哈密風(fēng)電基地出力特性研究

章 凱

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司, 西安 710065)

0 前 言

區(qū)別于傳統(tǒng)能源，風(fēng)能既是清潔能源,又是可再生能源。風(fēng)力發(fā)電對其它一次能源沒有依賴性，無燃料價格變動風(fēng)險，運(yùn)行成本相對穩(wěn)定，更不會產(chǎn)生碳排放等環(huán)境成本。規(guī)?；_發(fā)利用風(fēng)能資源,不僅可以有效降低對化石能源的依賴,而且對保護(hù)環(huán)境也可以起到一定的積極作用?；谝陨溪?dú)特優(yōu)勢，風(fēng)力發(fā)電不僅是中國能源戰(zhàn)略的重要部分也逐漸成為許多國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的方向。

大規(guī)模風(fēng)電基地或風(fēng)電場集群出力特性與風(fēng)電場的空間分布、裝機(jī)規(guī)模、評估時間尺度等緊密相關(guān)。目前，針對風(fēng)電場出力研究的文獻(xiàn)很多，文獻(xiàn)[1,2,5]分析了甘肅酒泉風(fēng)電基地的出力特性及時空變化規(guī)律；文獻(xiàn)[3]闡述了風(fēng)電出力特點(diǎn)、大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)影響；文獻(xiàn)[4]利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對黑龍江地區(qū)風(fēng)電出力特性進(jìn)行了描述；文獻(xiàn)[6,7]采用概率統(tǒng)計(jì)方法分析了風(fēng)電場(群)的出力特性；文獻(xiàn)[9]研究了風(fēng)電出力波動性評價指標(biāo)，建立了混合高斯模型；文獻(xiàn)[8,10]對海上風(fēng)電出力特性進(jìn)行了研究。

本文基于新疆哈密風(fēng)電基地測風(fēng)塔實(shí)測數(shù)據(jù)以及風(fēng)功率預(yù)測塔數(shù)據(jù)，采用時間序列與統(tǒng)計(jì)計(jì)算的分析方法，對哈密風(fēng)電基地風(fēng)電的出力特性，從日變化、季節(jié)變化以及相關(guān)性、互補(bǔ)性等方面進(jìn)行了研究，為促進(jìn)大規(guī)模的風(fēng)電開發(fā)與利用以及大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行提供了依據(jù)。

1 哈密風(fēng)電基地概況

哈密，位于中國新疆自治區(qū)東部，是新疆通向中國中東部地區(qū)的要道。哈密地區(qū)風(fēng)能、太陽能、煤炭等資源十分豐富，已成為國家級重要能源基地。哈密風(fēng)電基地是中國規(guī)劃的重要風(fēng)電基地，開發(fā)條件優(yōu)越，也是中國首個利用跨區(qū)特高壓直流輸電通道開展風(fēng)電消納的示范項(xiàng)目。

哈密地區(qū)位于新疆東部，南北兩側(cè)分別是阿爾泰山和庫魯克塔格余脈，東天山余脈從哈密地區(qū)橫穿而過，整個哈密地區(qū)是三山兩谷的地勢。受常年西風(fēng)氣流以及山谷強(qiáng)大的夾擊作用形成的狹管效應(yīng)的影響，造成了哈密地區(qū)豐富的風(fēng)能資源。

哈密市氣候主要受西風(fēng)環(huán)流影響，風(fēng)速春、夏季大，秋季次之，冬季最小。此外，受地形影響，哈密市各地風(fēng)向、風(fēng)速的分布差異較大。據(jù)哈密市各地氣象站資料(10 m高度)分析，天山以南的哈密市區(qū)及附近風(fēng)力偏小，年平均風(fēng)速僅為2.3 m/s。哈密市區(qū)以東戈壁，盛行偏東風(fēng)，年平均風(fēng)速2.3～4.9 m/s。三塘湖～淖毛湖盆地盛行偏西風(fēng)，年平均風(fēng)速4.6～5.9 m/s。

哈密風(fēng)電基地一、二期共建設(shè)風(fēng)電場超過30個，其中多數(shù)風(fēng)場裝機(jī)容量約200 MW，總裝機(jī)容量約10 000 MW。風(fēng)電基地主要含3個子區(qū)域：三塘湖、景峽、煙墩。哈密風(fēng)電基地各區(qū)域位置及區(qū)域地形見圖1。

