劉 怡，肖立業(yè)

(1．中國科學(xué)院應(yīng)用超導(dǎo)重點實驗室，北京100190; 2．中國科學(xué)院電工研究所，北京100190)

廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)性及其對電網(wǎng)影響的分析

劉 怡1，2，肖立業(yè)1，2

(1．中國科學(xué)院應(yīng)用超導(dǎo)重點實驗室，北京100190; 2．中國科學(xué)院電工研究所，北京100190)

風(fēng)電并網(wǎng)會給電力系統(tǒng)帶來一系列不利影響，其根本原因為風(fēng)速具有間歇性和波動性，從而使得風(fēng)機(jī)的功率輸出具有較大的隨機(jī)性。除了利用儲能系統(tǒng)、“風(fēng)火打捆”等方法外，合理利用廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)性也是平滑風(fēng)電功率波動的可能解決方案之一。本文綜述了國內(nèi)外研究廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)性的現(xiàn)狀，并對合理利用廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)性可能對電網(wǎng)產(chǎn)生的積極影響進(jìn)行了分析。此外，本文以我國的電網(wǎng)和風(fēng)能發(fā)展情況為例，分析了其利用廣域風(fēng)能時空性的潛力及可能路徑。

風(fēng)能;波動性;平滑效應(yīng);時空互補(bǔ)性;未來電網(wǎng);直流輸電;間歇性

1 引言

近些年來，風(fēng)能在全世界范圍內(nèi)得到了迅速的發(fā)展。根據(jù)全球風(fēng)能委員會(Global Wind Energy Council，GWEC)的統(tǒng)計，截止2013年底，全世界風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到318.1GW，其中2013年新增裝機(jī)容量35.29GW，如圖1所示。

圖1 全球風(fēng)電發(fā)展情況Fig．1 Global wind power development

雖然風(fēng)電在全世界范圍內(nèi)得到了較快發(fā)展，但其發(fā)電功率主要依賴于天氣，因此具有較大的波動性和間歇性，風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)將會給電網(wǎng)的穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來諸多不利影響。國內(nèi)外已有大量學(xué)者提出了各種不同減小風(fēng)電波動性的方法，以此減弱其對電網(wǎng)產(chǎn)生的消極影響，這些方法主要如下:①風(fēng)機(jī)輸出功率控制技術(shù)［1］;②風(fēng)電功率輸送和并網(wǎng)控制技術(shù)［2］;③配置儲能系統(tǒng)［3］;④“風(fēng)火打捆”外送風(fēng)電［4］;⑤受端電網(wǎng)增加傳統(tǒng)電源容量［5］;⑥利用廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)性。雖然各種方法均有其優(yōu)缺點，但本文僅考慮第六種方法。

由于地理位置和天氣條件不同，廣域分散分布的風(fēng)能具有良好的時空互補(bǔ)性，其輸出功率能有效地互補(bǔ)。該方法不受時間尺度的限制，能夠使不同時間尺度下的風(fēng)電功率波動得到平滑，從而對電力系統(tǒng)有功功率平衡過程的各個環(huán)節(jié)產(chǎn)生影響。

2 時空互補(bǔ)性的定義

空間上的互補(bǔ)性指在同一時刻、不同地點的能源資源所具有的互補(bǔ)性?？臻g上的互補(bǔ)性既存在于多種可再生能源(如風(fēng)能和太陽能)之間，也存在于相同資源之間。Christina等人［6］通過研究表明，加拿大地區(qū)不同地點的風(fēng)能和太陽能之間存在著良好的空間互補(bǔ)性，能平滑該地區(qū)可再生能源功率輸出; Dvorak等人［7］發(fā)現(xiàn)分散分布在美國東部海岸的四個風(fēng)電場，在同一時刻，極少同時出現(xiàn)輸出功率同時為零或者同時為額定功率的情況，因此其存在著良好的空間互補(bǔ)性。

時間上的互補(bǔ)性指某時間段內(nèi)、分布于同一地區(qū)的兩種或兩種以上的可再生能源的可利用性不同。換言之，一些資源在某一時間段內(nèi)顯得很充足，而其他資源則在另一些時間段內(nèi)很充足。例如，太陽能只能在白天利用，而風(fēng)能在晚上依然可以利用;我國某地區(qū)夏季的水電資源比較充沛，而冬季的風(fēng)能資源更加豐富。值得指出的是，分布于不同地區(qū)的同種資源，或不同資源之間也可能具有時間上的互補(bǔ)性。

