龙羊峡、雅砻江水域风电-水电互补潜力评估

史 洁，蔡静文，刘致宇，姜 珊，谭乔凤，谢 源

(1.济南大学 物理科学与技术学院，山东 济南 250022；2.宁波大学 数学与统计学院，浙江 宁波 315211；3.中国水利水电科学研究院，北京 100038；4.河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098；5.上海电机学院 电气学院，上海 201306)

风能、水能都是清洁可再生能源，以人类目前的能源获取途径，要实现“碳中和”目标，必须大力发展风能、水能、太阳能等可再生能源，风电、光电、水电互补开发，加快实现电力清洁化。近年来我国水电、风电、光电持续高速增长，但同时也因产能过剩、调度不合理等而造成弃水、弃风、弃光等问题[1-3]。

2021年1—6月全国风电新增并网装机容量为1.084×107kW，其中陆上风电新增装机容量为8.694×106kW，海上风电新增装机容量为2.146×106kW[4]。由于风电具有间歇性、波动性等特性，同时风电装机比例显著增长，因此电网接纳风电的能力受到各种因素制约[5-7]。此外，我国地势高差巨大，地形复杂多样，且河流众多，蕴藏着非常丰富的水能资源。2020年全国水能资源总量为3.16×1012m3，比多年平均值偏多14.0%，全国用水总量为 5.81×1011m3，其中生活用水量为8.63×1010m3，占用水总量的 14.9%。全国地表水源供水量为 4.79×1011m3，占供水总量的82.4%；地下水源供水量为8.93×1010m3，占供水总量的15.4%；其他水源供水量为1.28×1010m3，占供水总量的2.2%[8-9]。

国内大部分地区水能和风能资源具有地理分布高度重叠，年内、日内出力互补性强的特点[10]，建设水电-风电联合运行管控系统，可以充分发挥水电调节能力，通过风能资源与水电互补运行、打捆外送的方式，减小出力的波动性和随机性，缓解新能源独立规模化运行对电网的冲击和送出难等问题，促进清洁能源消纳能力的提升，提高电网和电源的整体可靠性和经济性，因此风电-水电互补系统协调运行将逐步成为未来电力系统的发展方向，其中对风电-水电互补潜力进行准确分析尤为重要[11]。结合风电-水电互补系统的运行特点，利用互补系数将风电与水电2个分系统评价与系统联合发电系统评价相结合，构建适用于评价风电-水电互补特性的指标框架。

水电作为规模大、调节性能良好的电源，可以有效平抑风力发电波动，提高电网的消纳能力。事实上，风电、水电的有功功率输出在年内、日内时间尺度均具有一定互补性，且水能和风能作为可再生能源被广泛用来提供电力，但是风电的波动性和不确定性影响电力系统的运行，需要其他发电形式来平衡。对于水能资源丰富的地区，利用大规模水力发电与风电集成，可以平抑风电出力变幅，提升风电电能质量;利用水能与风能资源年内互补特性，可以提高送出通道利用率和开发的综合效益。

我国水能资源集中分布在金沙江、长江、黄河、雅砻江、大渡河、澜沧江、乌江、南盘江、红水河以及怒江等大江大河的干流及其主要支流上，这样的分布特点便于建立水电基地，对水能资源进行战略性的集中开发，对我国实现水电流域梯级滚动开发，实行资源优化配置，带动西部经济发展都起到了极大的促进作用。雅砻江位于四川省西部，是金沙江的最大支流，水能资源丰富。龙羊峡位于青海省共和县境内的黄河上游，属于中纬度地带，太阳辐射强度大，光照时间长，具备风光水互补的可能性。为了量化评估重要水域附近的风能资源，本文中以龙羊峡、雅砻江水域为例，结合全国风能、水能资源数据对不同地区风电-水电互补潜力进行评估与判定，对风电-水电互补系统运行特性进行分析和计算，为风电-水电互补在时间和空间尺度的应用提供前提和研究基础。

