广西风电出力的时空分布特征及机制分析_唐健.pdf

第 卷第 期红水河 年 月 广西风电出力的时空分布特征及机制分析唐 健，吴文倩，黄 馗，胡甲秋（广西电网电力调度控制中心，广西 南宁；国家电投集团广西电力有限公司运营服务分公司，广西 南宁）摘 要：为提高风电功率预测准确性，提升日前多种电源互补优化调度水平，拓展负荷低谷时段新能源最大化消纳空间，合理评估负荷高峰时段电力平衡，笔者利用 年 月至 年 月广西风电运行数据研究分析风电出力的时空变化规律，得出结论为：）风电装机速度越快，风速与风电出力相关系数越小；）广西全年逾 的时间风电出力小于风电装机容量的一半；）广西 月风电出力最小，月出力受限，月及 月出力较大；）日内风电出力呈现较强的反调峰特性；）极端天气下可能形成风速与出力负相关的情形。关键词：风电；概率密度；时空分布；机制分析中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：开放科学（资源服务）标识码（）：,(,;,):,:),;),;),;);):;引言全球变暖引发的极端气候问题不仅影响世界经济发展，甚至威胁到人类生存，有效控制碳排放成为当今国际社会的共同诉求。风能作为一种清洁永续能源，在低碳经济背景下是传统能源的有效替代和补充。近年来，风力发电技术水平迅速提升，对实现绿色低碳经济产生了重大的影响。从 世纪 年代第一个风电场建设开始，中国的风电事业已经发展了 多年。在风电发展的各个阶 收稿日期：；修回日期：作者简介：唐 健（），男（羌族），四川绵阳人，工程师，主要研究方向为电网调度运行控制。：。通信作者：吴文倩（），女，广西来宾人，工程师，硕士，从事电力生产运行工作。：。红水河 年第 期段，国家出台的政策都极大地推动了风电的发展。年以来，为科学合理引导新能源投资，实现资源高效利用，能源政策导向随之变化，以风电为主的新能源出现了先抑后扬的发展趋势。年 月，国家发展改革委关于完善风电上网电价政策的通知发布，风电平价上网成为定局，风电项目开发建设利润降低，风电发展步伐有放缓趋势。紧接着在 年，中国发布“碳达峰、碳中和”宣言，要求构建清洁低碳安全高效的能源体系，力争在 年前实现碳达峰、年前实现碳中和。在“双碳”目标的驱动下，清洁低碳的新能源电力发展再次驶入快车道。年 月，国家能源局发布关于 年风电、光伏发电开发建设有关事项的通知，成为各省区新能源发展的风向杆。年 月，广西壮族自治区能源局率先印发 年保障性并网陆上风电和光伏发电项目建设方案，个陆上风电项目及 个光伏发电项目一次性获得批复，共计 万。近年来，广西风电建设发展飞速，风电装机增速在国内领先，引起风电行业的关注。截至 年 月底，广西电网电力调度中心调管风电场 个，风电装机容量 万，预计 年底广西风电并网容量将超过 万，风电将保持快速发展势头。随着风电装机容量的不断加大，大规模风电并网将进一步加剧电网调峰困难，对电网安全稳定运行和清洁能源全额消纳带来严峻挑战。为此，国内研究者通过对风电出力特性进行分析研究，总结风电出力变化规律，以促进电网有效开展电力平衡工作。陈贞等利用概率分布、相关性分析对风电场的风电特性和规律进行研究；徐乾耀等提出了风电场出力分布特征指数的新指标，对海上风电与陆上风电的出力特性进行了对比研究；姚天亮等研究了集群风电出力特性的分析方法，并提出集群风电的 个重要出力特性指标。此外，针对各省市的风电出力特性研究也有案例，如：郭洪芹对云南 年风电的出力特性和经济性评价进行了定量分析；肖创英等比较了甘肃酒泉地区不同时间尺度下风电出力特性的不同特点；田年杰等从时间、空间两个维度出发，研究了贵州山区风电的出力特性；等从不同时间尺度分析了海南电网风电出力特征。上述对不同地区的风电出力特性研究成果，为风电发展及电网风电消纳提供了有力的数据支撑。