海上风电出力特性及其消纳问题探讨

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Ning Zhang TsFra Baidu biblioteknghua University 37 PUBLICATIONS 47 CITATIONS
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Chongqing Kang Tsinghua University 111 PUBLICATIONS 354 CITATIONS
(1.电力系统国家重点实验室,清华大学电机系,北京市 100084; 2.广东电网公司电网规划研究中心,广东省广州市 510080)
摘要:中国海上风电将迎来快速发展,研 究 其 出 力 特 性 对 海 上 风 电 消 纳 具 有 重 要 意 义。 文 中 利 用 实际数据分析与运行模拟相结合的方式,将海上风电的出力 特 性 与 陆 上 风 电 进 行 了 对 比 研 究。 为 了对比风电场出力的分布特性,提出了风电场出力分布特征 指 数 的 新 指 标。 根 据 历 史 出 力 分 析 了 近 岸 风 电 场 的 随 机 特 性 与 波 动 特 性 ;结 合 测 风 数 据 与 中 长 期 规 划 ,利 用 风 电 场 运 行 模 拟 技 术 分 析 了 海上风电场出力的统计特性。分析表明,与陆上风电相比,海 上 风 电 具 有 出 力 水 平 较 高、小 时 级 出 力波动小、冬季比夏季出力高、夜晚比白天出力高以及具有更 高 的 容 量 因 子 等 特 性,其 出 力 分 布 特 征 指 数 明 显 高 于 陆 上 风 电 场 。 最 后 ,阐 述 了 海 上 风 电 消 纳 不 同 于 陆 上 风 电 消 纳 的 特 点 ,为 合 理 消 纳 海上风电提供参考。
力分布函数,然而风 电 场 出 力 分 布 函 数 包 含 的 信 息
量较多,难以直 观 比 较 风 电 场 出 力 的 分 布 特 性。 本
文提出了风电场出 力 分 布 特 征 指 数 这 一 新 指 标,用
来描述风电场出力 的 分 布 规 律,同 时 衡 量 风 电 场 出
力的均衡情况。
风电场出力分 布 特 征 指 数 用β 表 示,其 含 义 是 风电场标幺出力大 于β 的 概 率 为β。 其 计 算 方 法 如 图2所示。将风电场的出力持续曲线的横纵坐标标 幺 化 ,横 坐 标 的 基 值 为 风 电 场 的 装 机 容 量 ,纵 坐 标 的
场出力分布的特征 参 数,并 结 合 沿 海 各 地 区 气 象 站 的 测 风 数 据 ,进 行 风 电 场 出 力 的 运 行 模 拟 ,进 一 步 分 析研究海上风电场 的 出 力 特 性,并 探 讨 海 上 风 电 消 纳的难点。本文整体研究框架如图 1所示。
1.3 描 述 风 电 场 出 力 分 布 规 律 的 新 指 标 比较2个风电场出力的分布往往使用风电场出
图 1 研 究 框 架 Fig.1 Research framework
1.2 研 究 方 法 文中采用多风电场运行模拟模型产生规划海上
风电场时序出力[6],其过程如下:根据风电场测 风 塔
参考高度的实测风 速 数 据,推 算 出 预 装 风 电 机 组 轮
毂高度的风速数据,统 计 分 析 风 速 的 分 布 特 征 以 及
本文 的 核 心 是 研 究 海 上 风 电 的 出 力 特 性,并 探 讨海上风电消纳的难点。针对目前海上测风数据不 足、海上风电实际出 力 的 历 史 数 据 积 累 不 足 的 实 际 困难,研究基于实际 数 据 分 析 与 运 行 模 拟 相 结 合 的 方式开展。 首 先 根 据 近 岸 风 电 场 发 电 出 力 历 史 数 据 ,分 析 了 近 岸 风 电 出 力 的 随 机 特 性 与 波 动 特 性 ;然 后利用风电场运行 模 拟 技 术,根 据 分 析 得 到 的 风 电 出力随机特性以及 实 际 测 风 数 据,对 规 划 海 上 风 电 场进行运 行 模 拟,得 到 各 风 电 场 出 力 的 时 间 序 列。 通过对海上风电场 出 力 的 统 计 分 析、风 电 场 出 力 分 布特征指 数 的 计 算 以 及 对 风 速 相 关 性 多 场 景 的 对 比,详细分析了 未 来 海 上 风 电 场 的 出 力 特 性。 进 一 步 ,将 海 上 风 电 与 陆 上 风 电 出 力 特 性 进 行 比 较 ,探 讨 了海上风电的消纳 难 点,为 进 一 步 研 究 其 消 纳 方 法 提供了参考。
