泛在化特性的山西省域风电多尺度评估方法研究

南晓强，王小昂

（国网山西省电力公司，山西 太原 030001）

0 引言

区域能源特性分析是建设泛在电力物联网的基础。通过对现有运行数据的分析，挖掘数据价值，明确山西省域、各地区区域能源特性，实现包括新能源在内的多种能源的精益控制，可有效提升对新能源的感知和控制水平，并可进一步提升特高压交直流输电能力和电网接纳新能源的水平，是保障电网安全稳定运行、提高新能源企业运行经济效益的有效手段。构建新能源特性多时间尺度分析办法，能提高电网对新能源的感知水平，明确山西省域内多能运行特性，打造山西电网多源协调控制、场网友好互动的技术基础。

新能源输出的随机波动性及出力不确定性，给电网安全运行带来了不确定性。文献 [1-4]根据实测数据，分析了风电输出特性。风电输出特性分析是明确区域风资料特性、掌握风电运行变化规律、做好大规模新能源接入电网适应的前提工作。本文利用山西省调风功率预测系统及日报表系统中全省风电场有效数据，对全省风电输出特性进行分析。

1 风功率年度特性分析

1.1 年度时序分布特性

以山西省调风功率预测系统及日报表系统为基础，取年运行数据进行分析，以日和月为单位求均值，得到的山西电网全网风电场日平均功率、月平均功率时序分布见图1和图2。

图1 风功率日平均分布图

由图1可知，日平均功率分布范围较广，最小值为0（标幺值），最大值高于0.8（标幺值），且相邻日之间存在较大的跳跃，有连续数日平均功率较大（0.6标幺值以上）和连续数日平均功率较小（0.2标幺值以下） 等情况。由此可以得出山西省域风电场输出功率具有较强的随机性，但也存在一定的规律。

图2 风功率月平均分布图

由图2可知，山西电网风电输出功率月均值最大值为0.33（标幺值），最小值为0.11（标幺值），其余各月均值在0.2（标幺值）以上。由此可以得出山西风电输出功率具有明显的季节特性：夏季风电场输出功率最小，夏季的3个月平均功率仅占风电装机容量的11%左右；春、秋、冬3个季节输出功率较大，是夏季的2倍左右。

1.2 年度负荷率特性

在考虑山西全省风能资源多样性、风电机组类型差异性的基础上，研究较广区域输出特性，结合小区域地理及气候特性导致的个性特征，对把握全域整体特性在电网运行、规划中的意义更为重大。图3为山西电网风电年负荷率的概率分布图。

图3 山西电网风电机组年负荷率概率分布图

图3中，横坐标5%、10%、15%处所对应的柱状图表示负荷率在±5%区间的累计概率，其余以此类推。图3中，柱状图的高低描述了年负荷率在对应区间累计概率的大小。由图3可以得出山西电网风电机组的负荷率在持续1年时间里的分布特性：负荷率概率最大的区间为 [10%，15%]，在此区间其累计概率接近20%；负荷率概率最小的区间为[75%，80%]，此区间累计概率不足1%；负荷率的概率分布主要集中在区间 [5%，50%]，其间隔为5%的累计概率均超过5%，此区间累计概率为80%以上；负荷率低于5%的累计概率为5%左右，低于10%的累计概率为15%，高于60%的概率仅为4%左右。

1.3 风电年有效利用小时数

图4给出了风电年有效利用小时数分布图。从图4可以看出，山西电网年度有效利用小时数分布在 [0 h，18 h]之间，分布范围较广，且波动性较大，最大利用小时数达到17.17 h，最小值只有0.31 h，且在夏季，低利用时间持续较长。

图4 风电年有效利用小时数分布图

2 风电功率24节气特性分析

2.1 风电功率24节气特性分析

节气将每个季节分为6个时间段，每个时间段为15天左右，存在大小月之差时，也会出现14天与16天的情况。每个节气代表着从该天起的一段时间内气候具有一定的特性。下文对24节气时间段风功率输出特性进行分析。图5为24节气风功率输出特性图。