3 廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)性研究現(xiàn)狀

早在1979年，Kahn等人［8］基于分散在美國加利福利亞州的氣象站點記錄的風(fēng)速數(shù)據(jù)，通過研究表明，將廣域分散的風(fēng)電場互聯(lián)能平滑其輸出功率波動。隨后，世界各國學(xué)者對廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)性進(jìn)行了相關(guān)研究。這些研究大多為基于氣象數(shù)據(jù)、采用統(tǒng)計方法對一定區(qū)域的風(fēng)能時空互補(bǔ)性進(jìn)行調(diào)查研究。

(1)美國

針對美國廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)性，Archer等人［9］于2003年，基于美國國家氣象局提供的時間長度為1年的10m高小時時間尺度的風(fēng)速，模擬了輪轂高度為80m的風(fēng)機(jī)的輸出功率，并對廣域分布的風(fēng)電場輸出功率時間序列進(jìn)行統(tǒng)計研究。其研究結(jié)果表明，廣域風(fēng)能輸出功率波動的標(biāo)準(zhǔn)差比單個風(fēng)電場小。隨后Archer等人［10］又基于美國國家氣象局提供的平均風(fēng)速大于6.9m/s的風(fēng)能站點的風(fēng)速數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計方法對廣域風(fēng)能互補(bǔ)后的輸出功率進(jìn)行了進(jìn)一步研究。結(jié)果表明，廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)后，輸出功率年平均容量系數(shù)為0.33，最大輸出功率容量系數(shù)為0.47，比單個風(fēng)電場小，互補(bǔ)后的風(fēng)電輸出功率波動性得到緩解，甚至可以作為電網(wǎng)內(nèi)的基本負(fù)荷發(fā)電廠。同時，通過風(fēng)能時空互補(bǔ)后再向遠(yuǎn)端負(fù)荷中心供電，所增加的輸電損耗僅僅只有1.6%，卻能使輸電線路容量節(jié)約20%。

2010年，Kempton等人［11］基于美國東海岸沿線11個氣象站點記錄的5年的風(fēng)速數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計方法對美國東部分布長達(dá)2500km的海上風(fēng)能時空互補(bǔ)性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，通過輸電線將11個風(fēng)電場互聯(lián)后總輸出功率為零或者額定功率的概率相比單個站點有很大程度降低。2011年，Gunturu等人［12］基于測風(fēng)塔觀測的10m高小時時間尺度的風(fēng)速數(shù)據(jù)，分別模擬了50m、80m和100m高處風(fēng)電功率，采用數(shù)理統(tǒng)計方法，對廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，風(fēng)電場之間時空互補(bǔ)性帶來的經(jīng)濟(jì)效益隨著其相關(guān)系數(shù)的增大迅速下降。

(2)法國

Cassola等人［13］基于法國科西嘉地區(qū)10個氣象站點觀測的3h時間間隔的風(fēng)速數(shù)據(jù)，模擬了不同站點風(fēng)電輸出功率，采用數(shù)理統(tǒng)計方法對該地區(qū)的風(fēng)能資源時空互補(bǔ)性進(jìn)行了研究。研究表明廣域風(fēng)能互補(bǔ)后輸出波動性明顯降低，同時，互補(bǔ)后該地區(qū)風(fēng)電總裝機(jī)容量的16%可以作為穩(wěn)定的基本負(fù)荷發(fā)電廠。

(3)英國

1990年，Palutikof等人［14］基于分布在英國英格蘭的氣象站點記錄的3年的氣象數(shù)據(jù)，模擬了小時時間尺度風(fēng)電場輸出功率。通過對輸出功率時間序列的統(tǒng)計分析指出，如果將該地區(qū)分散分布的風(fēng)電場互聯(lián)，其總輸出功率小時時間尺度的波動性比單個風(fēng)電場明顯減少。作者通過對每1000h連續(xù)相鄰小時輸出功率變化量的情況進(jìn)行統(tǒng)計后得出結(jié)論:該地區(qū)所有站點互補(bǔ)后，每1000h連續(xù)相鄰小時輸出功率變化量為50%風(fēng)電裝機(jī)容量的小時數(shù)僅為0～1.9，沒有出現(xiàn)連續(xù)相鄰小時輸出功率變化量為風(fēng)電場裝機(jī)容量的情況;而對于單個站點，每1000h出現(xiàn)連續(xù)相鄰小時輸出功率變化量為50%風(fēng)電裝機(jī)容量的小時數(shù)達(dá)5.7～39，大部分站點均出現(xiàn)數(shù)小時連續(xù)相鄰小時輸出功率變化量為風(fēng)電場裝機(jī)容量的情況。同時，作者的研究表明，當(dāng)把廣域風(fēng)電場互聯(lián)后，輸出功率季節(jié)性波動比當(dāng)?shù)厮娨　?/p>

