沈妙哲，王文婷，李 瑨，徐 英，袁百慧，高浩翔，劉多倫，郭鈺鋒

(1.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司 經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，黑龍江 哈爾濱 150036;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

大規(guī)模開發(fā)利用風(fēng)能及太陽(yáng)能資源是實(shí)現(xiàn)我國(guó)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)路線。作為我國(guó)重要的大型能源基地，十四五期間黑龍江將新增風(fēng)電、光伏等新能源裝機(jī)3 000萬(wàn)千瓦以上[1]。而對(duì)風(fēng)能太陽(yáng)能資源稟賦進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估，是開發(fā)利用風(fēng)能太陽(yáng)能的基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[2]基于黑龍江各地記錄的年、月平均風(fēng)速推算了黑龍江省風(fēng)功率密度。文獻(xiàn)[3]基于全省23個(gè)測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)，采用平均風(fēng)功率密度、有效風(fēng)速時(shí)數(shù)等指標(biāo)對(duì)風(fēng)能資源展開評(píng)估。文獻(xiàn)[4]基于81個(gè)氣象站數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)了黑龍江省的風(fēng)能密度，并對(duì)不同季節(jié)的風(fēng)能分布進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[5]基于黑龍江省5個(gè)輻射站和32個(gè)地面基準(zhǔn)站資料采用太陽(yáng)總分?jǐn)?shù)及日指數(shù)兩個(gè)指標(biāo)分析了黑龍江省太陽(yáng)能資源的時(shí)空分布特征。文獻(xiàn)[6]則對(duì)哈爾濱地區(qū)太陽(yáng)能資源展開了評(píng)估。上述研究的評(píng)估結(jié)果對(duì)掌握黑龍江省風(fēng)能太陽(yáng)能資源的分布情況意義重大。但是存在以下兩個(gè)問(wèn)題：一是上述研究多基于少數(shù)地面觀測(cè)站的數(shù)據(jù)開展，空間分辨率較低。為此通常將站點(diǎn)數(shù)據(jù)采用空間插值法來(lái)得到全省的評(píng)估結(jié)果，由此會(huì)帶來(lái)較大的評(píng)估誤差[5]。二是現(xiàn)有黑龍江省風(fēng)能太陽(yáng)能資源評(píng)估研究均主要評(píng)估資源的潛力。而波動(dòng)性是風(fēng)能太陽(yáng)能資源的固有屬性，也是導(dǎo)致大規(guī)模風(fēng)光并網(wǎng)問(wèn)題的根源[7]。對(duì)風(fēng)能太陽(yáng)能資源的波動(dòng)性展開評(píng)估，可以更加有效地促進(jìn)新能源消納[8]。

雖然風(fēng)能太陽(yáng)能具有強(qiáng)烈的波動(dòng)性，但現(xiàn)有研究表明風(fēng)能太陽(yáng)能資源具有良好的互補(bǔ)性，可以有效抑制風(fēng)光出力的波動(dòng)性，促進(jìn)大規(guī)模風(fēng)光消納[9]。對(duì)風(fēng)能太陽(yáng)能資源的互補(bǔ)性進(jìn)行評(píng)估，是風(fēng)光系統(tǒng)互補(bǔ)規(guī)劃運(yùn)行的前提和基礎(chǔ)[10]。為此澳大利亞[8]、意大利[11]、德國(guó)[12]等國(guó)家已經(jīng)對(duì)本國(guó)風(fēng)能太陽(yáng)能資源的互補(bǔ)性展開了詳細(xì)評(píng)估。文獻(xiàn)[13]已經(jīng)對(duì)山東省風(fēng)能太陽(yáng)能資源的互補(bǔ)性進(jìn)行了詳細(xì)分析。結(jié)果表明山東省中部地區(qū)的風(fēng)光互補(bǔ)性要弱于外圍地區(qū)。但是文獻(xiàn)[13]并未對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)過(guò)程中的裝機(jī)容量比例開展研究。而實(shí)際的風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)中這一比例顯著影響最終的互補(bǔ)效果。黑龍江省擁有豐富的風(fēng)光資源，但是目前公開的文獻(xiàn)中鮮有黑龍江省風(fēng)能及太陽(yáng)能資源互補(bǔ)性評(píng)估研究。