从24节气风功率输出特性可以看出以下情况。

a） 春季6个节气中惊蛰风功率平均输出值最大，其次为春分；风功率波动最大时间段出现在谷雨，其次为春分；立春与雨水时段风功率输出值较小，波动也较小。

b）夏季6个节气中立夏风功率平均输出值最大，其次为小满；风功率波动最大时间段出现在立夏，其次为小满；夏季其他时段（包括芒种、夏至、小暑及大暑）风功率输出值较小，波动也较小。

c） 秋季6个节气中霜降风功率平均输出值最大，其次为寒露；风功率波动最大时间段出现在霜降，其次为寒露与秋分；立秋、处暑与白露时段风功率输出值较小，波动也较小。

d）冬季6个节气中大寒风功率平均输出值最大，其次为小寒，且相对其他季节冬季的均值都较大；风功率波动最大时间段出现在冬至，其次为立冬；对比其他季节，冬季风功率的均值及波动都较大。

e）从全年变化情况看：夏季风电输出功率较小，比较集中，主要分布在0～0.4（标幺值）之间，但存在增幅较大的情况；秋季和冬季风电输出功率的分布比较分散，但风电功率增减幅度比较大且出现的频率较高，最大变化量高达0.7（标幺值）；春季风电输出功率也比较分散，日内、日间的增减程度均较大；冬、秋季风电机组负荷率主要平均分布在 [5%，50%]区间之内。与其余季节相比，冬、秋季电网风电输出功率的波动范围最大；夏季风电机组低负荷运行概率较高，负荷率超过40%的情况很少发生。与其余3个季节相比，夏季山西电网风电输出功率最小，发电量最少；冬季与秋季风电机组的负荷率集散程度差异不大，但均弱于春季。

图5 24节气风功率输出特性图

2.2 24节气风功率波动性

图6为24节气风功率波动曲线图。从图6可以看出，24节气风功率波动分布在 [-0.5，0.55]（标幺值）之间，范围较广，风功率波动最大值出现在冬至前后，达到0.55（标幺值），在惊蛰、立夏及立冬也出现较大的波动，最小值出现在芒种，只有0.04（标幺值）。

图6 24节气风功率波动曲线图

2.3 24节气风电逆调峰特性

图7为24节气风电逆调峰日占比图。从图7可以看出，24节气逆调峰日占比分布在 [20%，90%]之间，范围较广，且波动性较大，最大逆调峰日占比出现在小寒，达到86.80%，最小值出现在芒种，只有23.33%。全年的平均值达到47.27%，约达到一半时间处于逆调峰时间。

图7 24节气风电逆调峰日占比图

2.4 24节气风电有效利用小时数

图8为24节气风电有效利用累积小时数分布图。从图8可以看出，由于受大气环流的影响，24节气风电功率变化明显，主要表现在以下几方面。

a）从大雪节气开始，山西将处于蒙古高压中心的前部，地面盛行西北气流，该气流强度大，持续时间长，一直持续至立春前后。

b） 进入清明节气后，随着气温的逐渐升高，蒙古高压和阿留申低压将明显减弱消退，西风气流北移，强度大减，而西太平洋反气旋环流则显著加强，流经黄土高原一带时会出现一连串小型反气旋，受其影响，山西地区在谷雨前后会出现大风天气。

c）随着小满节气的到来，地面气温逐步升高，印度低压发展并控制了整个亚洲大陆，西太平洋副热带高压的势力也大大增强，并向北扩展，山西处于低压前部，地面主要吹东南风，但环流比较平直，强度比冬季显著减弱。

d） 进入白露后，随着大陆气温的逐渐下降，地面气压场形势会发生显著变化，蒙古高压和阿留申低压开始活跃，而印度低压和西太平洋副热带高压开始明显衰退，山西由小满一直持续至立秋时节的偏南风转变为偏北风，风力逐步增大。

e）从24节气风电有效利用累积小时数统计结果看，24节气风电有效利用累积小时数分布在 [30 h，135 h]之间，范围较广，且波动性较大，最大利用累积小时数出现在冬至，达到130.32 h，最小值出现在夏至，只有31.42 h，且在夏至前后低利用小时数持续时间较长。