Sinden等人［15］基于66個氣象站點記錄的1970～2003年小時時間尺度的風(fēng)速數(shù)據(jù)，對英國廣域風(fēng)電場風(fēng)電功率進(jìn)行了模擬，采用數(shù)理統(tǒng)計的方法對其季節(jié)和日時間尺度的風(fēng)電功率時空互補(bǔ)性進(jìn)行了研究，研究表明，英國廣域風(fēng)能發(fā)電功率時空互補(bǔ)后與英國用電負(fù)荷相似性增強(qiáng)，在峰荷時段風(fēng)電功率的平均容量系數(shù)比全年平均容量系數(shù)高30%。

(4)德國

1999年，Ernst等人［16］基于分布在德國的175個氣象站點觀測到的小時時間尺度的風(fēng)速數(shù)據(jù)，模擬了風(fēng)電場輸出功率，通過計算得到了不同風(fēng)電功率波動時間序列的相關(guān)系數(shù)隨距離變化的關(guān)系。研究表明，相距數(shù)公里的兩個風(fēng)電場5min時間尺度的功率波動序列的相關(guān)系數(shù)在0.2以下。Giebel等人［17］基于實際氣象數(shù)據(jù)，研究了德國廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)性，其研究表明，對單個風(fēng)電場的24h預(yù)測誤差達(dá)到15%，單個控制區(qū)(400km×400km)的誤差則為7.5%～10%，而全德國(650km×800km)的誤差僅為5%～6.5%，這說明范圍越大則資源互補(bǔ)性越強(qiáng)。

(5)西班牙

Santos等人［18］基于分布在西班牙伊比利半島的分辨率為3km的氣象站點所記錄的小時時間尺度的風(fēng)速數(shù)據(jù)，模擬了該地區(qū)風(fēng)電場輸出功率，采用數(shù)理統(tǒng)計的方法對該地區(qū)廣域風(fēng)電場時空互補(bǔ)性進(jìn)行了統(tǒng)計研究。結(jié)果表明，該地區(qū)廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)性顯著，主要是該地區(qū)緯向(氣)流和復(fù)雜氣候相互作用所致。美國風(fēng)能協(xié)會［19］基于西班牙實際風(fēng)電場數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計的方法，對西班牙地區(qū)廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)性進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明，通過將西班牙81%的風(fēng)電場互聯(lián)能提供非常穩(wěn)定的功率輸出。

(6)中國

近些年，中國也有學(xué)者開始關(guān)注廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)性，并研究其給風(fēng)電輸出功率波動帶來的平滑效應(yīng)。于大洋等人［20］利用美國航天局(NASA)Goddard地球觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的版本5(GEOS－5 DAS)所提供的全球3h時間間隔的風(fēng)速數(shù)據(jù)，對中國正在建設(shè)的6個千萬千瓦級風(fēng)電基地的風(fēng)功率進(jìn)行了模擬，并對其3h時間尺度、月時間尺度下的波動性進(jìn)行了研究。研究表明六大區(qū)域的風(fēng)電功率時間序列之間具有較低的相關(guān)系數(shù)，即互補(bǔ)性較好。葉林［21］等人提出了一種改進(jìn)型最大熵分布方法，可以適用于不同的風(fēng)速與風(fēng)功率密度分布狀況，適合應(yīng)用于風(fēng)電場風(fēng)能資源分布特性的研究以及區(qū)域風(fēng)能資源的評估。本文作者基于中國氣象局提供的實際氣象數(shù)據(jù)，首次系統(tǒng)地研究了我國廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)性，研究結(jié)果［22，23］表明，我國與歐美國家廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)性的情況有較大差異。

