区域电网风水互补原理及实施方案研究

李宏伟

(云南电网公司，昆明 650011)

区域电网风水互补原理及实施方案研究

李宏伟

(云南电网公司，昆明 650011)

对地区水电和风电典型出力特性进行了分析，通过电力电量平衡计算，得出风水互补的结论。提出了风电-水电集控优化调度的调控方式，同时在云南电网的范围内对风电、火电、水电之间调节速度进行分析，定性地解决了风电功率变化是否超过电网水火电出力的调节速度问题，为风电-水电集控优化调度提供理论依据。

风电-水电互补；风电-水电集控优化调度；电源调节速度

0 前言

目前对风电与水电互补运行的研究较少，缺少深入分析和数据支撑，已有的风水互补研究基本还停留在思路和理论阶段，对抽水蓄能电站与风电配合运行、风电与电力系统的优化调度等方面有所研究，但针对具体工程的风水互补研究，还是空白，本文通过对某地区水电和风电典型出力特性进行分析，得出风水互补的结论，并提出了风电-水电集控优化调度的调控方式，对风电的发展起到积极的促进作用。

1 地区资源概况

1)水能资源开发情况：根据规划， “十二五”末期，水电主要为中小水电，无金沙江干流水电项目，2015年楚雄州境内中小水电装机规模预计达到49万kW。

2)风能资源及开发情况：风能较为丰富，全州十个县市年平均风速在1.6米/秒～3.5米/秒之间，对 “十二五”期间能够投产的风电项目进行统计，预计 2015年装机规模能够达到 130万kW。

2 风-水出力特性互补分析

1)水电出力特性：小水电装机容量为31.2万kW，全年小水电供电量为7.586 8亿kW.h，利用小时数仅为2434小时。几乎没有弃水的现象发生，小水电出力特性按日调节特性电站和径流式电站两类区分，年利用小时数分别约为3 900 h和1 500 h，月平均出力曲线如图1所示。

中小水电出力受来水影响，从11月份开始进入枯期，中小水电月平均出力逐月递减；6月份开始进入汛期，水电出力回升，当地径流电站10月出力最大。

图1 中小水电月平均出力曲线

2)风电出力特性：风电场月平均出力曲线如图2所示。

图2 楚雄州风电场月平均出力曲线

风电出力受当地特殊的气候和地理位置影响，汛期6～10月风速较小，10月中下旬后，近地面风速增大，冬春季风力最强，5月后渐渐减弱，风能资源总体呈现冬春季大，夏秋季小的特点，因此风电场出力具有枯期出力大、汛期出力小的特性，其中2～4月出力较大。

3)风电-水电出力互补特性：2015和2020年逐月电量和电力供需分别如图3和图4所示。

图3 楚雄州逐月电量供需示意图

图4 楚雄州逐月电力供需示意图

从上图可以看出，在风电接入之前，小水电月供电量与系需电量走势相反，供需矛盾严重，系需电量丰枯比49：51，而小水电发电量丰枯比70：30。例如，3至4月工厂开始逐步恢复生产用电，用电迎来一个小高峰，但是水电发电量从3月开始逐月递减；6至9月是用电的一个低谷时间段，而该时段进入汛期，水电发电量逐月增加。10月过后同样用电量增加，小水电发电量反而减小。

风电场并网发电后，风电发电量丰枯比为31：69，风电和水电出力特性正好互补，两者结合2015年发电量丰枯比达39：61。对于楚雄电网而言，开发水电的同时，也适宜同步开发风电，风电并网可以优化州内电源结构，减轻供需矛盾。

采取水电-风电联合开发方式，可以克服风电供应的间歇性问题，为丰富、清洁、廉价的风电成为化石燃料的替代能源创造了条件，也为水电运行增加了能源。

3 风-水优化调度

1)风水互补实现方案：建立区域集控中心，设置一套集控主站系统，实现所辖各风电场、水电站的实时数据远程传输至集控中心，集控中心将水电的发电曲线及风功率预测数据进行统一分析处理后，将各风电场、水电站的发电曲线建议提供给调度中心，实现风水互补的优化调度，实现以最小的资源消耗和最少的污染物排放满足相同的电力需求。同时风水电在集控模式下统筹安排检修策略，提高风、水电上网的经济性。通过设置集控中心，可以实现减员增效，提高工作效率。集控站网络拓扑如图5所示：

图5 集控站网络拓扑图

2)水电对风电出力的随机波动性进行调节：风电出力随机波动，风力发电机的输出功率主要取决于风轮机轮毂高度处的风速，水电出力也具有随机性，水电厂的发电情况取决于降水、降雪形成的径流量，水电厂的运行还与水库的调节库容、水库的运行约束密切相关，表现为随丰枯季节性波动，具有调节库容的水电厂依靠蓄水可以抑制短期波动。风水互补发电系统是风力发电系统与水力发电系统的有机结合与调度，当风电场对电网的出力随机波动时，水电站可快速调节发电机的出力，对风电场出力进行补偿。对2015年云南水、火电在同一分钟最大出力变化量进行统计计算，结果见表2，2015年云南水、火电在同一分钟最大出力变化量为：枯期169万kW/min，汛期722万kW/min，均大于风电功率变化量为89万kW/min。云南水火电出力的调节速度能够满足风电功率的变化速度。

