田曉軍,劉 勇,夏保安

(1.河北能源工程設(shè)計(jì)有限公司,河北石家莊 050031;2.河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,河北石家莊 050031)

風(fēng)電出力特性研究

田曉軍1,劉 勇2,夏保安2

(1.河北能源工程設(shè)計(jì)有限公司,河北石家莊 050031;2.河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,河北石家莊 050031)

以張家口地區(qū)某風(fēng)電場(chǎng)的年出力數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),重點(diǎn)分析了風(fēng)電場(chǎng)年、月、日出力特性,并以概率出力作為分析指標(biāo),深入分析了尖峰電量與風(fēng)電出力的關(guān)系;并對(duì)電力平衡及調(diào)峰平衡時(shí)如何考慮計(jì)入風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行了探討。通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)出力特性研究,可為電力系統(tǒng)規(guī)劃、電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行提供重要的參考依據(jù)。

風(fēng)電;電力平衡;調(diào)峰平衡;電力系統(tǒng)規(guī)劃

風(fēng)力發(fā)電作為綠色能源,全球的裝機(jī)總量在迅猛發(fā)展,風(fēng)電在提供清潔低碳能源的同時(shí),風(fēng)電場(chǎng)的大規(guī)模并網(wǎng)也給電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)了不利影響。大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后,由于其出力波動(dòng)較大,對(duì)電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行、電壓控制、電網(wǎng)調(diào)峰等都將產(chǎn)生一系列影響。針對(duì)風(fēng)電出力隨機(jī)性強(qiáng)、運(yùn)行方式復(fù)雜多變的特點(diǎn),筆者以現(xiàn)已運(yùn)行的張家口地區(qū)某風(fēng)電場(chǎng)出力數(shù)據(jù)為依據(jù),闡述了風(fēng)電場(chǎng)的出力特性,并針對(duì)風(fēng)電的特點(diǎn)提出了風(fēng)電在參與電力平衡計(jì)算的技術(shù)要求,為電網(wǎng)規(guī)劃及調(diào)度運(yùn)行提供重要的參考依據(jù)。

1 風(fēng)電場(chǎng)出力特性

1.1 研究數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究數(shù)據(jù)以張家口壩上地區(qū)某風(fēng)電場(chǎng)(裝機(jī)容量99MW)2009年9月1日至2010年8月31日共8760h的平均出力(以下簡(jiǎn)稱出力)為依據(jù),期間總發(fā)電量為18636萬(wàn)千瓦時(shí),最大出力80.8MW,年發(fā)電設(shè)備利用小時(shí)數(shù)為1882h。

2.2 年出力特性

(1)8760h出力曲線

圖1 8760h出力曲線

從圖1可以看到,風(fēng)電出力一年內(nèi)各小時(shí)、各日、各月之間變化均很大,不連續(xù)性及突變性的特征較為明顯,且無(wú)變化規(guī)律可言。風(fēng)電場(chǎng)年最大出力80.8MW,占裝機(jī)容量的82%。每年風(fēng)電場(chǎng)尖峰出力時(shí)間較短,出力在70MW以上僅為100h,占全年8760h的1.1%;每年風(fēng)電場(chǎng)零出力約1200h,占全年的13.7%。

(2)年出力累積曲線

將風(fēng)電場(chǎng)一年內(nèi)每小時(shí)的出力按照由大到小的順序排隊(duì),得到風(fēng)電場(chǎng)年出力累積曲線見(jiàn)圖2,其中橫坐標(biāo)為時(shí)間,單位:h;縱坐標(biāo)為風(fēng)電場(chǎng)出力,單位:MW。曲線上一點(diǎn)Aij,對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)為i,縱坐標(biāo)為j,表示該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的風(fēng)電場(chǎng)出力為j MW,風(fēng)電場(chǎng)出力大于等于jMW的時(shí)間為i小時(shí)。曲線與橫軸、縱軸所圍成的面積就是風(fēng)電場(chǎng)的年發(fā)電量,圖中的陰影部分表示出力大于等于j的尖峰電量。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)年出力曲線

為進(jìn)一步研究風(fēng)電場(chǎng)出力特性,引入概率出力作為分析指標(biāo)。

1%概率最大出力Pmax1:橫坐標(biāo)為87.6(8760 ×1%)時(shí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)電場(chǎng)出力。

1%概率最小出力 Pmin1:橫坐標(biāo)為 8672.4 (8760×99%)時(shí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)電場(chǎng)出力。