針對(duì)目前黑龍江省風(fēng)能太陽(yáng)能資源評(píng)估中存在的問(wèn)題及建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的實(shí)際需求，本文基于2017～2021年ERA 5大氣再分析資料在評(píng)估對(duì)黑龍江省風(fēng)能太陽(yáng)能資源潛力的基礎(chǔ)上，對(duì)風(fēng)能太陽(yáng)能資源波動(dòng)性特征展開詳細(xì)評(píng)估。同時(shí)分析風(fēng)能太陽(yáng)能資源的互補(bǔ)性，并對(duì)風(fēng)電光伏裝機(jī)容量比例開展優(yōu)化，定量分析最佳互補(bǔ)情形下對(duì)風(fēng)電光伏功率波動(dòng)性的平抑效果。為黑龍江省未來(lái)大規(guī)模開發(fā)利用風(fēng)能太陽(yáng)能提供數(shù)據(jù)支撐及參考。

1 數(shù)據(jù)及方法

1.1 ERA 5大氣再分析數(shù)據(jù)

ERA 5為全球第五代大氣再分析資料，空間分辨率為0.25°×0.25°(約31 km×31 km)，最小時(shí)間分辨率為1 h。文獻(xiàn)[14-16]將ERA 5再分析數(shù)據(jù)與相應(yīng)的風(fēng)速、氣溫、氣壓及太陽(yáng)能輻射地面觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明ERA 5大氣再分析數(shù)據(jù)與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)間的誤差較小。ERA大氣再分析數(shù)據(jù)已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用于風(fēng)能及太陽(yáng)能資源評(píng)估領(lǐng)域。因此選取黑龍江省內(nèi)2017～2021年氣壓(p)、氣溫(T)ps、100 m高度北向風(fēng)速(v)及東向風(fēng)速風(fēng)量(u)、地面太陽(yáng)短波輻射量(G)來(lái)開展本文的分析研究。

1.2 風(fēng)能太陽(yáng)能資源稟賦評(píng)估方法

風(fēng)能資源潛力通常用風(fēng)功率密度(WPD)來(lái)評(píng)估

(1)

式中

(2)

(3)

其中R為氣體常數(shù)，287.05 J/(kg·K)。

太陽(yáng)能資源潛力則直接用輻射量G來(lái)衡量。此外，定義資源的可用率(Ava)來(lái)進(jìn)一步評(píng)估資源潛力

(4)

式中PRD——風(fēng)功率密度WPD或者太陽(yáng)輻射量G;

PRDth——閾值/W·m-2，本文選為150 W/m2。

在評(píng)估資源潛力的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)資源的波動(dòng)性展開評(píng)估。風(fēng)能太陽(yáng)能的波動(dòng)性包括波動(dòng)幅度及波動(dòng)速率兩個(gè)方面。對(duì)于波動(dòng)幅度，引入波動(dòng)強(qiáng)度I來(lái)進(jìn)行量化

(5)

I越大表明資源的波動(dòng)幅度越大。本文中選取示時(shí)間窗N為24 h。

資源的波動(dòng)速率則引入變差函數(shù)來(lái)進(jìn)行量化

(6)

式中 Δt——時(shí)間間隔。

同樣地,γ越大表示資源的波動(dòng)速率越快。

本文中時(shí)間窗N為24 h，時(shí)間間隔Δt為1 h。

1.3 風(fēng)能太陽(yáng)能資源互補(bǔ)性評(píng)估方法

為評(píng)估風(fēng)能太陽(yáng)能資源的互補(bǔ)性，首先基于GW 1.5 MW風(fēng)機(jī)模型和某典型190 W光伏發(fā)電板模擬風(fēng)功率及光伏功率時(shí)間序列，具體建模方法見文獻(xiàn)[17]。并基于最小值及最大值將出力時(shí)間序列歸一化至[0,1]的范圍。