(7)不同國家之間

2001年，Gzisch等人［24］基于德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)和技術(shù)部提供的230個分布在歐洲各國上千公里范圍內(nèi)氣象站點觀測的實際風(fēng)速，研究了廣域風(fēng)能月時間尺度的互補(bǔ)性，結(jié)果表明，廣域風(fēng)電場互聯(lián)后，其輸出功率與歐洲和挪威的負(fù)荷變化呈現(xiàn)明顯的相似性，盡管需要投資大量高壓直流輸電(HVDC)線路，但互補(bǔ)后的經(jīng)濟(jì)效益依然明顯。例如，廣域風(fēng)能互補(bǔ)后德國Kassel的用電成本約為4.5歐分/(kW·h)。Czisch等人［25］又基于一個名為ECMWF’s ERA-15 Re-Analysis(ERA)Project［26］的項目所提供的小時時間尺度的風(fēng)速數(shù)據(jù)，對分布在北非和部分歐洲國家的風(fēng)電場輸出功率進(jìn)行了模擬，并通過計算相關(guān)系數(shù)的方法研究了不同風(fēng)電場之間的時空互補(bǔ)性，研究結(jié)果表明，分布長度達(dá)數(shù)千公里的風(fēng)能互補(bǔ)后輸出功率變得更加平穩(wěn)，能為整個歐洲國家提供約70%的電能。2013年，Holttinen等人［27］又結(jié)合五國的負(fù)荷數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計方法對廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)性進(jìn)行了研究，通過統(tǒng)計在峰荷時段風(fēng)電高出力情況出現(xiàn)的次數(shù)，得出結(jié)論:單個國家內(nèi)風(fēng)電總出力在峰荷時段會出現(xiàn)風(fēng)電出力非常小的情況(約為2%～5%的裝機(jī)容量)，但五國風(fēng)電場互聯(lián)后，在10個最高峰荷時刻，風(fēng)電總的最低出力約為14%的風(fēng)電裝機(jī)容量。

4 廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)性對電網(wǎng)影響

電力系統(tǒng)是一個復(fù)雜的動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)，電網(wǎng)的主要功能是保持發(fā)電和用電的實時平衡，同時滿足系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的要求。將大規(guī)模的風(fēng)電并入電網(wǎng)，會給電網(wǎng)發(fā)電和用電的實時平衡帶來困難，同時會給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等帶來一系列不利的影響。

廣域范圍風(fēng)能具有良好的時空互補(bǔ)性，如果加以合理利用，可以平滑風(fēng)電有功功率波動，從而減弱風(fēng)電并網(wǎng)給電網(wǎng)帶來的消極影響。廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響如圖2所示，從不同時間尺度上來看，主要體現(xiàn)在如下幾個方面。

圖2 廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)性對電網(wǎng)影響分類Fig．2 Classification of impacts of complementarities of wind power on power system

(1)頻率穩(wěn)定性

大家都知道，電網(wǎng)有功功率平衡的過程伴隨著電網(wǎng)頻率的波動。對于目前電網(wǎng)來說，電網(wǎng)內(nèi)發(fā)電電源主要為常規(guī)機(jī)組，它能很好地響應(yīng)風(fēng)電功率波動，從而保證頻率穩(wěn)定性。但當(dāng)風(fēng)電滲透率增加后，電網(wǎng)中的部分常規(guī)機(jī)組將被風(fēng)力發(fā)電機(jī)所取代，而目前主流風(fēng)力發(fā)電機(jī)并不具備功率響應(yīng)的能力，此時，風(fēng)電功率波動所引起的頻率偏差將可能超過允許值，從而引起頻率穩(wěn)定性問題。我國現(xiàn)行電網(wǎng)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電網(wǎng)頻率波動不得超過正常頻率(50 Hz)的0.5%［28］。

一般來說，風(fēng)電功率波動對電網(wǎng)頻率產(chǎn)生影響的時間尺度為數(shù)秒至數(shù)分鐘，而廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)對風(fēng)電功率數(shù)秒至分鐘時間尺度下的波動具有較為顯著的影響。相關(guān)學(xué)者的研究表明，數(shù)十公里范圍內(nèi)分布的風(fēng)電場時空互補(bǔ)后，數(shù)分鐘時間尺度以下的輸出功率能得到很好的平滑。因此，一定范圍內(nèi)廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)，能對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。

(2)小干擾概率穩(wěn)定性

自20世紀(jì)以來，各國曾發(fā)生過由于小干擾穩(wěn)定性而導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩和電壓崩潰的嚴(yán)重事故［10］，小干擾穩(wěn)定性逐漸成為人們關(guān)注的熱點。電力系統(tǒng)小干擾概率穩(wěn)定性分析起源于1978年，由Burchett等人［11］提出，經(jīng)過多年的發(fā)展，小擾動概率穩(wěn)定性分析可以考慮服從任意分布的系統(tǒng)參數(shù)的隨機(jī)性［12-14］，它逐漸成為電力系統(tǒng)穩(wěn)定性研究領(lǐng)域的一個重要分支。

風(fēng)電的隨機(jī)輸出波動會給電力系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性帶來影響［15］，風(fēng)電波動性存在一定的概率使得電力系統(tǒng)失穩(wěn)。系統(tǒng)的特征根靈敏度隨風(fēng)電輸出功率的變化可以用來評估風(fēng)電隨機(jī)性給電力系統(tǒng)運(yùn)行模態(tài)帶來的影響。當(dāng)廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)后，風(fēng)電出力的概率分布特征發(fā)生了改變［29］，從而電力系統(tǒng)在受到隨機(jī)風(fēng)功率擾動時的穩(wěn)定概率便會發(fā)生變化。