图8 24节气风电有效利用累积小时数分布图

3 结论

a）全年最大日平均风速基本出现在冬季的1月份，最小日平均风速分布相对分散，出现在夏季的8月、9月。山西电网风电在每年的10月到次年的4月为富风期，平均风速为6～8 m/s，月平均利用小时数在200 h以上。每年5月至9月为小风期，平均风速不足5 m/s，月平均利用小时数在100 h左右。从24节气来看：从大雪节气开始，山西将处于蒙古高压中心的前部，地面盛行西北气流，该气流强度大，持续时间长，一直持续至立春前后；进入清明节气后，随着气温的逐渐升高，蒙古高压和阿留申低压将明显减弱消退，西风气流北移，强度大减，而西太平洋反气旋环流则显著加强，流经黄土高原一带时会出现一连串小型反气旋，受其影响，山西地区在谷雨前后会出现大风天气；随着小满节气的到来，地面气温逐步升高，印度低压发展并控制了整个亚洲大陆，西太平洋副热带高压的势力也大大增强，并向北扩展，山西处于低压前部，地面主要吹东南风，但环流比较平直，强度比冬季显著减弱；进入白露后，随着大陆气温的逐渐下降，地面气压场形势会发生显著变化，蒙古高压和阿留申低压开始活跃，而印度低压和西太平洋副热带高压开始明显衰退，山西由小满一直持续至立秋时节的偏南风转变为偏北风，风力逐步增大。从地域性来看：忻州、朔州地区最大月平均风速出现在冬季，春季次之，最小月平均风速出现在夏季，但也在5 m/s以上，忻州、朔州地区风向稳定，全年均为西北风；运城地区风速相对较小，年风速平均值在2.9 m/s左右，受季风变化的影响较小，主要为地方性风。由于山西电网风资源富风期与枯风期差异显著，给电力平衡、火电机组检修计划安排提出了新要求。

b）山西风电输出功率具有明显的季节特性：夏季风电场输出功率最小，其3个月平均功率仅占风电装机容量的11%左右；春、秋、冬3个季节输出功率较大，是夏季的2倍左右。秋季和冬季风电输出功率的分布比较分散，但风电功率增减幅度比较大且出现的频率较高；春季风电输出功率也比较分散，日内、日间的增减程度均较大。春季6个节气中惊蛰风功率平均输出值最大，其次为春分；风功率波动最大时间段出现在谷雨，其次为春分；夏季6个节气中立夏风功率平均输出值最大，其次为小满；风功率波动最大时间段出现在立夏，其次为小满；秋季6个节气中霜降风功率平均输出值最大，其次为寒露；风功率波动最大时间段出现在霜降，其次为寒露与秋分；冬季6个节气中大寒风功率平均输出值最大，其次为小寒，且相对其他季节冬季的均值都较大；风功率波动最大时间段出现在冬至，其次为立冬；对比其他季节，冬季的均值及波动都较大；从全年24节气来看，大寒风功率平均输出值最大，其次为惊蛰，风功率波动最大时间段出现在冬至，其次为大雪。

c）从风电24节气有效利用累积小时数分布图可以看出，24节气有效利用累积小时数分布范围较广，且波动性较大，最大利用累积小时数出现在冬至，最小值出现在立秋，且在立秋前后低利用小时数持续较长。

d）从24节气风电逆调峰日占比分布图可以看出，24节气逆调峰日占比分布在 [20%，90%]之间，范围较广，且波动性较大，最大逆调峰日占比出现在小寒，达到86.80%，最小值出现在芒种，只有23.33%。全年的逆调峰日平均值达到47.27%，约有一半时间处于逆调峰。

e） 从24节气风功率波动曲线可以看出，24节气风功率波动分布在 [-0.5，0.55]（标幺值）之间，范围较广，风功率波动最大值出现在冬至前后，达到0.55（标幺值），在惊蛰、立夏及立冬也出现较大的波动，最小值出现在芒种，只有0.04（标幺值），对全网的功率调节造成较大的干扰。

f）从风速日变化曲线可以看出：风速日变化以凌晨0点左右最大，午后13点次之，日出后最小。白天，太阳辐射增强，由于地表增热不均、乱流发展，使上下层空气交换频繁，上层动量下传，使近地层风速加大；午后乱流发展最强，风速逐步增大；随着太阳辐射的减弱，乱流减弱，近地面层风速逐渐减小；日落后随着地表温度的变化，上下层空气交换将持续，风速会在这段时间内达到最大；凌晨5点左右地表结束热交换，风速急剧减小，至日出后达到最小。风速的变化导致风电输出功率的波动性，对全网的功率调节造成较大的干扰，使日调整更加困难。

g）从风功率日变化曲线可以看出：山西电网风电日平均功率分布范围较广，存在最小值接近0和最大值高于0.8（标幺值）的情况，相邻日之间有时会出现较大的跳跃，存在连续数日平均功率较大和连续数日平均功率较小等情况。由此可以得出，风电场输出功率具有较强的随机性、波动性和不确定性，对电网的电能质量造成影响，如电压偏差、电压波动和闪变，更重要的是，需分析其对系统动态稳定、暂态稳定及电压稳定性的影响。