哈密風電基地出力特性研究

章 凱

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司, 西安 710065)

0 前 言

區別于傳統能源，風能既是清潔能源,又是可再生能源。風力發電對其它一次能源沒有依賴性，無燃料價格變動風險，運行成本相對穩定，更不會產生碳排放等環境成本。規模化開發利用風能資源,不僅可以有效降低對化石能源的依賴,而且對保護環境也可以起到一定的積極作用。基于以上獨特優勢，風力發電不僅是中國能源戰略的重要部分也逐漸成為許多國家可持續發展戰略的方向。

大規模風電基地或風電場集群出力特性與風電場的空間分布、裝機規模、評估時間尺度等緊密相關。目前，針對風電場出力研究的文獻很多，文獻[1,2,5]分析了甘肅酒泉風電基地的出力特性及時空變化規律；文獻[3]闡述了風電出力特點、大規模風電并網對電網影響；文獻[4]利用數理統計的方法對黑龍江地區風電出力特性進行了描述；文獻[6,7]采用概率統計方法分析了風電場(群)的出力特性；文獻[9]研究了風電出力波動性評價指標，建立了混合高斯模型；文獻[8,10]對海上風電出力特性進行了研究。

本文基于新疆哈密風電基地測風塔實測數據以及風功率預測塔數據，采用時間序列與統計計算的分析方法，對哈密風電基地風電的出力特性，從日變化、季節變化以及相關性、互補性等方面進行了研究，為促進大規模的風電開發與利用以及大規模風電并網運行提供了依據。

1 哈密風電基地概況

哈密，位于中國新疆自治區東部，是新疆通向中國中東部地區的要道。哈密地區風能、太陽能、煤炭等資源十分豐富，已成為國家級重要能源基地。哈密風電基地是中國規劃的重要風電基地，開發條件優越，也是中國首個利用跨區特高壓直流輸電通道開展風電消納的示范項目。

哈密地區位于新疆東部，南北兩側分別是阿爾泰山和庫魯克塔格余脈，東天山余脈從哈密地區橫穿而過，整個哈密地區是三山兩谷的地勢。受常年西風氣流以及山谷強大的夾擊作用形成的狹管效應的影響，造成了哈密地區豐富的風能資源。

哈密市氣候主要受西風環流影響，風速春、夏季大，秋季次之，冬季最小。此外，受地形影響，哈密市各地風向、風速的分布差異較大。據哈密市各地氣象站資料(10 m高度)分析，天山以南的哈密市區及附近風力偏小，年平均風速僅為2.3 m/s。哈密市區以東戈壁，盛行偏東風，年平均風速2.3～4.9 m/s。三塘湖～淖毛湖盆地盛行偏西風，年平均風速4.6～5.9 m/s。

哈密風電基地一、二期共建設風電場超過30個，其中多數風場裝機容量約200 MW，總裝機容量約10 000 MW。風電基地主要含3個子區域：三塘湖、景峽、煙墩。哈密風電基地各區域位置及區域地形見圖1。

圖1 哈密風電基地風電場位置示意圖

2 數據情況及數據預處理

本文研究主要基于風電場內測風塔的實測風速數據以及風功率預測塔數據。為保證數據的可靠性，研究在各區域內優選數據時段較長、完整率較高的2～3個風電場數據。哈密風電出力數據及測風塔數據時段選取數據完整、質量較高的同一自然年，分辨率為10 min。以下全部計算及圖、表均基于以上數據。

3 風電出力的日變化、季節變化分析

3.1 風電出力的日變化分析

為了解哈密風電基地內風電出力的日變化特征，本文收集了實測風速數據(70 m高)、風電場出力數據統計日變化情況，見圖2。結果顯示，風速日變化具有明顯的區域差異：煙墩、景峽區域夜間風速大、白天風速小，00:00～8:00最大，然后逐漸減小，中午13:00～14:00最小，然后又逐漸增大；三塘湖區域夜間和白天風速均比較大，中午11:00～12:00最小，其他時間風速均比較大。出力變化趨勢與風速基本一致。

