地市区域风电出力特性分析

    彭有福 李鹏 喻琢舟等

    摘 要：收集广东北部某地市2017年1月-2018年8月风电实际出力运行数据进行分析，对该市风电出力的季节特性、日特性、出力波动率、出力概率区间、保证容量和有效出力等指标进行分析，为该市的电力系统规划和运行提供参考依据。

    关键词：风电;出力特性;保证容量;有效出力

    0 前言

    风电产业是我国战略性新兴产业的重要组成部分，风力发电是可再生能源领域中技术成熟、最具规模开发条件的发电方式之一。积极有序开发风能资源，对于增加清洁能源供应、促进能源结构调整和节能减排具有重要意义[1]。本文研究的地市区域位于广东北部山区，属亚热带季风性气候，冬半年受北方冷空气影响，盛行东北季风，天气较为干冷;夏半年则为季风低压、热带气旋外围环流所影响，盛行西南和东南季风，高温多雨;区域的风能资源较为丰富。根据《广东省陆上风电发展规划（2016-2030年）》成果，至2020年底该市将规划建成陆上风电总装机容量80万千瓦，至2030年底陆上风电总装机容量200万千瓦。

    该市风电资源待开发规模较大，但开发时间较晚（第一座风电场的投运时间为2016年11月），且对風电出力数据研究较少。本文收集2017年1月1日～2018年8月31日（时间间隔为15分钟）共计58368个时间点的风电出力数据，基于统计学的方法分析该市风电的季节特性、日特性、出力波动率、出力概率区间、保证容量和有效出力，共6个风电出力特性评价指标，为该市的电力系统规划和运行提供参考依据。

    1 风电出力特性

    1.1 季节特性

    分别对该市的风电出力数据进行月和季统计周期的均值处理，该地市区域的风电机组平均年满发小时为1867h，容量系数为21.3%。风电出力的季节特性显示为：风电的月平均出力系数范围在12.6%至34.6%;最大平均出力系数出现在10月（34.6%），最小平均出力系数出现在9月（12.6%）。风电的季平均出力系数范围在16.4%至27.1%，各季平均出力由大到小的排序为：秋>冬>春>夏，与该地区夏季小水电大发时段重叠的几率较小。

    1.2 日特性

    先对该市的风电出力每15分钟间隔的数据进行月、季、年共3个不同统计周期的小时出力系数加权平均值处理，得出月、季、年的风电出力系数小时曲线，详见图1。月、季、年统计周期的风电出力系数日曲线都呈现“晚上出力大、白天出力小”的特点，除晚上18h～22h处于电网负荷较高时段外，晚上22h～次日8h均处于电网负荷较低时段，反调峰特征明显。

    1.3 出力波动率

    电力系统中由于用电负荷与电源必须保证时刻平衡，而用电负荷与电源都有变化和不确定的特征，所以电力系统运行过程中将保留部分电源设备容量作为负荷、事故以及检修的备用容量。由于风的间歇性、随机性和波动性以及风电场的本身特性（如：风速变化、风剪切、偏航误差、塔影效应等因素）使得风电机组的输入风能具有不稳定性，导致了风电出力会随机波动，从而可能引起系统频率稳定问题，因此在考虑系统电源出力安排与备用容量时需增加风电影响因素。

    本文引入风电出力波动率来表征风电出力的不确定性对系统备用造成的影响。受限于实际数据的时间间隔为15min，本文仅进行15min风电出力波动率的统计分析，该市风电的15min出力波动率最大值为47.3%。15min出力波动率在0%～5%区间的概率为85.5%，占绝大部分;15min出力波动率在5%～10%区间的概率为11.8%;15min出力波动率在10%～15%区间的概率为2.0%;15min出力波动率在大于15%区间的概率为0.7%。

    根据上述分析表明，该市风电出力波动率较小，出现突升或突降得概率很低。同时当地火电装机容量远远大于风电，也有相当比例调节速度更快的水电装机容量。因此，该市风电的消纳不会受到其他电源调节速度的限制。

    1.4 出力概率区间

    采用概率处理方法，将收集到的58368个时间点的风电出力数据转化成风电出力系数后进行归一化处理，归一化区间如下：

    完成归一化处理后，对风电出力的概率分布情况进行分析，详见图2。可以看出，风电出力主要集中在0%～55%区间内。出力在0%～10%区间的概率最大，约占46%。各区间随着风电出力的增大，概率呈快速减小的趋势;风电出力大于55%时，其概率已降到2.5%以下。

    风电出力累计概率曲线呈现凸二次曲线的特点。出力系数0～35%，累计概率达80%;出力系数0～55%，累计概率达95%;风电出力系数大于55%的累计概率仅为5%，对总发电量的贡献很小。

    1.5 保证容量

    保证容量是衡量风电在负荷高峰时段用于系统电力平衡的容量，表示规模风电高峰负荷时段对常规机组的替代作用。一般情况下，其计算方法是把负荷高峰时段的风电出力按从大到小排，取在某一保证率下（本文取95%）风电的最小出力作为风电的保证容量。若风电具有一定的保证容量，即认为可替代对应保证容量的火电装机。在进行电力系统规划时，风电的保证容量直接影响其他电源的装机规模[2]。

    筛选该市负荷高峰时段（负荷系数大于90%时段）的风电出力系数计算保证容量，详见图3。可以看出，当地风电保证容量系数仅为1.5%，替代系统可靠电源容量作用很小。

    1.6 有效出力

    有效出力是衡量风电在负荷低谷时段参与系统调峰平衡的容量，表示规模风电低谷负荷时段对系统调峰容量的需求。一般情况下，其计算方法是把负荷低谷时段的风电出力按从小到大排序，在某一保证率下（本文取95%）风电的最大出力。进行电力系统规划时，风电的有效出力直接影响到系统对其他电源调峰能力的需求以及系统调峰电源的规划[2]。

    筛选该市负荷低谷时段（负荷系数小于60%时段）的风电出力系数计算有效出力，详见图4。可以看出，当地风电有效出力系数为62%，低谷负荷时段对系统调峰容量的需求较大。

    2 结论

    （1）通过对该市风电出力特性的研究，得到该市风电出力特征如下：在10月平均出力最大，9月最小;秋冬季出力大，春夏季出力小。日特性呈现“晚上出力大、白天出力小”特点，在电网负荷较低时段有明显的反调峰特征。风电出力波动率较小，出现突升或突降得概率很低。风电出力累计概率曲线呈现凸二次曲线的特点，出力系数0～35%，累计概率达到80%;出力系数0～55%，累计概率达到95%;风电出力系数大于55%的累计概率仅为5%。风电保证容量系数1.5%，有效出力系数62%。

    （2）该市风电参与电力系统规划和运行的平衡。因为风电保证容量系数仅为1.5%风电可靠性差，建议风电不参加负荷正常大方式的电力平衡;风电有效出力系数达62%，建议风电参加负荷正常小方式的电力平衡。

    （3）本文收集该市的风电出力数据为58368个时间点（时间间隔为15分钟），随着时间的推移，风电出力数据还将不断积累。建议以年滚动周期，将上一年度风电出力数据加入历史风电出力数据库，对该地市区域风电出力特性进行滚动修正。

    参考文献：

    [1]广东省发展改革委.广东省陆上风电发展规划（2016-2030年）[Z].2016-11-23.

    [2]樊扬，林勇，徐乾耀，张宁，陈新宇.广东电网风电出力特性分析及其经济性评价[J].南方电网技术，2012，6（01）：8-12.