山西电网风电出力特性及消纳形势分析

任爱平，李旭霞，胡迎迎

（国网山西省电力公司经济技术研究院，山西太原 030001）

山西电网风电出力特性及消纳形势分析

任爱平，李旭霞，胡迎迎

（国网山西省电力公司经济技术研究院，山西太原 030001）

根据2013年山西风电5m in间隔出力及电网负荷8 760 h数据，分析了山西风电的出力特性，主要包括与风电消纳相关的年特性、日特性、保证容量系数、有效出力系数、调峰特性，可为远期的风能开发规划及风电消纳能力提供参考。在此基础上，结合“十三五”期间山西风电开发规模以及电网规划，对山西电网风电消纳形势进行了研究探讨。

风电；出力特性；规划；消纳

0 引言

发展风电等可再生能源是我国能源战略调整的重大决策，在国家节能减排及鼓励扶持可再生能源产业等政策的激励下，山西省风电进入了快速发展时期。2008年8月14日，山西国际电力集团右玉小五台风电场和平鲁败虎风电场总装机75 MW风力发电机组并网发电，成为山西首批投产的风电场，实现了山西省并网型风力发电零的突破[1]。截止目前，山西已并网、核准在建以及列入国家能源局拟核准计划的风电装机容量已超过12 000 MW，“十三五”末规划风电装机容量将达到18 000 MW，风电的快速崛起推动了山西能源转型及清洁能源的发展。

山西电网风电出力特性分析可为“十三五”期间山西电网大规模风电并网运行、风能开发规划以及调度运行提供依据，并为山西电网的风电消纳能力及可参与电力平衡的可靠风电容量提供理论参考。因此，从电力系统规划和运行的角度，对风电的出力特性进行分析是很有必要的。

1 山西风能资源分布及风电发展现状

山西省风能资源丰富，从空间分布来看，全省有60%的区域属风能资源一般可利用区，32%的区域属于风能资源较好可利用区、较丰富区和最佳区，8%的区域属于风能资源贫乏区。风能资源较好区域主要分布在五台山高山区域、管涔山及吕梁山西部区域、晋西北区域以及中条山区域[1]。

截至2013年底，山西电网风电场39座，装机容量3 357.5MW，主要集中在北部的大同市、忻州市及朔州市，其中北部风电装机占比为91.21%,南部占比仅为8.78%。从实际运行经验来看，2月份处于供热期且负荷全年最低（春节期间），风电消纳容量为全年最小，2013年山西电网全年无弃风。

2 山西省风电出力特性

风电出力特性分析以电网调度自动化系统采集数据为基础，5min采样间隔能够较大程度地保证数据的有效性及连续性，使风电出力特性分析更加切实可靠。本文主要从与风电消纳相关的角度，对风电的出力特性部分指标进行了详细分析，主要包括年特性、日特性、保证容量系数、有效出力系数、调峰能力。

2.1 年特性

风电出力的年特性通过月平均出力的大小来体现，主要反映风电发电量的季节性差异，详见计算公式（1）。

W ——风电月发电量；

Pcasc——风电机组容量；

Ds——当月天数。

2013年山西风电各月的平均出力系数在0.13～0.38之间，11月至4月出力较大，其中4月平均出力最大，7月平均出力最小。总体来看，山西风电的年特性为春冬两季大，夏秋两季小，如图1所示。

图1 山西省风电各月平均出力系数

2.2 日特性

根据风电各季节的日平均出力分析风电的日出力变化特性，四季中风电出力由大到小依次为春季、冬季、秋季、夏季。就风电在1 d中的最大出力出现的时段来看，春季出现在16时到17时之间，夏季出现在夜晚23 h左右，秋季出现在15时到16时之间，冬季出现在夜晚23时到24时之间；就风电在1 d中的最小出力出现的时段来看，夏季、秋季和冬季出现在上午9时到10时之间，春季出现在8时左右，如图2所示。

