袁建黨，晁勤，袁鐵江，李建林,2，李義巖

（1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆維吾爾族自治區(qū)烏魯木齊830047；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京100085）

近年來(lái)，風(fēng)電憑借著清潔高效的特點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)得到快速的發(fā)展。新疆風(fēng)能資源豐富，擁有9大風(fēng)區(qū)，可開(kāi)發(fā)利用風(fēng)區(qū)總面積達(dá)15萬(wàn)km2，可裝機(jī)容量達(dá)8千萬(wàn)千瓦以上，前景極其廣闊。但是，截止2009年底，新疆風(fēng)電總裝機(jī)84萬(wàn)kW，占系統(tǒng)最大負(fù)荷的9.4%，最小負(fù)荷的19.22%，風(fēng)力發(fā)電量14.05億千瓦時(shí)[1]。所以說(shuō)，大規(guī)模開(kāi)發(fā)風(fēng)電在新疆才剛剛起步，短期將風(fēng)能作為調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的補(bǔ)充能源，長(zhǎng)期將把風(fēng)能發(fā)展為替代常規(guī)能源的主力能源之一[2]。但是，由于風(fēng)本身的隨機(jī)性及不可控性使得風(fēng)電出力的隨機(jī)波動(dòng)性增大，影響系統(tǒng)的電能質(zhì)量。同時(shí)，根據(jù)《中華人民共和國(guó)可再生能源法》，風(fēng)電要全額上網(wǎng)，因此風(fēng)電的波動(dòng)必然會(huì)對(duì)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)挑戰(zhàn)，國(guó)家電網(wǎng)公司為此也發(fā)布了《國(guó)家電網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)設(shè)定門(mén)檻。因此，合理有效地評(píng)估風(fēng)電對(duì)電力系統(tǒng)的影響顯得勢(shì)在必行。

電力系統(tǒng)運(yùn)行中要保證發(fā)電與負(fù)荷的實(shí)時(shí)平衡。風(fēng)電出力有波動(dòng)，負(fù)荷同樣有波動(dòng)，當(dāng)風(fēng)電承擔(dān)了一部分負(fù)荷后，常規(guī)能源機(jī)組承擔(dān)的負(fù)荷波動(dòng)規(guī)律必然發(fā)生相應(yīng)的變化，從而引起系統(tǒng)運(yùn)行方式的改變。目前，國(guó)內(nèi)外研究主要集中于從理論與仿真的角度考察風(fēng)電對(duì)系統(tǒng)的影響[3-4]，并提出了一些提高電網(wǎng)接納風(fēng)電能力的方法[5]。

本文依據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用Matlab與Excel軟件編制數(shù)據(jù)處理程序，從風(fēng)電接入系統(tǒng)后引起的剩余負(fù)荷的峰谷差及波動(dòng)大小的變化兩方面分析了直調(diào)風(fēng)電與達(dá)坂城風(fēng)電場(chǎng)等幾個(gè)典型風(fēng)電場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響，所得結(jié)論對(duì)電力系統(tǒng)的調(diào)度及規(guī)劃具有重要的參考價(jià)值。

1 風(fēng)電出力對(duì)剩余負(fù)荷峰谷差的影響

1.1 概述

系統(tǒng)每天的負(fù)荷曲線都有一個(gè)最高的波峰與一個(gè)最小的波谷，如圖1所示，其差值即為該天負(fù)荷的最大峰谷差，簡(jiǎn)稱(chēng)峰谷差。為了實(shí)現(xiàn)發(fā)電與負(fù)荷的實(shí)時(shí)平衡，發(fā)電機(jī)組要根據(jù)負(fù)荷的變化實(shí)時(shí)調(diào)整其出力。當(dāng)峰谷差越大，發(fā)電系統(tǒng)的大幅度調(diào)節(jié)能力要求就越高，有時(shí)會(huì)使得一些發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間低效率運(yùn)行，甚至噴油運(yùn)行。

風(fēng)電接入系統(tǒng)以后，如果使得常規(guī)能源機(jī)組承擔(dān)的剩余負(fù)荷峰谷差減小，說(shuō)明該風(fēng)電的接入改善了系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，否則，將加劇系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的惡化。

1.2 新疆電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差

圖2與圖3分別給出了新疆電網(wǎng)在2009年各天的峰谷差及峰谷差在各區(qū)間的分布情況。

從圖2中可以看出新疆電網(wǎng)夏季負(fù)荷的峰谷差要比冬季負(fù)荷的峰谷差略大。最大值出現(xiàn)在7月中旬左右。圖3顯示了新疆電網(wǎng)在2009年各天的峰谷差主要分布在1 200～1 500 MW的區(qū)間。

