摘 要：提出衡量風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)波動(dòng)量的指標(biāo)體系，基于距平類建立小時(shí)、日和月波動(dòng)系數(shù)，并對(duì)西北地區(qū)風(fēng)光資源特性進(jìn)行分析?；谫Y源互補(bǔ)以及考慮負(fù)荷的影響建立風(fēng)光波動(dòng)最小配比數(shù)學(xué)模型。最后，對(duì)2030年西北電網(wǎng)的風(fēng)光波動(dòng)最小配比開(kāi)展計(jì)算。所做的研究可為西北地區(qū)新能源的發(fā)展和政策制定提供一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電；太陽(yáng)能；優(yōu)化設(shè)計(jì)；互補(bǔ)性；波動(dòng)量；西北電網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TM715" " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

隨著近年來(lái)的發(fā)展，中國(guó)相繼出臺(tái)新能源發(fā)電的扶持政策，加大新能源發(fā)展的支持力度，全面推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型和綠色低碳領(lǐng)域的發(fā)展［1-5］。西北地區(qū)風(fēng)能、太陽(yáng)能資源豐富，適宜大規(guī)模發(fā)展風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電，是中國(guó)新能源的大型送端基地［6-7］。風(fēng)能和太陽(yáng)能在時(shí)間和地域上天然具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，與單一場(chǎng)站風(fēng)力發(fā)電及光伏發(fā)電相比，區(qū)域化發(fā)展風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)能使功率輸出較平穩(wěn)，增加電網(wǎng)對(duì)間歇性可再生能源的吸收接納程度［8-10］。但是由于風(fēng)電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電出力取決于外部風(fēng)、光等不可控因素，出力具有較大的隨機(jī)性和波動(dòng)性，導(dǎo)致電力系統(tǒng)中的凈負(fù)荷變化速率增大，峰谷差變大，需求曲線變得更加陡峭和不規(guī)則［11-13］。這些特點(diǎn)對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全和經(jīng)濟(jì)效益造成了挑戰(zhàn)。如何準(zhǔn)確評(píng)價(jià)和有效平抑風(fēng)光出力波動(dòng)性，提高風(fēng)光發(fā)電的消納能力和互補(bǔ)性，是當(dāng)前風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)研究的重要課題［14-15］。

以優(yōu)化風(fēng)電、光伏的配比規(guī)模達(dá)到降低聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)波動(dòng)性是電源規(guī)劃頂層設(shè)計(jì)的體現(xiàn)。趙振宇等［16］基于源-荷匹配思想，建立風(fēng)光聯(lián)合出力的負(fù)荷匹配度指標(biāo)，但未考慮風(fēng)光資源自身的互補(bǔ)性；Monforti等［17］借助蒙特卡洛方法，將風(fēng)光資源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為出力數(shù)據(jù)，并依據(jù)相關(guān)系數(shù)計(jì)算意大利不同地區(qū)風(fēng)電與光伏出力的互補(bǔ)性；齊志遠(yuǎn)等［18］則運(yùn)用Kendall秩相關(guān)系數(shù)來(lái)探究風(fēng)光資源的互補(bǔ)性；張恒旭等［19］在Pearson線性相關(guān)系數(shù)的基礎(chǔ)上，提出了風(fēng)能與太陽(yáng)能資源的協(xié)同系數(shù)，用于分析其互補(bǔ)特性。然而，在計(jì)算相關(guān)系數(shù)時(shí)，風(fēng)光出力序列內(nèi)部的時(shí)間連續(xù)性被打亂，這在某些情況下使其難以準(zhǔn)確反映風(fēng)光出力的互補(bǔ)特性。因此，部分學(xué)者從風(fēng)光出力的波動(dòng)性角度出發(fā)，通過(guò)衡量風(fēng)光聯(lián)合出力的波動(dòng)性來(lái)表征其互補(bǔ)性。胡林獻(xiàn)等［20］依據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)光資源，采用圖形觀察法近似求出風(fēng)光互補(bǔ)性最強(qiáng)時(shí)的容量比；姚天亮等［21］則采用圖形分析法對(duì)場(chǎng)區(qū)風(fēng)功率密度與太陽(yáng)輻射量的互補(bǔ)性進(jìn)行研究。