2.3 保证容量及有效出力系数

从电力系统规划的角度来看，风电接入电网后可替代的火电装机和由于风电的随机波动而产生的对其他电源的调峰需求是较为重要的两个指标，本文针对风电保证容量和风电有效出力两个评价指标，对风电并网所产生的替代装机效益及调峰需求进行分析[2]。

图2 山西风电日出力曲线

a）保证容量系数是把负荷高峰时段的风电出力按从大到小排序，在某一保证率下（如95%）风电的最小出力（百分比）。

b）有效出力系数是把负荷低谷时段的风电出力按从小到大排序，在某一保证率下（如95%）风电的最大出力（百分比）。

按照上述定义，通过对2013年山西电网负荷特性的统计分析，选择每日的18点—20点（2 h）作为负荷高峰时段进行风电容量计算分析。根据山西风电5min间隔的出力数据，将每个月负荷高峰时段的风电出力 (750或775个点)按照数值大小进行降序排列，形成12个月的负荷高峰时段风电持续出力曲线。在95%保证率下，可得出2013年1月至12月风电的保证容量系数分别为4.5%、5.8%、4.3%、7.8%、4.8%、2.2%、1.4%、1.2%、2.2%、2.3%、3.2%、2.5%，其中4月最大，8月最小。

同理，选择每日的3点—5点作为负荷低谷时段进行风电有效出力计算分析。根据山西风电5min间隔的出力数据，将每个月负荷低谷时段的风电出力按照数值大小进行降序排列，形成12个月的负荷低谷时段风电持续出力曲线，在95%保证率下，可得出2013年1月至12月风电的有效出力系数分别为56.2%、62.7%、60.7%、63.5%、59.9%、38.8%、29.8%、34.1%、35.1%、39.2%、56.7%、60.0%，其中4月最大，7月最小。

在12个月所得数据的基础上进行全年统计分析（共9 125个点），2013年山西风电保证容量为2.3%，有效出力系数为57.1%，分别如图3、4所示。通过以上计算可知，冬春两季风电保证容量及有效出力系数较大，夏秋两季较小，与风电的年特性分析是一致的。由于风电的随机性和间歇性，风电保证容量较小，风电替代火电装机的容量十分有限；而有效出力系数则反映了电网调峰盈亏与可接纳风电装机容量的折算关系，对风电的消纳能力有着直接的影响。

图3 2013年山西风电保证容量示意图

图4 2013年山西风电有效出力示意图

2.4 调峰特性

风电出力的不确定性对电网负荷平衡带来了较大的影响，为了分析风电接入后对系统调峰的影响情况，针对2013年风电并网后山西电网负荷峰谷差变化概率分布进行统计，结果如表1所示。

风电并网后系统峰谷差增大，即风电起到反调峰作用；峰谷差减小，即风电起到正调峰作用。总体看来，2013年峰谷差变化区间是-1 000～1 250MW，其中正值对应的是风电反调峰效果，合计概率为67.4%；负值对应的是风电正调峰效果，合计概率为32.6%，可见山西风电接入系统后反调峰较正调峰作用更为显著，并且风电装机容量越大，风电反调峰现象越严重，电网调峰越困难。另外，不同的季节风电接入对系统峰谷差的影响也略有不同，山西风电冬春两季出力较大，对峰谷差的影响较夏秋两季更为明显。

表1 2013年风电并网后山西电网负荷峰谷差变化概率统计

为进一步了解风电大发情况下不同时段的出力情况，选取2013年风电大发季节（11月—4月）风电出力及负荷日变化曲线进行分析，如图5所示。可以看出，冬春两季风电大发情况下，风电的反调峰特性十分明显，大部分时段风电出力与电网负荷呈相反的变化趋势，如负荷高峰时段（18点—20点）风电出力呈下降趋势，而后夜负荷低谷时段，风电出力呈上升趋势。由于冬春两季存在供热机组出力下限问题，风电的反调峰特性将进一步加重电网的调峰压力。

