史 潔，蔡靜文，劉致宇，姜 珊，譚喬鳳，謝 源

(1.濟(jì)南大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022；2.寧波大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，浙江 寧波 315211；3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；4.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098；5.上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院，上海 201306)

風(fēng)能、水能都是清潔可再生能源，以人類目前的能源獲取途徑，要實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)，必須大力發(fā)展風(fēng)能、水能、太陽能等可再生能源，風(fēng)電、光電、水電互補(bǔ)開發(fā)，加快實(shí)現(xiàn)電力清潔化。近年來我國水電、風(fēng)電、光電持續(xù)高速增長，但同時(shí)也因產(chǎn)能過剩、調(diào)度不合理等而造成棄水、棄風(fēng)、棄光等問題[1-3]。

2021年1—6月全國風(fēng)電新增并網(wǎng)裝機(jī)容量為1.084×107kW，其中陸上風(fēng)電新增裝機(jī)容量為8.694×106kW，海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量為2.146×106kW[4]。由于風(fēng)電具有間歇性、波動(dòng)性等特性，同時(shí)風(fēng)電裝機(jī)比例顯著增長，因此電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力受到各種因素制約[5-7]。此外，我國地勢高差巨大，地形復(fù)雜多樣，且河流眾多，蘊(yùn)藏著非常豐富的水能資源。2020年全國水能資源總量為3.16×1012m3，比多年平均值偏多14.0%，全國用水總量為 5.81×1011m3，其中生活用水量為8.63×1010m3，占用水總量的 14.9%。全國地表水源供水量為 4.79×1011m3，占供水總量的82.4%；地下水源供水量為8.93×1010m3，占供水總量的15.4%；其他水源供水量為1.28×1010m3，占供水總量的2.2%[8-9]。

國內(nèi)大部分地區(qū)水能和風(fēng)能資源具有地理分布高度重疊，年內(nèi)、日內(nèi)出力互補(bǔ)性強(qiáng)的特點(diǎn)[10]，建設(shè)水電-風(fēng)電聯(lián)合運(yùn)行管控系統(tǒng)，可以充分發(fā)揮水電調(diào)節(jié)能力，通過風(fēng)能資源與水電互補(bǔ)運(yùn)行、打捆外送的方式，減小出力的波動(dòng)性和隨機(jī)性，緩解新能源獨(dú)立規(guī)?；\(yùn)行對(duì)電網(wǎng)的沖擊和送出難等問題，促進(jìn)清潔能源消納能力的提升，提高電網(wǎng)和電源的整體可靠性和經(jīng)濟(jì)性，因此風(fēng)電-水電互補(bǔ)系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行將逐步成為未來電力系統(tǒng)的發(fā)展方向，其中對(duì)風(fēng)電-水電互補(bǔ)潛力進(jìn)行準(zhǔn)確分析尤為重要[11]。結(jié)合風(fēng)電-水電互補(bǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，利用互補(bǔ)系數(shù)將風(fēng)電與水電2個(gè)分系統(tǒng)評(píng)價(jià)與系統(tǒng)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)評(píng)價(jià)相結(jié)合，構(gòu)建適用于評(píng)價(jià)風(fēng)電-水電互補(bǔ)特性的指標(biāo)框架。

水電作為規(guī)模大、調(diào)節(jié)性能良好的電源，可以有效平抑風(fēng)力發(fā)電波動(dòng)，提高電網(wǎng)的消納能力。事實(shí)上，風(fēng)電、水電的有功功率輸出在年內(nèi)、日內(nèi)時(shí)間尺度均具有一定互補(bǔ)性，且水能和風(fēng)能作為可再生能源被廣泛用來提供電力，但是風(fēng)電的波動(dòng)性和不確定性影響電力系統(tǒng)的運(yùn)行，需要其他發(fā)電形式來平衡。對(duì)于水能資源豐富的地區(qū)，利用大規(guī)模水力發(fā)電與風(fēng)電集成，可以平抑風(fēng)電出力變幅，提升風(fēng)電電能質(zhì)量;利用水能與風(fēng)能資源年內(nèi)互補(bǔ)特性，可以提高送出通道利用率和開發(fā)的綜合效益。