風(fēng)能太陽(yáng)能互補(bǔ)性的評(píng)估可以通過(guò)對(duì)比分析風(fēng)功率及光伏功率的變化趨勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。若風(fēng)光功率變化趨勢(shì)相反，則互補(bǔ)后波動(dòng)被顯著抑制，意味著互補(bǔ)性較強(qiáng)。若變化趨勢(shì)完全相同，則不存在互補(bǔ)性。Kendall相關(guān)分析可實(shí)現(xiàn)上述分析過(guò)程。因此本文基于Kendall相關(guān)分析對(duì)黑龍江省風(fēng)能太陽(yáng)能資源互補(bǔ)性展開評(píng)估。

假設(shè){Pwind(t)}及{PPV(t)}為歸一化后的風(fēng)功率及光伏功率時(shí)間序列，在任意兩個(gè)時(shí)刻t1及t2，分別從風(fēng)光時(shí)間序列中選取兩個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)(Pwind(t1),PPV(t1))和(Pwind(t2),PPV(t2))，則風(fēng)功率及光伏功率間的Kendall相關(guān)系數(shù)為

τ=P{(Pwind(t1)-Pwind(t2))(PPV(t1)-PPV(t2))>0}

-P{Pwind(t1)-Pwind(t2)(PPV(t1)-PPV(t2))<0}

(7)

式中P{ }表示事件發(fā)生的概率。Kendall相關(guān)系數(shù)的范圍為[-1,1]，相關(guān)系數(shù)越小，表明風(fēng)功率與光伏功率間的互補(bǔ)性越顯著。

Kendall相關(guān)系數(shù)定量刻畫了風(fēng)能太陽(yáng)能的互補(bǔ)潛力。在實(shí)際的風(fēng)電光伏混合系統(tǒng)中，風(fēng)電及光伏裝機(jī)容量比例對(duì)最終的互補(bǔ)效果影響巨大。因此需要進(jìn)一步優(yōu)化風(fēng)電光伏裝機(jī)容量比例，以達(dá)到最佳的互補(bǔ)效果。

風(fēng)光混合系統(tǒng)的總功率輸出為

P(t)=αPwind(t)+(1-α)PPV(t)

(8)

式中α及1-α——風(fēng)電及光伏裝機(jī)容量系數(shù);

α取值范圍在0～1之間。當(dāng)α≠1時(shí)，風(fēng)的及光伏裝機(jī)容量比例為α/1-α。

本文分別以總功率波動(dòng)強(qiáng)度最小和總功率波動(dòng)速率最小為目標(biāo)對(duì)風(fēng)電光伏裝機(jī)容量比例展開優(yōu)化。優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)分別為

(9)

(10)

同時(shí)為了評(píng)估最佳互補(bǔ)后的效果，定義波動(dòng)強(qiáng)度下降平抑指數(shù)βI及波動(dòng)速率平抑指數(shù)βγ

(11)

(12)

式中IP和γP——混合系統(tǒng)總功率的波動(dòng)強(qiáng)度及功率變差;

I′和γ′——單一風(fēng)功率或光伏功率的波動(dòng)強(qiáng)度及功率變差;

βI及βγ小于0且越小，意味著互補(bǔ)后波動(dòng)強(qiáng)度及波動(dòng)速率被顯著抑制。

2 風(fēng)能太陽(yáng)能稟賦

2.1 風(fēng)能太陽(yáng)能資源潛力評(píng)估結(jié)果

圖1所示為黑龍江省平均風(fēng)速。結(jié)合黑龍江省的地形地貌可以發(fā)現(xiàn)，黑龍江省的風(fēng)資源主要分布在平原、河谷地區(qū)，而海拔較高的山地地區(qū)風(fēng)資源匱乏。具體來(lái)說(shuō)，齊齊哈爾、大慶、綏化、哈爾濱市西部、鶴崗市東部、七臺(tái)河、雞西、雙鴨山及佳木斯所屬區(qū)域平均風(fēng)速最大，年平均風(fēng)速在5.0～6.5 m/s之間。黑河市、伊春市北部、大興安嶺地區(qū)南部年平均風(fēng)速在4.5～5.8 m/s。而伊春市中部局南部、哈爾濱北部、東南部及牡丹江西部地區(qū)平均風(fēng)速最小，年平均風(fēng)速在3.8～4.5 m/s之間。

