关于风电不确定性对电力系统影响的评述贾政

关于风电不确定性对电力系统影响的评述贾政
摘要：风电的主要缺点是风能的不确定性。

风电场在实时电力市场向供电公司
供电时会面临供电不足的风险，为保证供需双方的利益，必须要对风电不确定性
进行控制和预防。

通过研究风电波动性、随机性和间歇性的关系，归纳总结风电
不确定性的构成因素，分析对电力系统的影响，从而实现不确定性的协调控制。

本文对风电不确定性对电力系统的影响进行简单分析。

关键词：风电；不确定性；风电系统；影响
一、风电不确定性
1.1风速的波动性和间歇性
风速往往表现出较强的波动性和间歇性，在时域上可分解为大时间尺度的平
均风速及小时间尺度的脉动风速，在频域上则对应于低频分量和高频分量。

此外，风速的波动及间歇都不是确定性的行为，而是随机变化的。

风电功率是风速的3
次幂函数。

目前机械式风速仪每秒采集1次，以5min为周期计算均值并上传，
尚不能很好反映风速的脉动性。

风电的间歇性对应于平均风速的突然变化，很难
预测。

每个快变事件可用平均风速的变化幅度（或变化率）、开始时刻、结束时
刻（或持续时间）来描述。

1.2输出不稳定性
风速的波动性、间歇性和难预测性导致风电机组的输出具有很大的随机性。

通常认为风力发电只能提供电力而不能提供有效的发电容量。

研究表明，风电场
的容量因子（实际发电时间总和/系统总的正常时间）为1/3。

1.3风电的不确定性因素
1.3.1风速的不确定性。

风速的不确定性反映在风向、平均风速及脉动风速
等要素的时空分布上，受到地形、塔位、高度、空气密度、塔影效应和尾流效应
等的影响。

平均风速常用的概率模型是Weibull分布，其尺度参数和形状参数由
观测到的风速的期望和标准差来折算。

时域或统计方法仅能考虑导致风电功率不
确定的部分因素，而难以完整反映风的时空分布，因此风电不确定性及其对系统
影响的评估结果往往偏差很大。

用频域模型描述风电场功率的波动特性，并研究
时频的快速转换。

1.3.2风电转换中的不确定性。

影响风电转换过程的不确定性包括：①风机
脱网、故障、检修及由风速越限引起的切入切出；②大风电功率追踪与远程调节等工况间的变化；③机组运行特性的变化。

1.3.3风电系统外部的不确定性。

比较风电系统内部与外部因素，包括常规
发电机组、负荷和偶然事件的不确定性。

电网调度需要定量分析风电和负荷的同
向及反向波动，并考虑其对充裕性及稳定性的影响。

2010年国家电网的风电运行反调峰比例为43%，华北地区更是高达59%。

1.4风电不确定性的描述与分析。

在按历史数据及具体风电场特征归纳时，
可将风速分为平稳分量与非平稳分量，分别反映其间歇特征与波动特征，并在确
定性分析的基础上扩展到不确定框架中。

普遍认为不宜用高斯分布来描述风电的
不确定性。

1）基于点预测的解析法。

根据功率等级、预测尺度，建立相应的预
测误差经验分布模型，如加权贝塔分布模型，并确定其概率密度函数或分布累积
函数。

2）基于区间预测的拟合法。

可在指定概率下给出波动区间，而非统计值。

为避免对预测误差分布的假设，可采用非参数的自适应重采样或分位点回归方法。

3）基于场景预测的仿真法。

分别对各不确定性因素抽样后，综合为特定的仿真
场景。

然后根据各场景的发生概率及仿真结果，刻画这些随机变量对目标函数值
的概率分布及风险值（或机会成本）的综合影响。

例如，备用水平与节点功率
（风电和负荷）波动水平之间的概率模型。

二、风电不确定性对电力系统影响
2.1对电压稳定的影响
由于风电功率具有波动性和间歇性，进而会导致电压出现波动和闪变。

有专
家详细研究了风电功率的间歇性对电力系统电压稳定性的影响，指出保证电压稳
定性的关键问题是对风力发电机组的速度增量进行有效控制，对电压稳定性影响
最大的区域分布在风电场及其附近的节点区域。