3.2 風電出力的季節變化分析

為了解哈密風電基地內風電出力的季節變化特征，本文統計了逐月平均風速、風電場出力數據統計季節變化情況，結果見圖3。結果顯示，哈密地區的風速與風電場出力季節變化趨勢總體一致，即春季(3-6月)風速大，冬季(11月-翌年2月)風速小。

圖2 70 m高風速及風電場出力日變化圖(哈密風電基地)

圖3 70 m高風速及風電場出力季節變化圖(哈密風電基地)

4 哈密風電出力的相關性與互補性

4.1 風電出力具有相關性

同一區域內地理位置相對集中的風電場，當出現持續時間較長的強風時，這些風電場之間發電出力變化就呈現一致，即反映出較強的相關性。而這種相關性通常體現為各個風電場出力變化趨勢相近，不同風電場的風電出力表現出較大的相關性,導致整個區域風電場或風電基地總體出力呈現較強波動。

本次分別以哈密風電基地三塘湖區域和景峽區域為例分析同一區域內風電出力的相關性。對哈密風電基地建成后各風功率預測塔風速數據進行統計，分別繪制得到三塘湖區域STH01和STH02兩座風功率塔同期風速過程線、景峽區域JX01和JX02兩座風功率塔同期風速過程線，具體見圖4、5。

圖4 三塘湖區域2座風功率塔同期風速過程線圖

圖5 景峽區域2座風功率塔同期風速過程線圖

由圖4、5可以看出，同一區域內2個距離相對較近的風電場(集群)之間出力變化形狀具有較大的相似性，呈現較為一致的變化趨勢，這也意味著同一區域內的風電場(集群)相互之間有著較強的相關性。

4.2 風電出力具有互補性

當同一區域內多個風電場間的地理位置分布較分散時，由于地理跨距大，各風電場出力特性受地理分散效應的影響，降低了風電場間輸出功率的相關性，提高了輸出功率的互補性。當有來風時，由于風電場之間地理間距較大，風的高峰時刻和低谷時刻達到的時間不同，因此在同一時刻，有的風電場處于高峰時刻而有的風電場則處于低谷時刻，這樣就在總體上形成了互補效應。

本次對哈密風電基地景峽區域JX01和三塘湖區域STH01兩座風功率塔進行統計，繪制得到景峽代表塔JX01和三塘湖代表塔STH01同期風速過程線(見圖4～6)，分析哈密風電基地景峽區域和三塘湖區域2個地理跨距較大區域內風電出力的互補性。

圖6 景峽區域代表塔JX01和三塘湖區域代表塔STH01同期風速過程線圖

由圖6可以看出，由于相距較遠的2個風電場(集群)之間地理跨距較大，風峰和風谷達到的時間不同。當三塘湖區域風電場(集群)處于風峰時刻、出力較大時，而在同一時刻，景峽區域風電場(集群)則處于風谷時刻，出力較小，這樣就在總體上形成了互補效應,削弱了自然風波動對風電集群出力的影響，從而使得哈密風電基地風電集群的出力曲線變得更為平滑。

5 結 語

本文以哈密風電基地為例，研究了三塘湖、景峽及煙墩區域風電出力日變化、季節變化、相關性、互補性等特性，得到以下結論：

(1) 哈密風電基地三塘湖區域盛行西風，景峽、煙墩區域盛行東風。風電基地風具有較為明顯的傳遞相關過程。無論是在局部風電集群內還是從三塘湖區域-景峽、煙墩區域，均存在較為明顯的傳遞過程。

(2) 在大型風電基地內，由于地形地貌的差異，局地大氣環流的成因及變化規律不同，造成風電基地內不同區域的風速以及風電出力宏觀變化呈現不同特點。

(3) 同一區域內2個距離相對較近的風電場(集群)之間出力變化形狀具有較大的相似性，呈現較為一致的變化趨勢，這也意味著同一區域內的風電場(集群)相互之間有著較強的相關性。

(4) 2個相距較遠的區域風電場(集群)，風的高峰時刻和低谷時刻達到的時間不同，因此在同一時刻，某一區域風電場(集群)處于高峰時刻而另一區域風電場(集群)則處于低谷時刻，這樣就在總體上形成了互補效應。