圖1 黑龍江省平均風(fēng)速(m/s)

圖2所示為黑龍江省風(fēng)能資源潛力分布圖。松嫩平原、三江平原大部分地區(qū)年平均風(fēng)功率密度在150～250 W/m2之間，年平均可用率在40%～55%之間。而小興安嶺南部、青黑山、老爺嶺及張廣才嶺地區(qū)年平均風(fēng)功率密度最小，在60～120 W/m2之間，年平均可用率僅為10%～30%。

圖2 黑龍江省風(fēng)能資源潛力分布結(jié)果

圖3所示為黑龍江省太陽(yáng)能資源潛力分布圖。黑龍江省太陽(yáng)能資源分布總體呈現(xiàn)南部大于北部的分布趨勢(shì)。其中松嫩平原西南部年平均太陽(yáng)輻射最強(qiáng)，大于170 W/m2，可用率大于36%。其次為三江平原東南部，年平均太陽(yáng)輻射在160～170 W/m2之間，可用率在35%～36%之間。而大興安嶺地區(qū)年平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度最小，小于155 W/m2，可用率小于34.5%。

圖3 黑龍江省太陽(yáng)能資源潛力分布結(jié)果

2.2 風(fēng)能太陽(yáng)能資源波動(dòng)特征評(píng)估結(jié)果

在評(píng)估風(fēng)能太陽(yáng)能資源潛力的基礎(chǔ)上，對(duì)黑龍江省風(fēng)能太陽(yáng)能資源的波動(dòng)特征進(jìn)行評(píng)估，從而加深對(duì)黑龍江省風(fēng)能太陽(yáng)能資源的認(rèn)識(shí)。

基于公式(5)分別計(jì)算風(fēng)功率密度及太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的波動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)，結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，黑龍江不同地區(qū)風(fēng)能資源的波動(dòng)強(qiáng)度差異巨大。其中齊齊哈爾市西部、興凱湖地區(qū)、牡丹江海林市、哈爾濱東部地區(qū)風(fēng)功率密度波動(dòng)范圍最大，波動(dòng)強(qiáng)度在0.75～0.90之間。而大興安嶺地區(qū)中西部、黑河市中部、伊春市西北部風(fēng)功率密度波動(dòng)范圍最小，波動(dòng)強(qiáng)度通常小于0.65。其他地區(qū)風(fēng)功率密度波動(dòng)強(qiáng)度則在0.65～0.75之間。

圖4 黑龍江省風(fēng)能太陽(yáng)能資源波動(dòng)強(qiáng)度分布結(jié)果

相比風(fēng)能資源波動(dòng)范圍，黑龍江省內(nèi)太陽(yáng)能資源波動(dòng)范圍變化較小，通常在1.32～1.34之間。而且可以明顯看出，太陽(yáng)能資源的波動(dòng)范圍顯著大于風(fēng)能資源。這是因?yàn)樵谟?jì)算波動(dòng)強(qiáng)度的過(guò)程中，以一天24 h為時(shí)間窗進(jìn)行計(jì)算。而太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度受地球自轉(zhuǎn)引起的日出日落的影響，在一天內(nèi)的變化幅度顯著大于風(fēng)功率密度的變化。

圖5所示為黑龍江省風(fēng)能及太陽(yáng)能資源波動(dòng)速率分布結(jié)果。從圖中可以看出，興凱湖北部風(fēng)資源波動(dòng)速率最快，風(fēng)功率密度變差大于4 000[W/m2]2。松嫩平原西南部(包括齊齊哈爾西南部、大慶、綏化市西南部及哈爾濱西部)、佳木斯及雙鴨山中西部、雞西市中部)地區(qū)風(fēng)資源波動(dòng)速率較快，風(fēng)功率密度變差通常在1 500～3 500[W/m2]2之間。除上述地區(qū)外其他地區(qū)風(fēng)資源波動(dòng)速率較小，風(fēng)功率密度變差通常小于1 500[W/m2]2。