(3)電力系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性

風(fēng)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)運(yùn)行成本的影響主要體現(xiàn)在機(jī)組組合問題上［30］。機(jī)組組合(Unit Commitment，UC)指在一定的調(diào)度周期內(nèi)(如一天或者一周)，以最小的成本對發(fā)電機(jī)組的出力和啟停進(jìn)行調(diào)度安排，實現(xiàn)與電網(wǎng)內(nèi)電力需求平衡并滿足電網(wǎng)內(nèi)一定的約束條件。廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)對電力系統(tǒng)機(jī)組組合的影響主要體現(xiàn)在如下幾個方面。

1)廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)后，風(fēng)電出力曲線在一定時間段內(nèi)的起伏波動情況會發(fā)生變化。而不同的風(fēng)電出力時間序列曲線，即使是在風(fēng)電總發(fā)電量相同的情況下，其所對應(yīng)的機(jī)組組合優(yōu)化結(jié)果也有很大差異［29］。

2)在機(jī)組組合問題中，較為關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)為，電網(wǎng)需配置一定的旋轉(zhuǎn)備用容量來應(yīng)對負(fù)荷以及風(fēng)電功率預(yù)測誤差。國外學(xué)者的研究表明，在機(jī)組組合時間尺度上，風(fēng)電功率的預(yù)測誤差會隨著時空互補(bǔ)范圍的增大而減少［31］，因此會給機(jī)組組合問題帶來影響。

(4)電網(wǎng)調(diào)峰

風(fēng)電并網(wǎng)后對電網(wǎng)的調(diào)峰問題產(chǎn)生影響，指在低負(fù)荷時段，風(fēng)電處于高出力狀態(tài)，電網(wǎng)中電源出力受其最小技術(shù)出力限制而不能維持功率平衡，這也是目前我國“三北”地區(qū)風(fēng)能并網(wǎng)困難的主要原因。風(fēng)電波動對電力系統(tǒng)調(diào)峰產(chǎn)生的影響如圖3所示，一定風(fēng)電滲透率下，電網(wǎng)凈負(fù)荷(原始負(fù)荷與風(fēng)電出力之差)可能低于電網(wǎng)內(nèi)常規(guī)機(jī)組最小出力限制，此時，電網(wǎng)需要采取一定的調(diào)峰措施，如棄風(fēng)、啟動燃?xì)廨啓C(jī)等。

圖3 風(fēng)電波動對調(diào)峰的影響Fig．3 Impacts of wind power fluctuations on peak load regulation

但是，廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)后，風(fēng)電輸出功率接近或等于額定功率的幾率減少，因此，在低負(fù)荷時段風(fēng)電高出力的幾率也相應(yīng)減少［11，32］，電網(wǎng)調(diào)峰壓力減少，若考慮棄風(fēng)措施進(jìn)行調(diào)峰，廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)后的情形所需要棄風(fēng)也相對較少。

(5)區(qū)域線路傳輸容量

我國風(fēng)能資源主要集中在遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的西北地區(qū)，遠(yuǎn)距離、大規(guī)模輸送風(fēng)電將成為未來我國電網(wǎng)發(fā)展的巨大挑戰(zhàn)。配置輸送風(fēng)電功率的線路容量時，如果考慮一定的棄風(fēng)計劃，其配置值可以小于風(fēng)電裝機(jī)容量。如圖4所示，基于風(fēng)電出力全年累積曲線，如果將輸送風(fēng)電的線路容量配置在風(fēng)電場裝機(jī)容量的60%，圖中陰影部分為全年所需棄風(fēng)電能。

圖4 具有一定棄風(fēng)計劃的線路輸送風(fēng)電示意圖Fig．4 Sketch of wind power transmission considering wind curtailment

廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)后，風(fēng)電出力功率累積曲線會發(fā)生較大改變，尤其是高出力狀態(tài)(等于或接近于額定功率)的全年時間百分?jǐn)?shù)會大幅度減?。?0，33］。因此，廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)性所帶來的“平緩效應(yīng)”會給電網(wǎng)風(fēng)電輸電容量和外送模式等帶來極大影響。

(6)電網(wǎng)風(fēng)能滲透率極限

電網(wǎng)風(fēng)能滲透率極限受兩方面影響，一方面為風(fēng)電所并入電網(wǎng)的響應(yīng)能力;另一方面為風(fēng)電本身的波動特性。在相同的電網(wǎng)響應(yīng)能力的前提下，電網(wǎng)最大可滲透風(fēng)能主要取決于風(fēng)電本身的波動特性。而廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)后，風(fēng)電出力的波動特性較不考慮時空互補(bǔ)時發(fā)生了較大改變，如峰谷差減?。?4］，爬坡率減小［35］，風(fēng)電出力從極小的值(接近零)突變?yōu)闃O大值(接近功率滿發(fā))，或從極大值突變?yōu)闃O小值的情況減少等。因此，在同等的電網(wǎng)應(yīng)對風(fēng)電波動能力下，廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)后，電網(wǎng)可消納的風(fēng)電容量會發(fā)生改變。

