)氣候，風(fēng)力資源豐富，地區(qū)年平均風(fēng)力大于3 m/s，沿海年平均風(fēng)力在4～5 m/s以上；其光伏資源豐富，日照峰值時(shí)數(shù)日平均值達(dá)到3.98，是太陽能資源較豐富的II類地區(qū)[1-6]。至2012年，接受統(tǒng)調(diào)的風(fēng)電場已有4座，總裝機(jī)達(dá)658 MW，分別是東臺和國華風(fēng)電廠共258 MW，大豐風(fēng)電廠200 MW，以及響水風(fēng)電廠200 MW；光伏電廠并未接受統(tǒng)調(diào)，共有219.8 MW。其2011年總負(fù)荷為3 758 MW。即在鹽城地區(qū)，新能源的滲透率達(dá)到了23.36%。

風(fēng)電具有極強(qiáng)的隨機(jī)性，間歇性以及波動(dòng)性的特點(diǎn)。在大規(guī)模并網(wǎng)時(shí)，風(fēng)電的隨機(jī)性和波動(dòng)性將對系統(tǒng)運(yùn)行及調(diào)峰特性造成較大影響，甚至可能影響電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。由于風(fēng)能具有較強(qiáng)的地域性，內(nèi)陸風(fēng)和沿海風(fēng)有其不同的特點(diǎn)。而光電與風(fēng)電在季節(jié)性上有一定互補(bǔ)性。因此，研究鹽城地區(qū)的風(fēng)電及廣電特性就極為重要。

1鹽城地區(qū)風(fēng)電出力特性

1.1風(fēng)電年度出力特性

根據(jù)鹽城地區(qū)2011年至2012年實(shí)際測風(fēng)數(shù)據(jù)，累加各個(gè)風(fēng)電廠對應(yīng)時(shí)刻的出力數(shù)據(jù)，畫出2011年3月到2012年3月一年的風(fēng)電日平均出力曲線，如圖1所示。鹽城地區(qū)風(fēng)電日平均出力分布范圍比較廣，出力情況從接近0到0.9，大部分日平均出力處于0.1左右，其風(fēng)電年度平均出力為0.18。2011年3月至2012年3月一年的風(fēng)電月度平均出力曲線如圖2所示。

圖2 2011年3月至2012年3月風(fēng)電月度平均出力曲線

從圖2中可以看出，在2011年3月至2012年3月這一年里，出力最大月份為2012年2月，將近0.25，出力最低的月份為7月，僅為0.105 3。其中6月、7月、8月以及10月份出力明顯低于0.15，其余則接近0.2或接近0.25。

鹽城地區(qū)風(fēng)電出力在連續(xù)一年內(nèi)的分布特性如圖3所示。風(fēng)電出力在0～0.5之內(nèi)的概率為91.7%；出力在0～0.02之內(nèi)的概率為13.5%；而出力在0.94～0.96之間的概率最低，僅為0.03%。鹽城地區(qū)年度風(fēng)電總輸出功率處于總裝機(jī)容量的一半以下。

圖3 2011年3月至2012年3月風(fēng)電出力分布圖

1.2風(fēng)電季節(jié)出力特性

鹽城地區(qū)四季分明，尤其夏冬兩季差異明顯。因此，其風(fēng)電出力會受到氣候影響。本文按春季（3月至5月）、夏季（6 月至 8 月）、秋季（9 月至 11 月）、冬季（12月至次年2月）進(jìn)行劃分。

鹽城地區(qū)風(fēng)電出力概率最大的始終處于[0，0.25]區(qū)間內(nèi)。這體現(xiàn)出鹽城所在的東南沿海地區(qū)與內(nèi)陸地區(qū)的風(fēng)電出力分布有所區(qū)別。在內(nèi)陸區(qū)域，風(fēng)電出力的最大概率一般出現(xiàn)在[0.2，0.3]左右，且[0，0.25]的出現(xiàn)概率較低。另外，鹽城地區(qū)四季風(fēng)電出力特性又有所區(qū)別，如表1所示。

