郴州地區(qū)山地型風(fēng)電場出力特征研究

何緣圓

（國網(wǎng)湖南省電力公司郴州供電分公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究所，湖南 郴州 423000）

郴州地區(qū)山地型風(fēng)電場出力特征研究

何緣圓

（國網(wǎng)湖南省電力公司郴州供電分公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究所，湖南 郴州 423000）

山地風(fēng)電不同于西北大規(guī)模開發(fā)的集中式風(fēng)電，具有其獨特的運行特性。根據(jù)保障出力率、最大同時率、高出力持續(xù)時間等指標(biāo)分析結(jié)果，提煉了山地風(fēng)電時間、空間的分布特性，并探討了山地風(fēng)電與負(fù)荷的適應(yīng)性，對源網(wǎng)協(xié)調(diào)有序發(fā)展提出了建議。

山地風(fēng)電；出力特性；適應(yīng)性

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是目前最具開發(fā)條件和前景的新能源之一。內(nèi)陸地區(qū)風(fēng)電場多以山地型風(fēng)電場為主。其隨機(jī)性、波動性等不理想特性對傳統(tǒng)電網(wǎng)調(diào)度運行和規(guī)劃帶來不確定因素。當(dāng)前特性研究集中在西北大規(guī)模風(fēng)電和海上風(fēng)電，而山地型風(fēng)電由于其獨特的海拔和分布位置有獨特的運行特性，亟需研究，探尋風(fēng)電場隨機(jī)特性后隱藏的確定性規(guī)律。本文基于湖南省山地風(fēng)電發(fā)展最迅速、規(guī)模最大的郴州地區(qū)多年風(fēng)電實際出力情況，研究其出力特征，為電網(wǎng)規(guī)劃和運行決策提供依據(jù)。

1 風(fēng)能儲量以及開發(fā)利用情況

郴州市位于湖南省東南部，地處南嶺山脈與羅霄山脈交錯、長江水系與珠江水系分流的地帶，地形為南高北低，三面環(huán)山，北部開口，形成U字狀地形。東部年平均風(fēng)速均在6m/s以上，70m高度年平均風(fēng)功能密度在160～350W/m2。市范圍內(nèi)共規(guī)劃風(fēng)電場有效山脊長度為997km，總裝機(jī)472．9萬千瓦，各風(fēng)電場Tmax在1700～2270h之間。截至2016年6月，已建成風(fēng)電場16座通過12個110千伏升壓站并入郴州電網(wǎng)，總?cè)萘?76．8MW，占可開發(fā)風(fēng)能資源的15．05%。

2 電源現(xiàn)狀

山地風(fēng)電場多以中、高海拔為主，低海拔風(fēng)電場相對較少。郴州并網(wǎng)風(fēng)電中近1座低海拔風(fēng)電場。高海拔山區(qū)往往負(fù)荷水平低，水電資源豐富，郴州就屬于典型的水電、風(fēng)電富集區(qū)。截至2016年6月，郴州電網(wǎng)內(nèi)水電裝機(jī)128．3萬千瓦，風(fēng)電67．68萬千瓦，電力盈余見表1。在當(dāng)前的負(fù)荷水平下，電力就地消納能力有限，電力明顯盈余。

3 風(fēng)電年出力特性

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)不斷進(jìn)步，郴州已并網(wǎng)的風(fēng)電以永磁直驅(qū)式發(fā)電機(jī)為主。永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用變漿距功率調(diào)節(jié)技術(shù)，葉片的安裝角可以根據(jù)風(fēng)速變化而變化，氣流的攻角在風(fēng)速變化時可以保持在一個合理的范圍內(nèi)，整體而言機(jī)組的輸出功率較風(fēng)電機(jī)組理論輸出功率特性曲線更加平穩(wěn)。但是風(fēng)速依然是影響出力的主因，導(dǎo)致特性出力統(tǒng)計分析難度高，本研究以有效裝機(jī)容量為基準(zhǔn)評價。

表1 郴州電網(wǎng)電源裝機(jī)與電力盈余

（1）2013～2016年郴州電網(wǎng)全網(wǎng)風(fēng)電最大出力與有效裝機(jī)容量的比值分別為88．5%、84．0%、78．5%、73．5%；最低保證出力（最小同時率）百分比分別為0．05%、0%、0．8%、0．19%，年度平均出力百分比分別為24．4%、16．5%、21．3%、24．2%。

（2）郴州山地風(fēng)電出力～頻率分布特性見表2，其中橫向表示以有效裝機(jī)容量為基準(zhǔn)的風(fēng)電出力百分比，縱向即出力在各個區(qū)域的概率。出力概率分布顯示，30%以下的概率超過了60%，60%以下的概率達(dá)到95%以上,70%以下的概率高達(dá)99%。總并網(wǎng)容量愈大，同時率70%以上和5%以下的概率愈小，郴州網(wǎng)內(nèi)已經(jīng)連續(xù)3年最大同時率不超過80%，出力主要分布在10%-30%頻段。

（3）定義月等效風(fēng)電出力。分析顯示各年度分月出力存在差異，但整體來看，山地型風(fēng)電出力春季與冬季較大，其中4月最大，夏末秋初最小，上半年水平高于下半年。

（4）風(fēng)電典型年四季出力特性如圖1所示：春季晝?nèi)詹町愝^小；夏季午后最小，20:00之后出力明顯上升，支撐晚高峰負(fù)荷；秋季出力變化差異最大，平均水平最低；冬季晚高峰期間風(fēng)電出力平均水平達(dá)到日內(nèi)最高，具有較好的負(fù)荷支撐作用。