但以上這些研究均未實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)光出力互補(bǔ)性的量化分析。Jerez等［22］將風(fēng)光出力時(shí)間序列的標(biāo)準(zhǔn)差作為衡量其互補(bǔ)性的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而對(duì)風(fēng)電場(chǎng)以及光伏電站的空間分布進(jìn)行優(yōu)化；葉林等［23］將不同發(fā)電類型疊加后總出力的變化量作為衡量多種能源發(fā)電系統(tǒng)互補(bǔ)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。不過(guò)，以上評(píng)價(jià)風(fēng)光出力互補(bǔ)性的指標(biāo)都只是波動(dòng)性的另一種表達(dá)形式，即認(rèn)為風(fēng)光聯(lián)合出力的波動(dòng)性最弱時(shí)，其互補(bǔ)性最強(qiáng)，卻忽略了風(fēng)電出力與光伏出力自身的波動(dòng)性，導(dǎo)致在風(fēng)光出力自身波動(dòng)性差異較大時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確反映其互補(bǔ)特性。對(duì)于互補(bǔ)性評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)說(shuō)，應(yīng)既能應(yīng)用于風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)規(guī)劃階段風(fēng)電與光伏裝機(jī)容量比例的確定，又能應(yīng)用于系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行階段風(fēng)電與光伏出力的實(shí)時(shí)調(diào)整，但現(xiàn)有評(píng)價(jià)互補(bǔ)性的指標(biāo)都無(wú)法同時(shí)滿足以上要求。

但以上研究均未實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)光出力互補(bǔ)性的量化分析。Jerez等［22］將風(fēng)光出力時(shí)間序列的標(biāo)準(zhǔn)差作為衡量其互補(bǔ)性的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而對(duì)風(fēng)電場(chǎng)以及光伏電站的空間分布進(jìn)行優(yōu)化。葉林等［23］將不同發(fā)電類型疊加后總出力的變化量作為衡量多種能源發(fā)電系統(tǒng)互補(bǔ)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。但以上評(píng)價(jià)風(fēng)光出力互補(bǔ)性的指標(biāo)均僅為波動(dòng)性的另一種表達(dá)形式，即認(rèn)為當(dāng)風(fēng)光聯(lián)合出力的波動(dòng)性最弱時(shí)，風(fēng)光出力的互補(bǔ)性最強(qiáng)，忽略風(fēng)電出力與光伏出力自身的波動(dòng)性，導(dǎo)致在風(fēng)光出力自身波動(dòng)性差異較大的情況下無(wú)法準(zhǔn)確反映其互補(bǔ)特性。對(duì)于互補(bǔ)性評(píng)價(jià)指標(biāo)而言，應(yīng)既能應(yīng)用于風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)規(guī)劃階段風(fēng)電與光伏裝機(jī)容量比例的決策中，又能應(yīng)用于系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行階段風(fēng)電與光伏出力的實(shí)時(shí)調(diào)整中，然而現(xiàn)有用于評(píng)價(jià)互補(bǔ)性的指標(biāo)均無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)。

鑒于此，本文提出風(fēng)電、光伏波動(dòng)性衡量方法，建立評(píng)價(jià)波動(dòng)性的指標(biāo)體系以及基于資源互補(bǔ)的風(fēng)光波動(dòng)最小配比數(shù)學(xué)模型，以小時(shí)、日、月波動(dòng)系數(shù)加權(quán)和最小為目標(biāo)，優(yōu)化風(fēng)光配比使波動(dòng)量最小。此外，在實(shí)際系統(tǒng)中并不追求風(fēng)光出力完全沒(méi)有波動(dòng)性，而是希望其能夠追蹤負(fù)荷的波動(dòng)。因此，考慮風(fēng)電、光伏滿足負(fù)荷需要時(shí)，以負(fù)荷減新能源出力的凈負(fù)荷曲線波動(dòng)系數(shù)最小為目標(biāo)函數(shù)，求解風(fēng)光波動(dòng)最小的配比模型。

