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浅谈区域风电场集群功率波动的平滑效应

2012-08-08 14:44   来源:企业文化杂志 作者:田茹 张东英  点击:

浅谈区域风电场集群功率波动的平滑效应 田茹 张东英 华北电力大学电气与电子工程学院 0. 引言 在研究区域风电功率波动特性时会发现,随着风电场数目的增多和分布区域范围的增大,风电场集群的出力越来越平滑。国内外学者把这种现象称为风电场集群的平滑效应

  浅谈区域风电场集群功率波动的平滑效应

  田茹 张东英 华北电力大学电气与电子工程学院

  0. 引言

  在研究区域风电功率波动特性时会发现,随着风电场数目的增多和分布区域范围的增大,风电场集群的出力越来越平滑。国内外学者把这种现象称为风电场集群的平滑效应。有研究指出,对于地理上分布在较大区域的风电场,逐分逐秒的变化将不再明显,并且,风资源的变化尽管依赖于一系列物理因素,比如气候条件、地形、海陆及所研究的地区面积大小等,但风力发电的波动模式、平滑特性却是大规模风电场发电具有的共同特性。本文尝试从表现、产生机理、影响因素、不同尺度下的应用,来对平滑效应进行简要阐述和定性分析。

  1. 平滑效应的定义及表现

  1.1 定义

  平滑效应可以定义为:随着区域规模的扩大,或是区域个体之间距离和区域个体数目的增加,由于区域内不同位置风电资源的波动性相互抵消,使得区域总体波动性减弱的一种空间互补效应。平滑效应从本质上来说,是一种空间规模效应。

  1.2 表现

  (1) 按照单机、单个风电场、区域风电场集群的方向,随着风电规模的扩大,分布范围的增大,波动性依次减弱。具体地说,单台风电机组可能因为切出等原因,功率骤降为0.而风电场的功率绝不会骤降为0;区域风电场集群的波动量占总装机的比例要明显小于单个风电场的波动量占其装机容量的比例;

  (2) 从强度和频度上,海上风电场出力的波动性都大于陆上风电场。这是空间平滑效应的一个特例。其主要原因是海上风电将高强度的风能资源集中在相对狭小的空间范围内,风机之间的风速和功率的互相关性弱,不具备平滑效应的条件。当然,海上风电所处的气象条件的差异性大于陆上也是使其波动更加剧烈的原因,但平滑性是主要原因。

  2. 平滑效应的产生机理

  关于平滑效应的产生机理,可以通过时间上的延迟效应和过滤效应,空间上的分布效应来讨论。虽然说平滑效应是一种空间规模效应,但时间上的延迟效应和过滤效应是平滑效应产生的一个基本条件。时间上的延迟效应和过滤效应的产生是由于风电机组叶片的惯性,使得风电功率不能像风速那样快速变化。而空间上的分布效应的产生是由于空间不同位置风资源的抵消、互补、平衡作用。

  2.1. 延迟效应

  延迟效应,指的是功率对风速的变化具有一定的迟滞。 即风速变化迅速,功率变化则相对缓慢。而且选取的功率区域越大,延迟效应越明显。从功率波动的角度来看,延迟效应有助于平滑风速带来的波动;从相关性的角度来看,延迟效应说明区域风电功率变化和前一段时间的区域风速、风电出力具有一定的相关性,可以通过计算当前风电出力与前一段时间风速、风电出力的相关系数,来衡量延迟效应。

  2.2 过滤效应

  过滤效应,指的是功率变化对于快速的风速变化具有缓冲作用,使得功率不会快速变化。在高频下,过滤效应得到加强,就好像是风速的高频变化被过滤器滤掉了一样。过滤效应和延迟效应本质上是类似的,只是从不同角度来说明功率相对于风速的缓慢变化。足够大的区域内,风资源的不均衡性是过滤效应产生的基本原因。需要注意的是,最强的波动过滤有可能并不是发生在最快的时间尺度下,而是与所选的区域有关。

  2.3 空间分布效应

  空间分布效应,是平滑效应产生最重要的因素和必备的条件。从本质上来说是由于空间分散性,使得区域内不同部分的风资源表现出明显的差异性,区域内各部分互补或是抵消了对方的波动,从而在整体上缓和了不利于电网运行的间歇波动特性。对于同一风电场内距离相近的两台风机,所处的风资源环境很相似,风电出力几乎完全相关,出力总和可以看成是线性放大。而对于一个风电场内相距较远的风机,或是不同风电场相距更远的风机来说,风资源存在着较大的差异性,出力总和不再是线性放大。这时,就需要考虑其空间分布效应,用平滑效应来进行修正出力总和。

  3. 平滑效应的影响因素及评价

  3.1 影响因素

  从物理特性的角度来看,风电场的机组排布、当地风电资源的地理分布、风向和风的扰动、机组构造和运行特性都会影响平滑效应。而从时空角度来看,延迟效应和滤波效应都发生在相对小的时间尺度下,这可能是短时间尺度下,比如逐秒逐分下功率输出的平滑特性比较显著的原因;而空间分布效应则对较长时间尺度下的平滑效应有很大的影响。描述空间分布效应有两个重要因素:区域范围(区域直径)和风电场数目。本文着重考虑这两个因素对于平滑效应的影响。

  3.2. 影响因素评价

  区域风电场集群功率和单个风电场功率离散程度的差异。可以做出不同区域范围(区域直径)和风电场数目下的该值,来比较风电场数目和增多和区域直径的增大,区域风电场集群的功率离散程度减弱了多少,即波动被平滑了多少。该比值越小,说明功率的离散程度越小,功率波动被平滑地越强烈,即平滑效应越显著。可以做出功率标准差比与风电场数目序列、区域直径的相关系数,随着这两个因素变化的趋势图,来评价风电场数目和区域直径对于平滑效应的影响程度,强相关还是弱相关,正相关还是负相关。

  4. 不同时间尺度下平滑效应的应用

  平滑效应通过影响区域风电场集群的功率波动,而间接地影响各时间尺度下含并网风电场系统的有功平衡问题。因而围绕这修正区域风电场集群功率总和这一直接应用,不同尺度下,平滑效应具有一系列可能的应用:

  (1). 控制时间尺度下:类似于超短期风功率预测的时间尺度,考虑以“秒”或“分”为单位的平滑效应,有助于进行机组控制、修正爬坡率、旋转备用;

  (2). 运行时间尺度下:类似于短期风功率预测的时间尺度,考虑以“小时”或“天”为单位的平滑效应,有助于修正调度方案、备用需求、日前交易计划;

  (3). 规划时间尺度下:类似于中期风功率预测的时间尺度,考虑以“周”或“月”为单位的平滑效应,有助于确定风电可信度、风电的接纳能力,进而为安排风电场的检修或调试、风电场选址、电网规划提供参考。

  5. 结语

  大规模风电的并网给电网带来了很多不良的影响,使得波动性的研究日益受到人们的重视。对于含有多个风电场的区域电网,平滑效应对波动性的影响,是评价区域风电场出力总和时应该考虑到的问题。了解和把握平滑效应,以及它对波动性的影响,有助于对区域级风电出力总和进行修正,得出较为准确的结果。从而为寻找高精度预测系统的替代方案、确定备用需求、风电场选址、电网规划等提供参考,并最终为规划、运行、控制等多个时间尺度下电网的安全运行和经济调度服务。本文对平滑效应作了一些定性分析,定量分析可能会是平滑效应将来的研究方向。