关于风电不确定性对电力系统影响的评述 赵继楠

关于风电不确定性对电力系统影响的评述赵继楠

摘要：现阶段，随着社会的发展，我国的科学技术的发展也越来越迅速。各种

可再生能源发电系统的建设规模也在不断的增多。其中风电系统不仅能够有效的

减少能源资源的消耗，而且成本较低，很适合开展大规模发电系统的建设。但是，风电由于自身严重的不确定性，很容易对于电力系统的正常运行、发电质量以及

经济效益等方面产生影响。所以文本针对风电不确定性对电力系统的影响进行深

入的分析，从而更好的提高风电质量。

关键词：风电不确定性；电力系统影响；评述

引言

随着新能源使用的增加，人们对可再生发电系统的建设也在持续增多，特别

是对风电系统的应用有了更多的了解。风电系统具有消耗低、成本少等优点，适

宜大规模建设的发电系统。但由于自然风力发电具有不确定性，影响着电能的质

量和可靠性。本文对风电的不确定性进行了分析，同时阐述了风电不确定性对电

力系统的影响，并对风电不确定性给出了相应的应对措施，希望为风力发电提供

参考。

1 风电概述

在自然界中，太阳能、风能、水能等都是重要的可再生资源，能够在使用后

重新产生，对电力发电有重要意义。利用这些可再生资源进行发电比传统的火力

发电有着巨大的优点，是减轻环境污染的重要手段。其中风能发电能够为广大用

户提供优质的电能，是未来能源革命的重要形式。风电在我国得到了大规模的使用，不仅是对电能的极度需求，也是对环境安全的保护。但风电有着很强的不确

定性，会随着时空的分布而出现间歇性和波动性。对于风速的预报虽然有着一定

的误差，但对风力发电的影响较小，而风力的间歇时段预报有着较大的误差，这

导致风力发电也存在着间歇性，影响了电力的可靠性。随着地域的扩大，风力的

间歇性会更加明显，也让电网发电的影响更加巨大。因此要对电网运行中的注入

量进行预测，从而实现有效调度，确保电网电量在风电不确定性时能够得到及时

补充。

2 风电不确定性

2.1 风速的波动和间歇性

风速的不确定性最大的表现就是较强的波动性和间歇性。一方面，风速由于

地域性的差异和季节性的差异，所以很难有效的控制风速的变化与波动。并且在

时间上来看，风速的波动分为平均风速和脉动风速两种频率，平均风速是指在该

地区大时间尺度风速变化情况，而脉动风速的频率则是短时间内风速的变化的强

弱程度的直观表现。而且在频域上则应该对应风速的低频能量和高频能量。风速

的波动以及间歇性特点无法确定，所以无法通过正弦波等确定性的波动以及矩形

波那样明确的间歇性，而是时刻处在随机变化之中。由于平均风速和脉动风速都

具有随机性的特点，所以风速不确定性的主要因素还是因为风速自身的特性决定的。

2.2 风电的不确定性因素

由于风速的不确定性，所以平均风速的不确定对于风电的不确定性影响非常

的关键。由于风速的不确定性主要反映在风向、平均风速以及脉动风速等时空分

布之中，并且受到地形、风塔位置、风塔高度、塔影效应、空气密度、尾流效应

等多种因素的共同影响，所以风速通常会用概率模型Weibull来表示，并且尺度

参数以及形状参数都会通过观测到的风速期望值的标准来进行折算。由于风速的

不确定性，所以风电转换转换过程中也会存在较强的不确定性，包括风机故障问题、风机检修问题、风速越限等方面引起的切入切出工作。通过最大风电功率的

追踪与远程调借过程中工况也会出现变化，所以造成风电转换存在不确定性。而且，风电机组在运行的过程中不同的特性也会引起不同的变化。除了风电系统内

部的变化因素会对风电产生影响，风电外部因素也会对风电的不确定性产生影响。例如，常规的发电机组、负荷以及偶然事件产生的不确定性，电网调度必须要根

据定量分析风电和电荷的同向以及反向波动。通过这些风电充裕性和稳定性进行

的存储，能够更好的针对风能的波动产生影响。

2.3 风电不确定性的描述

由于风电场在规划和运行的过程中必须针对风电时空不确定性进行分析，并

且根据历史数据以及具体风电场的特征进行研究，这样才能够明确风电产的发电

总量，并且将风速分为平稳分量与非平稳分量情况，分别对应着风速的间歇特性

与风速的波动特性。在一般情况下，对于风电不确定性的分析能够采用Weibull

分布概率来作为参考模型，并且在短时间尺度内通过适当的增加参数特点，从而

有效的考虑多峰分布风速的特征，这样就能有效预测风速基于先验概率的点预测

以及条件概率推算后验概率的预测法。这两种风速的预测效果相对较好，但是依

然有待提高。点预测风速解析法就是通过功率等级、预测尺度来建立相对的预测

误差经验分布模型，并且利用权贝塔分布模型确定风速的概率密度函数或者分布

累计函数。基于区间进行预测的拟合法能够在指定概率条件下来找到相对应的波

动区间，但是这一区间并非统计值，所以能够有效的避免预测出现误差分布的假

设条件，同时也能够有效的采用非参数的自适应重采样或者分位点回归的方法。

还可以基于场景预测进行仿真分析法。即在不同的场景环境中可能发生的结果进

行概率仿真，并且随着随机变量对于目标函数概率分布的影响而产生的影响，从

而有效的预测风电与负荷之间波动水平的概率模型。

3 风电不确定性对电力系统的影响

3.1 对频率产生的影响

风电系统的稳定性可以在一定程度上反应系统低于外来干扰的能力，风电系

统的充裕性则表现了系统能够为用户提供电力能力的高低。由于在评估风险和控

制风险时存在着不确定性，并且包含了对分岔、混沌理论的研究，造成不确定性

因素对大规模风电会形成极大的影响。不同地区风电机组在相同的调频时间尺度

上有着不同的功率波动，风电场的集聚效应也在一定程度上对风电功率的波动构

成影响，并且可以降低这种波动。

3.2 对电压产生影响

风电功率波动会导致风电系统的电压产生波动，主要是由于风速、湍流强度、塔影效应等对电压闪变值的改变。在低频段范围内，电压闪变值的离散化计算误

差较小，适宜应用在风电引起的电压波动中。导致风机频繁脱网的因素主要是电

机上网环节需求、电网电压稳定性等。大规模风机入网，电网中增加了感应电机，让电压失稳，因此，风机脱网现象时有发生。对于这种情况，一般可以安装动态

无功补偿设备加以控制，能够有效降低电压失稳的情况，防止安全事故的产生。

3.3 对暂态稳定性构成影响

对于恒速异步风力发电机，本身并不存在同步稳定性问题。一些文献根据EEAC理论，希望利用FSIG取代同步发电机。在这一过程中，当风机的类型发生

改变，存在着故障位置、时间的不同时，将会影响到电力系统的暂态稳定性。特