中國能源建設(shè)集團(tuán)投資有限公司吉林分公司 檀 健

1 風(fēng)電不確定性

風(fēng)能與太陽能、水能均具有可再生性，通過對其進(jìn)行利用，不僅能夠有效避免傳統(tǒng)發(fā)電方式所造成的環(huán)境污染問題，而且還能夠帶來更為優(yōu)質(zhì)的電能，有助于緩解當(dāng)前面臨的全球性能源危機(jī)。但與太陽能、水能不同，風(fēng)能利用的不確定性較高，例如時空分布的不確定性、風(fēng)速大小的不確定性、風(fēng)力間歇時段的不確定性等，而上述這些不確定因素又會對整個電力系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性造成影響。

1.1 風(fēng)速的波動性與間接性較強(qiáng)

自然風(fēng)在運動的過程中，風(fēng)速存在著較為明顯的波動性與間接性。首先，在時間分布方面，不同時間段下的風(fēng)速均存在區(qū)別。因此，在對風(fēng)能進(jìn)行利用的過程中，很難對平均風(fēng)速進(jìn)行精準(zhǔn)把控。其次，風(fēng)速還存在著時段性，即不會穩(wěn)定存在，有時風(fēng)速較小、有時風(fēng)速較大、有時沒有風(fēng)。正是由于風(fēng)速的波動性與間接性，造成了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)很難單一地依靠風(fēng)力進(jìn)行穩(wěn)定發(fā)電。

一般情況下，風(fēng)力發(fā)電在1h 內(nèi)的變化量占總時間的10%～35%，在4～12h 后，其變化量甚至可能超過50%[1]。而風(fēng)速波動性與間歇性則會直接影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，對電能質(zhì)量及相關(guān)工作內(nèi)容產(chǎn)生影響，風(fēng)速波動性與間歇性研究見表1。

表1 風(fēng)速波動性與間歇性研究

1.2 風(fēng)電隨機(jī)性較大

針對風(fēng)電隨機(jī)性較大這一特點，需對當(dāng)?shù)刈匀粴夂蜻M(jìn)行長期觀察，針對風(fēng)速的波動性與間歇性進(jìn)行研究，對風(fēng)向、風(fēng)速的運動規(guī)律等進(jìn)行分析與總結(jié)，最后以此為基礎(chǔ)制定適宜當(dāng)?shù)貧夂虻陌l(fā)電方案。但合理的風(fēng)電方案雖然能緩解風(fēng)速波動性與間歇性的影響，但是卻難以消除其他因素的影響。因為在影響風(fēng)電隨機(jī)性的因素方面，除了氣候因素外，還與當(dāng)?shù)氐牡匦?、空間分布、自然環(huán)境以及人為因素有關(guān)。

1.3 風(fēng)電存在較多不確定因素

在自然風(fēng)運動中，其不確定性主要表現(xiàn)在平均風(fēng)速、風(fēng)向的變化上，而造成這種不確定的因素較多，例如地形地貌、城市空間規(guī)劃、空氣密度等。通常情況下，在對平均風(fēng)速概率模型進(jìn)行構(gòu)建的過程中，通常會采用Weibull 分布，從而利用性質(zhì)參數(shù)以及分布尺度對風(fēng)速的期望及標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行直觀反映。在對風(fēng)電功率的不確定性因素進(jìn)行反映的過程中，僅憑借普通的統(tǒng)計方法較難展現(xiàn)自然風(fēng)的時空分布情況，容易造成風(fēng)電系統(tǒng)評估誤差。風(fēng)速越限、風(fēng)機(jī)故障等是導(dǎo)致風(fēng)電轉(zhuǎn)換過程中不確定性的主要原因，能夠使機(jī)組運行狀態(tài)以及風(fēng)電功率發(fā)生變化。因此，在風(fēng)電系統(tǒng)運行過程中，無論是系統(tǒng)內(nèi)部還是外界環(huán)境均存在著不確定性，例如發(fā)電機(jī)組故障、隨機(jī)時間、負(fù)荷情況等，具體情況見表2。