我國水能資源集中分布在金沙江、長江、黃河、雅礱江、大渡河、瀾滄江、烏江、南盤江、紅水河以及怒江等大江大河的干流及其主要支流上，這樣的分布特點(diǎn)便于建立水電基地，對(duì)水能資源進(jìn)行戰(zhàn)略性的集中開發(fā)，對(duì)我國實(shí)現(xiàn)水電流域梯級(jí)滾動(dòng)開發(fā)，實(shí)行資源優(yōu)化配置，帶動(dòng)西部經(jīng)濟(jì)發(fā)展都起到了極大的促進(jìn)作用。雅礱江位于四川省西部，是金沙江的最大支流，水能資源豐富。龍羊峽位于青海省共和縣境內(nèi)的黃河上游，屬于中緯度地帶，太陽輻射強(qiáng)度大，光照時(shí)間長，具備風(fēng)光水互補(bǔ)的可能性。為了量化評(píng)估重要水域附近的風(fēng)能資源，本文中以龍羊峽、雅礱江水域?yàn)槔?，結(jié)合全國風(fēng)能、水能資源數(shù)據(jù)對(duì)不同地區(qū)風(fēng)電-水電互補(bǔ)潛力進(jìn)行評(píng)估與判定，對(duì)風(fēng)電-水電互補(bǔ)系統(tǒng)運(yùn)行特性進(jìn)行分析和計(jì)算，為風(fēng)電-水電互補(bǔ)在時(shí)間和空間尺度的應(yīng)用提供前提和研究基礎(chǔ)。

1 龍羊峽水域風(fēng)能、水能資源潛力評(píng)估

1.1 水能資源潛力評(píng)估

龍羊峽水電站的設(shè)計(jì)裝機(jī)容量為1 280 MW，機(jī)組的滿發(fā)體積流量為1 192 m3/s，保證出力為589.8 MW，年均發(fā)電量為5.942×109kW·h。水電站正常蓄水位為2 600 m，相應(yīng)的庫容為2.47×1010m3，有效庫容為1.935×1011m3，水電資源儲(chǔ)量豐富。

1.2 風(fēng)資源潛力評(píng)估

1.2.1 基礎(chǔ)風(fēng)數(shù)據(jù)的獲取

采用現(xiàn)代再分析資料(modern era retrospective-analysis for research and applications，MERRA)數(shù)據(jù)庫獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)庫由戈達(dá)德地球觀測系統(tǒng)(Goddard earth observing system，GEOS)和相關(guān)的數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(data assimilation system，DAS)生成，與其他再分析產(chǎn)品相比，數(shù)據(jù)庫結(jié)合了衛(wèi)星和全球氣象站網(wǎng)絡(luò)、飛機(jī)和射電望遠(yuǎn)鏡的觀測數(shù)據(jù)，在全球范圍內(nèi)產(chǎn)生了物理上一致的大氣狀態(tài)圖，提供更高分辨率的輸出頻率，確定了1980年至今的風(fēng)速[12]。

1.2.2 評(píng)估指標(biāo)

在評(píng)價(jià)候選場址處的風(fēng)能資源時(shí)，通常采用的指標(biāo)參數(shù)是風(fēng)功率密度和年平均風(fēng)速。為了對(duì)風(fēng)能資源潛力進(jìn)行多維度評(píng)估，本文中增加了風(fēng)速頻率分布和風(fēng)能頻率分布2個(gè)指標(biāo)。

(1)

式中：v(t)為時(shí)刻t的瞬時(shí)風(fēng)速；t1、t2為測量時(shí)刻，兩者間隔時(shí)間為10 min～2 h。

風(fēng)功率密度w是氣流垂直通過單位面積(風(fēng)輪面積)的風(fēng)能，與空氣密度ρ成正比，其計(jì)算公式為

(2)

式中v為風(fēng)速。

空氣密度ρ的計(jì)算公式為

(3)

式中：p為年平均大氣壓力；R=287 J/(kg·K)，為氣體常數(shù)；T為年平均空氣熱力學(xué)溫度，K。

平均風(fēng)功率密度Dwp(W/m2)以MERRA數(shù)據(jù)庫中獲取的風(fēng)速及空氣密度為基礎(chǔ)，計(jì)算公式[13]為

(4)

式中：n為采樣時(shí)刻的個(gè)數(shù)；vi為第i個(gè)采樣時(shí)刻的風(fēng)速。

本文中以15 min作為時(shí)間序列的時(shí)間間隔，設(shè)n=4，計(jì)算一年內(nèi)每小時(shí)的平均風(fēng)功率密度，然后對(duì)所有數(shù)據(jù)取平均值，得到年平均風(fēng)功率密度。

