风电不确定性对电力系统影响研究

中国能源建设集团投资有限公司吉林分公司 檀 健

1 风电不确定性

风能与太阳能、水能均具有可再生性，通过对其进行利用，不仅能够有效避免传统发电方式所造成的环境污染问题，而且还能够带来更为优质的电能，有助于缓解当前面临的全球性能源危机。但与太阳能、水能不同，风能利用的不确定性较高，例如时空分布的不确定性、风速大小的不确定性、风力间歇时段的不确定性等，而上述这些不确定因素又会对整个电力系统的可靠性与稳定性造成影响。

1.1 风速的波动性与间接性较强

自然风在运动的过程中，风速存在着较为明显的波动性与间接性。首先，在时间分布方面，不同时间段下的风速均存在区别。因此，在对风能进行利用的过程中，很难对平均风速进行精准把控。其次，风速还存在着时段性，即不会稳定存在，有时风速较小、有时风速较大、有时没有风。正是由于风速的波动性与间接性，造成了风力发电系统很难单一地依靠风力进行稳定发电。

一般情况下，风力发电在1h 内的变化量占总时间的10%～35%，在4～12h 后，其变化量甚至可能超过50%[1]。而风速波动性与间歇性则会直接影响电力系统的稳定，对电能质量及相关工作内容产生影响，风速波动性与间歇性研究见表1。

表1 风速波动性与间歇性研究

1.2 风电随机性较大

针对风电随机性较大这一特点，需对当地自然气候进行长期观察，针对风速的波动性与间歇性进行研究，对风向、风速的运动规律等进行分析与总结，最后以此为基础制定适宜当地气候的发电方案。但合理的风电方案虽然能缓解风速波动性与间歇性的影响，但是却难以消除其他因素的影响。因为在影响风电随机性的因素方面，除了气候因素外，还与当地的地形、空间分布、自然环境以及人为因素有关。

1.3 风电存在较多不确定因素

在自然风运动中，其不确定性主要表现在平均风速、风向的变化上，而造成这种不确定的因素较多，例如地形地貌、城市空间规划、空气密度等。通常情况下，在对平均风速概率模型进行构建的过程中，通常会采用Weibull 分布，从而利用性质参数以及分布尺度对风速的期望及标准差进行直观反映。在对风电功率的不确定性因素进行反映的过程中，仅凭借普通的统计方法较难展现自然风的时空分布情况，容易造成风电系统评估误差。风速越限、风机故障等是导致风电转换过程中不确定性的主要原因，能够使机组运行状态以及风电功率发生变化。因此，在风电系统运行过程中，无论是系统内部还是外界环境均存在着不确定性，例如发电机组故障、随机时间、负荷情况等，具体情况见表2。

表2 风电系统内部和外部不确定性因素

2 风电不确定性对系统的影响

2.1 对频率的影响

风电系统的稳定性，指的是在受到内外干扰情况下系统自身抵御影响的能力；风电系统的充裕性，则是指系统满足电力用户用电需求与功率需求的能力。在电力系统运行过程中，稳定性与充裕性是较为重要的两个指标，会直接影响整个系统的运行水平。其中，想要提升系统运行稳定性，便需要增强防干扰系统及抵御系统的设计；想要确保充裕性，则需要保证电力的正常输送。但受风电不确定性的影响，风电系统的电力频率通常会存在不稳定的情况，使频率变化出现随机性，难以进行精准控制与计算。对于上述情况，需要加强对风电不确定性规律及影响因素的研究，通过确定具体的影响因子，采取相对应的控制措施，缓解风电不确定性对系统稳定性、充裕性的影响，避免出现因频率超标而导致的电力系统稳定性受损的问题发生。

2.2 对电压的影响

在风电系统运行中，电压的波动与风电功率的波动往往呈正相关，具体表现在湍流强度的变化、风速的变化以及塔影效应等。而如果电压长期处于不稳定状态，便会增加电力系统故障发生的概率，表现较为明显的便是风机脱网现象。为缓解风电不确定性对电压造成的影响，可以在电力系统线路中专门安装无功补偿设备，避免电压出现频率失稳的情况，保证整个电力系统的高效运行，减少因电压失稳所造成的安全故障。

2.3 对电能质量的影响

通常情况下，发电机启动需要吸取电网中大量的无功，并会导致并网在一瞬间产生额定电流的2～3倍的冲击电流。当脱网的过程中，则会使电网电压逐渐升高至4%～10%。而一旦受到风电不确定性的影响，便会导致电压跌落、闪烁、涌流以及瞬时供电中断的情况发生，进而给电力系统供电质量造成影响[2]。