1 風(fēng)光波動(dòng)指標(biāo)體系

1.1 波動(dòng)指標(biāo)體系的建立

本文采用基于長(zhǎng)序列歷史理論出力數(shù)據(jù)的風(fēng)光出力波動(dòng)性互補(bǔ)性評(píng)價(jià)方法，在計(jì)算時(shí)保持了風(fēng)光出力序列的時(shí)間連續(xù)性，可準(zhǔn)確表征風(fēng)光出力真實(shí)的互補(bǔ)特性，能夠同時(shí)應(yīng)用于含風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)劃與運(yùn)行階段?；诰嗥筋?，從年、月、日多時(shí)間尺度建立風(fēng)光的波動(dòng)指標(biāo)體系，根據(jù)觀察時(shí)間的尺度可分為小時(shí)波動(dòng)、日波動(dòng)和月波動(dòng)。

小時(shí)波動(dòng)系數(shù)[γt]為新能源逐小時(shí)出力的距平絕對(duì)值之和與總新能源發(fā)電量的比值，如式（1）所示。

[γt=t=1TPRt-PdRdt=1TPRt] （1）

式中：T——小時(shí)波動(dòng)系數(shù)的計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)度，h；[PRt]——[t]小時(shí)的新能源發(fā)電功率，kW；[PdRd]——[t]小時(shí)所在天的新能源平均發(fā)電功率，kW。

典型風(fēng)電、光伏小時(shí)尺度距平波動(dòng)如圖1所示。從結(jié)果可看出，風(fēng)電小時(shí)尺度波動(dòng)性小于光伏的波動(dòng)性。

日波動(dòng)系數(shù)[γd]為新能源逐日電量的距平絕對(duì)值之和與總新能源發(fā)電量的比值，如式（2）所示。

[γd=d=1DPdRd-PmRmd=1DPdRd] （2）

式中：D——日波動(dòng)系數(shù)的計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)度，d；[PdRd]——[d]天新能源的發(fā)電量，kWh；[PmRm]——[d]天所在月的新能源平均日發(fā)電量，kWh；m——d天所在的月份。

典型風(fēng)電、光伏日尺度距平波動(dòng)如圖2所示。從結(jié)果可看出，風(fēng)電日尺度波動(dòng)性大于光伏的波動(dòng)性。

月波動(dòng)系數(shù)[γm]為新能源逐月電量的距平絕對(duì)值之和與總新能源發(fā)電量的比值，如式（3）所示。

[γm=m=1MPmRm-PRym=1MPmRm] （3）

式中：M——月波動(dòng)系數(shù)的計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)度，m；[PmRm]——[m]月新能源的發(fā)電量，kWh；[PRy]——[m]月所在年的新能源平均月發(fā)電量，kWh。

典型風(fēng)電、光伏月尺度距平波動(dòng)如圖3所示。從結(jié)果可以看出，風(fēng)電、光伏月尺度波動(dòng)系數(shù)相差不大。

1.2 西北地區(qū)風(fēng)光資源波動(dòng)特性分析

基于1.1節(jié)所建立的風(fēng)光波動(dòng)指標(biāo)體系，對(duì)西北5省風(fēng)電、光伏資源的出力特性進(jìn)行分析，得到對(duì)應(yīng)的波動(dòng)指標(biāo)。以2021年為例，西北5省風(fēng)電、光伏距平波動(dòng)分析結(jié)果見(jiàn)圖4。

可看出，風(fēng)電的小時(shí)尺度波動(dòng)比光伏小，但光伏日尺度波動(dòng)小于風(fēng)電，在年尺度上光伏及風(fēng)電波動(dòng)相當(dāng)；且隨著范圍從分省到西北，風(fēng)光波動(dòng)減小，各省之間互濟(jì)作用明顯。