各风电场之间风速 的 相 关 性,生 成 符 合 风 速 统 计 特
征与相关性的一系 列 风 速 时 间 序 列,之 后 再 结 合 风
电场风电机组的出 力 特 性 曲 线 与 可 靠 性 模 型,生 成
各风电场风电机组出力的时间序列。
其 中,风 速 的 随 机 分 布 特 性 采 用 双 参 数
Weibull分布来 拟 合,其 分 布 函 数 与 概 率 密 度 函 数
关 键 词 :海 上 风 电 ;运 行 模 拟 ;随 机 特 性 ;风 电 出 力 ;分 布 特 征 指 数 ;风 电 消 纳
0 引 言
近年 来 全 世 界 风 电 发 展 迅 猛,其 中 陆 上 风 电 和 海上风电 发 展 速 度 并 不 平 衡。 相 对 于 陆 上 风 电 而 言,全球范围内 海 上 风 电 的 发 展 速 度 较 为 缓 和。 自 2008年以来,世 界 海 上 风 电 进 入 快 速 发 展 期,2008 与2009 年 连 续 2 年 海 上 风 电 新 增 容 量 超 过 了 500 MW,2010 年 海 上 风 电 新 增 容 量 更 是 达 到 了 1 400 MW。截至2010年 底,全 球 海 上 风 电 累 计 装 机容量为3 500 MW[1]。目前,中国的海上风电装机 容量达到142.5 MW,占国内风电装机总容量的比例 不到1%[1]。国 内 已 建 和 在 建 的 海 上 风 电 项 目 有 上 海东海大桥100 MW 项目、江苏大丰潮间带300 MW 示范项目以及去年江苏首轮 1 000 MW 海上风电招 标项目。虽然国内目前已建和在建项目只占世界海 上 风 电 总 容 量 的 4% 左 右[1],但 中 国 正 处 于 海 上 风 电 加速发展阶段 ,根 据 沿 海 省 份 编 制 的 规 划 ,海 上 风 电 的装机容量预计将在2020年达到30GW[2]。
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第 35 卷 第 22 期 2011 年 11 月 25 日
Vol.35 No.22 Nov.25,2011
海上风电出力特性及其消纳问题探讨
徐 乾 耀1,康 重 庆1,张 宁1,樊 扬2,朱 浩 骏2
相关系数。研究发 现,风 速 序 列 的 自 相 关 函 数 是 由
负 指 数 控 制 下 的 单 调 衰 减 函 数 ,如 式 (3)所 示 :
ρn =e-θn θ>0,n =1,2,…
(3)
式中:θ为风速自相关 函 数 的 衰 减 系 数,其 大 小 与 风
速 序 列 变 化 的 剧 烈 程 度 有 关 ,风 速 变 化 越 剧 烈 ,其 自
See discussions, stats, and author profiles for this publication at: http://www.researchgate.net/publication/235352804
Discussion on Offshore Wind Power Output Characteristics and its Accommodating (In Chinese: )
分 别 如 式 (1)、式 (2)所 示 :
( ( )) F(x)=1-exp -
x c

(1)
( ) ( ( )) f(x)=
k c
x c
k-1
exp -
x c

(2)
式中:x∈[0,+∞);c和k 分别为 Weibull分布的尺 度参数和形状参数。
风速的波动性由风速序列的自相关函数来表
征[6],其定义为一个 序 列 预 期 滞 后 n 期 的 序 列 的 自
33%,即该风电场出力大于 装 机 容 量 的 33% 的 概 率
为33%。这种针 对 风 电 场 出 力 概 率 分 布 特 点 的 特