2.4 对系统性能的影响

在风电系统运行过程中，依赖于良好的系统性能，是维持电力稳定的重要保障。但是受风电不确定性的影响，系统性能及电能生产很容易被干扰，例如干扰电力输送设备的正常运行、影响系统各项参数的设定等，在设备性能得到降低的情况下，便会给电力输送工作带来困难。为尽可能保障系统稳定性，防止性能波动情况的出现，需要借助更多的性能辅助设备缓解风电不确定性的影响，确保电力生产的稳定性。

2.5 对调峰能力的影响

在风电并网的情况下，受不确定因素的影响，负荷需求往往会存在最大与最小两种情况，这会给系统调峰工作带来一定的困难。只有电力系统能够在负荷需求最大或最小时依然安全运行，才能够确保整个系统的稳定性与安全性。在风电大规模并网的前提下，除了会造成电力负荷的波动外，风电出力的不确定性也会给系统调峰能力带来影响。例如，当电力系统处于用电量最大的时期，所预留的电力则最少，一旦这时风电功率变为0，则会造成有功缺额达到最大值；而当电力系统处于用电量最小的时期，一旦这时风电功率变为最大，便会造成调峰难度的增加。

3 风电不确定性的应对

3.1 建立电网防线，缓解不确定因素的影响

为应对风电不确定性，保障电力系统的稳定性。首先，需要对影响风电不确定性的因素展开分析，并基于当地的自然气候、自然环境、地形、城市规划情况等，提前制定相应的预防策略，设计紧急控制方案，并采取校正控制，通过这三道措施强化对风电不确定性的控制。同时，还需要根据风险原则对风电场运行中的各项决策进行调整，将电力系统稳定性与安全性放在第一位。例如，当发生因风力间歇性影响造成的风电场停运情况时，为缓解对发电效率产生的影响，需要对电力系统内的各个环节工作进行优化，例如发电环节、输送环节以及用电环节等，同时采取有效的紧急情况应对策略，防止因风电场无序脱网带来大面积影响。

3.2 提高风速预测精度

风电不确定性与风速的随机性具有较大关系，因此想要增强电力系统稳定性，不断提高风速预测精度是主要路径之一。其中，风速的长期预测可以与电力系统规划相关联，中期预测则可以与检修计划的制定相挂钩，短期以及超短期预测应为日运行计划以及实时运行计划提供精准的信息，这样才能够缓解风电不确定性对电力系统运行产生的影响。此外，在进行超短期风速预测的过程中，需要将研究的重点放在瞬时误差范围的分析上，而不是风速的平均误差研究。

3.3 加强对系统充裕性、稳定性的把控

为应对风电不确定性所带来的影响，电力企业需要对各类非电力信息进行整合，例如电力市场的交易信息、风速预测信息等[3]。并基于特定的模型与算法，对所整合的数据信息进行分析，评估风电不确定性对电力系统充裕性、稳定性造成的影响，再通过处理离散变量或连续变量，制定科学的系统充裕性与稳定性控制计划。

3.4 加强风电储能系统的设计

基于功能的不同，储能系统可被分为功率型与能量型两类。其中，功率型储能系统具有功率密度高、功率调节快的优点，包括常见的蓄电池、电容器以及飞轮等，虽然能够有效改善电力系统质量及运行可靠性，但是很难满足大规模的电能储存[4]。而能量型储能系统则具有高能量密度的特点，但其缺点也较为明显，并且速率较慢，因此并不适合频繁地充放电转换，例如太阳能电池、燃料电池等。混合储能系统应用于风电场如图1所示。

图1 混合储能系统应用于风电场

因此，在对风电储能系统进行设计时，应当配置更为灵活的后备电源，设置大规模的电能储存，通过混合型储能系统提升并网稳定性，在提高电能质量的基础上，也能够降低风电场内的储能成本[5]。

4 结语

综上所述，风电虽然具有清洁、可再生等优势，但由于不确定因素较多，很容易威胁到电力系统的充裕性、稳定性以及安全性。为有效缓解风电不确定性对电能质量、功率造成的影响，应当建立系统化的电网防线，提高风速预测精度，强化对系统充裕性的把控，并不断加强风电储能系统的设计。这样才能够有效控制风电的不确定性，进而降低因风电不确定性所造成的故障概率，从而促进我国电力事业的发展。