北京計(jì)鵬信息咨詢有限公司 ■ 王淑娟 汪徐華 任鵬 焦姣

一 引言

風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電是目前我國(guó)應(yīng)用最廣、商業(yè)化程度最好的新能源利用形式。截至2011年底，我國(guó)并網(wǎng)型風(fēng)電、光伏項(xiàng)目的裝機(jī)容量分別達(dá)到62.93GW[1]和2.95GW[2]，位居世界前列；到2020年，大型并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站裝機(jī)將分別達(dá)到200GW、20GW[3]。要實(shí)現(xiàn)2020年規(guī)劃目標(biāo)，約需要4.1萬km2土地。然而，風(fēng)能、太陽(yáng)能均屬于低密度、隨機(jī)性強(qiáng)、穩(wěn)定性差的能源，風(fēng)電、光伏項(xiàng)目的建設(shè)帶來土地利用率低、出力不穩(wěn)定、電網(wǎng)調(diào)度困難等問題，甘肅、內(nèi)蒙等風(fēng)電大省“棄風(fēng)”現(xiàn)象嚴(yán)重。

為解決出力穩(wěn)定性問題，眾多學(xué)者開始研究分布式能源、智能微網(wǎng)、風(fēng)光儲(chǔ)一體化、風(fēng)光互補(bǔ)、風(fēng)水互補(bǔ)等多種新型發(fā)電形式，其中風(fēng)光互補(bǔ)成為理論研究和工程實(shí)踐研究的熱點(diǎn)。我國(guó)的季風(fēng)氣候、地理位置和地形分布是太陽(yáng)能、風(fēng)能資源形成的根本原因[4]，文獻(xiàn)5～9分別研究了離網(wǎng)型、并網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)的輸出功率特性，并依據(jù)當(dāng)?shù)氐馁Y源條件提出使輸出功率穩(wěn)定的兩者最優(yōu)容量配比。一些電力企業(yè)也在實(shí)踐中不斷摸索這方面的經(jīng)驗(yàn)，全國(guó)陸續(xù)建設(shè)了華能南澳風(fēng)光互補(bǔ)電站、河北尚義國(guó)華風(fēng)光互補(bǔ)并網(wǎng)發(fā)電電站、山西國(guó)際電力右玉小五臺(tái)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)光互補(bǔ)項(xiàng)目、國(guó)網(wǎng)張北風(fēng)光儲(chǔ)輸項(xiàng)目等。上述研究均是定性提出風(fēng)光互補(bǔ)的優(yōu)勢(shì)，未定量表征風(fēng)、光共同輸出相對(duì)于單獨(dú)輸出穩(wěn)定性的提高程度。

另外，由于風(fēng)電的發(fā)展相對(duì)較早，目前已經(jīng)建成的風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)有大面積的可利用土地，為建設(shè)光伏電站提供了大量的可利用土地；風(fēng)電場(chǎng)已經(jīng)建成的基礎(chǔ)設(shè)施、風(fēng)電場(chǎng)的管理人員都為光伏電站建設(shè)提供基礎(chǔ)，節(jié)約初始投資和運(yùn)營(yíng)管理成本。

本文采用建模計(jì)算的方法討論了青海省某風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)建設(shè)光伏電站、共同輸出對(duì)平穩(wěn)輸出功率的意義，以及風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)建設(shè)光伏電站的可行性。

二 資源基本情況

該風(fēng)電場(chǎng)周圍為戈壁灘，地勢(shì)平坦開闊。根據(jù)青海省氣象局提供的30年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，項(xiàng)目場(chǎng)址70m高多年平均風(fēng)速為6.8m/s，年平均有效風(fēng)能220.9W/m2，年總輻射量為6614MJ/m2。圖1、圖2分別為根據(jù)所選風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)資源、太陽(yáng)能資源30年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和根據(jù)1年實(shí)測(cè)的逐時(shí)數(shù)據(jù)做出的資源日變化曲線。

從圖1、圖2可以看出，當(dāng)?shù)?年中春季的風(fēng)功率相對(duì)較好，而太陽(yáng)能總輻射量較低；夏季的風(fēng)功率相對(duì)較差，而太陽(yáng)能總輻射量較高。一天之中，白天的風(fēng)功率相對(duì)較差，而太陽(yáng)能總輻射量較高；夜間的風(fēng)功率相對(duì)較好，而太陽(yáng)能總輻射量較低?？梢姡瑑煞N新能源的資源有一定的互補(bǔ)性，風(fēng)光互補(bǔ)可在一定程度上減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

圖2 所選風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能、太陽(yáng)能資源1年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

為了進(jìn)一步深入研究風(fēng)電、光電共同輸送帶來的平穩(wěn)出力、減少電網(wǎng)沖擊效果，本文選用所選場(chǎng)址1年逐時(shí)的風(fēng)資源數(shù)據(jù)和太陽(yáng)能資源數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

