李宏偉

(云南電網(wǎng)公司，昆明 650011)

區(qū)域電網(wǎng)風水互補原理及實施方案研究

李宏偉

(云南電網(wǎng)公司，昆明 650011)

對地區(qū)水電和風電典型出力特性進行了分析，通過電力電量平衡計算，得出風水互補的結論。提出了風電-水電集控優(yōu)化調度的調控方式，同時在云南電網(wǎng)的范圍內(nèi)對風電、火電、水電之間調節(jié)速度進行分析，定性地解決了風電功率變化是否超過電網(wǎng)水火電出力的調節(jié)速度問題，為風電-水電集控優(yōu)化調度提供理論依據(jù)。

風電-水電互補；風電-水電集控優(yōu)化調度；電源調節(jié)速度

0 前言

目前對風電與水電互補運行的研究較少，缺少深入分析和數(shù)據(jù)支撐，已有的風水互補研究基本還停留在思路和理論階段，對抽水蓄能電站與風電配合運行、風電與電力系統(tǒng)的優(yōu)化調度等方面有所研究，但針對具體工程的風水互補研究，還是空白，本文通過對某地區(qū)水電和風電典型出力特性進行分析，得出風水互補的結論，并提出了風電-水電集控優(yōu)化調度的調控方式，對風電的發(fā)展起到積極的促進作用。

1 地區(qū)資源概況

1)水能資源開發(fā)情況：根據(jù)規(guī)劃， “十二五”末期，水電主要為中小水電，無金沙江干流水電項目，2015年楚雄州境內(nèi)中小水電裝機規(guī)模預計達到49萬kW。

2)風能資源及開發(fā)情況：風能較為豐富，全州十個縣市年平均風速在1.6米/秒～3.5米/秒之間，對 “十二五”期間能夠投產(chǎn)的風電項目進行統(tǒng)計，預計 2015年裝機規(guī)模能夠達到 130萬kW。

2 風-水出力特性互補分析

1)水電出力特性：小水電裝機容量為31.2萬kW，全年小水電供電量為7.586 8億kW.h，利用小時數(shù)僅為2434小時。幾乎沒有棄水的現(xiàn)象發(fā)生，小水電出力特性按日調節(jié)特性電站和徑流式電站兩類區(qū)分，年利用小時數(shù)分別約為3 900 h和1 500 h，月平均出力曲線如圖1所示。

中小水電出力受來水影響，從11月份開始進入枯期，中小水電月平均出力逐月遞減；6月份開始進入汛期，水電出力回升，當?shù)貜搅麟娬?0月出力最大。

圖1 中小水電月平均出力曲線

2)風電出力特性：風電場月平均出力曲線如圖2所示。

圖2 楚雄州風電場月平均出力曲線

風電出力受當?shù)靥厥獾臍夂蚝偷乩砦恢糜绊?，汛?～10月風速較小，10月中下旬后，近地面風速增大，冬春季風力最強，5月后漸漸減弱，風能資源總體呈現(xiàn)冬春季大，夏秋季小的特點，因此風電場出力具有枯期出力大、汛期出力小的特性，其中2～4月出力較大。

3)風電-水電出力互補特性：2015和2020年逐月電量和電力供需分別如圖3和圖4所示。

圖3 楚雄州逐月電量供需示意圖

圖4 楚雄州逐月電力供需示意圖

從上圖可以看出，在風電接入之前，小水電月供電量與系需電量走勢相反，供需矛盾嚴重，系需電量豐枯比49：51，而小水電發(fā)電量豐枯比70：30。例如，3至4月工廠開始逐步恢復生產(chǎn)用電，用電迎來一個小高峰，但是水電發(fā)電量從3月開始逐月遞減；6至9月是用電的一個低谷時間段，而該時段進入汛期，水電發(fā)電量逐月增加。10月過后同樣用電量增加，小水電發(fā)電量反而減小。