本文关注风电发展迅速的广西地区，利用 年 月 日至 年 月 日广西 个风电场 平均出力、风电场测风塔 层高 平均风速数据，以概率密度衡量风电出力能力分布情况，分析风电出力的时空分布特征及形成原因，研究在“双碳”目标提出后广西风电出力变化规律，为电网电力平衡、跨流域调度以及水火电联合调度等工作提供依据，提高其他类型能源利用率，促进风电消纳，对广西风电发展、助力国家“双碳”目标的实现具有现实意义。风速与风电出力关系统计时段内，广西风速与风电出力相关系数为，通过显著性检验（置信度为），表现出较强的正相关关系。采用线性回归方程进行拟合，得到 年 月 年 月广西风速与风电出力的回归方程 ，其中，为风速，为风电出力。受风电平价上网政策影响，广西各风电场抢抓 年底全容量投产节点，年 月至 月风电装机容量快速变化，装机容量月增长达到 万，而 年 月风电装机容量月增长平均值仅为 万。统计该节点前后两个时段内的风速与风电出力相关系数及线性回归方程，可看出两个时段有明显的差异特征：年 月、年 月风速与风电出力相关系数分别为、，回归方程分别为 、，即 年 月风速与风电出力散点离散程度和回归方程斜率较 年 月的大（见图）。造成散点形式差异的主要原因是广西风电装机容量随时间不断增加，并且在 年 月、月装机容量快速增长，风电出力情况不稳定，散点离散程度大，同一风速下的风电出力也小于 年的。图 年 月及 年 月广西风速与风电出力相关散点图 风电出力时间变化特性 风电年出力能力分析将风电功率 装机容量定义为风电出力能力，唐 健，吴文倩，黄 馗，等：广西风电出力的时空分布特征及机制分析以统一风电出力衡量标准，以概率密度衡量风电出力能力分布情况。年 月至 年 月广西风电出力能力概率密度曲线如图 所示。由图 可看出：广西风电出力能力相对较差，出力小于装机容量的 的时间最多，占比达到；全年有超过 的时间风电出力不高于风电装机容量的，超过 的时间风电出力不高于装机容量的，尚未出现风电出力超过装机容量的 的情况。图 广西风电年出力能力概率密度曲线 风电出力能力月变化 年 月至 年 月，广西风电出力能力存在较为明显的波动变化（见图），总体来看，广西风电出力月变化情况为：月，出力最小；月，出力受限；月、月，出力较大。其中：）风电出力能力较小的月份为 月，主要由于夏季广西大部分时间受副热带高压控制，没有大范围的空气对流活动，若无台风直接影响，风力将持续偏小；）月风电出力相对较小，主要由于广西风电场大多数为山地风电场，冬季冷空气南下带来大风的同时，高海拔山区风电场风机受强烈降温及湿冷空气影响，常出现风电机组叶片覆冰停机的情况，从而导致风电出力能力受到限制；）年 月风电出力陡升，主要由于 月 日广西受“狮子山”“圆规”双台风影响，连续多日出现风电大发的情况。图 广西风电出力能力月变化 风电出力能力日变化广西风电平均出力能力日变化呈现明显的峰谷特性（见图）。平均情况下，夜间：至次日：出力较大，日间：至：出力较小。此外，广西风电出力能力还存在日内反调峰特性，在用电高峰时段（：、：）风电平均出力能力为，而低谷时段（：）则为。高峰、低谷时段风电出力能力概率密度曲线如图 所示，可以看出：高峰时段风电出力能力小于 的概率最大，风电顶峰能力不足；而在低谷时段风电出力能力 的概率最高，可能会出现风电消纳困难的问题。图 广西风电出力能力日变化图 广西风电日内峰谷时段风电出力能力概率密度曲线 广西风电出力能力日变化及峰谷特性主要与广西风电地理位置分布特性有关。由于广西风电场基本为山地风电场，风电机组海拔高度大部分在 之间，而 海拔高度正好为大气边界层附近，因此，可以说广西风电场大部分处于大气边界层上层，受边界层气流运动影响，该区域的特点为风能资源较好。在午后，由于太阳辐射累积，地表热力作用较强，产生近地面热力垂直运动，边界层上部风能下传、损失，造成位于边界层上部的风电场风速减小；夜间热力垂直作用减弱，边界层上部风能重新汇聚，进而引起风电场风速再次增大。风电出力空间变化特性广西风电场遍布各市，主要集中在桂东、桂 红水河 年第 期北、桂南地区。将各区域风电场平均出力汇总统计，得到各区域风电出力能力概率密度曲线图（见图）。