表1 2015年云南风电功率变化量

表2 2015年云南水火电功率变化量

3)风水互补运行方式

a 季调节

风能资源与水力资源在资源分布上二者有着天然的时间互补性。夏季风速小，风电场的出力较低，而这时候正是雨量充沛的时候，水电站可多承担相应的负荷。到了冬春时节，水库的水位较低，水电站的出力不足，而这时风电场的风速较大，能够承担更多的负荷。风电的年际波动较小，在枯水季节风电场的出力可以弥补水电出力的下降。

由于风电的大风季节刚好和水电的枯水期时段相同，可在枯水期集中进行水电的检修工作，在汛期集中进行风电的检修维护工作，使检修人员能得到充分利用。

b 周调节

在各风电场设置风功率预测系统，根据风电场气象信息有关数据，利用物理模拟计算和科学统计方法，对风电功率进行短期预报，即预测未来3天的功率，合理安排风电及水电的运行方式。水电调节库容为9 246万m3。从已并网运行的水电站平均入库流量和各自调节库容来看，枯季已建水电站的日平均入库水量为117万m3，调节库容为2 128万m3，水电站具有多日调节能力。根据云南省风电场实际运行调研结果，云南并无典型的多日持续大风过程，一般一个大风过程持续时间不超过2～3天。因此，当风功率预测较大时，短期内可考虑水库蓄水，减少水电出力，反之，则加大水电出力。水电站具有出力调节能力强、反应速度快的优点，可以利用水电的优势去弥补风电的不可调度性，水电出力曲线优化如图6。

图6 风电及水电的周调节运行方式

以4月某一周为例，楚雄州某片区75万kW风电项目周发电量为0.53亿kW.h，风电功率短期预报显示周一至周三将持续大风过程，发电量占全州的57%。此时，若不对水电进行调节，水电周发电量0.153亿kW.h，每日发电量不会有太大波动，总发电量呈现周一至周三大，周四开始逐渐减小。但对于负荷需电量而言，一周内7天并不会有太大波动，需电量较为平缓。通过集控调度平台，结合风电预测发电量，给水电下发优化后的出力曲线，周一至周三水电蓄水，周四开始风电出力减小，水电增加出力，优化后7天内发电量更加平稳，满足负荷需电量。

c 日调节

日调节方式与周调节类似，对风电功率进行24小时内功率预测，合理安排风电及水电的运行方式，同样利用水电的优势去弥补风电的不可调度性，水电出力曲线优化如图7。

图7 风电及水电的日调节运行方式

某片区75万kW风电项目日发电量为121.5万kW.h，根据典型风能日出力曲线可看出，晚上和夜间风大，风电出力和发电量相对较高，中午风电出力较小。但楚雄州的日负荷具有早、晚两个峰值的特点，早间负荷最高峰一般出现在10～11时之间，而晚间负荷最高峰则出现在19时。日负荷最低值则出现在1：00～7：00之间，正是风电发电量较大的时段。因此，夜间需要让水电蓄水，减小出力，中午和晚上水电增加出力，避免小方式下弃风。

4 风水互补预期成果

1)研究小水电资源与风能在时空量序上的互补关系，为以后其他地区开展风水互补的设计提供建议及优化方案，为集控与调度联合操作提供运行经验。

2)研究风电装机容量占互补系统总容量比例的极限值与最佳值。

3)研究风水互补发供电系统的运行管理方法及经济性评价方法。

5 结束语

1)风能资源与水力资源在资源分布上二者有着天然的时间互补性。采取水电-风电联合开发方式，可以优化电源结构，减轻供需矛盾，克服风电供应的间歇性问题。同时，风电的大风季节刚好和水电的枯水期时段相同，可在枯水期集中进行水电的检修工作。

2)建立区域集控中心，减少运行人员，提高经济效益的同时，区域集控中心可接受电网的AGC指令，汇聚各风电场、水电站的信息并进行分析处理，预计周、日可调出力，提供发电曲线建议给调度，从而实现风水互补的优化调度，水电、风电在集控模式下可达到水风电的经济运行。

[1] 张翼.电力储能技术发展和应用 [J].江苏电机工程，2012(04).

[2] 孙楠，邢德山，杜海玲.风光互补发电系统的发展和应用[J].山西电力，2010(04).

[3] 刘国喜，赵爱群，刘晓霞.风能利用技术讲座 (三)风力机的基本结构 [J].农村能源，2002(01).

[4] 范永威.风-水电联合优化运行研究 [D].河海大学，2007.

Study on Wind Power and Hydropower Complementarity Theory and Embodiments in Reginal Power Grid

LI Hongwei
(Yunnan power grid corporation，Kunming 650011)

This paper studied hydropower and wind power output characteristics of Chuxiong region，and calculated electric power and energy balance，and deduced wind power and hydropower complementary conclusions.This paper put forward wind powerhydro regulation by centralized control to optimize scheduling.This paper also analysis speed control of wind power，thermal power and hydropower in power grid of Yunnan，and resolved the issue whether changes of power output in wind power exceed hydro thermal power output adjustment speed.Provided a theoretical basis optimal control of wind power-hydropower.

wind power and hydropower complementary；wind power-hydro regulation by centralized control；ramp rate of generator

TM73

B

1006-7345(2014)04-0029-04

2014-05-06

李宏伟 (1982)，女，工程师，云南电网公司，主要从事电网规划相关工作 (e-mail)lihongwei0514＠qq.com。