表1四季出力統(tǒng)計(jì)特性

從表1可看出，鹽城地區(qū)四季的風(fēng)電出力分布特性并無太大差異，主要分布均在[0，0.5]區(qū)間內(nèi)。在此區(qū)間內(nèi)的概率可達(dá)80%以上。夏秋兩季甚至到90%以上。春、秋、冬三個(gè)季節(jié)里，風(fēng)電的方差較大，則波動(dòng)比較大，出力較分散；夏季方差較小相對集中，且出力相對其他季節(jié)明顯較小，出力更多的分布在[0，0.2]；冬季波動(dòng)最大。

1.3同一地區(qū)不同區(qū)域之間風(fēng)電的相關(guān)性

1.3.1 短時(shí)間下不同區(qū)域間風(fēng)電的相關(guān)性

鹽城地區(qū)風(fēng)電場主要分布于3個(gè)縣級市：大豐市、東臺市和響水縣。由于響水縣處于鹽城地區(qū)最北邊，與東臺市、大豐市相距較遠(yuǎn)，在一段短時(shí)間內(nèi)，會削弱風(fēng)電的相關(guān)性，提高區(qū)域間風(fēng)電的互補(bǔ)性。這是由于風(fēng)電廠分布較廣，在出力時(shí)風(fēng)速分布并不均勻，地區(qū)不同地點(diǎn)間的風(fēng)力差異造成。響水風(fēng)電場及國華風(fēng)電場短期出力如圖4所示。由圖4可知，響水風(fēng)電出力與國華東臺風(fēng)電場出力呈互補(bǔ)性。從兩者二階矩（如表2所示）也體現(xiàn)了這點(diǎn)，兩者的出力和二階矩分別小于兩者的二階矩。

圖4響水風(fēng)電場及國華風(fēng)電場短期出力

表2響水和東臺國華風(fēng)電場出力方差

1.3.2長時(shí)間下不同區(qū)域間風(fēng)電的相關(guān)性

長時(shí)間內(nèi)，不同風(fēng)電場出力呈相關(guān)性，且互補(bǔ)性較弱。因?yàn)樵陂L時(shí)間下，一個(gè)地區(qū)的風(fēng)力總體是一致的，如圖5所示。

圖5響水風(fēng)電場及國華風(fēng)電場長期出力

2風(fēng)電的波動(dòng)特性

2.1風(fēng)電的年度波動(dòng)特性

風(fēng)電之所以會對電網(wǎng)運(yùn)行造成影響，除了其隨機(jī)性外，波動(dòng)特性也是主要因素之一。本文分析風(fēng)電波動(dòng)特性采用一階差分，并分析其分布特性。風(fēng)電15 min及1 d一階差波動(dòng)量如圖6、圖7所示。

日前調(diào)度時(shí)，主要考慮的是15 min的時(shí)間間隔。時(shí)間間隔15 min波動(dòng)量分布如圖8、圖9所示。

分析結(jié)果表明，在15 min的時(shí)間間隔內(nèi)，風(fēng)電波動(dòng)量在±0.1內(nèi)超過98%，±0.2內(nèi)的超過了99%；而時(shí)間間隔為1 d的波動(dòng)量，風(fēng)電波動(dòng)量在±0.1內(nèi)的概率為59.7%，±0.2內(nèi)的概率為82.6%。

15 min時(shí)，風(fēng)電年度最大波動(dòng)量為+0.3，-0.67，經(jīng)分析最小波動(dòng)量-0.67是出現(xiàn)在滿發(fā)運(yùn)行突然切機(jī)造成。鑒于這是系統(tǒng)事故不屬于自然情況可將其排除。從圖8也可以看出，分布在負(fù)半軸的約等于分布在正半軸。由于15 min間隔全年風(fēng)電波動(dòng)量均值約等于0。另分析波動(dòng)量正、負(fù)時(shí)刻的均值,為正的波動(dòng)量均值為0.006，為負(fù)的波動(dòng)量均值為-0.006。可以推斷，鹽城風(fēng)電的短時(shí)波動(dòng)特性對系統(tǒng)有功調(diào)節(jié)不會產(chǎn)生影響。時(shí)間間隔15 min波動(dòng)量較小，造成原因之一是風(fēng)雖然隨機(jī)性強(qiáng)，但并非瞬變，氣流的流動(dòng)亦有其慣性。而15 min內(nèi)，并無明顯氣候特征，日內(nèi)分布也較為統(tǒng)一，在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)大規(guī)模變化的概率極低。