圖1 哈密風(fēng)電基地風(fēng)電場位置示意圖

2 數(shù)據(jù)情況及數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文研究主要基于風(fēng)電場內(nèi)測風(fēng)塔的實(shí)測風(fēng)速數(shù)據(jù)以及風(fēng)功率預(yù)測塔數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)的可靠性，研究在各區(qū)域內(nèi)優(yōu)選數(shù)據(jù)時段較長、完整率較高的2～3個風(fēng)電場數(shù)據(jù)。哈密風(fēng)電出力數(shù)據(jù)及測風(fēng)塔數(shù)據(jù)時段選取數(shù)據(jù)完整、質(zhì)量較高的同一自然年，分辨率為10 min。以下全部計(jì)算及圖、表均基于以上數(shù)據(jù)。

3 風(fēng)電出力的日變化、季節(jié)變化分析

3.1 風(fēng)電出力的日變化分析

為了解哈密風(fēng)電基地內(nèi)風(fēng)電出力的日變化特征，本文收集了實(shí)測風(fēng)速數(shù)據(jù)(70 m高)、風(fēng)電場出力數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)日變化情況，見圖2。結(jié)果顯示，風(fēng)速日變化具有明顯的區(qū)域差異：煙墩、景峽區(qū)域夜間風(fēng)速大、白天風(fēng)速小，00:00～8:00最大，然后逐漸減小，中午13:00～14:00最小，然后又逐漸增大；三塘湖區(qū)域夜間和白天風(fēng)速均比較大，中午11:00～12:00最小，其他時間風(fēng)速均比較大。出力變化趨勢與風(fēng)速基本一致。

3.2 風(fēng)電出力的季節(jié)變化分析

為了解哈密風(fēng)電基地內(nèi)風(fēng)電出力的季節(jié)變化特征，本文統(tǒng)計(jì)了逐月平均風(fēng)速、風(fēng)電場出力數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)季節(jié)變化情況，結(jié)果見圖3。結(jié)果顯示，哈密地區(qū)的風(fēng)速與風(fēng)電場出力季節(jié)變化趨勢總體一致，即春季(3-6月)風(fēng)速大，冬季(11月-翌年2月)風(fēng)速小。

圖2 70 m高風(fēng)速及風(fēng)電場出力日變化圖(哈密風(fēng)電基地)

圖3 70 m高風(fēng)速及風(fēng)電場出力季節(jié)變化圖(哈密風(fēng)電基地)

4 哈密風(fēng)電出力的相關(guān)性與互補(bǔ)性

4.1 風(fēng)電出力具有相關(guān)性

同一區(qū)域內(nèi)地理位置相對集中的風(fēng)電場，當(dāng)出現(xiàn)持續(xù)時間較長的強(qiáng)風(fēng)時，這些風(fēng)電場之間發(fā)電出力變化就呈現(xiàn)一致，即反映出較強(qiáng)的相關(guān)性。而這種相關(guān)性通常體現(xiàn)為各個風(fēng)電場出力變化趨勢相近，不同風(fēng)電場的風(fēng)電出力表現(xiàn)出較大的相關(guān)性,導(dǎo)致整個區(qū)域風(fēng)電場或風(fēng)電基地總體出力呈現(xiàn)較強(qiáng)波動。

本次分別以哈密風(fēng)電基地三塘湖區(qū)域和景峽區(qū)域?yàn)槔治鐾粎^(qū)域內(nèi)風(fēng)電出力的相關(guān)性。對哈密風(fēng)電基地建成后各風(fēng)功率預(yù)測塔風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分別繪制得到三塘湖區(qū)域STH01和STH02兩座風(fēng)功率塔同期風(fēng)速過程線、景峽區(qū)域JX01和JX02兩座風(fēng)功率塔同期風(fēng)速過程線，具體見圖4、5。

