地区电网风电水电互补的特性分析

姚俊伟，张燕，杨星磊，金萧，项川，何奇

（囯网宜昌供电公司经济技术研究所，湖北 宜昌 443000）

1 引言

风电与水电的产生都是通过现代先进技术，将风与水等自然元素所具备的动能转化为电能，该过程无需燃烧，不会对大气中排放污染物质，并且风能与水能是自然中取之不尽用之不竭的，因此风电与水电被称为可再生的清洁能源。风电与水电具有地域性与季节性的特性，风电的获取受到地理地形的环境影响程度较大，并且其还存在较高的波动性；水电的获取则要与季节特性以及江河的地理分布情况来进行结合。

在我国经济不断发展的背景下，国内对于能源的需求程度也在不断提升，传统的能源供给模式已经无法满足日益提升的能源需求，因此需要加快在新能源领域的发展，以满足国能能源需求的同时，也能够符合我国政策所提出的可持续发展的科学发展观标准。在新能源的发展领域中，自然能源的占比程度不断提升，为电力系统的并网提出了新的要求，结合目前所考虑的解决方式，为使水电与风电协调运行，该方案能够实现对风电场进行常规调控管理。在对水电与风电协调运行的方案进行研究的过程中，需要首先了解其原理与特性，以及相互之间的联系与区别，进而使两者形成互补，相互进行电量与容量的补偿。

2 风力发电的特性分析

风电产生的效率跟风速有直接联系，而风速则与地理特征、气候特征等因素有关，同时也受到时空因素的影响，根据时间尺度的差异，对风速的评估标准也不同。图1展示了风速变化过程中的频谱、频率统计图，图中天气峰值的形成主要是由于气候变化所造成，图中的日峰值则是由于温度的影响所形成。一般情况下，对于规模越大的风电场，其变化的时间尺度等级越小，分钟级别以下的变化程度较大，湍流峰值就是与该等级的时间尺度相对应。

图1 风速变化时的功率频谱图

由于风电功率与风速有直接联系，学术界对于风速进行深入研究后建立了多种模型，其中有Weibull、Rayleigh等，Weibull是对风速分布进行模拟测量，能够通过现代软件来进行计算与统计，其在现实应用中的表现较好。HOMER软件能够对风电场的Weibull概率进行分析与统计，并且能够通过曲线图来展现，该曲线能够有效统计风速的分布性与随机性概率。为了便于研究，本文对风速概率与Weibull的关系进行假设，假设前者服从后者的情况下，能够构建概率密度函数的算式，具体如式（1）所示：

上式中，v、c、k分别表示风速以及Weibull分布的尺寸参数与形状参数，k值的范围为1.5～3。风速的分布计算式如下：

由于风能具备较大程度的随机性与分布性，因此风电机组的输出功率不具备稳定性，其数值的表现形式为分段函数，当风速与风电场的风机切入风速不能匹配时，风电场的输出功率为零。当风速小于切出风速，并且大于额定风速的状态下，风电场的输出功率为额定状态。

表1 风电与水电在协调运行中所具备的互补内容

3 风水互补特性分析

风能的产生效率主要由风电场的输出功率决定，风电场输出功率与风速以及装机类型的关系较为紧密，同时波动幅度也较大。水电站能够发电的同时，还能够进行防洪灌溉，并且输出功率也受到河流以及环境气候的影响，其也具备一定程度的波动性。

随着科技的发展，可再生能源发电将成为未来能源的主流趋势，因此需要各种不同类型的可再生能源进行相互协调，共同为国家能源供给来服务。在可再生能源中，水电与风电就具有较好的互补条件，被能源行业与社会各界所重视。国际能源机构在对二者进行深入研究分析后指出，需要通过制定相应的实施协议方案来发展集成系统项目。由于我国地大物博，在风电与水电的发展上具有一定优势，并且东北地区具备同时开发两种可再生能源的特质，能够有效开展风水联合调度的研究。并且国家政府对该项研究也较为重视，通过设立多项重大科技项目来促进风电与水电的联合发展。

风电与水电之所以能够进行联合互补发展，主要因为二者具备较大的时空差异，具体的差异有季节差异与调节技术差异，因此能够进行有效的互补。表1展示了风电与水电在协调运行中所具备的互补。

（1）季节互补性。自然资源都具有一定的季节性影响，同样风电与水电也不例外，在我国夏季的风速要比冬季小，并且降水比冬季充沛，因此夏季的季节特性使得风能较小而水电较为充分，而冬季则是风电充分，水电发电量不足。水电还存在丰水期与枯水期因素的影响，不同的水期直接影响到水流量与发电量，水电当地日的水流量比较稳定，属于日级波动较小的状态。风电的波动属于小时级别，在日内的波动幅度较大。水电与风电相互协调能够对波动性进行互补。图2展示了克什克腾旗地区水电与风电的季节互补表现，从两图曲线来看，互补关系非常明显。

（2）技术特性互补。水电发电站在修建时都具备蓄水的功能，通过对水量的储备能够间接对电能进行储备。通过蓄水能够使水电站较好的应对时间较短的波动，使得水电与风电结合时，在风能较大使得风电输出效率提升的情况下，可以让水电站进行蓄水，而风能变小使得风电的输出效率降低的情况下，可以通过防水提升水电输出，这样可以形成较为规律的循环，从而一直保持稳定的总输出功率。

图2 内蒙古克什克腾旗地区风电与水电在季节上的互补性

4 结语

本文对风能与水能发电进行概述，并对二者的功率特性进行了分析，在前任的研究基础上，通过风能发电的相关数据对Weibull分布的合理性进行了分析与验证，根据风速Weibull分布对各种尺度标准与形状参数的风电功率进行了计算分析。在对风电规模不断提升而出现的并网与消纳问题上，提出了对目前风电与水电进行相互协调互补的构想方案，并对风电与水电结合的客观可行性与互补优势特性进行了分析，其中对风电与水电的季节性互补以及技术特性互补方面的内容进行详细分析。通过风电与水电的协同运行，能够有效解决现阶段存在的风电消纳问题。