2 風(fēng)光波動(dòng)最小配比數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 基于資源互補(bǔ)的風(fēng)光波動(dòng)最小配比數(shù)學(xué)模型

本文以風(fēng)電、光伏聯(lián)合出力波動(dòng)系數(shù)最小為目標(biāo)建立數(shù)學(xué)優(yōu)化模型。主要思路為分別計(jì)算不同配比下的波動(dòng)性指標(biāo)，采用不同權(quán)重對(duì)多時(shí)間尺度指標(biāo)加和，以總波動(dòng)系數(shù)最小為目標(biāo)函數(shù)?；诰嗥筋愔笜?biāo)的數(shù)學(xué)模型如下：

1）依據(jù)風(fēng)光資源出力特性，[t]時(shí)刻的逐時(shí)風(fēng)電出力標(biāo)幺值大小為[ξwt]，[t]時(shí)刻的逐時(shí)光伏出力標(biāo)幺值大小為[ξpt]。

2）在給定新能源發(fā)電量要求[ER]的前提下，以新能源發(fā)電功率波動(dòng)[γ]最小為目標(biāo)，建立數(shù)學(xué)模型。最小化新能源發(fā)電功率波動(dòng)的風(fēng)光最佳配比模型如式（4）所示。

[γ=minkt×γt+kd×γd+km×γm] （4）

式中：kt——新能源發(fā)電功率在小時(shí)尺度下波動(dòng)性所占的權(quán)重；kd——新能源發(fā)電功率在日尺度下波動(dòng)性所占的權(quán)重；km——新能源發(fā)電功率在月尺度下波動(dòng)性所占的權(quán)重。

3）建立的數(shù)學(xué)模型，考慮的約束如下。

令風(fēng)電裝機(jī)容量為[w]，光伏裝機(jī)容量為[p]，[w]和[p]的取值滿足以下要求：

[w≥0] （5）

[p≥0] （6）

第[t]時(shí)段新能源發(fā)電功率可用式（7）表示。

[PRt=wξwt+pξpt] （7）

新能源總電量應(yīng)大于等于新能源要求發(fā)電量[ER]，可用式（8）表示。

[t=1TPRt≥ER] （8）

4）根據(jù)計(jì)算需要指定波動(dòng)性權(quán)重，帶入建立的最優(yōu)風(fēng)光規(guī)模模型計(jì)算求解，得到新能源發(fā)電功率波動(dòng)最小的風(fēng)光規(guī)模。

2.2 基于匹配負(fù)荷的風(fēng)光波動(dòng)最小配比研究

電網(wǎng)運(yùn)行最主要的目的是保持負(fù)荷與電源出力的平衡，與間歇性電源出力類似，電網(wǎng)運(yùn)行中電力負(fù)荷的變化也有一定的隨機(jī)性和波動(dòng)性。對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行而言，如果間歇性電源自身出力特性與電力負(fù)荷特性較為匹配，即電力負(fù)荷較大的時(shí)刻，新能源出力較大，用電量較大的月份，間歇性電源發(fā)電量較大，則間歇性電源接入電網(wǎng)不會(huì)增加電網(wǎng)的調(diào)峰壓力。反之，如果間歇性電源的出力特性與負(fù)荷特性不匹配，則間歇性電源的大規(guī)模接入將對(duì)電網(wǎng)的電源裝機(jī)容量、調(diào)峰容量等提出較高的要求，因此研究間歇性電源面向電網(wǎng)運(yùn)行的出力特性主要是研究間歇性電源與電力負(fù)荷的匹配性。