1%概率尖峰電量Amax1:風(fēng)電場(chǎng)出力大于等于Pmax1產(chǎn)生的尖峰電量。

同理,可以定義Pmax3、Pmax5、Pmin3、Pmin5、Amax3、Amax5……。

由于風(fēng)電場(chǎng)一年中13%以上的時(shí)間內(nèi)出力為零,因此風(fēng)電場(chǎng) Pmin1、Pmin3、Pmin5的值均為零。為進(jìn)一步研究風(fēng)電場(chǎng)尖峰出力和尖峰電量概率關(guān)系,給出出力標(biāo)么值(出力/裝機(jī)容量)、尖峰電量標(biāo)么值(尖峰電量/總發(fā)電量)與最大出力概率(Pmax)的關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 出力標(biāo)么值、尖峰電量標(biāo)么值與最大出力概率的對(duì)比圖

由圖3可知,風(fēng)電場(chǎng)最大出力概率 Pmax在0～1%之間時(shí),出力從0.817下降到0.711,出力下降明顯;最大出力概率 Pmax在1%～5%之間時(shí),出力下降較為平緩。最大出力概率 Pmax在0～1%之間的尖峰電量?jī)H為總電量的0.16%,所占比重較小;隨著尖峰出力概率的增大,其尖峰電量逐步上升。

Pmax1為 70.4MW,為裝機(jī)容量的 71.1%, Amax1為29.82萬(wàn)千瓦時(shí),也就是說(shuō),該風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電出力大于裝機(jī)容量71.1%的時(shí)間累加僅為87.6h,概率為1%,對(duì)應(yīng)的尖峰電量?jī)H為29.82萬(wàn)千瓦時(shí),為年發(fā)電量的0.16%。該風(fēng)電場(chǎng)容量偏小,而本規(guī)劃涉及的該區(qū)域風(fēng)電裝機(jī)容量為950MW,相當(dāng)于該風(fēng)電場(chǎng)的10倍左右。由于多座風(fēng)電場(chǎng)的最大出力與各風(fēng)電場(chǎng)最大出力之間存在同時(shí)率,因此本規(guī)劃區(qū)域的風(fēng)電出力超過(guò)裝機(jī)容量71.1%的概率將遠(yuǎn)小于1%,對(duì)應(yīng)的尖峰電量也將遠(yuǎn)小于0.16%,屬小概率事件,電力系統(tǒng)可通過(guò)備用容量調(diào)節(jié)或通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)少量棄風(fēng)來(lái)適應(yīng)?；谝陨戏治?在電網(wǎng)調(diào)峰平衡時(shí),可基本按上述比例關(guān)系考慮風(fēng)電參與平衡,即按裝機(jī)容量的70%參與調(diào)峰平衡。

2.3 月出力特性

風(fēng)電場(chǎng) 1～12月發(fā)電量及月最大出力見(jiàn)圖4。

總體來(lái)看,月發(fā)電量與月最大出力較為吻合,但月發(fā)電量變化幅度較月最大出力大。

從月發(fā)電量看,1～5月、10～12月發(fā)電量均較大,6～9月發(fā)電量較小,說(shuō)明風(fēng)電場(chǎng)大出力方式主要在春季和冬季,小出力方式主要在夏季;從月最大出力看,除6、7月份外,其余月份最大出力均較大,并無(wú)太大差別。

圖4 月發(fā)電量及月最大出力

2.4 日出力特性

為合理分析風(fēng)電場(chǎng)日出力特性,選取最大出力日、一般出力日(日發(fā)電量 =年發(fā)電量/365天)、最小出力日曲線分析,日出力曲線詳見(jiàn)圖5。

圖5 風(fēng)電場(chǎng)日出力曲線

對(duì)比三個(gè)出力日曲線,最大出力日與一般出力日曲線形狀基本類似,都呈明顯的峰谷特征,其中0:00～8:00為出力高峰階段,8:00～0:00為出力低谷階段。最小出力日該風(fēng)電場(chǎng)幾乎無(wú)出力,相當(dāng)于處于停機(jī)狀態(tài)。

最大出力日、一般出力日風(fēng)電場(chǎng)最大出力分別為80.8、48.4MW,分別占裝機(jī)容量的81.6%、48.8%;最大出力日、一般出力日風(fēng)電場(chǎng)最小出力分別為10.3、5.5MW,分別占裝機(jī)容量的10.4%、5.5%。