2.2对频率稳定的影响
风电的发电功率不稳定，具有间歇性和波动性，从而使其发电量也不稳定，
输出功率不是恒定值。

风速发生变化时其输出有功功率就会波动，进而导致电网
内的有功也发生变化，有功会影响电网的频率。

如果一个地区的风电所占份额过大，某一时刻有功频率变动过大将会导致频率崩溃，甚至会使得整个电网瘫痪。

2.3对电力系统暂态稳定性的影响
风电并网对电力系统暂态稳定性的影响与风机和电网的运行方式以及电网的
拓扑结构等因素都相关。

有学者采用EEAC理论，对FSIG，DFIG对电力系统暂态
稳定性的影响开展了较为深入的研究。

研究结果表明，大规模的风电并网会改变
电力系统的潮流分布，电力系统的暂态特性确实发生了变化，可能会降低系统的
暂态稳定性，也可能会对电力系统稳定性有所改善。

风电接入的电压等级越高，
风电的渗透率越大，其对电力系统暂态稳定性的影响就越明显。

三、缓解风电不确定性对电力系统造成影响的对策
3.1解决风电并网带来的调峰困难问题
要解决调峰问题就要求加大对直调电厂低谷调峰的考核力度，进一步完善直
调电厂低谷深度调峰辅助服务的补偿措施。

一是在风电集中的地区加入储能装置，则可在频率超过一定范围后对风电的出力运行进行适当调整，并能充分保证风电
出力在延迟一定的时间后退出运行。

二是利用抽水蓄能电站调峰，它启动迅速，
运行灵活可靠，因为火电厂调峰速度较慢，跟不上风电出力变化速度，利用抽水
蓄能调峰，既合理的利用了风能，又彻底地解决了由于风能并网导致火电厂大幅
调峰造成的运行不经济的风险。

三是加强风电场出力统计总结，得出季节性规律，从而合理安排火电厂开机方式，使能源得到合理运用。

3.2解决风电并网带来的电压问题
一是需在风电接入集中地区安装静止无功补偿器（SVC）等柔性交流输电系
统（FACTS）设备，减少风力发电功率波对电网电压的影响，提高系统的稳定性。

二是加强地区二级电压控制。

在风电接入地区，由于风功率出力变化引起的电压
波动较大，枢纽节点需要补偿的无功功率变化亦较大，建议在具有大容量风电场
接入的地区建设地区二级电压控制，以协调该地区的无功功率的分配，优化地区
电网的潮流，维持风电接入地区电网电压的安全稳定。

由于风电场自身具有无功-电压的调节能力，在地区二级电压控制过程中，应充分利用风电场无功调节能力，并配合地区电网内的其他无功功率源，建立地区电网的AVC协调机制。

3.3解决风电并网安全须定量分析风电场对主电网运行的影响
一是要从稳态和动态两方面来考虑。

稳态分析就是对含风电场的电力系统进行潮
流计算。

对不同类型风电场的潮流计算方法也有所差异。

对于异步发电机组组成
的风电场。

采用风电场、主系统分别迭代的方法。

二是从动态分析考虑风电厂风
机出口升压变压器，由于整个风电场升压变数目众多，有成百上千台，叠加起来数量不小，存在电压稳定性问题。

三是提高风电场的故障穿越能力。

电网发生故障时，应采取措施对风电场进行相应功率控制，提高风电场的故障穿越能力，使其能够在故障期间一定范围内保持并网运行，向电网提供无功支持，以提高电网的稳定性。

结语
随着电力系统中风电比例的增加，风电的不确定性将会加大，对电力系统的运行带来了一定的风险，增加了系统对备用容量的需求。

基于迭代卷积法的LOLE 模型，更贴切地模拟了参数不确定性对可靠性模型的影响，其结果更能体现系统可靠性的真实情况，对于电力系统扩容规划和运行有着极为重要的现实意义和普遍的适用性。

参考文献：
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