風(fēng)速頻率分布和風(fēng)能頻率分布統(tǒng)計(jì)。以1 m/s為區(qū)間長度劃分風(fēng)速區(qū)間，統(tǒng)計(jì)每個(gè)風(fēng)速區(qū)間內(nèi)風(fēng)速和風(fēng)能出現(xiàn)的頻率；用每個(gè)風(fēng)速區(qū)間的中點(diǎn)定義該風(fēng)速區(qū)間，如5 m/s風(fēng)速區(qū)間代表風(fēng)速區(qū)間4.5～5.5 m/s。

風(fēng)切變指數(shù)α表示風(fēng)速在垂直于風(fēng)向平面內(nèi)的變化，其大小反映風(fēng)速隨海拔高度增加的快慢。計(jì)算公式[14]為

α=ln(v2/v1)/ln(X2/X1)，

(5)

式中X1、X2分別為風(fēng)速v2、v1對(duì)應(yīng)的海拔。

1.2.3 評(píng)估過程

1)根據(jù)上述評(píng)估方法，通過MERRA數(shù)據(jù)庫獲取龍羊峽水域再生氣象數(shù)據(jù)，其中，龍羊峽水域取樣范圍內(nèi)的平均風(fēng)速約為6 m/s。通過基礎(chǔ)風(fēng)速數(shù)據(jù)計(jì)算年風(fēng)功率密度，得到龍羊峽水域的平均風(fēng)功率密度約為424 W/m2。將平均風(fēng)速和平均風(fēng)功率密度繪制成圖，如圖1所示。由圖可知，龍羊峽水域附近的風(fēng)能資源豐富，且風(fēng)能資源豐富區(qū)集中于水域附近，因此發(fā)展風(fēng)電-水電聯(lián)合系統(tǒng)可以極大地節(jié)約人力資源以及線路資源，更具備經(jīng)濟(jì)性和可行性。

2)根據(jù)風(fēng)切變指數(shù)的計(jì)算公式，龍羊峽水域的風(fēng)切變指數(shù)為0.23。

(a)平均風(fēng)功率密度

綜上，龍羊峽水域在海拔為50、100 m處的風(fēng)速資源較好，風(fēng)速分別為5.1、6.0 m/s，適宜建設(shè)風(fēng)電場；其次，龍羊峽水域風(fēng)切變指數(shù)為0.23，高層風(fēng)速的利用價(jià)值非常高。

2 雅礱江水域風(fēng)能、水能資源潛力評(píng)估

2.1 水能資源潛力評(píng)估

雅礱江干流全長1 571 km，流域面積為1.36×105km2，天然落差為3 830 m，年徑流量為5.96×1010m3，多年平均流量為1 550 m3/s，最大年均流量為2 330 m3/s，最小平均流量為1 220 m3/s，流域水能理論蘊(yùn)藏量為3.372×107kW。已建成的二灘水電站裝機(jī)6臺(tái)，總?cè)萘繛?.3×106kW，年發(fā)電量為1.7×1010kW·h。由此可以看出，雅礱江水域水能資源豐富，符合風(fēng)電-水電互補(bǔ)系統(tǒng)的要求。

2.2 風(fēng)能資源潛力評(píng)估

雅礱江水域的基礎(chǔ)風(fēng)數(shù)據(jù)獲取和評(píng)估方法與龍羊峽水域的相同。

整個(gè)區(qū)域面積超過2.5×105km2，為了準(zhǔn)確分析評(píng)價(jià)流域附近的風(fēng)能資源，沿流域布置8個(gè)測點(diǎn)(見圖2)。通過MERRA數(shù)據(jù)庫獲取雅礱江水域風(fēng)速數(shù)據(jù)，通過計(jì)算得到其平均風(fēng)功率密度，表1所示為上述8個(gè)測點(diǎn)在海拔為50、100 m處的平均風(fēng)速和平均風(fēng)功率密度。

圖2 雅礱江水域風(fēng)能資源測點(diǎn)分布

表1 雅礱江水域各測點(diǎn)的平均風(fēng)速和平均風(fēng)功率密度

由表中數(shù)據(jù)可以看出，各測點(diǎn)的平均風(fēng)速和平均風(fēng)功率密度在相同海拔處的數(shù)值略有不同，但總體數(shù)值表現(xiàn)出測點(diǎn)周圍風(fēng)能資源豐富。同時(shí)，各測點(diǎn)平均風(fēng)速和平均風(fēng)功率密度的平均值較大。綜上，雅礱江水域的風(fēng)能資源豐富。

