泛在化特性的山西省域風電多尺度評估方法研究

南曉強，王小昂

（國網(wǎng)山西省電力公司，山西 太原 030001）

0 引言

區(qū)域能源特性分析是建設泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的基礎。通過對現(xiàn)有運行數(shù)據(jù)的分析，挖掘數(shù)據(jù)價值，明確山西省域、各地區(qū)區(qū)域能源特性，實現(xiàn)包括新能源在內的多種能源的精益控制，可有效提升對新能源的感知和控制水平，并可進一步提升特高壓交直流輸電能力和電網(wǎng)接納新能源的水平，是保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行、提高新能源企業(yè)運行經(jīng)濟效益的有效手段。構建新能源特性多時間尺度分析辦法，能提高電網(wǎng)對新能源的感知水平，明確山西省域內多能運行特性，打造山西電網(wǎng)多源協(xié)調控制、場網(wǎng)友好互動的技術基礎。

新能源輸出的隨機波動性及出力不確定性，給電網(wǎng)安全運行帶來了不確定性。文獻 [1-4]根據(jù)實測數(shù)據(jù)，分析了風電輸出特性。風電輸出特性分析是明確區(qū)域風資料特性、掌握風電運行變化規(guī)律、做好大規(guī)模新能源接入電網(wǎng)適應的前提工作。本文利用山西省調風功率預測系統(tǒng)及日報表系統(tǒng)中全省風電場有效數(shù)據(jù)，對全省風電輸出特性進行分析。

1 風功率年度特性分析

1.1 年度時序分布特性

以山西省調風功率預測系統(tǒng)及日報表系統(tǒng)為基礎，取年運行數(shù)據(jù)進行分析，以日和月為單位求均值，得到的山西電網(wǎng)全網(wǎng)風電場日平均功率、月平均功率時序分布見圖1和圖2。

圖1 風功率日平均分布圖

由圖1可知，日平均功率分布范圍較廣，最小值為0（標幺值），最大值高于0.8（標幺值），且相鄰日之間存在較大的跳躍，有連續(xù)數(shù)日平均功率較大（0.6標幺值以上）和連續(xù)數(shù)日平均功率較小（0.2標幺值以下） 等情況。由此可以得出山西省域風電場輸出功率具有較強的隨機性，但也存在一定的規(guī)律。

圖2 風功率月平均分布圖

由圖2可知，山西電網(wǎng)風電輸出功率月均值最大值為0.33（標幺值），最小值為0.11（標幺值），其余各月均值在0.2（標幺值）以上。由此可以得出山西風電輸出功率具有明顯的季節(jié)特性：夏季風電場輸出功率最小，夏季的3個月平均功率僅占風電裝機容量的11%左右；春、秋、冬3個季節(jié)輸出功率較大，是夏季的2倍左右。

1.2 年度負荷率特性

在考慮山西全省風能資源多樣性、風電機組類型差異性的基礎上，研究較廣區(qū)域輸出特性，結合小區(qū)域地理及氣候特性導致的個性特征，對把握全域整體特性在電網(wǎng)運行、規(guī)劃中的意義更為重大。圖3為山西電網(wǎng)風電年負荷率的概率分布圖。

圖3 山西電網(wǎng)風電機組年負荷率概率分布圖

圖3中，橫坐標5%、10%、15%處所對應的柱狀圖表示負荷率在±5%區(qū)間的累計概率，其余以此類推。圖3中，柱狀圖的高低描述了年負荷率在對應區(qū)間累計概率的大小。由圖3可以得出山西電網(wǎng)風電機組的負荷率在持續(xù)1年時間里的分布特性：負荷率概率最大的區(qū)間為 [10%，15%]，在此區(qū)間其累計概率接近20%；負荷率概率最小的區(qū)間為[75%，80%]，此區(qū)間累計概率不足1%；負荷率的概率分布主要集中在區(qū)間 [5%，50%]，其間隔為5%的累計概率均超過5%，此區(qū)間累計概率為80%以上；負荷率低于5%的累計概率為5%左右，低于10%的累計概率為15%，高于60%的概率僅為4%左右。

1.3 風電年有效利用小時數(shù)