表2 風(fēng)電系統(tǒng)內(nèi)部和外部不確定性因素

2 風(fēng)電不確定性對系統(tǒng)的影響

2.1 對頻率的影響

風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，指的是在受到內(nèi)外干擾情況下系統(tǒng)自身抵御影響的能力；風(fēng)電系統(tǒng)的充裕性，則是指系統(tǒng)滿足電力用戶用電需求與功率需求的能力。在電力系統(tǒng)運行過程中，穩(wěn)定性與充裕性是較為重要的兩個指標(biāo)，會直接影響整個系統(tǒng)的運行水平。其中，想要提升系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，便需要增強(qiáng)防干擾系統(tǒng)及抵御系統(tǒng)的設(shè)計；想要確保充裕性，則需要保證電力的正常輸送。但受風(fēng)電不確定性的影響，風(fēng)電系統(tǒng)的電力頻率通常會存在不穩(wěn)定的情況，使頻率變化出現(xiàn)隨機(jī)性，難以進(jìn)行精準(zhǔn)控制與計算。對于上述情況，需要加強(qiáng)對風(fēng)電不確定性規(guī)律及影響因素的研究，通過確定具體的影響因子，采取相對應(yīng)的控制措施，緩解風(fēng)電不確定性對系統(tǒng)穩(wěn)定性、充裕性的影響，避免出現(xiàn)因頻率超標(biāo)而導(dǎo)致的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性受損的問題發(fā)生。

2.2 對電壓的影響

在風(fēng)電系統(tǒng)運行中，電壓的波動與風(fēng)電功率的波動往往呈正相關(guān)，具體表現(xiàn)在湍流強(qiáng)度的變化、風(fēng)速的變化以及塔影效應(yīng)等。而如果電壓長期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，便會增加電力系統(tǒng)故障發(fā)生的概率，表現(xiàn)較為明顯的便是風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)現(xiàn)象。為緩解風(fēng)電不確定性對電壓造成的影響，可以在電力系統(tǒng)線路中專門安裝無功補(bǔ)償設(shè)備，避免電壓出現(xiàn)頻率失穩(wěn)的情況，保證整個電力系統(tǒng)的高效運行，減少因電壓失穩(wěn)所造成的安全故障。

2.3 對電能質(zhì)量的影響

通常情況下，發(fā)電機(jī)啟動需要吸取電網(wǎng)中大量的無功，并會導(dǎo)致并網(wǎng)在一瞬間產(chǎn)生額定電流的2～3倍的沖擊電流。當(dāng)脫網(wǎng)的過程中，則會使電網(wǎng)電壓逐漸升高至4%～10%。而一旦受到風(fēng)電不確定性的影響，便會導(dǎo)致電壓跌落、閃爍、涌流以及瞬時供電中斷的情況發(fā)生，進(jìn)而給電力系統(tǒng)供電質(zhì)量造成影響[2]。

2.4 對系統(tǒng)性能的影響

在風(fēng)電系統(tǒng)運行過程中，依賴于良好的系統(tǒng)性能，是維持電力穩(wěn)定的重要保障。但是受風(fēng)電不確定性的影響，系統(tǒng)性能及電能生產(chǎn)很容易被干擾，例如干擾電力輸送設(shè)備的正常運行、影響系統(tǒng)各項參數(shù)的設(shè)定等，在設(shè)備性能得到降低的情況下，便會給電力輸送工作帶來困難。為盡可能保障系統(tǒng)穩(wěn)定性，防止性能波動情況的出現(xiàn)，需要借助更多的性能輔助設(shè)備緩解風(fēng)電不確定性的影響，確保電力生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

2.5 對調(diào)峰能力的影響

在風(fēng)電并網(wǎng)的情況下，受不確定因素的影響，負(fù)荷需求往往會存在最大與最小兩種情況，這會給系統(tǒng)調(diào)峰工作帶來一定的困難。只有電力系統(tǒng)能夠在負(fù)荷需求最大或最小時依然安全運行，才能夠確保整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。在風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)的前提下，除了會造成電力負(fù)荷的波動外，風(fēng)電出力的不確定性也會給系統(tǒng)調(diào)峰能力帶來影響。例如，當(dāng)電力系統(tǒng)處于用電量最大的時期，所預(yù)留的電力則最少，一旦這時風(fēng)電功率變?yōu)?，則會造成有功缺額達(dá)到最大值；而當(dāng)電力系統(tǒng)處于用電量最小的時期，一旦這時風(fēng)電功率變?yōu)樽畲?，便會造成調(diào)峰難度的增加。

