风电出力特性研究

田晓军,刘 勇,夏保安

(1.河北能源工程设计有限公司,河北石家庄 050031;2.河北省电力勘测设计研究院,河北石家庄 050031)

风电出力特性研究

田晓军1,刘 勇2,夏保安2

(1.河北能源工程设计有限公司,河北石家庄 050031;2.河北省电力勘测设计研究院,河北石家庄 050031)

以张家口地区某风电场的年出力数据为基础,重点分析了风电场年、月、日出力特性,并以概率出力作为分析指标,深入分析了尖峰电量与风电出力的关系;并对电力平衡及调峰平衡时如何考虑计入风电场进行了探讨。通过风电场出力特性研究,可为电力系统规划、电网调度运行提供重要的参考依据。

风电;电力平衡;调峰平衡;电力系统规划

风力发电作为绿色能源,全球的装机总量在迅猛发展,风电在提供清洁低碳能源的同时,风电场的大规模并网也给电网安全经济运行带来了不利影响。大规模风电场并网后,由于其出力波动较大,对电网调度运行、电压控制、电网调峰等都将产生一系列影响。针对风电出力随机性强、运行方式复杂多变的特点,笔者以现已运行的张家口地区某风电场出力数据为依据,阐述了风电场的出力特性,并针对风电的特点提出了风电在参与电力平衡计算的技术要求,为电网规划及调度运行提供重要的参考依据。

1 风电场出力特性

1.1 研究数据来源

本研究数据以张家口坝上地区某风电场(装机容量99MW)2009年9月1日至2010年8月31日共8760h的平均出力(以下简称出力)为依据,期间总发电量为18636万千瓦时,最大出力80.8MW,年发电设备利用小时数为1882h。

2.2 年出力特性

(1)8760h出力曲线

图1 8760h出力曲线

从图1可以看到,风电出力一年内各小时、各日、各月之间变化均很大,不连续性及突变性的特征较为明显,且无变化规律可言。风电场年最大出力80.8MW,占装机容量的82%。每年风电场尖峰出力时间较短,出力在70MW以上仅为100h,占全年8760h的1.1%;每年风电场零出力约1200h,占全年的13.7%。

(2)年出力累积曲线

将风电场一年内每小时的出力按照由大到小的顺序排队,得到风电场年出力累积曲线见图2,其中横坐标为时间,单位:h;纵坐标为风电场出力,单位:MW。曲线上一点Aij,对应的横坐标为i,纵坐标为j,表示该点对应的风电场出力为j MW,风电场出力大于等于jMW的时间为i小时。曲线与横轴、纵轴所围成的面积就是风电场的年发电量,图中的阴影部分表示出力大于等于j的尖峰电量。

图2 风电场年出力曲线

为进一步研究风电场出力特性,引入概率出力作为分析指标。

1%概率最大出力Pmax1:横坐标为87.6(8760 ×1%)时对应的风电场出力。

1%概率最小出力 Pmin1:横坐标为 8672.4 (8760×99%)时对应的风电场出力。

1%概率尖峰电量Amax1:风电场出力大于等于Pmax1产生的尖峰电量。

同理,可以定义Pmax3、Pmax5、Pmin3、Pmin5、Amax3、Amax5……。

由于风电场一年中13%以上的时间内出力为零,因此风电场 Pmin1、Pmin3、Pmin5的值均为零。为进一步研究风电场尖峰出力和尖峰电量概率关系,给出出力标么值(出力/装机容量)、尖峰电量标么值(尖峰电量/总发电量)与最大出力概率(Pmax)的关系见图3。

图3 出力标么值、尖峰电量标么值与最大出力概率的对比图

由图3可知,风电场最大出力概率 Pmax在0～1%之间时,出力从0.817下降到0.711,出力下降明显;最大出力概率 Pmax在1%～5%之间时,出力下降较为平缓。最大出力概率 Pmax在0～1%之间的尖峰电量仅为总电量的0.16%,所占比重较小;随着尖峰出力概率的增大,其尖峰电量逐步上升。

Pmax1为 70.4MW,为装机容量的 71.1%, Amax1为29.82万千瓦时,也就是说,该风电场发电出力大于装机容量71.1%的时间累加仅为87.6h,概率为1%,对应的尖峰电量仅为29.82万千瓦时,为年发电量的0.16%。该风电场容量偏小,而本规划涉及的该区域风电装机容量为950MW,相当于该风电场的10倍左右。由于多座风电场的最大出力与各风电场最大出力之间存在同时率,因此本规划区域的风电出力超过装机容量71.1%的概率将远小于1%,对应的尖峰电量也将远小于0.16%,属小概率事件,电力系统可通过备用容量调节或通过风电场少量弃风来适应。基于以上分析,在电网调峰平衡时,可基本按上述比例关系考虑风电参与平衡,即按装机容量的70%参与调峰平衡。