事實上，由于廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)后，電網(wǎng)常規(guī)電源配置的需求和限制也會相應(yīng)降低，因此，電網(wǎng)的響應(yīng)能力也會發(fā)生變化，此時也會影響電網(wǎng)風(fēng)能滲透率極限。

(7)電網(wǎng)備用容量需求

為應(yīng)對風(fēng)電功率波動，電網(wǎng)需配置不同用途的備用容量，如一次備用(1-min)、負(fù)荷跟蹤備用(5-min)和運(yùn)行備用(10-min)等。而影響這些備用的關(guān)鍵因素在于原始負(fù)荷的波動性和風(fēng)電的波動性。在負(fù)荷波動相同的情況下，廣域風(fēng)能互補(bǔ)后，電網(wǎng)凈負(fù)荷波動減少，備用容量需求會降低。如加拿大安大略省，由于廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)性，即使在高風(fēng)能滲透率的情況下，該地區(qū)一次備用需求也可以被忽略［36］，負(fù)荷跟蹤備用和運(yùn)行備用容量需求也相應(yīng)減少。

(8)供電充裕度

供電充裕度［37］即在電網(wǎng)負(fù)荷峰值時刻的電源可利用性。供電充裕度的評估往往要基于多年的電網(wǎng)負(fù)荷數(shù)據(jù)、電網(wǎng)內(nèi)電源的檢修需求數(shù)據(jù)等，其評估指標(biāo)一般為失負(fù)荷期望(the Loss of Load Expectation，LOLE)，失負(fù)荷概率(the Loss of Load Probability，LOLP)和失電能期望(the Loss of Energy Expectation，LOEE)等。

對于含風(fēng)電的電力系統(tǒng)供電充裕度評估的關(guān)鍵問題在于，在相應(yīng)的負(fù)荷高峰時段評估風(fēng)電的置信容量。相比單個風(fēng)電場，廣域風(fēng)能時刻互補(bǔ)后，風(fēng)電波動曲線發(fā)生了較大改變。根據(jù)我們的研究［21］，廣域風(fēng)能互補(bǔ)后的風(fēng)電出力曲線與我國電網(wǎng)負(fù)荷波動曲線呈現(xiàn)出較大相似性，此種情形下電網(wǎng)的供電充裕度會提高。因此，在評估電網(wǎng)供電充裕度時應(yīng)充分考慮廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)性。

(9)供電可靠性

電網(wǎng)的供電可靠性受供電方式、電源和負(fù)荷的分布位置和供電網(wǎng)絡(luò)等因素共同影響。如果考慮廣域范圍風(fēng)能時空互補(bǔ)性，通過直流輸電網(wǎng)絡(luò)將廣域分散分布的風(fēng)電場互聯(lián)后，向負(fù)荷中心多落點輸送功率，即采用多電源-多負(fù)荷落點(Multiple Plants to Multiple Consumers，MP-MC)輸電方式［38］，電網(wǎng)供電的可靠性將得到增強(qiáng)。如歐洲的Supergrid［39］，沙漠計劃［40］等，也是充分考慮通過直流輸電網(wǎng)絡(luò)利用廣域可再生能源的時空互補(bǔ)性，從而提高供電可靠性。

通過這種輸電方式，由于廣域風(fēng)能的時空互補(bǔ)性，給同一負(fù)荷中心供電的多個風(fēng)電電源同時輸出功率為零(或接近為零)或者輸出功率為額定功率(或等于額定功率)的概率減少，因此，電網(wǎng)的供電可靠性增強(qiáng)。

(10)電網(wǎng)運(yùn)行和管理

隨著互補(bǔ)范圍的擴(kuò)大，廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)性將給電網(wǎng)帶來更多的經(jīng)濟(jì)效益，產(chǎn)生更多積極的影響，如使得供電可靠性增強(qiáng)、電力系統(tǒng)所需要的備用容量減少等。為了合理利用這種互補(bǔ)性，電網(wǎng)傳統(tǒng)的調(diào)度和運(yùn)行方式等必須發(fā)生相應(yīng)改變。以目前我國風(fēng)電場并網(wǎng)為例，國家電網(wǎng)對風(fēng)電波動率做了限制，為達(dá)到并網(wǎng)要求，諸多風(fēng)電場需單獨配置儲能設(shè)備。而考慮廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)性，將波動率較大的分散在不同地點的風(fēng)電場互聯(lián)后，其波動率可能十分接近或低于國家的并網(wǎng)要求，此時不需要配置儲能或者儲能需求顯著降低。因此，在未來我國電網(wǎng)運(yùn)行中，應(yīng)將并網(wǎng)的所有風(fēng)電場進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，實現(xiàn)資源優(yōu)化配置。