3 風(fēng)電不確定性的應(yīng)對

3.1 建立電網(wǎng)防線，緩解不確定因素的影響

為應(yīng)對風(fēng)電不確定性，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。首先，需要對影響風(fēng)電不確定性的因素展開分析，并基于當(dāng)?shù)氐淖匀粴夂?、自然環(huán)境、地形、城市規(guī)劃情況等，提前制定相應(yīng)的預(yù)防策略，設(shè)計緊急控制方案，并采取校正控制，通過這三道措施強(qiáng)化對風(fēng)電不確定性的控制。同時，還需要根據(jù)風(fēng)險原則對風(fēng)電場運行中的各項決策進(jìn)行調(diào)整，將電力系統(tǒng)穩(wěn)定性與安全性放在第一位。例如，當(dāng)發(fā)生因風(fēng)力間歇性影響造成的風(fēng)電場停運情況時，為緩解對發(fā)電效率產(chǎn)生的影響，需要對電力系統(tǒng)內(nèi)的各個環(huán)節(jié)工作進(jìn)行優(yōu)化，例如發(fā)電環(huán)節(jié)、輸送環(huán)節(jié)以及用電環(huán)節(jié)等，同時采取有效的緊急情況應(yīng)對策略，防止因風(fēng)電場無序脫網(wǎng)帶來大面積影響。

3.2 提高風(fēng)速預(yù)測精度

風(fēng)電不確定性與風(fēng)速的隨機(jī)性具有較大關(guān)系，因此想要增強(qiáng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，不斷提高風(fēng)速預(yù)測精度是主要路徑之一。其中，風(fēng)速的長期預(yù)測可以與電力系統(tǒng)規(guī)劃相關(guān)聯(lián)，中期預(yù)測則可以與檢修計劃的制定相掛鉤，短期以及超短期預(yù)測應(yīng)為日運行計劃以及實時運行計劃提供精準(zhǔn)的信息，這樣才能夠緩解風(fēng)電不確定性對電力系統(tǒng)運行產(chǎn)生的影響。此外，在進(jìn)行超短期風(fēng)速預(yù)測的過程中，需要將研究的重點放在瞬時誤差范圍的分析上，而不是風(fēng)速的平均誤差研究。

3.3 加強(qiáng)對系統(tǒng)充裕性、穩(wěn)定性的把控

為應(yīng)對風(fēng)電不確定性所帶來的影響，電力企業(yè)需要對各類非電力信息進(jìn)行整合，例如電力市場的交易信息、風(fēng)速預(yù)測信息等[3]。并基于特定的模型與算法，對所整合的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，評估風(fēng)電不確定性對電力系統(tǒng)充裕性、穩(wěn)定性造成的影響，再通過處理離散變量或連續(xù)變量，制定科學(xué)的系統(tǒng)充裕性與穩(wěn)定性控制計劃。

3.4 加強(qiáng)風(fēng)電儲能系統(tǒng)的設(shè)計

基于功能的不同，儲能系統(tǒng)可被分為功率型與能量型兩類。其中，功率型儲能系統(tǒng)具有功率密度高、功率調(diào)節(jié)快的優(yōu)點，包括常見的蓄電池、電容器以及飛輪等，雖然能夠有效改善電力系統(tǒng)質(zhì)量及運行可靠性，但是很難滿足大規(guī)模的電能儲存[4]。而能量型儲能系統(tǒng)則具有高能量密度的特點，但其缺點也較為明顯，并且速率較慢，因此并不適合頻繁地充放電轉(zhuǎn)換，例如太陽能電池、燃料電池等?；旌蟽δ芟到y(tǒng)應(yīng)用于風(fēng)電場如圖1所示。

圖1 混合儲能系統(tǒng)應(yīng)用于風(fēng)電場

因此，在對風(fēng)電儲能系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)配置更為靈活的后備電源，設(shè)置大規(guī)模的電能儲存，通過混合型儲能系統(tǒng)提升并網(wǎng)穩(wěn)定性，在提高電能質(zhì)量的基礎(chǔ)上，也能夠降低風(fēng)電場內(nèi)的儲能成本[5]。

4 結(jié)語

綜上所述，風(fēng)電雖然具有清潔、可再生等優(yōu)勢，但由于不確定因素較多，很容易威脅到電力系統(tǒng)的充裕性、穩(wěn)定性以及安全性。為有效緩解風(fēng)電不確定性對電能質(zhì)量、功率造成的影響，應(yīng)當(dāng)建立系統(tǒng)化的電網(wǎng)防線，提高風(fēng)速預(yù)測精度，強(qiáng)化對系統(tǒng)充裕性的把控，并不斷加強(qiáng)風(fēng)電儲能系統(tǒng)的設(shè)計。這樣才能夠有效控制風(fēng)電的不確定性，進(jìn)而降低因風(fēng)電不確定性所造成的故障概率，從而促進(jìn)我國電力事業(yè)的發(fā)展。