1.3 風(fēng)電接入系統(tǒng)后剩余負(fù)荷峰谷差

以直調(diào)風(fēng)電為例，從系統(tǒng)負(fù)荷中減去直調(diào)風(fēng)電數(shù)據(jù)，得到常規(guī)能源機(jī)組要承擔(dān)的剩余負(fù)荷。圖4與圖5給出了剩余負(fù)荷的峰谷差及峰谷差的分布。

比較圖5與圖3發(fā)現(xiàn)，直調(diào)風(fēng)電接入以后剩余負(fù)荷的峰谷差分布更為分散。接入前，峰谷差集中分布在1 200～1 600 MW之間，接入后的峰谷差大多分布在1 100～1 700MW之間，主要分布區(qū)域變寬，說(shuō)明直調(diào)風(fēng)電接入后使得一部分天的峰谷差增加，一部分天的峰谷差減小。比較圖4與圖2，峰谷差的季節(jié)性特點(diǎn)基本沒(méi)有大的改變，仍然是夏季的較大，但是最大峰谷差出現(xiàn)在10月底左右。最大峰谷差由原來(lái)的1 873.9 MW增大到1 952.7MW。通過(guò)計(jì)算，系統(tǒng)加入直調(diào)風(fēng)電以后，剩余負(fù)荷峰谷差年均1 373 MW，相比直調(diào)風(fēng)電加入前的1 371MW增加了2MW，即總體上增大了峰谷差。

相同的方法，表1列出了系統(tǒng)在未接入風(fēng)電、單獨(dú)接入直調(diào)風(fēng)電以及單獨(dú)接入各典型風(fēng)電場(chǎng)后剩余負(fù)荷峰谷差在2009年各個(gè)月份及全年的最大值和均值?？崭裉帪轱L(fēng)電場(chǎng)未投運(yùn)或數(shù)據(jù)收集不全。

為了更明顯地體現(xiàn)各風(fēng)電場(chǎng)的接入對(duì)峰谷差的影響，使用各風(fēng)電場(chǎng)接入前后峰谷差變化差值來(lái)表示。圖6畫(huà)出了直調(diào)風(fēng)電與各典型風(fēng)電場(chǎng)在2009年各月份單獨(dú)接入系統(tǒng)引起的峰谷差變化差值曲線。

從圖中可以看出，直調(diào)風(fēng)電在4至10月份的出力增加了平均峰谷差，增加值的峰值出現(xiàn)在7月份，使平均峰谷差增加了45MW。從各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的情況來(lái)看，小草湖風(fēng)電場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)的影響最大，其在6至10月份大幅增加了月平均峰谷差，更是在7月份使得月均峰谷差增加了23MW，只在3月份和11月份分別降低了月均峰谷差。

達(dá)風(fēng)3場(chǎng)是本文中提到的裝機(jī)容量最大的風(fēng)電場(chǎng)，截止2009年底，裝機(jī)容量達(dá)到159MW，由于采集數(shù)據(jù)不全，只能看到2009年前4個(gè)月數(shù)據(jù)，但其在降低峰谷差方面起著非常重大的作用。

天潤(rùn)風(fēng)電場(chǎng)在投運(yùn)的幾個(gè)月內(nèi)也增加了月均峰谷差，其他幾個(gè)風(fēng)電場(chǎng)大體上均小幅拉低月均峰谷差。增大峰谷差說(shuō)明該風(fēng)電場(chǎng)具有一定的反調(diào)峰作用，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、安全穩(wěn)定性帶來(lái)威脅。

表1 系統(tǒng)在未接入風(fēng)電、單獨(dú)接入直調(diào)風(fēng)電及單獨(dú)接入各典型風(fēng)電場(chǎng)后剩余負(fù)荷峰谷差/MW

圖6 直調(diào)風(fēng)電與各典型風(fēng)電場(chǎng)引起的月均峰谷差偏差比較

2 風(fēng)電出力對(duì)剩余負(fù)荷短期波動(dòng)的影響

2.1 概述

風(fēng)電出力的隨機(jī)波動(dòng)性是風(fēng)電的一大特點(diǎn)。風(fēng)電把隨機(jī)波動(dòng)帶入系統(tǒng)當(dāng)中，同時(shí)負(fù)荷也有一定的小范圍隨機(jī)波動(dòng)性，這里均指短時(shí)間內(nèi)的隨機(jī)波動(dòng)。如果風(fēng)電的隨機(jī)波動(dòng)可以彌合負(fù)荷的隨機(jī)波動(dòng)，使得剩余負(fù)荷的隨機(jī)波動(dòng)性降低，將有效改善常規(guī)能源機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境。假如風(fēng)電接入后，使得常規(guī)能源機(jī)組承擔(dān)的負(fù)荷隨機(jī)波動(dòng)性更大，即出現(xiàn)了兩種隨機(jī)波動(dòng)的同向疊加，這就要求常規(guī)能源機(jī)組有更快更強(qiáng)的反應(yīng)及調(diào)節(jié)能力，以跟蹤所帶負(fù)荷的隨機(jī)變化，這將加大系統(tǒng)的調(diào)頻壓力。同時(shí)，這類(lèi)機(jī)組的效率一般比較低，會(huì)使得系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性變差。