圖5 黑龍江省風(fēng)能太陽(yáng)能資源波動(dòng)速率分布結(jié)果

相比風(fēng)能資源，太陽(yáng)能資源波動(dòng)速率分布結(jié)果較為規(guī)律，黑龍江南部地區(qū)太陽(yáng)能資源波動(dòng)速率顯著快于北部地區(qū)。南部、中部及北部地區(qū)太陽(yáng)輻射變差通常為3 000～3 600[W/m2]2，2 600～3 000[W/m2]2，及2 200～2 600[W/m2]2。

3 風(fēng)能太陽(yáng)能互補(bǔ)性評(píng)估

3.1 不同尺度下風(fēng)能太陽(yáng)能資源互補(bǔ)性

本文以風(fēng)電及光伏裝機(jī)容量比例相同的情形下開展互補(bǔ)性分析。圖6所示為不同尺度下黑龍江省風(fēng)能太陽(yáng)能資源互補(bǔ)性評(píng)估結(jié)果。小時(shí)尺度下，大興安嶺北部及東南部、黑河市東北部、三江平原北部、以及齊齊哈爾西南部地區(qū)風(fēng)功率及光伏功率相關(guān)系數(shù)小于-0.15，風(fēng)能太陽(yáng)能互補(bǔ)性最顯著。而小興安嶺南部山地及張廣才嶺地區(qū)風(fēng)功率及光伏功率相關(guān)系數(shù)在0.00～0.10之間，互補(bǔ)性最差。除上述區(qū)域外其他區(qū)域風(fēng)功率及光伏功率相關(guān)系數(shù)在-0.12～0.00之間。

圖6 黑龍江省太陽(yáng)能資源潛力分布結(jié)果

在日尺度下，黑龍江省內(nèi)風(fēng)功率及光伏功率相關(guān)系數(shù)均小于0。其中鶴崗、佳木斯及雙鴨山市大部分地區(qū)、哈爾濱與牡丹江市交界地區(qū)及大興安嶺北部地區(qū)日尺度下風(fēng)能太陽(yáng)能互補(bǔ)性最顯著。而整個(gè)松嫩平原及黑河市地區(qū)日尺度下風(fēng)能太陽(yáng)能互補(bǔ)性較差。

在月尺度下，整個(gè)松嫩平原地區(qū)及黑河市大部分地區(qū)風(fēng)功率及光伏功率相關(guān)系數(shù)顯著大于0，互補(bǔ)性最差。而大興安嶺北部地區(qū)和黑龍江西南大部分區(qū)域風(fēng)能太陽(yáng)能月尺度下互補(bǔ)性最顯著。

3.2 風(fēng)能太陽(yáng)能裝機(jī)容量比例優(yōu)化

在評(píng)估風(fēng)能太陽(yáng)能互補(bǔ)性的基礎(chǔ)上，基于公式(9)～(10)對(duì)風(fēng)能太陽(yáng)能裝機(jī)容量比例展開優(yōu)化。圖7所示為以總功率波動(dòng)強(qiáng)度為目標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果，風(fēng)電光伏裝機(jī)容量最佳比例在1.4～3.8之間。其中伊春市向南至牡丹江市一帶最佳風(fēng)光裝機(jī)容量比例為2.4～3.6，而黑龍江省內(nèi)其他大部分地區(qū)最佳風(fēng)光裝機(jī)容量比例為1.4～2.6。

圖7 以波動(dòng)強(qiáng)度最小為目標(biāo)得到的風(fēng)電光伏裝機(jī)容量比例

圖8所示為相比單一新能源出力，最佳互補(bǔ)后總功率波動(dòng)強(qiáng)度的平抑結(jié)果。與單一風(fēng)功率相比，采用最佳裝機(jī)容量比例互補(bǔ)后，總功率的波動(dòng)強(qiáng)度被平抑了21.0%～43.0%。而與單一光伏功率相比，最佳互補(bǔ)后黑龍江省大部分地區(qū)波動(dòng)強(qiáng)度被平抑了40.0%～61.0%。