2.2.1 西北電網(wǎng)負(fù)荷特性分析

首先分析2011—2021年西北電網(wǎng)的年負(fù)荷特性，如圖5所示。西北電網(wǎng)呈現(xiàn)冬季和夏季雙高峰的特點(diǎn)，季不均衡系數(shù)在2020年前呈現(xiàn)波動(dòng)式下降趨勢(shì)，隨著“十四五”開(kāi)局之年改革開(kāi)放向縱深推進(jìn)，第二產(chǎn)業(yè)尤其是工業(yè)用電負(fù)荷的恢復(fù)性增長(zhǎng)，2021年季不均衡系數(shù)有所回升；2019年之前，年最大峰谷差和峰谷差率總體呈現(xiàn)波動(dòng)式上升的趨勢(shì)，年最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)基本維持在7100～7500 h之間，2020年由于全年受疫情影響，電量增速低，12月份受寒潮影響，最大負(fù)荷增速高，最大負(fù)荷利用小時(shí)下降，2021年受經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇拉動(dòng)，電量增速高，受暖冬影響，最大負(fù)荷增速水平低，最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)上升。

2011—2021年西北電網(wǎng)夏季典型日負(fù)荷特性曲線如圖6所示，冬季典型日負(fù)荷特性曲線如圖7所示。

2015年以前，西北電網(wǎng)日負(fù)荷特性指標(biāo)逐漸升高，2015年及以后，西北電網(wǎng)日負(fù)荷特性變化趨于穩(wěn)定，這主要是因?yàn)槲鞅钡貐^(qū)以工業(yè)負(fù)荷為主，2015年以前，高耗能產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，產(chǎn)量快速提高，推動(dòng)西北電網(wǎng)負(fù)荷特性不斷提升，2015年以后隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整需求、環(huán)保政策的影響等，西北高耗能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)量趨于穩(wěn)定，日負(fù)荷特性變化不大。

全網(wǎng)來(lái)看，西北電網(wǎng)夏季日負(fù)荷特性有所轉(zhuǎn)移，主要表現(xiàn)為夏季晚高峰出現(xiàn)時(shí)間由晚20：00左右前移至18：00左右；冬季日負(fù)荷特性未發(fā)生改變，最大負(fù)荷仍出現(xiàn)在18：00—19：00點(diǎn)之間。

此外，對(duì)2017—2021年西北電網(wǎng)的電量進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8、圖9所示。由圖8可知，西北電網(wǎng)呈現(xiàn)冬季和夏季雙高峰的特點(diǎn)，季節(jié)性明顯。

由圖9可知，西北電網(wǎng)日電量波動(dòng)性不大（2020年為疫情影響）。綜合上述分析，西北電網(wǎng)負(fù)荷電量的年際差異不大，負(fù)荷的波動(dòng)性整體小于新能源。

2.2.2 考慮負(fù)荷影響的風(fēng)光波動(dòng)最小配比數(shù)學(xué)模型

本小節(jié)建立考慮負(fù)荷影響后，以凈負(fù)荷波動(dòng)系數(shù)[γn]最小為目標(biāo)函數(shù)，求解風(fēng)光波動(dòng)最小的配比模型。以凈負(fù)荷（即負(fù)荷-新能源出力）為輸入，測(cè)算相關(guān)系數(shù)?？紤]負(fù)荷影響的風(fēng)光最佳配比數(shù)學(xué)模型如式（9）所示。

[γn=minknt×γnt+knd×γnd+knm×γnm] （9）

式中：[knt]——小時(shí)尺度凈負(fù)荷波動(dòng)系數(shù)所占權(quán)重；[γnt]——小時(shí)尺度凈負(fù)荷波動(dòng)系數(shù)；[knd]——日尺度凈負(fù)荷波動(dòng)系數(shù)所占權(quán)重；[γnd]——日尺度凈負(fù)荷波動(dòng)系數(shù)；[knm]——月尺度凈負(fù)荷波動(dòng)系數(shù)所占權(quán)重；[γnm]——月尺度凈負(fù)荷波動(dòng)系數(shù)。

3 算例分析

3.1 基于資源互補(bǔ)的風(fēng)光波動(dòng)最小配比研究

3.1.1 基于資源互補(bǔ)的風(fēng)光波動(dòng)最小配比計(jì)算

2030年西北內(nèi)用新能源規(guī)模與年發(fā)電量見(jiàn)表1（其中：發(fā)電量考慮5%棄電率）。由表1可知，到2030年，西北內(nèi)用新能源規(guī)模達(dá)4.4 億kW。