三 復(fù)合輸出功率模擬分析

1 分析方法

(1)根據(jù)當(dāng)?shù)刭Y源情況，分別計(jì)算風(fēng)機(jī)、光伏的逐時(shí)出力。

(2)計(jì)算不同容量配比下風(fēng)電、光電復(fù)合的逐時(shí)出力。

(3)計(jì)算1年內(nèi)不同容量配比下風(fēng)電和光電復(fù)合出力的逐日相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，并將全年365個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，獲得平均值Vσ1。

(4)通過對(duì)不同配比下相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差的分析，獲得風(fēng)電、光電最佳匹配系數(shù)。

(5)計(jì)算1年內(nèi)逐日風(fēng)電出力相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差的平均值Vσ2，光電逐日出力相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差的平均值Vσ3。

(6)通過比較Vσ2、Vσ3和最佳匹配系數(shù)下的Vσ1，研究風(fēng)光互補(bǔ)是否具有平穩(wěn)出力的優(yōu)勢(shì)。

2 計(jì)算方法

(1)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差Vσ

該指標(biāo)用來反映樣本中個(gè)體的離散程度，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差值越小，表明樣本個(gè)體越穩(wěn)定[7]。相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算公式為：

式中：Vσ為相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差；σ為標(biāo)準(zhǔn)差；u為平均值。

大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的平均相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差值越小，說明統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)越趨于平均值、越穩(wěn)定。

(2)風(fēng)電、光伏復(fù)合出力模型

①風(fēng)電出力Y

風(fēng)機(jī)出力與所選設(shè)備、輪轂處風(fēng)速以及空氣密度有關(guān)，一般按照下式來計(jì)算：

式中：Y為風(fēng)機(jī)輸出功率；R為風(fēng)輪半徑；ρ為空氣密度；V為輪轂處風(fēng)速；Vmin為切入風(fēng)速；Vmax為最大允許風(fēng)速；Vc為額定風(fēng)速。

②光電出力X

影響光伏電站輸出功率的因素一般有輻照強(qiáng)度、安裝傾角、系統(tǒng)效率等。本文光伏電站的輸出功率通過式(3)計(jì)算：

式中：X為光伏電站輸出功率；P為光伏裝機(jī)容量；Eq為實(shí)際太陽(yáng)輻照強(qiáng)度；Es為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的日照強(qiáng)度；η為光伏電站系統(tǒng)總效率。

③風(fēng)電、光電復(fù)合出力Q

式中：Q為風(fēng)電、光電在一定容量配比下的復(fù)合輸出功率；c為風(fēng)電/光伏的裝機(jī)容量比例。

3 計(jì)算結(jié)果

(1)最佳匹配系數(shù)

按匹配系數(shù)c在0.1～10范圍內(nèi)，以0.1為步長(zhǎng)變化，計(jì)算出在當(dāng)?shù)貙?shí)測(cè)的風(fēng)功率密度，并和輻照強(qiáng)度下，風(fēng)電出力、光電出力與復(fù)合出力穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。

從圖3中可以看出：

圖3 風(fēng)電出力、光伏出力與復(fù)合出力時(shí)的穩(wěn)定性對(duì)比

① 光伏和風(fēng)電共同輸送時(shí)逐時(shí)出力的Vσ1低于單獨(dú)光伏、單獨(dú)風(fēng)電逐時(shí)出力的Vσ3和Vσ2，即復(fù)合出力的數(shù)據(jù)離散度低，在平均值附近以相對(duì)較小的幅度波動(dòng)，說明復(fù)合出力更穩(wěn)定，更有利于電網(wǎng)的接納；

② 在所選場(chǎng)址風(fēng)資源、光伏資源條件下，c=0.9時(shí)，復(fù)合出力的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到最低值0.75，相對(duì)于Vσ2(1.33)和Vσ3(1.17)，逐時(shí)出力的離散度分別下降了43%和36%，說明最佳容量配比下的復(fù)合出力穩(wěn)定性遠(yuǎn)優(yōu)于單獨(dú)光伏、單獨(dú)風(fēng)電的出力穩(wěn)定性。

(2)典型日計(jì)算結(jié)果

為了進(jìn)一步定量說明復(fù)合出力穩(wěn)定性相對(duì)于單獨(dú)風(fēng)電、光伏出力穩(wěn)定性的提高程度，選取春分日、夏至日、秋分日、冬至日作為4個(gè)典型日，并以風(fēng)電(1350W)、光伏(1500W)、風(fēng)電/光伏=0.9×(1350W+1500W)為例，計(jì)算4個(gè)典型日內(nèi)所選場(chǎng)址處的3種情形下的理論出力特性，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯?個(gè)典型日內(nèi)復(fù)合出力的穩(wěn)定性優(yōu)于單獨(dú)風(fēng)電或單獨(dú)光伏的出力穩(wěn)定性。

表1 4個(gè)典型日光伏、風(fēng)電和復(fù)合出力的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差

單獨(dú)光伏出力、單獨(dú)風(fēng)電出力和光伏、風(fēng)電復(fù)合出力的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差值如表1所示?？梢钥闯觯瑥?fù)合出力Vσ在4個(gè)典型日的值及全年出力的值都遠(yuǎn)低于風(fēng)電、光伏的單獨(dú)出力的Vσ，說明復(fù)合的逐時(shí)出力穩(wěn)定性大幅提高。

