風(fēng)力發(fā)電受自然來風(fēng)的影響較大，具有明顯的隨機(jī)性與不確定性。隨著大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的快速發(fā)展，其接入電力系統(tǒng)而導(dǎo)致的相關(guān)問題越來越明顯。針對(duì)目前國(guó)內(nèi)風(fēng)電大規(guī)模接入受限的問題，以風(fēng)電場(chǎng)棄風(fēng)電量與系統(tǒng)為消納更多風(fēng)電而增加的調(diào)峰投資為約束，提出了利用系統(tǒng)低谷負(fù)荷時(shí)的合理?xiàng)夛L(fēng)來提高風(fēng)電的整體消納能力的理論研究方法。最后通過利用所建立的風(fēng)電消納模型，以東北某區(qū)域電網(wǎng)為例進(jìn)行了計(jì)算分析，得到了2015年與2020年在三種不同調(diào)峰平衡方式下的風(fēng)電消納能力，以期能為東北地區(qū)的風(fēng)電規(guī)劃與建設(shè)工作提供參考。

隨著全球能源的不斷消耗，美國(guó)。日本和歐盟等國(guó)際發(fā)達(dá)國(guó)家或組織的能源消費(fèi)政策不斷向著安全、清潔和經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展。同樣，在國(guó)內(nèi)，為了不斷切實(shí)貫徹可持續(xù)發(fā)展的能源政策，擺脫長(zhǎng)期以來中國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)以煤炭為主的局面，以及滿足在當(dāng)今經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的社會(huì)背景下國(guó)民對(duì)低碳環(huán)保的意識(shí)需求，加快發(fā)展綠色、低碳環(huán)保的可再生能源勢(shì)在必行。風(fēng)力發(fā)電是21世紀(jì)重要的綠色能源，同時(shí)也是新能源中技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一，伴著我國(guó)向低碳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的發(fā)展，風(fēng)電這種新能源發(fā)電模式在我國(guó)近幾年的能源消費(fèi)政策中呈現(xiàn)出如火如荼的發(fā)展態(tài)勢(shì)。

然而，風(fēng)電的運(yùn)行特性與常規(guī)能源不同，其出力具有隨機(jī)性與間歇性的特點(diǎn)，加之我國(guó)風(fēng)電的發(fā)展迅猛，以及風(fēng)電三峽宏偉構(gòu)想的提出，部分地區(qū)電網(wǎng)在風(fēng)電消納方面出現(xiàn)了一些問題，如作為2020年前規(guī)劃建設(shè)的7個(gè)千萬千瓦級(jí)風(fēng)電基地的吉林地區(qū)面臨的調(diào)峰壓力日益增大，在電力系統(tǒng)調(diào)峰困難時(shí)段(如供熱期等)已經(jīng)出現(xiàn)了風(fēng)電送出受限的情況對(duì)于風(fēng)電消納。本文在電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的前提下，從系統(tǒng)運(yùn)行與經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，通過收集整理與分析所獲得的風(fēng)電歷史數(shù)據(jù)，建立了一個(gè)基于合理?xiàng)夛L(fēng)下的風(fēng)電消納能力分析模型，以此為基礎(chǔ)達(dá)到實(shí)現(xiàn)風(fēng)能資源的合理利用以及為相關(guān)決策者做出科學(xué)決策提供參考的目的。

風(fēng)電特性分析

風(fēng)電機(jī)組的出力大小取決于風(fēng)速的高低，風(fēng)速則又受緯度、地形、氣象等因素的影響而具有強(qiáng)烈的隨機(jī)性和波動(dòng)性，致使風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)機(jī)的出力也具有強(qiáng)烈的隨機(jī)性和波動(dòng)性，加之我國(guó)獨(dú)特的自然地理?xiàng)l件，風(fēng)電出力還具有反調(diào)峰等特性。本文對(duì)東北地區(qū)風(fēng)電出力的分布特性與反調(diào)峰特性進(jìn)行分析。

1分布特性

在統(tǒng)計(jì)學(xué)中，常用數(shù)據(jù)的集中趨勢(shì)與離散程度來刻畫所研究對(duì)象的分布特性，本文同樣從此思路出發(fā)對(duì)風(fēng)電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。目前所獲得的風(fēng)電出力數(shù)據(jù)為一組等時(shí)間間隔下的觀測(cè)數(shù)據(jù)，即一組離散數(shù)據(jù);本數(shù)據(jù)在不考慮時(shí)間尺度的情況下是一簇一維數(shù)據(jù)，對(duì)一維離散數(shù)據(jù)的處理方法較多，為消除風(fēng)電裝機(jī)容量隨時(shí)間變化對(duì)分析產(chǎn)生的影響，在此利用“極差歸一化”的思路對(duì)其進(jìn)行處理。