由图 可直观地看出：广西风电出力能力较好的区域是桂东、桂南、桂北，其出力能力在的概率相对较高，出力能力小于 的概率较低；而出力能力较差的区域为桂中、桂西。风电出力空间分布呈现西北低、东南高的特征。图 广西各区域风电出力能力概率密度曲线对比 广西风电出力的空间分布特征与广西地形地貌关系密切。在桂东及桂南地区，常年受到季风环流影响，风资源稳定优良，同时夏秋季台风频繁活动也为该区域带来良好的风资源。受南岭地理分布影响，在春冬季节，桂北地区是北方冷空气与海上暖湿气流的交汇地，空气对流活动旺盛，风资源在特定时段内相对优良；此外，南岭的越城岭与海洋山脉形成天然的气流通道（湘桂走廊），是北方冷空气南下入桂的必经之路，冷空气活动时常带来 以上的大风天气，但冷空气活动也造成了桂北高寒山区风电场风机严重覆冰的情况，桂北某风电场曾出现冬季连续 风机覆冰停机的极端情形，因此尽管桂北地区冬季平均风速较大，但实际风电出力十分有限，这也是桂北地区风电出力不如桂东、桂南的主要原因。而在桂西及桂中地区，受喀斯特地貌影响，北方冷空气及南部海上暖湿气流在下垫面摩擦力的作用下无法深入该区域，风速相对较小；同时，桂西地区右江河谷地受下沉气流影响，常年干燥温暖，风资源较差。风电出力波动性特征除时空分布存在较为明显的特征外，由于风速存在突变、不稳定等特性，广西风电出力也存在较大的波动性，特别是在强对流、台风、冷空气大风等天气条件下，风电出力波动尤为剧烈。广西曾出现风电出力在 内上涨近 万（占当时风电总装机容量的）的极端情况，对电网安全稳定运行带来较大冲击。此外，极端大风还容易造成风电机组集体切出，冬季冷空气南下也易造成广西山地风电场风电机组叶片覆冰保护性停机，造成风电出力曲线转折下降。而当大风减弱或风机覆冰消融后，停运机组重新并网发电，出力曲线再次上升，进而形成风速与风电出力负相关的特殊情形。图 展示的是广西某风电场在极端大风情况下风电出力情况，可以看出，在 月 日 时左右，风电出力曲线开始急转下降，此时风速仍在不断上升，直至 月 日 时左右风电出力才缓慢回升。经确认，在此期间该风电场有接近一半的风电机组出现大风切出停机的情形。因此，电网单位需要在极端天气情况下提前做好备用电源储备，避免出现风电顶峰能力不足的问题。图 极端天气风电出力曲线转折下降情形 结语近年来，广西风电装机容量快速增长，在低碳背景下风电出力时空分布特征既有普遍性，也存在一定的特殊形式。本文利用 年 月 日至 年 月 日广西 个风电场 平均出力、风电场测风塔 层高 平均风速数据进行了统计分析，得出风电出力的时空分布特征并进行了机制分析，主要结论如下：）广西风速与风电出力相关系数为，表现出较强的正相关关系。风电装机速度越快，风速与风电出力相关系数越小，相关散点离散程度越大。风电装机容量越大，风速与风电出力散点离散程度和回归方程斜率越大，即同一风速下风电出力越低。）广西风电出力能力稳定性相对较差，全年有超过 的时间风电出力不高于风电装机容量的。每年 月风电出力最小，月出力受限，月及 月出力较大。日内出力过程呈现反调节特点，即夜间：至次日：风电出力较大，白天：至：出力较小；并呈现唐 健，吴文倩，黄 馗，等：广西风电出力的时空分布特征及机制分析较强的反调峰特性。）广西风电出力存在较大的波动性，在极端大风、覆冰等天气条件下可能形成风电出力转折下降、风速与出力负相关的特殊情形。未来随着广西风电装机规模的不断扩大，风电出力的时空变化也将演变出不同的分布特征，有待将来风电装机容量继续增加后开展进一步研究。参考文献：张宏，王礼茂，张英卓，等低碳经济背景下中国风力发电跨区并网研究资源科学，（）：刘伟风力发电对环境影响的研究大连：大连海事大学，李恩，张国飞，姚俊超浅析风力发电实现绿色低碳经济的影响中国新通信，（）：谭忠富，鞠立伟中国风电发展综述：历史、现状、趋势及政策华北电力大学学报（社会科学版），（）：中华人民共和国国家发展和改革委员会国家发展改革委关于完善风电上网电价政策的通知：发改价格 号（）：国家能源局国家能源局关于 年风电、光伏