圖4 4個(gè)典型日風(fēng)電、光伏和復(fù)合出力特性

通過上述分析可以看出，風(fēng)電、光電按一定容量配比的復(fù)合出力更加平穩(wěn)，會(huì)減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，有利于提高電網(wǎng)接納可再生能源的積極性。在不同地區(qū)，光伏、風(fēng)電的比例會(huì)隨風(fēng)資源、太陽(yáng)能資源情況的變化而不同。

四 用地方案研究

風(fēng)電、光電要共同輸出，需要共用1個(gè)升壓變電站，即風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站在同一場(chǎng)區(qū)內(nèi)建設(shè)或者鄰近建設(shè)。目前，國(guó)內(nèi)風(fēng)電裝機(jī)已經(jīng)超過50GW，主要位于內(nèi)蒙古、新疆、寧夏、甘肅等西北地區(qū)。這些地區(qū)太陽(yáng)能資源十分豐富，因此十分有利于建設(shè)風(fēng)、光共同輸送的風(fēng)光互補(bǔ)電站。為了進(jìn)一步探討風(fēng)光同場(chǎng)的可行性，本文嘗試在所選風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)布點(diǎn)圖上選取光伏電站場(chǎng)址。

首先，需要考慮風(fēng)機(jī)的陰影問題。本風(fēng)電場(chǎng)選用金風(fēng)2.5MW風(fēng)機(jī)，本文用Sunlight軟件建模分析其陰影情況。將風(fēng)輪等效為一個(gè)2m厚的圓盤，葉輪直徑及輪轂高度均按100m考慮。計(jì)算時(shí)段為9:00～15:00，風(fēng)機(jī)朝向?yàn)閃NW，分別計(jì)算春分、夏至、秋分、冬至日的風(fēng)機(jī)陰影范圍。經(jīng)過計(jì)算，在所選風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)，所選風(fēng)機(jī)在4個(gè)典型日內(nèi)的投影為700×500的矩形范圍之內(nèi)。風(fēng)機(jī)模型全年投影的俯視圖如圖5所示。

圖5 風(fēng)機(jī)模型全年投影俯視圖

實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)中的風(fēng)機(jī)布點(diǎn)一般根據(jù)地形和風(fēng)向等因素進(jìn)行布置。圖6為所選風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)布點(diǎn)圖，在圖中做出每個(gè)風(fēng)機(jī)的陰影面積。該風(fēng)電場(chǎng)的總裝機(jī)容量為50MW，大概需要安裝55MWp光伏組件可達(dá)到在當(dāng)?shù)刭Y源條件下的最優(yōu)配比。按照工程經(jīng)驗(yàn)，光伏電站的占地面積大約需要1.4km2的土地。圖6中場(chǎng)址1、2、3、4均為1.2km×1.2km的矩形，范圍內(nèi)可以建設(shè)一個(gè)55MWp的光伏電站。除上述4塊場(chǎng)地外，在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)可選出多塊光伏電站場(chǎng)址。

圖6 在風(fēng)機(jī)布點(diǎn)圖上選擇光伏電站場(chǎng)址

通過上述分析，在風(fēng)電場(chǎng)的空地中建設(shè)一個(gè)集中式、規(guī)模最優(yōu)、可通過同一個(gè)升壓變電站共同送出的光伏電站是可行的。由于靠近升壓變電站會(huì)節(jié)省輸電線路，因此在其他條件相同的情況下，越靠近升壓變電站的位置越優(yōu)。

風(fēng)電項(xiàng)目業(yè)主在自己已有的風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)，選擇合適的場(chǎng)址建設(shè)光伏電站可以節(jié)約利用土地，提高土地的利用效率。其次，對(duì)已建成的升壓變電站進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電、光電共同輸出，可以節(jié)約一定的土建投資，減少項(xiàng)目的管理人員和運(yùn)營(yíng)時(shí)的管理成本，從而提高項(xiàng)目的收益。

五 結(jié)論

本文通過對(duì)風(fēng)電、光電復(fù)合出力特性的研究、對(duì)現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)建設(shè)光伏電站項(xiàng)目可行性研究，得出以下結(jié)論：

(1)風(fēng)電、光電按一定容量配比的復(fù)合出力更加平穩(wěn)，會(huì)減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，有利于電網(wǎng)接納可再生能源的積極性。

(2)在不同地區(qū)，風(fēng)電、光電的容量比會(huì)隨風(fēng)、太陽(yáng)能資源情況的變化而不同，本項(xiàng)目所選場(chǎng)址兩者的最優(yōu)配比為0.9。

(3)結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)空余面積，可集中布置下容量配比最優(yōu)的光伏電站。

(4)業(yè)主通過改造現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)光同場(chǎng)、共同送出，可節(jié)約投資、減少管理成本，提高項(xiàng)目收益。

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