1 龙羊峡水域风能、水能资源潜力评估

1.1 水能资源潜力评估

龙羊峡水电站的设计装机容量为1 280 MW，机组的满发体积流量为1 192 m3/s，保证出力为589.8 MW，年均发电量为5.942×109kW·h。水电站正常蓄水位为2 600 m，相应的库容为2.47×1010m3，有效库容为1.935×1011m3，水电资源储量丰富。

1.2 风资源潜力评估

1.2.1 基础风数据的获取

采用现代再分析资料(modern era retrospective-analysis for research and applications，MERRA)数据库获取基础数据。该数据库由戈达德地球观测系统(Goddard earth observing system，GEOS)和相关的数据同化系统(data assimilation system，DAS)生成，与其他再分析产品相比，数据库结合了卫星和全球气象站网络、飞机和射电望远镜的观测数据，在全球范围内产生了物理上一致的大气状态图，提供更高分辨率的输出频率，确定了1980年至今的风速[12]。

1.2.2 评估指标

在评价候选场址处的风能资源时，通常采用的指标参数是风功率密度和年平均风速。为了对风能资源潜力进行多维度评估，本文中增加了风速频率分布和风能频率分布2个指标。

(1)

式中：v(t)为时刻t的瞬时风速；t1、t2为测量时刻，两者间隔时间为10 min～2 h。

风功率密度w是气流垂直通过单位面积(风轮面积)的风能，与空气密度ρ成正比，其计算公式为

(2)

式中v为风速。

空气密度ρ的计算公式为

(3)

式中：p为年平均大气压力；R=287 J/(kg·K)，为气体常数；T为年平均空气热力学温度，K。

平均风功率密度Dwp(W/m2)以MERRA数据库中获取的风速及空气密度为基础，计算公式[13]为

(4)

式中：n为采样时刻的个数；vi为第i个采样时刻的风速。

本文中以15 min作为时间序列的时间间隔，设n=4，计算一年内每小时的平均风功率密度，然后对所有数据取平均值，得到年平均风功率密度。

风速频率分布和风能频率分布统计。以1 m/s为区间长度划分风速区间，统计每个风速区间内风速和风能出现的频率；用每个风速区间的中点定义该风速区间，如5 m/s风速区间代表风速区间4.5～5.5 m/s。

风切变指数α表示风速在垂直于风向平面内的变化，其大小反映风速随海拔高度增加的快慢。计算公式[14]为

α=ln(v2/v1)/ln(X2/X1)，

(5)

式中X1、X2分别为风速v2、v1对应的海拔。

1.2.3 评估过程

1)根据上述评估方法，通过MERRA数据库获取龙羊峡水域再生气象数据，其中，龙羊峡水域取样范围内的平均风速约为6 m/s。通过基础风速数据计算年风功率密度，得到龙羊峡水域的平均风功率密度约为424 W/m2。将平均风速和平均风功率密度绘制成图，如图1所示。由图可知，龙羊峡水域附近的风能资源丰富，且风能资源丰富区集中于水域附近，因此发展风电-水电联合系统可以极大地节约人力资源以及线路资源，更具备经济性和可行性。

2)根据风切变指数的计算公式，龙羊峡水域的风切变指数为0.23。

(a)平均风功率密度

综上，龙羊峡水域在海拔为50、100 m处的风速资源较好，风速分别为5.1、6.0 m/s，适宜建设风电场；其次，龙羊峡水域风切变指数为0.23，高层风速的利用价值非常高。

2 雅砻江水域风能、水能资源潜力评估

2.1 水能资源潜力评估

雅砻江干流全长1 571 km，流域面积为1.36×105km2，天然落差为3 830 m，年径流量为5.96×1010m3，多年平均流量为1 550 m3/s，最大年均流量为2 330 m3/s，最小平均流量为1 220 m3/s，流域水能理论蕴藏量为3.372×107kW。已建成的二滩水电站装机6台，总容量为3.3×106kW，年发电量为1.7×1010kW·h。由此可以看出，雅砻江水域水能资源丰富，符合风电-水电互补系统的要求。