風電場并網(wǎng)發(fā)電后，風電發(fā)電量豐枯比為31：69，風電和水電出力特性正好互補，兩者結合2015年發(fā)電量豐枯比達39：61。對于楚雄電網(wǎng)而言，開發(fā)水電的同時，也適宜同步開發(fā)風電，風電并網(wǎng)可以優(yōu)化州內(nèi)電源結構，減輕供需矛盾。

采取水電-風電聯(lián)合開發(fā)方式，可以克服風電供應的間歇性問題，為豐富、清潔、廉價的風電成為化石燃料的替代能源創(chuàng)造了條件，也為水電運行增加了能源。

3 風-水優(yōu)化調度

1)風水互補實現(xiàn)方案：建立區(qū)域集控中心，設置一套集控主站系統(tǒng)，實現(xiàn)所轄各風電場、水電站的實時數(shù)據(jù)遠程傳輸至集控中心，集控中心將水電的發(fā)電曲線及風功率預測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一分析處理后，將各風電場、水電站的發(fā)電曲線建議提供給調度中心，實現(xiàn)風水互補的優(yōu)化調度，實現(xiàn)以最小的資源消耗和最少的污染物排放滿足相同的電力需求。同時風水電在集控模式下統(tǒng)籌安排檢修策略，提高風、水電上網(wǎng)的經(jīng)濟性。通過設置集控中心，可以實現(xiàn)減員增效，提高工作效率。集控站網(wǎng)絡拓撲如圖5所示：

圖5 集控站網(wǎng)絡拓撲圖

2)水電對風電出力的隨機波動性進行調節(jié)：風電出力隨機波動，風力發(fā)電機的輸出功率主要取決于風輪機輪轂高度處的風速，水電出力也具有隨機性，水電廠的發(fā)電情況取決于降水、降雪形成的徑流量，水電廠的運行還與水庫的調節(jié)庫容、水庫的運行約束密切相關，表現(xiàn)為隨豐枯季節(jié)性波動，具有調節(jié)庫容的水電廠依靠蓄水可以抑制短期波動。風水互補發(fā)電系統(tǒng)是風力發(fā)電系統(tǒng)與水力發(fā)電系統(tǒng)的有機結合與調度，當風電場對電網(wǎng)的出力隨機波動時，水電站可快速調節(jié)發(fā)電機的出力，對風電場出力進行補償。對2015年云南水、火電在同一分鐘最大出力變化量進行統(tǒng)計計算，結果見表2，2015年云南水、火電在同一分鐘最大出力變化量為：枯期169萬kW/min，汛期722萬kW/min，均大于風電功率變化量為89萬kW/min。云南水火電出力的調節(jié)速度能夠滿足風電功率的變化速度。

表1 2015年云南風電功率變化量

表2 2015年云南水火電功率變化量

3)風水互補運行方式

a 季調節(jié)

風能資源與水力資源在資源分布上二者有著天然的時間互補性。夏季風速小，風電場的出力較低，而這時候正是雨量充沛的時候，水電站可多承擔相應的負荷。到了冬春時節(jié)，水庫的水位較低，水電站的出力不足，而這時風電場的風速較大，能夠承擔更多的負荷。風電的年際波動較小，在枯水季節(jié)風電場的出力可以彌補水電出力的下降。

由于風電的大風季節(jié)剛好和水電的枯水期時段相同，可在枯水期集中進行水電的檢修工作，在汛期集中進行風電的檢修維護工作，使檢修人員能得到充分利用。

b 周調節(jié)

在各風電場設置風功率預測系統(tǒng)，根據(jù)風電場氣象信息有關數(shù)據(jù)，利用物理模擬計算和科學統(tǒng)計方法，對風電功率進行短期預報，即預測未來3天的功率，合理安排風電及水電的運行方式。水電調節(jié)庫容為9 246萬m3。從已并網(wǎng)運行的水電站平均入庫流量和各自調節(jié)庫容來看，枯季已建水電站的日平均入庫水量為117萬m3，調節(jié)庫容為2 128萬m3，水電站具有多日調節(jié)能力。根據(jù)云南省風電場實際運行調研結果，云南并無典型的多日持續(xù)大風過程，一般一個大風過程持續(xù)時間不超過2～3天。因此，當風功率預測較大時，短期內(nèi)可考慮水庫蓄水，減少水電出力，反之，則加大水電出力。水電站具有出力調節(jié)能力強、反應速度快的優(yōu)點，可以利用水電的優(yōu)勢去彌補風電的不可調度性，水電出力曲線優(yōu)化如圖6。