對(duì)于規(guī)劃水平年的新能源出力特性數(shù)據(jù)，應(yīng)基于多年歷史數(shù)據(jù)分析，為考慮省區(qū)間互濟(jì)，宜在同一歷史年的出力數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上修正。規(guī)劃水平年的新能源8760 h出力序列[WPlant]可用式（10）計(jì)算。

[WPlant=Estock×Woldt+Eincre×Woldt×λEtotal] （10）

式中：[Estock]——存量機(jī)組裝機(jī)，kW；[Woldt]——?dú)v史年的新能源8760h出力序列，pu；[Eincre]——增量機(jī)組裝機(jī)，kW；[Etotal]——機(jī)組總裝機(jī)，kW；[λ]——修正系數(shù)，反映新能源技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的出力變化情況，風(fēng)電考慮5 MW、8 MW等大容量風(fēng)機(jī)影響，光伏考慮容配比等。

本文基于2030年研究邊界，以不改變各省新能源電量為約束條件，權(quán)重系數(shù)[kt]∶[kd]∶[km]=1∶1∶1，使用優(yōu)化算法，通過(guò)采用Python聯(lián)合調(diào)用Cplex求解2.1節(jié)所建立的基于資源互補(bǔ)的風(fēng)光波動(dòng)最小配比數(shù)學(xué)模型，計(jì)算得到西北電網(wǎng)風(fēng)光波動(dòng)量的最小配比結(jié)果為6.44，求解過(guò)程如圖10所示。計(jì)算得到的西北電網(wǎng)風(fēng)光裝機(jī)規(guī)模結(jié)果如表2所示。

對(duì)優(yōu)化得到的風(fēng)光波動(dòng)最小配比波動(dòng)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3、圖11～圖13。

由結(jié)果可知，在此配比下，日波動(dòng)系數(shù)最大，接近總波動(dòng)系數(shù)的一半，即新能源日間電量的波動(dòng)是其波動(dòng)性的主要來(lái)源。此外，使用前述優(yōu)化算法對(duì)西北各省的風(fēng)光裝機(jī)規(guī)模及配比結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表4所示。由表4可看出，以西北各省電網(wǎng)為研究對(duì)象，風(fēng)光波動(dòng)最小配比基本在2～3之間，新疆為4.32。對(duì)上述優(yōu)化得到的風(fēng)光波動(dòng)最小配比的波動(dòng)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表5。由結(jié)果可知，在波動(dòng)最小的風(fēng)光配比下，除新疆外的各省小時(shí)波動(dòng)系數(shù)最大，日波動(dòng)系數(shù)略小，二者為波動(dòng)性的主要來(lái)源；新疆則是日波動(dòng)系數(shù)最大。

3.1.2 敏感性分析

在求解基于資源互補(bǔ)的風(fēng)光波動(dòng)最小配比數(shù)學(xué)模型時(shí)，目標(biāo)函數(shù)中不同的權(quán)重系數(shù)對(duì)優(yōu)化結(jié)果有較大影響。以西北全網(wǎng)為例，對(duì)不同時(shí)間尺度的波動(dòng)系數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)時(shí)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。分別以小時(shí)波動(dòng)系數(shù)、日波動(dòng)系數(shù)、月波動(dòng)系數(shù)最小為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果見(jiàn)表6。可看出，在以小時(shí)波動(dòng)系數(shù)為目標(biāo)函數(shù)時(shí)，風(fēng)光波動(dòng)最小配比中新能源裝機(jī)大部分為風(fēng)電；在以日波動(dòng)系數(shù)為目標(biāo)函數(shù)時(shí)，風(fēng)光波動(dòng)最小配比中風(fēng)電比例明顯下降，這主要是風(fēng)電日間波動(dòng)大造成的；在以月波動(dòng)系數(shù)為目標(biāo)函數(shù)時(shí)，風(fēng)光波動(dòng)最小配比中光伏占比較大。3種不同目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化結(jié)果差別較大，因此需要根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況，選擇適合的目標(biāo)函數(shù)。