圖4給出了風電年有效利用小時數(shù)分布圖。從圖4可以看出，山西電網(wǎng)年度有效利用小時數(shù)分布在 [0 h，18 h]之間，分布范圍較廣，且波動性較大，最大利用小時數(shù)達到17.17 h，最小值只有0.31 h，且在夏季，低利用時間持續(xù)較長。

圖4 風電年有效利用小時數(shù)分布圖

2 風電功率24節(jié)氣特性分析

2.1 風電功率24節(jié)氣特性分析

節(jié)氣將每個季節(jié)分為6個時間段，每個時間段為15天左右，存在大小月之差時，也會出現(xiàn)14天與16天的情況。每個節(jié)氣代表著從該天起的一段時間內氣候具有一定的特性。下文對24節(jié)氣時間段風功率輸出特性進行分析。圖5為24節(jié)氣風功率輸出特性圖。

從24節(jié)氣風功率輸出特性可以看出以下情況。

a） 春季6個節(jié)氣中驚蟄風功率平均輸出值最大，其次為春分；風功率波動最大時間段出現(xiàn)在谷雨，其次為春分；立春與雨水時段風功率輸出值較小，波動也較小。

b）夏季6個節(jié)氣中立夏風功率平均輸出值最大，其次為小滿；風功率波動最大時間段出現(xiàn)在立夏，其次為小滿；夏季其他時段（包括芒種、夏至、小暑及大暑）風功率輸出值較小，波動也較小。

c） 秋季6個節(jié)氣中霜降風功率平均輸出值最大，其次為寒露；風功率波動最大時間段出現(xiàn)在霜降，其次為寒露與秋分；立秋、處暑與白露時段風功率輸出值較小，波動也較小。

d）冬季6個節(jié)氣中大寒風功率平均輸出值最大，其次為小寒，且相對其他季節(jié)冬季的均值都較大；風功率波動最大時間段出現(xiàn)在冬至，其次為立冬；對比其他季節(jié)，冬季風功率的均值及波動都較大。

e）從全年變化情況看：夏季風電輸出功率較小，比較集中，主要分布在0～0.4（標幺值）之間，但存在增幅較大的情況；秋季和冬季風電輸出功率的分布比較分散，但風電功率增減幅度比較大且出現(xiàn)的頻率較高，最大變化量高達0.7（標幺值）；春季風電輸出功率也比較分散，日內、日間的增減程度均較大；冬、秋季風電機組負荷率主要平均分布在 [5%，50%]區(qū)間之內。與其余季節(jié)相比，冬、秋季電網(wǎng)風電輸出功率的波動范圍最大；夏季風電機組低負荷運行概率較高，負荷率超過40%的情況很少發(fā)生。與其余3個季節(jié)相比，夏季山西電網(wǎng)風電輸出功率最小，發(fā)電量最少；冬季與秋季風電機組的負荷率集散程度差異不大，但均弱于春季。

圖5 24節(jié)氣風功率輸出特性圖

2.2 24節(jié)氣風功率波動性

圖6為24節(jié)氣風功率波動曲線圖。從圖6可以看出，24節(jié)氣風功率波動分布在 [-0.5，0.55]（標幺值）之間，范圍較廣，風功率波動最大值出現(xiàn)在冬至前后，達到0.55（標幺值），在驚蟄、立夏及立冬也出現(xiàn)較大的波動，最小值出現(xiàn)在芒種，只有0.04（標幺值）。

圖6 24節(jié)氣風功率波動曲線圖

2.3 24節(jié)氣風電逆調峰特性

圖7為24節(jié)氣風電逆調峰日占比圖。從圖7可以看出，24節(jié)氣逆調峰日占比分布在 [20%，90%]之間，范圍較廣，且波動性較大，最大逆調峰日占比出現(xiàn)在小寒，達到86.80%，最小值出現(xiàn)在芒種，只有23.33%。全年的平均值達到47.27%，約達到一半時間處于逆調峰時間。

圖7 24節(jié)氣風電逆調峰日占比圖

2.4 24節(jié)氣風電有效利用小時數(shù)