因?yàn)轱L(fēng)電裝機(jī)容量為658 MW，全年平均波動(dòng)量為3.95 MW。考慮到鹽城地區(qū)2011年總負(fù)荷為3 758 MW，接受統(tǒng)調(diào)的火電機(jī)組為1 895 MW。絕大部分情況下，鹽城地區(qū)可以負(fù)擔(dān)現(xiàn)有風(fēng)電的波動(dòng)量。根據(jù)規(guī)劃，2013年鹽城地區(qū)風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到1 400 MW，負(fù)荷達(dá)到4 000 MW，估算其風(fēng)電的波動(dòng)量為±8.4 MW。2008年，江蘇省AGC負(fù)荷高峰時(shí)的調(diào)節(jié)裕度為14 MW/min。可以預(yù)見2013年電網(wǎng)是能夠調(diào)節(jié)風(fēng)電波動(dòng)量的。

2.2風(fēng)電的季節(jié)波動(dòng)特性

比較圖6與圖7，在0點(diǎn)兩側(cè)，波動(dòng)量幾乎均勻分布。但以1 d為時(shí)間尺度明顯比以15 min為時(shí)間尺度更為分散。在1 d為時(shí)間尺度的情況下，風(fēng)電的波動(dòng)呈現(xiàn)一定的季節(jié)性，明顯的夏季波動(dòng)要比其他季節(jié)小，波動(dòng)及范圍主要在[-0.2，0.2]區(qū)間內(nèi)；春季風(fēng)電波動(dòng)量更多地在區(qū)間[-0.4，0.4]左右波動(dòng)；秋冬季風(fēng)電的波動(dòng)量更多地分布在[-0.6，0.6]內(nèi)，相對無規(guī)律。如圖10—13所示。

由圖10—13可以看出，以1 d為時(shí)間間隔時(shí)，四季風(fēng)電波動(dòng)量分布有明顯不同。春季風(fēng)電波動(dòng)量在±0.2以內(nèi)的概率為65.6%；夏季為87.8%；秋季為76.7%；冬季為75.6%。秋季與冬季更為接近。春季波動(dòng)量最為發(fā)散，夏季則最為集中。時(shí)間間隔為1 d時(shí)，波動(dòng)量明顯，且每個(gè)季節(jié)均有其不同的特征。在風(fēng)電預(yù)測中，必須考慮季節(jié)因素。

3不同時(shí)間尺度的調(diào)峰特性

3.1日調(diào)峰特性

調(diào)峰特性,一直是風(fēng)電接納的一大問題。風(fēng)電具有反調(diào)峰特性[7-11]，是對風(fēng)電調(diào)峰特性的普遍認(rèn)知。負(fù)荷區(qū)間一般高峰時(shí)段均處于白天，從上午10:00到晚上22:00為峰，其余為谷。按照這兩個(gè)時(shí)段統(tǒng)計(jì)2011年至2012年度風(fēng)電的峰谷特性。

在上午10:00到晚上22:00時(shí)段，風(fēng)電出力比當(dāng)天其余時(shí)段風(fēng)電出力高的日子有349 d，而負(fù)荷的低谷時(shí)段，風(fēng)電出力比負(fù)荷高峰時(shí)段出力高的天數(shù)僅有14 d。即是說，在鹽城地區(qū)，風(fēng)電的反調(diào)峰特性并不是特別突出。其中，春季負(fù)荷高峰風(fēng)電出力比負(fù)荷低谷風(fēng)電出力高的天數(shù)為85 d，夏季為88 d，秋季90 d，冬季為86 d。2011年3月至2012年3月各月份風(fēng)電反調(diào)峰情況如表3所示。表3亦驗(yàn)證了鹽城地區(qū)四季風(fēng)電日內(nèi)反調(diào)峰特性并非特別突出。