圖1中，虛線曲線為MATLAB的dfittool工具箱擬合而得的威布爾分布曲線此威布爾分布曲線與氣象學(xué)中統(tǒng)計(jì)分析得出的風(fēng)速呈威布爾分布相似，這也從側(cè)面論證了極差歸一化方法在對(duì)風(fēng)電出力數(shù)據(jù)分析處理的合理性。同時(shí)可知，風(fēng)電出力的分布特性呈現(xiàn)威布爾分布特性。

２反調(diào)峰特性

所謂風(fēng)電反調(diào)峰特性是指風(fēng)電出力波動(dòng)與電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)具有相反的波動(dòng)特性，即呈現(xiàn)反相關(guān)關(guān)系:電網(wǎng)負(fù)荷值較小時(shí)風(fēng)電出力較大;反之，負(fù)荷值較大時(shí)風(fēng)電出力較小。圖2為東北地區(qū)某月8928個(gè)采樣點(diǎn)的風(fēng)電出力與電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)情況對(duì)比圖。

觀察圖2可知，電網(wǎng)負(fù)荷數(shù)據(jù)體現(xiàn)出較強(qiáng)的周期波動(dòng)性，較好的反映了負(fù)荷的周期性變化;而風(fēng)電出力則規(guī)律性較弱，且出力較大時(shí)多為負(fù)荷低谷時(shí)段，即負(fù)荷低谷時(shí)段風(fēng)電出力相對(duì)較大，負(fù)荷高峰時(shí)段風(fēng)電出力相對(duì)較小，呈現(xiàn)出反調(diào)峰特性。

風(fēng)電消納能力分析

１以調(diào)峰容量為約束的風(fēng)電消納方法

從調(diào)峰角度看，限制電網(wǎng)消納風(fēng)電能力以及產(chǎn)生棄風(fēng)的原因在于系統(tǒng)調(diào)峰能力不足，常規(guī)機(jī)組在負(fù)荷低谷時(shí)段難以降低出力以接納更多風(fēng)電。我國(guó)風(fēng)電大規(guī)模接入地區(qū)(如甘肅吉林等)，在極端情況下(負(fù)荷低谷時(shí)段)，常規(guī)機(jī)組在較小出力的基礎(chǔ)上是否有足夠的降低裕度來滿足風(fēng)電的接入，即低谷負(fù)荷時(shí)段的調(diào)峰能力是限制風(fēng)電大規(guī)模接入的關(guān)鍵條件。電力系統(tǒng)用于計(jì)算調(diào)峰容量的簡(jiǎn)化示意圖如圖3所示：

常規(guī)的風(fēng)電消納能力分析方法是通過計(jì)算電力系統(tǒng)中剩余的調(diào)峰容量，進(jìn)而計(jì)算出電力系統(tǒng)的風(fēng)電消納能力。電力系統(tǒng)剩余調(diào)峰能力的大小在很大程度上可以決定系統(tǒng)消納風(fēng)電能力的大小，這從電力系統(tǒng)運(yùn)行角度來衡量風(fēng)電消納能力是符合客觀事實(shí)的，但在系統(tǒng)調(diào)峰容量不變的情況下通過何種方法使風(fēng)電上網(wǎng)電量最大化且滿足經(jīng)濟(jì)最優(yōu)，以及如何規(guī)劃電力系統(tǒng)發(fā)展過程中(包括風(fēng)電裝機(jī)容量的變化以及調(diào)峰容量的變化)風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)規(guī)模此方面的相關(guān)研究較少，同時(shí)，傳統(tǒng)方法沒有考慮合理?xiàng)夛L(fēng)所帶來的經(jīng)濟(jì)效益，且對(duì)歷史數(shù)據(jù)的挖掘不夠深入。

２變槳系統(tǒng)故障

基于合理?xiàng)夛L(fēng)的風(fēng)電消納模型構(gòu)建由于風(fēng)電出力的不確定性，致使風(fēng)電場(chǎng)滿發(fā)或接近滿發(fā)的概率很低，且由于風(fēng)電的反調(diào)峰特性，少數(shù)風(fēng)電尖峰出力大都發(fā)生在負(fù)荷低谷時(shí)段，系統(tǒng)只能在更大范圍內(nèi)壓縮常規(guī)電源出力才能消納較多的風(fēng)電尖峰出力，在這種情況下系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性均得到不保障。在保證系統(tǒng)安全運(yùn)行的前提下，考慮到風(fēng)電的反調(diào)峰特性，通過放棄負(fù)荷低谷時(shí)段且較低概率下的部分風(fēng)電出力，使風(fēng)電上網(wǎng)價(jià)值量與為消納此部分風(fēng)電而增加的調(diào)峰投資持衡，即從投資決策角度出發(fā)，只要新增風(fēng)電場(chǎng)的年平均上網(wǎng)電量的價(jià)值量大于投資建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)的資金量，就應(yīng)該增加建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)，因?yàn)榇藭r(shí)增加風(fēng)電并網(wǎng)容量可以獲利在此思路下構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，如式(9)所示：