表2 郴州全網(wǎng)風(fēng)電出力與頻率分布特性 %

圖1 典型年郴州風(fēng)電出力四季日均變化曲線

（5）風(fēng)電場有功出力15分鐘波動情況：全地區(qū)15分鐘出力偏差分布在[-31．4%，28．64%]， 95%概率分布在[-4．3%，3%]；片區(qū)15分鐘出力波動分布在[-32．8%，41．7%]，波動范圍有所擴(kuò)大，95%以上概率分布在[-7%，4．5%]；單個風(fēng)電場出力波動明顯增大，15分鐘波動分布在[-58．3%，56．3%]，95%以上概率分布在[-11%，7%]。風(fēng)電場彼此間空間差異使得單個風(fēng)電場的波動特性得到一定撫平。

（6）按照風(fēng)電空間分布，隨著風(fēng)電裝機(jī)容量增長，同時率下降，且最長持續(xù)時間迅速下降：當(dāng)裝機(jī)容量為80MW以下時，90%以上出力最長持續(xù)時間可以達(dá)到18～19小時，90～130MW時，持續(xù)時間縮短至4小時，130～150MW時，縮短至10分鐘；當(dāng)總?cè)萘窟_(dá)到150MW時候，80%的同時率都難以出現(xiàn)。因此片區(qū)同時率選擇宜兼顧區(qū)內(nèi)現(xiàn)有裝機(jī)規(guī)模。

4 風(fēng)電出力與電網(wǎng)負(fù)荷的適應(yīng)性

山地風(fēng)電場多分布水電資源富集山區(qū)，且由于高海拔往往面臨融冰需求，導(dǎo)致其與負(fù)荷適應(yīng)性存在獨特特點。結(jié)合典型負(fù)荷日、風(fēng)電出力日以及最大（最小）負(fù)荷日、最大（最小）風(fēng)電出力日等代表日負(fù)荷曲線以及風(fēng)電、水電出力特性曲線研究，得出以下幾點。

（1）春季風(fēng)電大發(fā)期，風(fēng)電場80%以上高出力持續(xù)時間可以長達(dá)數(shù)小時甚至數(shù)日，風(fēng)電出力在時間上具有較強(qiáng)的連續(xù)性，小時與小時之間的波動幅度小。

（2）冬季最大負(fù)荷出現(xiàn)時，由于連續(xù)低溫天氣，送出線路往往面臨較嚴(yán)重的覆冰問題，需要融冰導(dǎo)致風(fēng)電無法送出，負(fù)荷支撐能力有限。在地區(qū)電力平衡分析時，冬大方式下小規(guī)模、集中并網(wǎng)的山地風(fēng)電地區(qū)，其出力不宜參與平衡；大規(guī)模分散并網(wǎng)地區(qū)的出力同時率取值不宜高于5%。

（3）夏季午高峰出現(xiàn)時，空氣流動緩，風(fēng)速達(dá)不到風(fēng)機(jī)切入風(fēng)速，大量風(fēng)機(jī)處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)，對于高峰負(fù)荷支撐有限。在電力平衡階段，夏大方式下風(fēng)電出力同時率的取值不宜高于3%。

（4）春節(jié)期間，電網(wǎng)進(jìn)入最小負(fù)荷模式，此時南方電網(wǎng)往往已經(jīng)度過了融冰期，風(fēng)電出力水平高，電力盈余明顯。

（5）春季豐水期4～6月，風(fēng)電進(jìn)入全年最大發(fā)時節(jié)，水電同時進(jìn)入大發(fā)期，而負(fù)荷水平低，清潔能源就地消納能力受到限制。當(dāng)前電源開發(fā)速度，就地消納和送出問題將日益嚴(yán)峻，網(wǎng)絡(luò)損耗加劇，未來山地風(fēng)電開發(fā)宜兼顧負(fù)荷平衡發(fā)展。

5 結(jié)語

（1）通過郴州山地風(fēng)電出力歷史特性研究以及其與負(fù)荷適應(yīng)性探討，為電網(wǎng)調(diào)峰、電力平衡以及電網(wǎng)規(guī)劃等提供了有力的參考值。

（2）山地風(fēng)電年出力70%以下的概率達(dá)到99%，且隨著裝機(jī)容量增長，持續(xù)時間迅速衰減。傳統(tǒng)僅考慮瞬時最大出力可能導(dǎo)致過度高估問題嚴(yán)峻性。根據(jù)實際發(fā)電同時率適當(dāng)降低配置和調(diào)峰容量有利于提高設(shè)備利用效率和電網(wǎng)運營效益。

（3）在水電資源豐富地區(qū)，山地風(fēng)電與水電同時送出，而需求有限，能源就地消納困難，山地風(fēng)電發(fā)展與建設(shè)需兼顧負(fù)荷發(fā)展速度，實現(xiàn)協(xié)調(diào)平衡發(fā)展。

（4）從滿足負(fù)荷需求角度，高峰負(fù)荷時段，風(fēng)電場能起到一定的補(bǔ)充作用，但是最大負(fù)荷出現(xiàn)往往伴隨極端天氣，受到風(fēng)速與線路融冰的特殊限制，風(fēng)電場的負(fù)荷可靠支撐能力非常有限，電力平衡中不宜過多考慮。

[1]劉振亞．全球能源互聯(lián)網(wǎng)[M]．北京：中國電力出版社，2015．

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1671-0711（2017）08（下）-0171-02