目前，我國電網(wǎng)風(fēng)電消納采用就地消納、有功功率就地平衡的控制模式。而隨著未來風(fēng)電迅速發(fā)展，統(tǒng)一采取就地消納模式已不可能，而需要考慮廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)性，將互補(bǔ)性較好的風(fēng)能區(qū)域所產(chǎn)生的發(fā)電功率通過適當(dāng)?shù)姆绞絽R集，在適當(dāng)?shù)牡攸c配合合適的發(fā)電方式(如太陽能、生物質(zhì)能發(fā)電等)，為負(fù)荷中心提供更加穩(wěn)定的電力。

5 中國利用廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)性的潛力

(1)風(fēng)電發(fā)展迅速

據(jù)中國氣象局第四次普查的結(jié)果，我國陸上50m高度風(fēng)能資源潛在可開發(fā)量為2380GW，近海5～25m水深范圍內(nèi)風(fēng)能資源潛在可開發(fā)量為200GW［41］。近年來，我國風(fēng)電發(fā)展迅速。根據(jù)中國可再生能源學(xué)會風(fēng)能專業(yè)委員會(Chinese Wind Energy Association，CWEA)的調(diào)研統(tǒng)計，2013年我國風(fēng)電新增裝機(jī)容量16.089GW，相比 2012年增加3.13GW。截止2013年，全國共有16個省(區(qū))風(fēng)電累計并網(wǎng)容量超過百萬千瓦，全國統(tǒng)籌推進(jìn)的海上風(fēng)電項目累計核準(zhǔn)約2.22GW，其中，已建成海上風(fēng)電場0.39GW，主要分布于江蘇省和上海市，核準(zhǔn)在建項目總規(guī)模為1.83GW，主要分布于江蘇、上海和浙江沿海地區(qū)。

目前我國正在開展蒙東、蒙西、新疆、甘肅、河北、吉林、江蘇、山東等八大千萬千瓦風(fēng)電基地的建設(shè)［42］。據(jù)中國循環(huán)經(jīng)濟(jì)協(xié)會可再生能源專業(yè)委員會的統(tǒng)計，截止2013年底，全國統(tǒng)籌推進(jìn)的各大陸上風(fēng)電基地累計核準(zhǔn)容量19GW，其中酒泉地區(qū)風(fēng)電場6.8GW，張家口地區(qū)3GW，承德地區(qū)1GW，通遼地區(qū)1.5 GW，巴彥淖爾烏拉特中旗地區(qū)2.1GW，包頭達(dá)茂旗地區(qū)1.6GW，哈密東南部2GW，甘肅民勤紅沙崗地區(qū)1GW。

國家發(fā)改委能源所與國際能源署(International Energy Agency，IEA)共同發(fā)布報告《中國風(fēng)電發(fā)展路線圖2050》［43］，依據(jù)不同情景設(shè)定了中國的風(fēng)電發(fā)展目標(biāo)，規(guī)劃2050年風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到1000 GW，滿足我國約17%的電力需求。屆時，風(fēng)電裝機(jī)容量在我國電源結(jié)構(gòu)中約占26%，風(fēng)電成為中國主力電源之一。我國近期風(fēng)電裝機(jī)和發(fā)電量規(guī)劃如表1所示。

表1 我國近期風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃Tab．1 Development plan of wind power in China

(2)地形特征和氣候特征復(fù)雜多樣

經(jīng)度、緯度、海陸面積比和地形等因素共同影響風(fēng)能資源的分布，其中地形因素在所有因素中起主要作用［44］。中國地形在不同地方有很大的不同，山地、高原、盆地、平原和丘陵比例約分別為33.3%、26%、18.8%、9.9%和12%，這就決定了中國風(fēng)能資源的時空特性與歐美國家研究的對象不盡相同。例如，從地形上來看，我國的山脈走向復(fù)雜多樣，有東西走向、東北-西南走向、南北走向和西北-東南走向等，而山脈的走向直接影響氣流的流向，進(jìn)而導(dǎo)致這些地區(qū)風(fēng)能資源具有良好的時空互補(bǔ)性。