電力系統(tǒng)日負(fù)荷特性在上午8:00～11:00、下午18:00～22:00為高峰負(fù)荷時(shí)段,而風(fēng)電場(chǎng)在該時(shí)段表現(xiàn)為較小出力狀態(tài);反之,電力系統(tǒng)日負(fù)荷特性在凌晨0:00～6:00為低谷負(fù)荷時(shí)段,而風(fēng)電場(chǎng)在該時(shí)段表現(xiàn)為較大出力狀態(tài);故風(fēng)電場(chǎng)出力和電力系統(tǒng)負(fù)荷特性具有相反特性特征。

3 小結(jié)

(1)風(fēng)電場(chǎng)出力波動(dòng)較大,具有不連續(xù)性及間歇性的特點(diǎn),其控制和預(yù)測(cè)都相當(dāng)困難,風(fēng)電場(chǎng)年發(fā)電設(shè)備利用小時(shí)數(shù)較低,一般在2000h左右。

(2)從年出力看,風(fēng)電場(chǎng)年最大出力為裝機(jī)容量的81.7%。一年內(nèi),出力在裝機(jī)容量70%的時(shí)間只占1%左右,零出力時(shí)間占13.7%。

(3)從月發(fā)電量看,1～5月、10～12月發(fā)電量均較大,6～9月發(fā)電量較小,表明風(fēng)電場(chǎng)大出力方式主要在春季和冬季,小出力方式主要在夏季。從風(fēng)電場(chǎng)月最大出力看,除6、7月份外,其余月份均較大,并無(wú)太大差別。

(4)風(fēng)電場(chǎng)的日出力與負(fù)荷變化規(guī)律是相反的,一般在電網(wǎng)高峰負(fù)荷時(shí)段(白天),風(fēng)電場(chǎng)由于風(fēng)力缺乏使得出力較低;而電網(wǎng)低谷負(fù)荷時(shí)段(夜晚),風(fēng)電場(chǎng)由于風(fēng)力豐富使得出力較高,從而使得電網(wǎng)的等效負(fù)荷峰谷差加大。大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后,由于風(fēng)電出力反調(diào)峰特性,將進(jìn)一步加大電網(wǎng)的調(diào)峰難度。

(5)風(fēng)電場(chǎng)最大出力概率 Pmax在0～1%之間時(shí),出力從0.817下降到0.711,出力下降明顯。而該期間的尖峰電量?jī)H為總電量的0.16%,所占比重較小,建議采用1%概率時(shí)的風(fēng)電出力進(jìn)行電網(wǎng)調(diào)峰平衡計(jì)算。

(6)從風(fēng)電參與電力平衡和調(diào)峰平衡看,風(fēng)電場(chǎng)參與電力平衡的容量應(yīng)取低值或者不考慮其參與電力平衡,而調(diào)峰容量可按1%概率的風(fēng)電出力來(lái)考慮。綜合以上分析,建議在做系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)風(fēng)電裝機(jī)不參加電力平衡,按風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模的70%參加調(diào)峰平衡。

[1] 遲永寧,劉燕華,王偉勝.風(fēng)電接入對(duì)電力系統(tǒng)的影響[J].電網(wǎng)技術(shù),2007,31(3):77—81.

[2] 計(jì)崔.大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)并網(wǎng)接入運(yùn)行問(wèn)題綜述[J].上海電力,2008,(1):59—63.

[3] 李鋒,陸一川.大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)的影響[J].中國(guó)電力,2006,39(I1):80-84.

[4] 雷亞洲.與風(fēng)電并網(wǎng)相關(guān)的研究課題[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2003,27(8):84-89.

[5] 遲永寧,劉燕華,王偉勝.風(fēng)電接入對(duì)電力系統(tǒng)的影響[J].電網(wǎng)技術(shù),2007,31(3):77-81.

Research on characterization of wind power output

TIAN Xiao-jun1,LIU Yong2,XIA Bao-an2

(1.Hebei Energy Enginecring Design Co,L td;Shijiazhuang Hebei050031;China;2.Hebei Elettric Pow er Design&Research Institute;Shijiazhuang Hebei050031;China)

Based on the annual output data of a w ind farm at Zhangjiakou area,it analyses the output characteristic of the w ind farm in a period of one year,one month and one day,and regards the output p robabilities as analysis index,in o rder to analyse the relationship betw een peak power and the w ind pow er output,then discusses the measure of pow er balance and peak regulation balance after the w ind farm connects to the power grid.The study of the w ind power output characteristic w ill p rovide the basis and the reference fo r dispatching operation and pow er system p lanning.

Wind power;Power balance;peak regulation balance;Power system p lanning

TM 614

:A

1001-9383(2010)04-0043-05

2010-08-30

田曉軍(1979-),男,河北石家莊人,碩士,工程師,主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)和變電站設(shè)計(jì)工作.