2.2 风能资源潜力评估

雅砻江水域的基础风数据获取和评估方法与龙羊峡水域的相同。

整个区域面积超过2.5×105km2，为了准确分析评价流域附近的风能资源，沿流域布置8个测点(见图2)。通过MERRA数据库获取雅砻江水域风速数据，通过计算得到其平均风功率密度，表1所示为上述8个测点在海拔为50、100 m处的平均风速和平均风功率密度。

图2 雅砻江水域风能资源测点分布

表1 雅砻江水域各测点的平均风速和平均风功率密度

由表中数据可以看出，各测点的平均风速和平均风功率密度在相同海拔处的数值略有不同，但总体数值表现出测点周围风能资源丰富。同时，各测点平均风速和平均风功率密度的平均值较大。综上，雅砻江水域的风能资源丰富。

雅砻江水域在海拔50、100 m处的平均风速分别为6.40、7.04 m/s，根据风切变指数的计算公式，雅砻江水域的风切变指数为0.13。可见，雅砻江水域风速较大，当黏滞效应发挥作用时，风切变指数仍然可以达到0.13，足以证明雅砻江水域具有丰富的风能资源。

3 风能资源互补必要性分析

龙羊峡、雅砻江水域风能资源及水能资源非常丰富，但是，部分地区风能资源波动性较大，大比例接入大系统后或将对电网造成负面影响，给电力系统的安全稳定和经济运行带来巨大威胁，因此在可再生能源联合系统并网之前，有必要对单个系统的输出功率进行平稳性评估。引入考察时间尺度内的功率平稳性指标δ来量化评估功率波动程度[15-16]，计算公式为

(6)

(7)

式中：n为考察时间窗口内的总采样点数；δi为第i个采样时刻的风电功率变化与装机容量的比值；Pi+1为风电功率当前时段采样值，MW；Pi为风电功率上一时段采样值，MW；Pc为待研究风电机组或风电场(群、基地)的装机容量，MW。

δ值反映了在考察时间尺度内功率波动的程度，数值越小说明功率波动越小，平稳性越好；反之，功率波动越剧烈，平稳性越差。为了评判风、电功率不平稳程度，可整定δ的某一阈值δt。当δ>δt时，认为不平稳性变得比较突出。根据国家标准GB/T 1963—2001《风电场接入电力系统技术规定》，δt取0.2。设定龙羊峡、雅砻江水域风电场的风电机组叶片直径为80 m，经过计算，龙羊峡、雅砻江水域的δ分别为0.23、0.28，均大于国家标准中的阈值0.2。从上述计算可以看出，虽然两大水域的风能资源丰富；但是其风电输出功率随时间波动性较大，因此，在发展风电-水电互补发电时需要综合考虑风电功率时序波动特性和水电季节差异性，为后续研究提供基础数据的支撑。

4 结论

通过对龙羊峡、雅砻江水域的风能资源和水能资源评估，得到以下结论：

1)龙羊峡、雅砻江水域的风电功率平稳性指标分别为0.23、0.28，均大于国家标准中的阈值0.2，说明两水域的输出风电功率波动性较大，发展混合能源互补发电较有前景。

2)龙羊峡水域风切变指数为0.23，高层风速的利用价值非常高；雅砻江水域风速较大，黏滞效应发挥作用时，风切变指数仍然可以达到0.13，风资源非常丰富。

3)龙羊峡、雅砻江水域均具有丰富的风能资源，且风能资源丰富区集中于水域附近，因此，在两水域附近发展风电-水电联合系统将会极大地节约人力资源以及线路资源，经济性和可行性俱佳。

综上，龙羊峡、雅砻江水域的能源系统具有较高的风电-水电互补潜力，为后续发展水电-风电联合系统提供了前提。