風電不確定性對電力系統的影響研究

董敏

摘要：隨著新能源使用的增加，人們對可再生發電系統的建設也在持續增多，特別是對風電系統的應用有了更多的了解。風電系統具有消耗低、成本少等優點，適宜大規模建設的發電系統。但由于自然風力發電具有不確定性，影響著電能的質量和可靠性。本文對風電的不確定性進行了分析，同時闡述了風電不確定性對電力系統的影響，并對風電不確定性給出了相應的應對措施，希望為風力發電提供參考。

Abstract： With the increase in the use of new energy sources， the construction of renewable power generation systems has continued to increase， especially for the application of wind power systems. The wind power system has the advantages of low consumption and low cost， and is suitable for a large-scale power generation system. However， due to the uncertainty of natural wind power generation， it affects the quality and reliability of electric energy. In this paper， the uncertainty of wind power is analyzed， the influence of wind power uncertainty on power system is also expounded， and corresponding countermeasures are given for wind power uncertainty. It is hoped to provide reference for wind power generation.

關鍵詞：風電；不確定性；電力系統；影響

Key words： wind power；uncertainty；power system；impact

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）33-0182-02

0 引言

風力發電是通過自然界的風進行發電，不僅解決了火力發電中對可再生資源的消耗，也降低了對環境的污染，是新生能源中的重要發電形式。但風力發電具有一定的不確定性，能夠給發電系統帶來影響。只有了解了風電的不確定性，明確這些不確定性給電力系統所帶來的影響，并尋求有效的應對措施，才能更好地利用風力發電，給用戶提供質量可靠的電能資源。

1 風電概述

在自然界中，太陽能、風能、水能等都是重要的可再生資源，能夠在使用后重新產生，對電力發電有重要意義。利用這些可再生資源進行發電比傳統的火力發電有著巨大的優點，是減輕環境污染的重要手段。其中風能發電能夠為廣大用戶提供優質的電能，是未來能源革命的重要形式。風電在我國得到了大規模的使用，不僅是對電能的極度需求，也是對環境安全的保護。

但風電有著很強的不確定性，會隨著時空的分布而出現間歇性和波動性。對于風速的預報雖然有著一定的誤差，但對風力發電的影響較小，而風力的間歇時段預報有著較大的誤差，這導致風力發電也存在著間歇性，影響了電力的可靠性。隨著地域的擴大，風力的間歇性會更加明顯，也讓電網發電的影響更加巨大。因此要對電網運行中的注入量進行預測，從而實現有效調度，確保電網電量在風電不確定性時能夠得到及時補充。

2 風電不確定性

風電在使用時，由于自然條件的影響，存在著很多不確定性，這些不確定性會嚴重影響著電力系統的發電效果。風電的不確定性主要表現為風速的波動和間接性、風電的隨機性。

2.1 風速存在波動性和間接性

風在運動時，風速會表現出不確定性，主要是具有波動性和間接性。在時間上，每段時間的風速是不同的，平均風速難以平穩把握。并且風速具有時段性，并不是時刻存在的，有些時候會出現較大風速，有些時候風速則較小，有些時候則沒有風。因此由于風速的波動性和間接性，導致風力發電系統并不能一直依靠風力進行發電，這給系統的運作帶來了影響，造成無法平穩且持續地向外供應電力。通過研究發現，在一個小時內，風力發電的變化量占總容量的10～35%，但隨著時間的延長，四到十二小時則風電變化量超過了50%。這種發電功率的波動性是由于脈動風速所引起。對于風電的間歇性，則無法進行預測，通常是處于隨機變化的。表1為風速的波動性和間歇性研究表。

2.2 風電存在著隨機性

由于風速的波動性和間歇性，在對風電進行研究時，需要對當地的自然氣候進行長時間觀察，進而了解風的運行規律，制定適宜當地風力發電的可行方案。合理的風電方案能夠在一定程度上解決風電的不確定性，但風電的隨機性是難以消除的，會一直存在，這不僅同當地的自然氣候有關，也同地域性和空間性的自然環境有緊密聯系。例如，某個時間段，沿海地區會出現臺風天氣，給風力發電帶來了嚴重的影響。臺風是并不是持續出現的，并不代表該地區的自然氣候，因此存在著隨機性。在風電轉換時，設備發生故障的時間和頻率等都存在隨機性。