圖8為24節(jié)氣風電有效利用累積小時數(shù)分布圖。從圖8可以看出，由于受大氣環(huán)流的影響，24節(jié)氣風電功率變化明顯，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

a）從大雪節(jié)氣開始，山西將處于蒙古高壓中心的前部，地面盛行西北氣流，該氣流強度大，持續(xù)時間長，一直持續(xù)至立春前后。

b） 進入清明節(jié)氣后，隨著氣溫的逐漸升高，蒙古高壓和阿留申低壓將明顯減弱消退，西風氣流北移，強度大減，而西太平洋反氣旋環(huán)流則顯著加強，流經(jīng)黃土高原一帶時會出現(xiàn)一連串小型反氣旋，受其影響，山西地區(qū)在谷雨前后會出現(xiàn)大風天氣。

c）隨著小滿節(jié)氣的到來，地面氣溫逐步升高，印度低壓發(fā)展并控制了整個亞洲大陸，西太平洋副熱帶高壓的勢力也大大增強，并向北擴展，山西處于低壓前部，地面主要吹東南風，但環(huán)流比較平直，強度比冬季顯著減弱。

d） 進入白露后，隨著大陸氣溫的逐漸下降，地面氣壓場形勢會發(fā)生顯著變化，蒙古高壓和阿留申低壓開始活躍，而印度低壓和西太平洋副熱帶高壓開始明顯衰退，山西由小滿一直持續(xù)至立秋時節(jié)的偏南風轉變?yōu)槠憋L，風力逐步增大。

e）從24節(jié)氣風電有效利用累積小時數(shù)統(tǒng)計結果看，24節(jié)氣風電有效利用累積小時數(shù)分布在 [30 h，135 h]之間，范圍較廣，且波動性較大，最大利用累積小時數(shù)出現(xiàn)在冬至，達到130.32 h，最小值出現(xiàn)在夏至，只有31.42 h，且在夏至前后低利用小時數(shù)持續(xù)時間較長。

圖8 24節(jié)氣風電有效利用累積小時數(shù)分布圖

3 結論

a）全年最大日平均風速基本出現(xiàn)在冬季的1月份，最小日平均風速分布相對分散，出現(xiàn)在夏季的8月、9月。山西電網(wǎng)風電在每年的10月到次年的4月為富風期，平均風速為6～8 m/s，月平均利用小時數(shù)在200 h以上。每年5月至9月為小風期，平均風速不足5 m/s，月平均利用小時數(shù)在100 h左右。從24節(jié)氣來看：從大雪節(jié)氣開始，山西將處于蒙古高壓中心的前部，地面盛行西北氣流，該氣流強度大，持續(xù)時間長，一直持續(xù)至立春前后；進入清明節(jié)氣后，隨著氣溫的逐漸升高，蒙古高壓和阿留申低壓將明顯減弱消退，西風氣流北移，強度大減，而西太平洋反氣旋環(huán)流則顯著加強，流經(jīng)黃土高原一帶時會出現(xiàn)一連串小型反氣旋，受其影響，山西地區(qū)在谷雨前后會出現(xiàn)大風天氣；隨著小滿節(jié)氣的到來，地面氣溫逐步升高，印度低壓發(fā)展并控制了整個亞洲大陸，西太平洋副熱帶高壓的勢力也大大增強，并向北擴展，山西處于低壓前部，地面主要吹東南風，但環(huán)流比較平直，強度比冬季顯著減弱；進入白露后，隨著大陸氣溫的逐漸下降，地面氣壓場形勢會發(fā)生顯著變化，蒙古高壓和阿留申低壓開始活躍，而印度低壓和西太平洋副熱帶高壓開始明顯衰退，山西由小滿一直持續(xù)至立秋時節(jié)的偏南風轉變?yōu)槠憋L，風力逐步增大。從地域性來看：忻州、朔州地區(qū)最大月平均風速出現(xiàn)在冬季，春季次之，最小月平均風速出現(xiàn)在夏季，但也在5 m/s以上，忻州、朔州地區(qū)風向穩(wěn)定，全年均為西北風；運城地區(qū)風速相對較小，年風速平均值在2.9 m/s左右，受季風變化的影響較小，主要為地方性風。由于山西電網(wǎng)風資源富風期與枯風期差異顯著，給電力平衡、火電機組檢修計劃安排提出了新要求。