對(duì)上述結(jié)果的波動(dòng)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表7。由結(jié)果可看出，權(quán)重系數(shù)均為1時(shí)，系統(tǒng)總波動(dòng)系數(shù)最??；以小時(shí)、日、月波動(dòng)系數(shù)為目標(biāo)函數(shù)時(shí)，計(jì)算結(jié)果中對(duì)應(yīng)的波動(dòng)系數(shù)相應(yīng)最小。故應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際調(diào)節(jié)資源的能力，選取合適的權(quán)重與目標(biāo)函數(shù)。

3.2 計(jì)及負(fù)荷的風(fēng)光波動(dòng)最小配比研究

3.2.1 計(jì)及負(fù)荷的風(fēng)光波動(dòng)最小配比計(jì)算

2030年西北電網(wǎng)分省最大負(fù)荷及全社會(huì)用電量預(yù)測(cè)見(jiàn)表8。至2030年，西北全社會(huì)用電量達(dá)到約1.50 萬(wàn)億kWh，最大負(fù)荷為215450 MW。

考慮系統(tǒng)負(fù)荷和新能源電量約束，將上述邊界代入考慮負(fù)荷影響的風(fēng)光波動(dòng)最小配比數(shù)學(xué)模型，測(cè)算得到西北電網(wǎng)風(fēng)光裝機(jī)規(guī)模結(jié)果如表9所示。

對(duì)考慮負(fù)荷影響后優(yōu)化得到的風(fēng)光波動(dòng)最小配比波動(dòng)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表10、圖14～圖16。由結(jié)果可知，在此配比下，小時(shí)和日波動(dòng)系數(shù)較大，接近總波動(dòng)系數(shù)的80%，即新能源日內(nèi)和日間電量的波動(dòng)是其波動(dòng)性的主要來(lái)源。

此外，考慮負(fù)荷影響后計(jì)算風(fēng)光波動(dòng)最小配比，得到西北各省的風(fēng)光裝機(jī)規(guī)模及配比結(jié)果，如表11所示。

由表11可看出，以西北各省電網(wǎng)為研究對(duì)象，考慮負(fù)荷影響后風(fēng)光波動(dòng)最小配比在1.5～4之間。對(duì)上述優(yōu)化得到的風(fēng)光波動(dòng)最小配比的波動(dòng)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表12。由結(jié)果可知，除新疆外的各省小時(shí)波動(dòng)系數(shù)最大，日波動(dòng)系數(shù)略??；新疆則是日波動(dòng)系數(shù)最大。

3.2.2 敏感性分析

本節(jié)分析了目標(biāo)函數(shù)中不同權(quán)重系數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。在考慮負(fù)荷作用后，新能源電量占比對(duì)計(jì)算結(jié)果有較大的影響。本節(jié)首先設(shè)置權(quán)重系數(shù)kt∶kd∶km=1∶1∶1，對(duì)西北電網(wǎng)不同新能源電量占比下的最佳風(fēng)光配比進(jìn)行比較，得到的結(jié)果如表13所示。

由結(jié)果可知，在新能源電量占負(fù)荷電量比例較小時(shí)，風(fēng)光最佳配比為3～4。當(dāng)新能源電量占負(fù)荷電量比例較大時(shí)，風(fēng)光最佳配比為5～6。隨著新能源電量占比的提升，最佳配比中風(fēng)電占比隨之升高。此外，對(duì)不同電量占比下，考慮負(fù)荷影響波動(dòng)最小的新能源配比進(jìn)行生產(chǎn)模擬分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表14。由結(jié)果可知，隨著新能源電量占比的增加，總棄電率上升但最大電力不足減少。

對(duì)上述不同電量占比下，考慮負(fù)荷影響的波動(dòng)最小的新能源配比的波動(dòng)系數(shù)進(jìn)一步分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表15。從結(jié)果可看出，隨著新能源電量占比的增加，各時(shí)間尺度的波動(dòng)系數(shù)均不斷增加。新能源的加入，惡化了系統(tǒng)負(fù)荷的波動(dòng)性，日波動(dòng)為主導(dǎo)因素。