圖4 三塘湖區(qū)域2座風(fēng)功率塔同期風(fēng)速過程線圖

圖5 景峽區(qū)域2座風(fēng)功率塔同期風(fēng)速過程線圖

由圖4、5可以看出，同一區(qū)域內(nèi)2個距離相對較近的風(fēng)電場(集群)之間出力變化形狀具有較大的相似性，呈現(xiàn)較為一致的變化趨勢，這也意味著同一區(qū)域內(nèi)的風(fēng)電場(集群)相互之間有著較強(qiáng)的相關(guān)性。

4.2 風(fēng)電出力具有互補(bǔ)性

當(dāng)同一區(qū)域內(nèi)多個風(fēng)電場間的地理位置分布較分散時，由于地理跨距大，各風(fēng)電場出力特性受地理分散效應(yīng)的影響，降低了風(fēng)電場間輸出功率的相關(guān)性，提高了輸出功率的互補(bǔ)性。當(dāng)有來風(fēng)時，由于風(fēng)電場之間地理間距較大，風(fēng)的高峰時刻和低谷時刻達(dá)到的時間不同，因此在同一時刻，有的風(fēng)電場處于高峰時刻而有的風(fēng)電場則處于低谷時刻，這樣就在總體上形成了互補(bǔ)效應(yīng)。

本次對哈密風(fēng)電基地景峽區(qū)域JX01和三塘湖區(qū)域STH01兩座風(fēng)功率塔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪制得到景峽代表塔JX01和三塘湖代表塔STH01同期風(fēng)速過程線(見圖4～6)，分析哈密風(fēng)電基地景峽區(qū)域和三塘湖區(qū)域2個地理跨距較大區(qū)域內(nèi)風(fēng)電出力的互補(bǔ)性。

圖6 景峽區(qū)域代表塔JX01和三塘湖區(qū)域代表塔STH01同期風(fēng)速過程線圖

由圖6可以看出，由于相距較遠(yuǎn)的2個風(fēng)電場(集群)之間地理跨距較大，風(fēng)峰和風(fēng)谷達(dá)到的時間不同。當(dāng)三塘湖區(qū)域風(fēng)電場(集群)處于風(fēng)峰時刻、出力較大時，而在同一時刻，景峽區(qū)域風(fēng)電場(集群)則處于風(fēng)谷時刻，出力較小，這樣就在總體上形成了互補(bǔ)效應(yīng),削弱了自然風(fēng)波動對風(fēng)電集群出力的影響，從而使得哈密風(fēng)電基地風(fēng)電集群的出力曲線變得更為平滑。

5 結(jié) 語

本文以哈密風(fēng)電基地為例，研究了三塘湖、景峽及煙墩區(qū)域風(fēng)電出力日變化、季節(jié)變化、相關(guān)性、互補(bǔ)性等特性，得到以下結(jié)論：

(1) 哈密風(fēng)電基地三塘湖區(qū)域盛行西風(fēng)，景峽、煙墩區(qū)域盛行東風(fēng)。風(fēng)電基地風(fēng)具有較為明顯的傳遞相關(guān)過程。無論是在局部風(fēng)電集群內(nèi)還是從三塘湖區(qū)域-景峽、煙墩區(qū)域，均存在較為明顯的傳遞過程。

(2) 在大型風(fēng)電基地內(nèi)，由于地形地貌的差異，局地大氣環(huán)流的成因及變化規(guī)律不同，造成風(fēng)電基地內(nèi)不同區(qū)域的風(fēng)速以及風(fēng)電出力宏觀變化呈現(xiàn)不同特點(diǎn)。

(3) 同一區(qū)域內(nèi)2個距離相對較近的風(fēng)電場(集群)之間出力變化形狀具有較大的相似性，呈現(xiàn)較為一致的變化趨勢，這也意味著同一區(qū)域內(nèi)的風(fēng)電場(集群)相互之間有著較強(qiáng)的相關(guān)性。

(4) 2個相距較遠(yuǎn)的區(qū)域風(fēng)電場(集群)，風(fēng)的高峰時刻和低谷時刻達(dá)到的時間不同，因此在同一時刻，某一區(qū)域風(fēng)電場(集群)處于高峰時刻而另一區(qū)域風(fēng)電場(集群)則處于低谷時刻，這樣就在總體上形成了互補(bǔ)效應(yīng)。