雅礱江水域在海拔50、100 m處的平均風(fēng)速分別為6.40、7.04 m/s，根據(jù)風(fēng)切變指數(shù)的計(jì)算公式，雅礱江水域的風(fēng)切變指數(shù)為0.13?？梢?，雅礱江水域風(fēng)速較大，當(dāng)黏滯效應(yīng)發(fā)揮作用時(shí)，風(fēng)切變指數(shù)仍然可以達(dá)到0.13，足以證明雅礱江水域具有豐富的風(fēng)能資源。

3 風(fēng)能資源互補(bǔ)必要性分析

龍羊峽、雅礱江水域風(fēng)能資源及水能資源非常豐富，但是，部分地區(qū)風(fēng)能資源波動(dòng)性較大，大比例接入大系統(tǒng)后或?qū)?duì)電網(wǎng)造成負(fù)面影響，給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來巨大威脅，因此在可再生能源聯(lián)合系統(tǒng)并網(wǎng)之前，有必要對(duì)單個(gè)系統(tǒng)的輸出功率進(jìn)行平穩(wěn)性評(píng)估。引入考察時(shí)間尺度內(nèi)的功率平穩(wěn)性指標(biāo)δ來量化評(píng)估功率波動(dòng)程度[15-16]，計(jì)算公式為

(6)

(7)

式中：n為考察時(shí)間窗口內(nèi)的總采樣點(diǎn)數(shù)；δi為第i個(gè)采樣時(shí)刻的風(fēng)電功率變化與裝機(jī)容量的比值；Pi+1為風(fēng)電功率當(dāng)前時(shí)段采樣值，MW；Pi為風(fēng)電功率上一時(shí)段采樣值，MW；Pc為待研究風(fēng)電機(jī)組或風(fēng)電場(群、基地)的裝機(jī)容量，MW。

δ值反映了在考察時(shí)間尺度內(nèi)功率波動(dòng)的程度，數(shù)值越小說明功率波動(dòng)越小，平穩(wěn)性越好；反之，功率波動(dòng)越劇烈，平穩(wěn)性越差。為了評(píng)判風(fēng)、電功率不平穩(wěn)程度，可整定δ的某一閾值δt。當(dāng)δ>δt時(shí)，認(rèn)為不平穩(wěn)性變得比較突出。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1963—2001《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》，δt取0.2。設(shè)定龍羊峽、雅礱江水域風(fēng)電場的風(fēng)電機(jī)組葉片直徑為80 m，經(jīng)過計(jì)算，龍羊峽、雅礱江水域的δ分別為0.23、0.28，均大于國家標(biāo)準(zhǔn)中的閾值0.2。從上述計(jì)算可以看出，雖然兩大水域的風(fēng)能資源豐富；但是其風(fēng)電輸出功率隨時(shí)間波動(dòng)性較大，因此，在發(fā)展風(fēng)電-水電互補(bǔ)發(fā)電時(shí)需要綜合考慮風(fēng)電功率時(shí)序波動(dòng)特性和水電季節(jié)差異性，為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支撐。

4 結(jié)論

通過對(duì)龍羊峽、雅礱江水域的風(fēng)能資源和水能資源評(píng)估，得到以下結(jié)論：

1)龍羊峽、雅礱江水域的風(fēng)電功率平穩(wěn)性指標(biāo)分別為0.23、0.28，均大于國家標(biāo)準(zhǔn)中的閾值0.2，說明兩水域的輸出風(fēng)電功率波動(dòng)性較大，發(fā)展混合能源互補(bǔ)發(fā)電較有前景。

2)龍羊峽水域風(fēng)切變指數(shù)為0.23，高層風(fēng)速的利用價(jià)值非常高；雅礱江水域風(fēng)速較大，黏滯效應(yīng)發(fā)揮作用時(shí)，風(fēng)切變指數(shù)仍然可以達(dá)到0.13，風(fēng)資源非常豐富。

3)龍羊峽、雅礱江水域均具有豐富的風(fēng)能資源，且風(fēng)能資源豐富區(qū)集中于水域附近，因此，在兩水域附近發(fā)展風(fēng)電-水電聯(lián)合系統(tǒng)將會(huì)極大地節(jié)約人力資源以及線路資源，經(jīng)濟(jì)性和可行性俱佳。

綜上，龍羊峽、雅礱江水域的能源系統(tǒng)具有較高的風(fēng)電-水電互補(bǔ)潛力，為后續(xù)發(fā)展水電-風(fēng)電聯(lián)合系統(tǒng)提供了前提。