2.3 風電的不確定性因素

風速的不確定性主要在平均風速、風向等上得到體現。由于自然環境的復雜性，外界的地形、高度、空氣密度等都會影響到風速，直接導致風速存在不確定性。常用Weibull分布作為平均風速的概率模型，分布的尺度和性質參數可直觀地反應風速期望和標準差。普通的統計方法能夠對風電功率的不確定性因素做出反映，卻不能將風的時空分布進行完整反映，因此，利用風電的不確定性對風電系統進行評估時，結果會存在一定的偏差。

對風電轉換的不確定性造成影響的因素主要是：風機故障、風速越限引起的切入切出、機組運行特性變化、最大風電功率同遠程調節等工況變化。風電系統內部和外部都存在不確定性因素，包括發電機組、負荷、隨機事件等。表2是風電系統內部和外部存在的不確定性因素。

3 風電不確定性對電力系統的影響

由于風電具有極強的不確定性，給風電系統的運行帶來了影響，這種影響時具有時空特性的。

3.1 對頻率產生的影響

風電系統的穩定性可以在一定程度上反應系統低于外來干擾的能力，風電系統的充裕性則表現了系統能夠為用戶提供電力能力的高低。由于在評估風險和控制風險時存在著不確定性，并且包含了對分岔、混沌理論的研究，造成不確定性因素對大規模風電會形成極大的影響。不同地區風電機組在相同的調頻時間尺度上有著不同的功率波動，風電場的集聚效應也在一定程度上對風電功率的波動構成影響，并且可以降低這種波動。

3.2 對電壓產生影響

風電功率波動會導致風電系統的電壓產生波動，主要是由于風速、湍流強度、塔影效應等對電壓閃變值的改變。在低頻段范圍內，電壓閃變值的離散化計算誤差較小，適宜應用在風電引起的電壓波動中。

導致風機頻繁脫網的因素主要是電機上網環節需求、電網電壓穩定性等。大規模風機入網，電網中增加了感應電機，讓電壓失穩，因此，風機脫網現象時有發生。對于這種情況，一般可以安裝動態無功補償設備加以控制，能夠有效降低電壓失穩的情況，防止安全事故的產生。

3.3 對暫態穩定性構成影響

對于恒速異步風力發電機，本身并不存在同步穩定性問題。一些文獻根據EEAC理論，希望利用FSIG取代同步發電機。在這一過程中，當風機的類型發生改變，存在著故障位置、時間的不同時，將會影響到電力系統的暫態穩定性。特別是介入高等級電壓時，對風力發電機的暫態穩定性的影響更為明顯，需要利用變頻器進行調節控制，讓系統的穩定性得到提升。對于不對稱故障和動態負荷運行模式，也要加強對風機接入暫態穩定性的重視程度，做好相應的應急和研究。

3.4 對系統性能造成影響

風電系統的性能非常重要，良好的性能可以保持電力的穩定性，滿足一定范圍內用戶的用電需求。但風電的不確定性會影響到風電系統的性能，給電能的生產帶來干擾。風電不確定性會影響電力輸送設備，對發電系統的各項參數造成影響，進而降低了電力輸送設備的性能，讓電力輸送變得更加困難。風電不確定會降低發電系統的性能，讓系統性能出現波動，需要利用更多的性能控制設備對系統的穩定性進行控制，這在一定程度上降低了系統運行的可靠性，給電能的生產帶來困擾。

3.5 對電力市場產生影響

風電的不確定性讓風電系統對各級備用容量增加了，例如對調頻和旋轉備用的需求得到提高。隨著可再生資源需求和使用的不斷增加，可以利用需求側管理措施對備用市場和充裕度進行控制，讓市場力得到緩解。控制和優化市場充裕度，做好合約決策和執行決策環節，對電力市場的博弈和風險動態配置資源進行有效管理，讓風電不確定性對電力市場的影響得到相應控制和降低。

4 結束語

風力是重要的可再生能源，對發電有著重要的作用。但風電具有不確定性，不僅風速存在間歇性和波動性，風電也存在隨機性，這給電力系統的安全性、充裕性等帶來了影響，很大程度上干擾了電能的質量和經濟性。為了讓風電能夠得到有效利用，需要對風電功率預報進行完善，從時間、經濟、技術、環境等多方面進行控制和優化，做好發電、運輸、用電等環節的控制，使所有環節都得到調節，降低成本和時間尺度上的風險。只有更好地了解風電的不確定性，才能進一步提高風電系統的穩定性，為國家的風電系統做出貢獻。

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