征 指 数 ,实 质 上 反 映 了 风 电 场 出 力 分 布 的 偏 度 信 息 :
β值越大,代表该 风 电 场 的 出 力 水 平 越 高;β 值 越 接 近 0.5,表 示 该 风 电 场 的 出 力 越 均 衡 。
ARTICLE in DIANLI XITONG ZIDONGHUA/AUTOMATION OF ELECTRIC POWER SYSTEMS · NOVEMBER 2011
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5 AUTHORS, INCLUDING: Qianyao Xu Tsinghua University 12 PUBLICATIONS 8 CITATIONS
式 (4)和 式 (5)所 示 :

∑ β =
1 N
Xi
i=1
(4)
{ Xi =
1 Pi > PCβ 0 Pi ≤ PCβ
(5)
式中:N 为风电场出力的时段总数;Xi 为 状 态 变 量;
Pi 为时段i 的风电场出力;PC 为风电场装机容量。
风电场出力分布特征指数能够评价风电出力的
均 衡 情 况 ,以 图 2 中β=0.33 为 例 ,表 示 出 力 不 小 于 装机容量的 33% 的 时 段 总 数 占 总 时 段 数 的 比 例 为
响 ;文 献 [5]分 析 了 海 上 风 电 以 及 波 浪 能 发 电 的 出 力 特性以及互补性。 目 前,国 内 对 海 上 风 电 出 力 特 性 与消纳的研究尚未 见 文 献 报 道,亟 须 开 展 海 上 风 电 的相关研究工作。 以 广 东 电 网 为 例,该 省 正 在 进 行 大 规 模 海 上 风 电 的 规 划 ,必 须 超 前 研 究 其 消 纳 问 题 , 而海上风电出力特性分析是研究其消纳问题的一项 基础性工作。
1 研 究 框 架
1.1 整 体 思 路 本文采用实际数据分析与数据模拟分析相结合
的方法。实 际 数 据 分 析 是 根 据 风 电 场 历 史 出 力 信 息 ,统 计 分 析 风 电 出 力 的 随 机 性 与 波 动 性 ,提 取 风 电
— 54 —
· 间 歇 式 能 源 系 统 级 规 划 方 法 · 徐 乾 耀 ,等 海 上 风 电 出 力 特 性 及 其 消 纳 问 题 探 讨
相对 陆 上 风 电 而 言,海 上 风 电 的 研 究 工 作 明 显 滞 后 。 国 外 对 海 上 风 电 展 开 了 一 些 研 究 :文 献 [3]从 预测的角度分析了 海 上 风 速 梯 度、垂 直 风 速 变 化 以 及 尾 流 效 应 对 风 电 出 力 的 影 响 ;文 献 [4]分 析 了 风 电 场规模、风 速、风 向 等 对 海 上 风 电 出 力 波 动 性 的 影
相 关 函 数 衰 减 越 快 ,θ 越 大 。
图 2 风 电 场 出 力 分 布 特 征 指 数 的 计 算 方 法 Fig.2 Calculation of distribution characteristic
index of wind power output
用数学 表 达 式 来 描 述 该 指 标 的 计 算 方 法 如
收 稿 日 期 :2011-08-25。 国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 (863 计 划 )资 助 项 目 (2011AA05A101);中 国 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 (NSFC) 与 英 国 皇 家 学 会 (RS)合 作 交 流 项 目 (51011130161)。
基值为出力的时段 总 数,标 幺 化 后 横 纵 坐 标 区 间 均
为 [0,1],该 出 力 持 续 曲 线 中 横 纵 坐 标 值 相 等 的 点 就 代表了风电场出力分布 特 征 指 数β。 根 据 所 述 的 计 算 方 法 ,图 2 中 风 电 场 出 力 分 布 特 征 指 数 为 0.33。
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