2.3 月出力特性

风电场 1～12月发电量及月最大出力见图4。

总体来看,月发电量与月最大出力较为吻合,但月发电量变化幅度较月最大出力大。

从月发电量看,1～5月、10～12月发电量均较大,6～9月发电量较小,说明风电场大出力方式主要在春季和冬季,小出力方式主要在夏季;从月最大出力看,除6、7月份外,其余月份最大出力均较大,并无太大差别。

图4 月发电量及月最大出力

2.4 日出力特性

为合理分析风电场日出力特性,选取最大出力日、一般出力日(日发电量 =年发电量/365天)、最小出力日曲线分析,日出力曲线详见图5。

图5 风电场日出力曲线

对比三个出力日曲线,最大出力日与一般出力日曲线形状基本类似,都呈明显的峰谷特征,其中0:00～8:00为出力高峰阶段,8:00～0:00为出力低谷阶段。最小出力日该风电场几乎无出力,相当于处于停机状态。

最大出力日、一般出力日风电场最大出力分别为80.8、48.4MW,分别占装机容量的81.6%、48.8%;最大出力日、一般出力日风电场最小出力分别为10.3、5.5MW,分别占装机容量的10.4%、5.5%。

电力系统日负荷特性在上午8:00～11:00、下午18:00～22:00为高峰负荷时段,而风电场在该时段表现为较小出力状态;反之,电力系统日负荷特性在凌晨0:00～6:00为低谷负荷时段,而风电场在该时段表现为较大出力状态;故风电场出力和电力系统负荷特性具有相反特性特征。

3 小结

(1)风电场出力波动较大,具有不连续性及间歇性的特点,其控制和预测都相当困难,风电场年发电设备利用小时数较低,一般在2000h左右。

(2)从年出力看,风电场年最大出力为装机容量的81.7%。一年内,出力在装机容量70%的时间只占1%左右,零出力时间占13.7%。

(3)从月发电量看,1～5月、10～12月发电量均较大,6～9月发电量较小,表明风电场大出力方式主要在春季和冬季,小出力方式主要在夏季。从风电场月最大出力看,除6、7月份外,其余月份均较大,并无太大差别。

(4)风电场的日出力与负荷变化规律是相反的,一般在电网高峰负荷时段(白天),风电场由于风力缺乏使得出力较低;而电网低谷负荷时段(夜晚),风电场由于风力丰富使得出力较高,从而使得电网的等效负荷峰谷差加大。大规模风电并网后,由于风电出力反调峰特性,将进一步加大电网的调峰难度。

(5)风电场最大出力概率 Pmax在0～1%之间时,出力从0.817下降到0.711,出力下降明显。而该期间的尖峰电量仅为总电量的0.16%,所占比重较小,建议采用1%概率时的风电出力进行电网调峰平衡计算。

(6)从风电参与电力平衡和调峰平衡看,风电场参与电力平衡的容量应取低值或者不考虑其参与电力平衡,而调峰容量可按1%概率的风电出力来考虑。综合以上分析,建议在做系统规划时风电装机不参加电力平衡,按风电装机规模的70%参加调峰平衡。

[1] 迟永宁,刘燕华,王伟胜.风电接入对电力系统的影响[J].电网技术,2007,31(3):77—81.

[2] 计崔.大型风力发电场并网接入运行问题综述[J].上海电力,2008,(1):59—63.

[3] 李锋,陆一川.大规模风力发电对电力系统的影响[J].中国电力,2006,39(I1):80-84.

[4] 雷亚洲.与风电并网相关的研究课题[J].电力系统自动化, 2003,27(8):84-89.

[5] 迟永宁,刘燕华,王伟胜.风电接入对电力系统的影响[J].电网技术,2007,31(3):77-81.

Research on characterization of wind power output

TIAN Xiao-jun1,LIU Yong2,XIA Bao-an2

(1.Hebei Energy Enginecring Design Co,L td;Shijiazhuang Hebei050031;China;2.Hebei Elettric Pow er Design&Research Institute;Shijiazhuang Hebei050031;China)

Based on the annual output data of a w ind farm at Zhangjiakou area,it analyses the output characteristic of the w ind farm in a period of one year,one month and one day,and regards the output p robabilities as analysis index,in o rder to analyse the relationship betw een peak power and the w ind pow er output,then discusses the measure of pow er balance and peak regulation balance after the w ind farm connects to the power grid.The study of the w ind power output characteristic w ill p rovide the basis and the reference fo r dispatching operation and pow er system p lanning.

Wind power;Power balance;peak regulation balance;Power system p lanning

TM 614

:A

1001-9383(2010)04-0043-05

2010-08-30

田晓军(1979-),男,河北石家庄人,硕士,工程师,主要从事电力系统规划设计和变电站设计工作.