此外，分別以小時(shí)波動(dòng)系數(shù)、日波動(dòng)系數(shù)、月波動(dòng)系數(shù)為目標(biāo)函數(shù)對(duì)西北全網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果見(jiàn)表16。由結(jié)果可知，以小時(shí)波動(dòng)最小為目標(biāo)函數(shù)時(shí)，最佳配比的風(fēng)電規(guī)模占比較大；以日波動(dòng)最小為目標(biāo)函數(shù)時(shí)，最佳配比的光伏規(guī)模占比較大；以月波動(dòng)最小的結(jié)果規(guī)律不明顯。

對(duì)上述方案的波動(dòng)系數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表17～表19。由結(jié)果可以看出，以小時(shí)波動(dòng)最小為目標(biāo)的波動(dòng)系數(shù)和大體上優(yōu)于其他兩個(gè)，對(duì)西北全網(wǎng)而言，小時(shí)波動(dòng)為主要優(yōu)化目標(biāo)。

4 結(jié) 論

如何準(zhǔn)確評(píng)價(jià)和有效平抑風(fēng)光出力波動(dòng)性，提高風(fēng)光發(fā)電的消納能力和互補(bǔ)性，是當(dāng)前風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)研究的重要課題。本文針對(duì)西北地區(qū)風(fēng)電、光伏波動(dòng)特性及其合理配比進(jìn)行分析建模，并通過(guò)實(shí)際算例開(kāi)展計(jì)算。首先，創(chuàng)新提出衡量風(fēng)光波動(dòng)的指標(biāo)體系，基于距平類建立小時(shí)、日和月波動(dòng)系數(shù)，對(duì)西北地區(qū)風(fēng)光資源特性進(jìn)行分析。其次，基于資源互補(bǔ)以及考慮負(fù)荷的影響建立風(fēng)光波動(dòng)最小配比數(shù)學(xué)模型。最后，使用所建立的風(fēng)光波動(dòng)最小配比數(shù)學(xué)模型對(duì)2030年西北電網(wǎng)的風(fēng)光波動(dòng)最小配比開(kāi)展計(jì)算。此外，實(shí)際電力系統(tǒng)中光伏和風(fēng)電出力分別具有日內(nèi)和日間波動(dòng)大的特點(diǎn)，而現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)以日內(nèi)調(diào)節(jié)為主，與光伏出力特性較為匹配，因此當(dāng)系統(tǒng)中儲(chǔ)能占比較高時(shí)，提高光伏裝機(jī)比例對(duì)系統(tǒng)有利，未來(lái)可結(jié)合各類電源規(guī)劃情況進(jìn)一步研究論證風(fēng)光最佳配比。

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RESEARCH ON MINIMUM OPTIMAL RATIO OF WIND AND PHOTOVOLTAIC FLUCTUATIONS IN NORTHWEST POWER GRID

Sun Pei1，Wang Ying2，Li Yutian1，Zhang Yujin1，Tao Jiaqi1

（1. Northwest Electric Power Design Institute Co.， Ltd.， China Power Engineering Consulting Group Corporation， Xi’an 710075， China；

2. Northwest Branch of State Grid Corporation of China， Xi’an 710048， China）

Abstract：The index system is put forward to measure the fluctuation of wind and photovoltaic combined power generation system， and the hourly， daily and monthly fluctuation coefficients are established based on the anomaly class， and the characteristics of the wind and photovoltaic resources in northwest China are analyzed. Based on resource complementarity and load effect， a mathematical model of minimum ratio of wind and photovoltaic fluctuation is established. Finally， the minimum ratio of wind and photovoltaic fluctuation of the northwest power grid in 2030 is calculated. The research provides some reference for the development and policy making of new energy in northwest China.

Keywords：wind power； solar energy； optimization design； complementarity； fluctuation； northwest power grid