基于实测数据的风电场出力特性研究

文 | 张光军，冯元



基于实测数据的风电场出力特性研究

文 | 张光军，冯元

近年来，我国的风电装机容量不断增长，作为可再生能源的重要组成部分，风电对我国的能源结构改善起着至关重要的作用。掌握风能资源特性以及风电场出力特性，是研究风功率预测以及电网对风电调度的重要基础。

宁夏地区风能资源丰富，根据宁夏气象科研所统计，宁夏适宜风电开发的风能资源储量达1214万千瓦，风电发展具有巨大的优势。根据银川地区麻黄山风电场地区的风能资源情况，研究了单个风电场在不同时间尺度下的出力特性。研究结果为电力公司科学合理的规划风电调度提供重要的参考依据。

风能资源的不稳定性

一、数据来源

研究数据来自宁夏银川麻黄山风电场2014年5月1日到2015年4月30日的实测出力数据。该风电场有风电机组33台，总装机容量49.5MW，数据采样尺度为10分钟。对不合理数据进行剔除之后，将数据折算到1小时的时间尺度进行计算分析。

二、风速年变化

如图1所示，风速的变化是无规律的，波动性很大。根据实测的一年数据，计算得到的风频分布关系如图2所示，风电场年平均风速约为6.8m/s。

风电场年出力特性

一、一年的出力曲线

这一年内，该风电场总发电量为13520万千瓦时，等效可利用小时数约为2731小时。风电场年最大出力为51.1MW，占装机容量的103%。由图3可以看出，风电场一年内各月、各日、各小时之间均存在很明显的变化，没有明显的规律可言。

二、年出力累计曲线

将风电场一年内每小时的出力按从大到小排序，得到如图4所示的曲线，曲线与纵轴和横轴围成的面积即是风电场一年的发电量。

通过统计该风电场一年的出力情况，以装机容量的5%为横坐标间隔，得到了风电场对应的各出力保证率及出力累计保证功率，如图5所示。

由图5可知，风电场年出力主要集中在装机容量的0% - 50%，占全年时间的70%；出力在装机容量的0% -80%，占全年时间的90%；风电场年零出力约为434小时，占全年的5%，年零出力时间较短；风电场达到满发的时间也较短，约为96小时。

风电场月出力特性

一、各月出力

风电场各月发电量如图6所示。

总体看来，风电场的月发电量出现较大波动的月份为5月、7月以及12月；在春季、夏季以及秋季的发电量均比较平稳。

二、月内出力的波动性

由图6知，风电场在2014年8月份与10月份的总发电量近似，这两个月内风电场每天的相对出力如图7所示。

由图可知，虽然这两个月总出力近似，但每天的出力却出现很大的反差。8月份，风电场每天的出力相对比较平稳，每天最大相对出力为额定出力的62.5%。而10月份的出力波动相对较大，出现了两个尖峰出力日，其巅峰出力接近90%的额定出力，其他日期出力相对较小，最小出力为额定出力的1.5%。

根据集控系统的记录数据表明，该风电场在6月份至11月份出现连续数日的风电小出力，在12月份和1月份连续数日风电大出力的情况。如图8所示，其中连续小出力日为2014年10月11日至10月25日（虚线部分），连续大出力日为2014年12月7日至12月21日（实线部分）。

风电场日出力特性

一、日出力随机性

为了分析风电场日出力特性，选取典型相邻日，11月3日和11月4日这两天的日发电量近似，日出力曲线如图9所示。

从图9可以看出，这两天虽然发电量近似，但是在每一天的同一时刻，风电场的出力却出现很大的反差，说明现在的风电机组虽然可以通过先进的控制技术获得最佳的风能利用系数，但是风能固有的不确定性仍会使得风电机组的出力呈现出随机多变的不稳定性。

二、相邻日平均出力变化率

相邻日平均出力变化率K定义如下：

其中：

Pi为当日平均出力；

Pi-1为前一日平均出力；

P总为风电场装机容量。

统计结果如图10所示。

由图10可知，风电场日出力变化率在10%以内的比重最大，占统计数据的38.7%；日出力平均变化率在50%及以上的天数约占8.0%，日平均出力变化率最大为77.3%，即出力变化约为38.3MW。

三、全年日变化

从风电场的全年出力日变化曲线（图11）上看，呈现出“一峰一谷”的趋势。高峰时段为晚上22点到凌晨2点，相对出力约38%；低谷时段为上午8点到下午5点之间。

宁夏电网的供电负荷早高峰出现在早上6点到7点，晚高峰出现在19点至23点。从日出力曲线上看，风电出力可以迎合电网负荷晚高峰，但是在早高峰时却出现反调峰特点。

结论

（一）风电场出力具有明显的波动性和随机性，风电出力的变化范围较大，风电场设备利用率良好，年等效可利用小时数为2731小时。

（二）从风电场年出力来看，最大出力为装机容量的103%，风电场年出力主要集中在装机容量的50%以内，占全年时间的70%。

（三）从风电场月发电量来看，风电场在5月、7月和12月发电量较大，分别为1742万千瓦时、1441万千瓦时、1955万千瓦时；6月发电量较小，为832万千瓦时；其余各月发电量近似，集中在1000万千瓦时上下。

（四）风电场日内出力长期变化规律明显，但是每天变化的规律性不强。风电场的年平均日出力特性呈现出明显的“一峰一谷”的趋势，白天出力较低，最小出力为15.3MW；晚上出力较高，最大出力为18.8MW。

（五）风电场相邻日出力差异较小，变化率在10%以内的比重最大，占统计数据的38.7%；日出力平均变化率在50%及以上的天数只占8.0%。

（六）风电场的出力特性直接决定了其对电网的影响，应加强对风电出力的预测，为电网的规划和调度提供可靠的依据。

（作者单位：国电电力宁夏新能源开发有限公司）