2.2 風(fēng)電接入系統(tǒng)后剩余負(fù)荷的隨機(jī)波動(dòng)變化

由于原始數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為5m in，因此本文也主要分析5min的波動(dòng)變化。表2為系統(tǒng)在未接入風(fēng)電、單獨(dú)接入直調(diào)風(fēng)電及單獨(dú)接入1典型風(fēng)電場(chǎng)后剩余負(fù)荷平均波動(dòng)值。

同樣為了方便比較，采用風(fēng)電接入前后平均波動(dòng)的變化值來(lái)表示。圖7畫(huà)出了直調(diào)風(fēng)電與各典型風(fēng)電場(chǎng)引起的剩余負(fù)荷平均波動(dòng)的變化值比較曲線。

圖7顯示了直調(diào)風(fēng)電接入系統(tǒng)以后剩余負(fù)荷在2009年12個(gè)月當(dāng)中的平均波動(dòng)均得到增加，尤其是在2月份，達(dá)到了0.74MW的波動(dòng)增加峰值，而在1月份、4月份、5月份、10月份、12月份的波動(dòng)增加值相對(duì)較小，特別是12月份的0.19 MW達(dá)到了12個(gè)月中的波動(dòng)增加最小值。

表2 系統(tǒng)在未接入風(fēng)電、單獨(dú)接入直調(diào)風(fēng)電及單獨(dú)接入1典型風(fēng)電場(chǎng)后剩余負(fù)荷平均波動(dòng)值/MW

達(dá)風(fēng)3場(chǎng)在第1至4月份使剩余負(fù)荷波動(dòng)性增加較大，增加峰值出現(xiàn)在2月份。達(dá)風(fēng)2場(chǎng)也在第1至4月份使剩余負(fù)荷波動(dòng)性增加較大，之后則影響較小，在5月份和8月份使得剩余負(fù)荷的波動(dòng)性下降。

小草湖風(fēng)電場(chǎng)是這幾個(gè)典型風(fēng)電場(chǎng)中對(duì)剩余負(fù)荷波動(dòng)增加影響較大的一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，圖中顯示在6月份到10月份，其引起的波動(dòng)增加值在各風(fēng)電場(chǎng)中是最高的，在2至4月份也有一個(gè)較高的值，只在1月份降低了波動(dòng)性。

達(dá)風(fēng)1場(chǎng)在12個(gè)月當(dāng)中主要也是起到增大波動(dòng)性的作用，只在9月份使得剩余負(fù)荷的波動(dòng)性略微下降。中節(jié)能風(fēng)電場(chǎng)在7月份和12月份降低了剩余負(fù)荷的波動(dòng)，在其他月份均產(chǎn)生增大剩余負(fù)荷波動(dòng)性的作用?，斠浪癸L(fēng)電場(chǎng)只在3月份降低了剩余負(fù)荷的波動(dòng)。白楊河與天潤(rùn)風(fēng)電場(chǎng)在投運(yùn)后的10、11、12月份均抬高了剩余負(fù)荷的波動(dòng)性。

增加剩余負(fù)荷的波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行有害，意味著加大了系統(tǒng)的調(diào)頻壓力，同時(shí)使得系統(tǒng)運(yùn)行效率降低，而減小剩余負(fù)荷的波動(dòng)將有效改善常規(guī)能源機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境，使得系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性提高。從上述分析可以明顯得出各風(fēng)電場(chǎng)在各運(yùn)行時(shí)段對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的友好程度差異。

3 結(jié)語(yǔ)

本文依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，編制數(shù)據(jù)處理軟件程序，計(jì)算了系統(tǒng)在單獨(dú)接入直調(diào)風(fēng)電及單獨(dú)接入各典型風(fēng)電場(chǎng)后，2009年12個(gè)月中的剩余負(fù)荷月均峰谷差及剩余負(fù)荷每5min的月平均波動(dòng)值。與風(fēng)電接入系統(tǒng)前的值進(jìn)行了比較，分析得到各風(fēng)電場(chǎng)在各運(yùn)行時(shí)段對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響及對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的友好程度差異。

本文分析及所得結(jié)論可為系統(tǒng)的運(yùn)行、調(diào)度及規(guī)劃提供重要的依據(jù)與參考，為評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)的影響開(kāi)辟了一條新的途徑，同時(shí)，也為后續(xù)更加深入的研究奠定了基礎(chǔ)。

[1] 周修杰.2010—2015年新疆風(fēng)力發(fā)電行業(yè)投資分析及前景預(yù)測(cè)報(bào)告[EB/OL].[2012-02-14].www.ocn.com.cn.

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