3 山西省风电消纳形势及提高风电消纳能力措施分析

“十三五”末，山西电网规划风电装机容量将达到18 000 MW，由风电出力特性分析可知，冬季是风电出力较高的季节，也是山西电网调峰最困难的时期，风电集中的北部地区局部网架薄弱而且负荷水平较低，风电大发送出受限。“十三五”期间风电消纳能力不足，弃风现象不可避免，建议采取以下措施提高风电消纳能力。

a）通过特高压通道进行外送。根据国家电网公司的电网发展规划以及国家能源局组织的《关于开展落实大气污染物防治行动计划电网实施方案》，“十三五”期间将建成蒙西—晋北—北京西、榆横—晋中—石家庄1 000 kV特高压交流外送通道及晋北—江苏±800 kV特高压直流外送通道，由于山西风能资源主要分布在北部3市（大同市、忻州市、朔州市），富余风电装机可通过北部特高压通道，采用风火打捆的方式实现风电外送，提高风电利用效率。

b）调整电源结构。构建合理的电源结构是有效提高风电接纳能力的前提条件，目前山西电网的电源结构是以煤电为主，供热机组占相当高的比例，只有1座抽水蓄能电站与少数的天然气发电机组，风电并网规模已远超水电，电源结构不够合理。因此，适时建设合理比例的调峰电源（如抽水蓄能和燃气调峰电源）是十分必要的。通过合理安排负荷低谷时段调峰机组的运行方式，积极发挥其削峰填谷吸纳风电的重要作用，能够在一定程度上提高风电的消纳能力。

c）提高供热机组调峰深度。由于山西电网供热机组占比较高，冬季供热期难以满足全额接纳政府提出的风力发电装机规划目标，建议出台供热期间供热机组调峰的补偿激励机制，鼓励供热机组参与深度调峰，并对新建火电、热电等常规电源机组的合理调峰能力及最小开机出力进行权威性确认,要求达到设计水平并严格考核，充分挖掘供热机组调峰潜力[3]，提高风电消纳水平。

在运用上述措施以及风电出力特性结论的基础上，通过调峰平衡计算可知，“十三五”期间山西电网规划风电基本能够实现全部消纳。

4 结束语

研究采用数据为2013年山西风电出力的实测数据，分析所得出的风电出力特性只能反映当年的风电实际运行情况，具有一定的片面性和局限性。因此，还需针对日后逐年积累的风电出力数据进行滚动研究，不断提高相关指标分析的准确度，才能更加全面地反映山西风电的出力特性，为山西风电开发规模及消纳能力研究提供更为有力的基础数据支撑。

[1]张向东.山西风能资源及风电发展概述 [J].山西电力，2009 （5）：48-50.

[2]辛颂旭，白建华，郭雁珩.甘肃酒泉风电特性研究 [J].能源技术经济，2010，22（12）：16-20.

[3]郭象容.关于电网接纳大规模风电能力的思考 [J].广东电力，2011，24（5）：20-23.

Analysis on Wind Power Characteristics and Accommodation of Shanxi Power Grid

REN Aiping,LIXuxia,HU Yingying

(State Grid Shanxi Econom ic and Technical Research Institute,Taiyuan,Shanxi 030001,China)

According to awhole-year outputdata of Shanxiwind power(every 5-minute interval data and 8 760 hours load data), this paper has analyzed thewind power characteristics related with wind power accommodation,mainly including the seasonal and daily features,ensured capacity,effective power and peaking characteristics of Shanxiwind power，which can provide reference for long-term planning of wind source development and wind power accommodation.Finally,the capability of Shanxiwind power accommodation is explored combiningwith thewind powerdevelopmentscale and powergrid planning during the Thirteenth Five Years period.

wind power;outputcharacteristics;planning;accommodation

TM614

A

1671-0320（2016）03-0041-04

2015-12-31，

2016-03-28

任爱平（1981），女，山西朔州人，2007年毕业于华北电力大学电力电子与电力传动专业，工程师，从事电网规划工作；

李旭霞（1976），女，山西襄汾人，2004年毕业于华北电力大学电力系统及其自动化专业，高级工程师，从事电网规划管理工作；

胡迎迎（1988），女，山西平陆人，2013年毕业于华北电力大学电力系统及其自动化专业，助理工程师，从事电网规划工作。