表3 2011年3月至2012年3月各月份風(fēng)電反調(diào)峰情況

3.2月度調(diào)峰特性

鹽城地區(qū)風(fēng)電有明顯的季節(jié)性，夏季出力最小，春季最大，秋冬季次之。但負(fù)荷電量卻有所不同，夏季是負(fù)荷的高峰，冬春季的負(fù)荷相對少，尤其是農(nóng)歷新年期間為負(fù)荷最低谷。鹽城地區(qū)2011年月度出力如圖14所示。鹽城地區(qū)2011年負(fù)荷指示如圖15所示。

由圖14、圖15可以知道，在2011年6月到8月，是負(fù)荷的高峰期，而此時(shí)鹽城地區(qū)的風(fēng)電出力恰恰為低谷。

在2013年，風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到400 MW，屆時(shí)鹽城地區(qū)負(fù)荷預(yù)計(jì)為1 400 MW，風(fēng)電滲透率將達(dá)到28.5%，反調(diào)峰特性在高滲透的電網(wǎng)條件下將會更為突出。

4鹽城地區(qū)風(fēng)電與光伏的互補(bǔ)特性

4.1鹽城地區(qū)光伏出力

鹽城地區(qū)四季光伏典型出力如圖16所示。其中夏季日出力最大，均值為18.53 MW；冬季日出力最小，僅為12.56 MW；而春季平均日出力為14.81 MW，秋季為18.61 MW。

由圖16可以看出，光伏發(fā)電日出力曲線近似于正弦曲線。

4.2鹽城地區(qū)風(fēng)光的互補(bǔ)特性

為了研究鹽城地區(qū)風(fēng)電和光伏電廠的物理上的互補(bǔ)特性，本文引入互補(bǔ)率描述其互補(bǔ)特性的指標(biāo)：

式（1）中：σA為系統(tǒng)中容量最大的一種不可調(diào)資源（本文中為風(fēng)電）的方差；σB為計(jì)入另外的不可調(diào)資源后，系統(tǒng)中不可調(diào)資源（本文中指風(fēng)電與光伏發(fā)電之和）總的方差；k值為互補(bǔ)率指標(biāo)。k值取值范圍為（-∞，1）。當(dāng)k＜0時(shí)，認(rèn)為系統(tǒng)中的不可調(diào)資源不存在互補(bǔ)性；k＞0時(shí)，則認(rèn)為其存在一定互補(bǔ)性。k值越大，則互補(bǔ)程度越好，反之亦然。

表4四季典型互補(bǔ)率

由鹽城典型風(fēng)電日出力曲線、光伏典型日出力曲線以及互補(bǔ)率公式得到結(jié)果如表4所示。由表4可知，除秋季外，其余三季風(fēng)電與光伏均有互補(bǔ)性。

5結(jié)束語

在沿海地區(qū)，風(fēng)電的輸出對于內(nèi)陸風(fēng)電有較大的差異性。經(jīng)過分析，江蘇省鹽城地區(qū)的風(fēng)電具有其典型特性。

（1）鹽城地區(qū)風(fēng)電有較強(qiáng)的季節(jié)性。夏季風(fēng)電出力明顯偏小，春季最大，而秋冬季節(jié)出力次之，且差異不大。

（2）鹽城地區(qū)風(fēng)電具有很強(qiáng)的波動(dòng)性和隨機(jī)性，連續(xù)兩天風(fēng)電出力亦會明顯不同，且風(fēng)電出力變化范圍較大。由分析可知，以15 min為時(shí)間間隔時(shí)，連續(xù)兩個(gè)時(shí)刻間的風(fēng)電出力差異并不大，居然大部分處于區(qū)間[-0.2，0.2]內(nèi)；而以1 d為時(shí)間間隔時(shí)，相鄰2 d的出力差異呈季節(jié)性，夏季出力波動(dòng)更為集中，春季則最為發(fā)散，秋冬季次之。

（3）鹽城地區(qū)風(fēng)電在長時(shí)間尺度內(nèi)具有反調(diào)峰特性，但在日內(nèi)，反調(diào)峰特性并不突出。在一年內(nèi)，夏季和冬季有明顯的反調(diào)峰特性。

（4）鹽城地區(qū)風(fēng)電與光電具有互補(bǔ)性，除秋季外，其他三季均體現(xiàn)了這一特性。

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