中國地域遼闊，經(jīng)度跨越超過60°，緯度跨越近50°，地貌類型多樣，垂直變化達(dá)8848m［45］。廣闊的空間、巨大的垂直變化和經(jīng)緯度跨越，加之背靠世界上最大的大陸(歐亞大陸)和面臨世界上最大的大洋(太平洋)，受世界四大洋氣流的影響，形成了世界最復(fù)雜多樣的氣候類型。例如，我國季風(fēng)氣候明顯，冬季風(fēng)由大陸吹向海洋，夏季風(fēng)由海洋吹向大陸，因此我國東－西地區(qū)分布的風(fēng)能資源具有較好的時空互補(bǔ)性。

(3)直流輸電工程方便擴(kuò)展

我國風(fēng)能資源和電力負(fù)荷在地理上呈現(xiàn)出極不均衡的特點。根據(jù)前面所述，國家能源局所規(guī)劃的八大千萬千瓦級風(fēng)電基地具有“大規(guī)模、高集中、遠(yuǎn)距離”等突出的特點，其對輸電技術(shù)提出了更為嚴(yán)苛的要求，直流輸電技術(shù)較交流輸電技術(shù)更能適應(yīng)這種挑戰(zhàn)［46，47］。

目前我國已規(guī)劃多條直流雙端輸電工程來輸送風(fēng)電［48］，如圖5所示，即哈密-鄭州2300km±500kV直流輸電工程和酒泉-泰州2700km±660kV直流輸電工程，這兩個工程分別與裝機(jī)容量達(dá)1.8 GW的哈密風(fēng)電基地和3.2GW的酒泉風(fēng)電基地相連。未來將會有更多的直流通道輸送遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的風(fēng)電。只需在現(xiàn)有的交流網(wǎng)絡(luò)上，用直流輸電線取代雙端直流輸電工程中的整流器之間的交流聯(lián)絡(luò)線［49］，便可將兩端直流輸電系統(tǒng)拓展成多段直流輸電系統(tǒng)，從而更好地利用廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)性。我國未來利用廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)性的可能途徑如圖5所示，只需增加一段連接鄭州換流站和泰州換流站的長約360km的直流輸電線，便可利用哈密風(fēng)電基地和酒泉風(fēng)電基地這兩大風(fēng)電基地風(fēng)能時空互補(bǔ)性。

圖5 未來利用廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)性示意圖Fig．5 Map of utilizing complementarities of wind power in China in future

在未來，隨著各種可再生能源接入電網(wǎng)，還可基于直流輸電網(wǎng)絡(luò)充分利用各種可再生能源資源的時空互補(bǔ)性［37］。

6 小結(jié)

近年來，利用廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)性平滑風(fēng)電功率輸出波動已成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點，但目前的文獻(xiàn)僅研究了廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)性對減弱風(fēng)電輸出功率波動的影響，并未研究其對電網(wǎng)設(shè)計、運(yùn)行和控制等方面產(chǎn)生的影響。

本文在綜述國內(nèi)外針對廣域風(fēng)能時空互補(bǔ)性研究的基礎(chǔ)上，探討了其對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響。同時，以我國的電網(wǎng)和風(fēng)能發(fā)展情況為例，分析了利用廣域風(fēng)能時空性的潛力及可能路徑。

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Analysis of temporospatial complementarities of wind energy resources in China and their impacts on power system

LIU Yi1，2，XIAO Li-ye1，2
(1．Key Laboratory of Applied Superconductivity，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China; 2．Institute of Electrical Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China)

Since wind speed is highly intermittent and fluctuant，the electrical output from wind farms is stochastic．Therefore，integration of large-scale wind power may bring negative impacts on power system stability，control and operation．Besides using energy storage system and building hybrid thermal-wind system，there exists another feasible way，namely，using the complementarities of geographically dispersed wind generations to smooth wind power fluctuations．The paper overviews the studies on the complementarities of dispersed wind resources and analyzes their potential impacts on power system stability，design，control and operation．Furthermore，based on the wind power development and the existing power grid in China，this paper analyzes the potential to make use of the complementarities of geographically dispersed wind generations．Finally，a map of making use of the complementarities of wind resources in China is presented．

wind power;fluctuations;smoothing effect;temporospatial complementarities;future power grid;DC transmission;intermittent

TK89 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1003-3076(2015)10-0051-10

2014-12-29

國家自然科學(xué)基金資助項目(5150070617)

劉 怡(1986-)，男，湖北籍，助理研究員，博士，主要從事電力系統(tǒng)研究;肖立業(yè)(1966-)，男，湖南籍，研究員/博導(dǎo)，博士，研究方向為電工理論與新技術(shù)。