圖9所示為以總功率波動(dòng)速率最小為目標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果，風(fēng)電光伏最佳裝機(jī)容量比例為0.5～2.3。其中黑龍江省絕大部分地區(qū)的最佳裝機(jī)比例為0.8～1.3。

圖9 以波動(dòng)速率最小為目標(biāo)得到的風(fēng)電光伏裝機(jī)容量比例

圖10所示最佳風(fēng)光互補(bǔ)后對(duì)功率波動(dòng)速率的平抑結(jié)果。與單一風(fēng)功率相比，最佳風(fēng)光互補(bǔ)后總功率變差被平抑了25.0%～67.0%，尤其是松嫩平原和三江平原地區(qū)平抑效果最顯著。而與單一光伏功率相比，最佳互補(bǔ)后總功率變差被平抑了43.0%～67.0%。

圖10 互補(bǔ)后總功率波動(dòng)速率平抑指數(shù)βγ

可以看出，合理利用風(fēng)能太陽(yáng)能資源的互補(bǔ)性，優(yōu)化風(fēng)電光伏裝機(jī)容量比例，可以顯著平抑總功率的波動(dòng)性，有助于大規(guī)模風(fēng)電光伏安全消納。

4 結(jié)論

本文基于ERA 5大氣再分析數(shù)據(jù)，對(duì)黑龍江省風(fēng)能太陽(yáng)能資源稟賦及互補(bǔ)性進(jìn)行了詳細(xì)評(píng)估，研究結(jié)果表明：

(1)黑龍江省風(fēng)能資源主要分布在三江平原、松嫩平原及河谷地區(qū)，年平均風(fēng)功率密度在150～250 W/m2之間，年平均可用率在40%～55%之間。而海拔較高的山地地區(qū)(如小興安嶺南部、青黑山、老爺嶺及張廣才嶺等地)風(fēng)能資源潛力較小。松嫩平原地區(qū)風(fēng)資源豐富，但是風(fēng)資源的波動(dòng)強(qiáng)度及波動(dòng)速率顯著高于三江平原地區(qū)。

(2)黑龍江省太陽(yáng)能資源總體呈現(xiàn)南部大于北部的空間分布規(guī)律。南部地區(qū)年平均太陽(yáng)輻射大于160 W/m2，年平均可用率大于35%。黑龍江省內(nèi)太陽(yáng)能資源的波動(dòng)強(qiáng)度變化較小，但是南部地區(qū)太陽(yáng)能資源的波動(dòng)速率顯著強(qiáng)于北部地區(qū)。

(3)黑龍江省西南部地區(qū)風(fēng)能太陽(yáng)能在小時(shí)、日及月尺度下均具有顯著的互補(bǔ)性。而松嫩平原及黑河市大部分地區(qū)風(fēng)能太陽(yáng)能在小時(shí)尺度下互補(bǔ)性顯著，而在月尺度下的互補(bǔ)性較差。合理優(yōu)化風(fēng)電光伏裝機(jī)容量比例，可以顯著平抑總功率的波動(dòng)性。以松嫩平原為例，當(dāng)該地區(qū)風(fēng)電光伏裝機(jī)容量比例為1.4～2.2時(shí)，互補(bǔ)后可以顯著平抑總功率的波動(dòng)強(qiáng)度。而當(dāng)該地區(qū)風(fēng)電光伏裝機(jī)容量比例為0.5～1.1時(shí)，互補(bǔ)后可以顯著平抑總功率的波動(dòng)速率。在實(shí)際規(guī)劃中，可以根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際情況，優(yōu)化風(fēng)電光伏裝機(jī)比例，充分利用風(fēng)能太陽(yáng)能的互補(bǔ)性，從而促進(jìn)大規(guī)模新能源的安全高效消納。