地市區域風電出力特性分析

彭有福 李鵬 喻琢舟等

摘 要：收集廣東北部某地市2017年1月-2018年8月風電實際出力運行數據進行分析，對該市風電出力的季節特性、日特性、出力波動率、出力概率區間、保證容量和有效出力等指標進行分析，為該市的電力系統規劃和運行提供參考依據。

關鍵詞：風電;出力特性;保證容量;有效出力

0 前言

風電產業是我國戰略性新興產業的重要組成部分，風力發電是可再生能源領域中技術成熟、最具規模開發條件的發電方式之一。積極有序開發風能資源，對于增加清潔能源供應、促進能源結構調整和節能減排具有重要意義[1]。本文研究的地市區域位于廣東北部山區，屬亞熱帶季風性氣候，冬半年受北方冷空氣影響，盛行東北季風，天氣較為干冷;夏半年則為季風低壓、熱帶氣旋外圍環流所影響，盛行西南和東南季風，高溫多雨;區域的風能資源較為豐富。根據《廣東省陸上風電發展規劃（2016-2030年）》成果，至2020年底該市將規劃建成陸上風電總裝機容量80萬千瓦，至2030年底陸上風電總裝機容量200萬千瓦。

該市風電資源待開發規模較大，但開發時間較晚（第一座風電場的投運時間為2016年11月），且對風電出力數據研究較少。本文收集2017年1月1日～2018年8月31日（時間間隔為15分鐘）共計58368個時間點的風電出力數據，基于統計學的方法分析該市風電的季節特性、日特性、出力波動率、出力概率區間、保證容量和有效出力，共6個風電出力特性評價指標，為該市的電力系統規劃和運行提供參考依據。

1 風電出力特性

1.1 季節特性

分別對該市的風電出力數據進行月和季統計周期的均值處理，該地市區域的風電機組平均年滿發小時為1867h，容量系數為21.3%。風電出力的季節特性顯示為：風電的月平均出力系數范圍在12.6%至34.6%;最大平均出力系數出現在10月（34.6%），最小平均出力系數出現在9月（12.6%）。風電的季平均出力系數范圍在16.4%至27.1%，各季平均出力由大到小的排序為：秋>冬>春>夏，與該地區夏季小水電大發時段重疊的幾率較小。

1.2 日特性

先對該市的風電出力每15分鐘間隔的數據進行月、季、年共3個不同統計周期的小時出力系數加權平均值處理，得出月、季、年的風電出力系數小時曲線，詳見圖1。月、季、年統計周期的風電出力系數日曲線都呈現“晚上出力大、白天出力小”的特點，除晚上18h～22h處于電網負荷較高時段外，晚上22h～次日8h均處于電網負荷較低時段，反調峰特征明顯。

1.3 出力波動率

電力系統中由于用電負荷與電源必須保證時刻平衡，而用電負荷與電源都有變化和不確定的特征，所以電力系統運行過程中將保留部分電源設備容量作為負荷、事故以及檢修的備用容量。由于風的間歇性、隨機性和波動性以及風電場的本身特性（如：風速變化、風剪切、偏航誤差、塔影效應等因素）使得風電機組的輸入風能具有不穩定性，導致了風電出力會隨機波動，從而可能引起系統頻率穩定問題，因此在考慮系統電源出力安排與備用容量時需增加風電影響因素。

本文引入風電出力波動率來表征風電出力的不確定性對系統備用造成的影響。受限于實際數據的時間間隔為15min，本文僅進行15min風電出力波動率的統計分析，該市風電的15min出力波動率最大值為47.3%。15min出力波動率在0%～5%區間的概率為85.5%，占絕大部分;15min出力波動率在5%～10%區間的概率為11.8%;15min出力波動率在10%～15%區間的概率為2.0%;15min出力波動率在大于15%區間的概率為0.7%。

根據上述分析表明，該市風電出力波動率較小，出現突升或突降得概率很低。同時當地火電裝機容量遠遠大于風電，也有相當比例調節速度更快的水電裝機容量。因此，該市風電的消納不會受到其他電源調節速度的限制。

1.4 出力概率區間

采用概率處理方法，將收集到的58368個時間點的風電出力數據轉化成風電出力系數后進行歸一化處理，歸一化區間如下：

完成歸一化處理后，對風電出力的概率分布情況進行分析，詳見圖2。可以看出，風電出力主要集中在0%～55%區間內。出力在0%～10%區間的概率最大，約占46%。各區間隨著風電出力的增大，概率呈快速減小的趨勢;風電出力大于55%時，其概率已降到2.5%以下。

風電出力累計概率曲線呈現凸二次曲線的特點。出力系數0～35%，累計概率達80%;出力系數0～55%，累計概率達95%;風電出力系數大于55%的累計概率僅為5%，對總發電量的貢獻很小。

1.5 保證容量

保證容量是衡量風電在負荷高峰時段用于系統電力平衡的容量，表示規模風電高峰負荷時段對常規機組的替代作用。一般情況下，其計算方法是把負荷高峰時段的風電出力按從大到小排，取在某一保證率下（本文取95%）風電的最小出力作為風電的保證容量。若風電具有一定的保證容量，即認為可替代對應保證容量的火電裝機。在進行電力系統規劃時，風電的保證容量直接影響其他電源的裝機規模[2]。

篩選該市負荷高峰時段（負荷系數大于90%時段）的風電出力系數計算保證容量，詳見圖3。可以看出，當地風電保證容量系數僅為1.5%，替代系統可靠電源容量作用很小。

1.6 有效出力

有效出力是衡量風電在負荷低谷時段參與系統調峰平衡的容量，表示規模風電低谷負荷時段對系統調峰容量的需求。一般情況下，其計算方法是把負荷低谷時段的風電出力按從小到大排序，在某一保證率下（本文取95%）風電的最大出力。進行電力系統規劃時，風電的有效出力直接影響到系統對其他電源調峰能力的需求以及系統調峰電源的規劃[2]。

篩選該市負荷低谷時段（負荷系數小于60%時段）的風電出力系數計算有效出力，詳見圖4。可以看出，當地風電有效出力系數為62%，低谷負荷時段對系統調峰容量的需求較大。

2 結論

（1）通過對該市風電出力特性的研究，得到該市風電出力特征如下：在10月平均出力最大，9月最小;秋冬季出力大，春夏季出力小。日特性呈現“晚上出力大、白天出力小”特點，在電網負荷較低時段有明顯的反調峰特征。風電出力波動率較小，出現突升或突降得概率很低。風電出力累計概率曲線呈現凸二次曲線的特點，出力系數0～35%，累計概率達到80%;出力系數0～55%，累計概率達到95%;風電出力系數大于55%的累計概率僅為5%。風電保證容量系數1.5%，有效出力系數62%。

（2）該市風電參與電力系統規劃和運行的平衡。因為風電保證容量系數僅為1.5%風電可靠性差，建議風電不參加負荷正常大方式的電力平衡;風電有效出力系數達62%，建議風電參加負荷正常小方式的電力平衡。

（3）本文收集該市的風電出力數據為58368個時間點（時間間隔為15分鐘），隨著時間的推移，風電出力數據還將不斷積累。建議以年滾動周期，將上一年度風電出力數據加入歷史風電出力數據庫，對該地市區域風電出力特性進行滾動修正。

參考文獻：

[1]廣東省發展改革委.廣東省陸上風電發展規劃（2016-2030年）[Z].2016-11-23.

[2]樊揚，林勇，徐乾耀，張寧，陳新宇.廣東電網風電出力特性分析及其經濟性評價[J].南方電網技術，2012，6（01）：8-12.