b）山西風電輸出功率具有明顯的季節(jié)特性：夏季風電場輸出功率最小，其3個月平均功率僅占風電裝機容量的11%左右；春、秋、冬3個季節(jié)輸出功率較大，是夏季的2倍左右。秋季和冬季風電輸出功率的分布比較分散，但風電功率增減幅度比較大且出現(xiàn)的頻率較高；春季風電輸出功率也比較分散，日內、日間的增減程度均較大。春季6個節(jié)氣中驚蟄風功率平均輸出值最大，其次為春分；風功率波動最大時間段出現(xiàn)在谷雨，其次為春分；夏季6個節(jié)氣中立夏風功率平均輸出值最大，其次為小滿；風功率波動最大時間段出現(xiàn)在立夏，其次為小滿；秋季6個節(jié)氣中霜降風功率平均輸出值最大，其次為寒露；風功率波動最大時間段出現(xiàn)在霜降，其次為寒露與秋分；冬季6個節(jié)氣中大寒風功率平均輸出值最大，其次為小寒，且相對其他季節(jié)冬季的均值都較大；風功率波動最大時間段出現(xiàn)在冬至，其次為立冬；對比其他季節(jié)，冬季的均值及波動都較大；從全年24節(jié)氣來看，大寒風功率平均輸出值最大，其次為驚蟄，風功率波動最大時間段出現(xiàn)在冬至，其次為大雪。

c）從風電24節(jié)氣有效利用累積小時數(shù)分布圖可以看出，24節(jié)氣有效利用累積小時數(shù)分布范圍較廣，且波動性較大，最大利用累積小時數(shù)出現(xiàn)在冬至，最小值出現(xiàn)在立秋，且在立秋前后低利用小時數(shù)持續(xù)較長。

d）從24節(jié)氣風電逆調峰日占比分布圖可以看出，24節(jié)氣逆調峰日占比分布在 [20%，90%]之間，范圍較廣，且波動性較大，最大逆調峰日占比出現(xiàn)在小寒，達到86.80%，最小值出現(xiàn)在芒種，只有23.33%。全年的逆調峰日平均值達到47.27%，約有一半時間處于逆調峰。

e） 從24節(jié)氣風功率波動曲線可以看出，24節(jié)氣風功率波動分布在 [-0.5，0.55]（標幺值）之間，范圍較廣，風功率波動最大值出現(xiàn)在冬至前后，達到0.55（標幺值），在驚蟄、立夏及立冬也出現(xiàn)較大的波動，最小值出現(xiàn)在芒種，只有0.04（標幺值），對全網(wǎng)的功率調節(jié)造成較大的干擾。

f）從風速日變化曲線可以看出：風速日變化以凌晨0點左右最大，午后13點次之，日出后最小。白天，太陽輻射增強，由于地表增熱不均、亂流發(fā)展，使上下層空氣交換頻繁，上層動量下傳，使近地層風速加大；午后亂流發(fā)展最強，風速逐步增大；隨著太陽輻射的減弱，亂流減弱，近地面層風速逐漸減小；日落后隨著地表溫度的變化，上下層空氣交換將持續(xù)，風速會在這段時間內達到最大；凌晨5點左右地表結束熱交換，風速急劇減小，至日出后達到最小。風速的變化導致風電輸出功率的波動性，對全網(wǎng)的功率調節(jié)造成較大的干擾，使日調整更加困難。

g）從風功率日變化曲線可以看出：山西電網(wǎng)風電日平均功率分布范圍較廣，存在最小值接近0和最大值高于0.8（標幺值）的情況，相鄰日之間有時會出現(xiàn)較大的跳躍，存在連續(xù)數(shù)日平均功率較大和連續(xù)數(shù)日平均功率較小等情況。由此可以得出，風電場輸出功率具有較強的隨機性、波動性和不確定性，對電網(wǎng)的電能質量造成影響，如電壓偏差、電壓波動和閃變，更重要的是，需分析其對系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定及電壓穩(wěn)定性的影響。