圖6 風電及水電的周調節(jié)運行方式

以4月某一周為例，楚雄州某片區(qū)75萬kW風電項目周發(fā)電量為0.53億kW.h，風電功率短期預報顯示周一至周三將持續(xù)大風過程，發(fā)電量占全州的57%。此時，若不對水電進行調節(jié)，水電周發(fā)電量0.153億kW.h，每日發(fā)電量不會有太大波動，總發(fā)電量呈現(xiàn)周一至周三大，周四開始逐漸減小。但對于負荷需電量而言，一周內(nèi)7天并不會有太大波動，需電量較為平緩。通過集控調度平臺，結合風電預測發(fā)電量，給水電下發(fā)優(yōu)化后的出力曲線，周一至周三水電蓄水，周四開始風電出力減小，水電增加出力，優(yōu)化后7天內(nèi)發(fā)電量更加平穩(wěn)，滿足負荷需電量。

c 日調節(jié)

日調節(jié)方式與周調節(jié)類似，對風電功率進行24小時內(nèi)功率預測，合理安排風電及水電的運行方式，同樣利用水電的優(yōu)勢去彌補風電的不可調度性，水電出力曲線優(yōu)化如圖7。

圖7 風電及水電的日調節(jié)運行方式

某片區(qū)75萬kW風電項目日發(fā)電量為121.5萬kW.h，根據(jù)典型風能日出力曲線可看出，晚上和夜間風大，風電出力和發(fā)電量相對較高，中午風電出力較小。但楚雄州的日負荷具有早、晚兩個峰值的特點，早間負荷最高峰一般出現(xiàn)在10～11時之間，而晚間負荷最高峰則出現(xiàn)在19時。日負荷最低值則出現(xiàn)在1：00～7：00之間，正是風電發(fā)電量較大的時段。因此，夜間需要讓水電蓄水，減小出力，中午和晚上水電增加出力，避免小方式下棄風。

4 風水互補預期成果

1)研究小水電資源與風能在時空量序上的互補關系，為以后其他地區(qū)開展風水互補的設計提供建議及優(yōu)化方案，為集控與調度聯(lián)合操作提供運行經(jīng)驗。

2)研究風電裝機容量占互補系統(tǒng)總容量比例的極限值與最佳值。

3)研究風水互補發(fā)供電系統(tǒng)的運行管理方法及經(jīng)濟性評價方法。

5 結束語

1)風能資源與水力資源在資源分布上二者有著天然的時間互補性。采取水電-風電聯(lián)合開發(fā)方式，可以優(yōu)化電源結構，減輕供需矛盾，克服風電供應的間歇性問題。同時，風電的大風季節(jié)剛好和水電的枯水期時段相同，可在枯水期集中進行水電的檢修工作。

2)建立區(qū)域集控中心，減少運行人員，提高經(jīng)濟效益的同時，區(qū)域集控中心可接受電網(wǎng)的AGC指令，匯聚各風電場、水電站的信息并進行分析處理，預計周、日可調出力，提供發(fā)電曲線建議給調度，從而實現(xiàn)風水互補的優(yōu)化調度，水電、風電在集控模式下可達到水風電的經(jīng)濟運行。

[1] 張翼.電力儲能技術發(fā)展和應用 [J].江蘇電機工程，2012(04).

[2] 孫楠，邢德山，杜海玲.風光互補發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展和應用[J].山西電力，2010(04).

[3] 劉國喜，趙愛群，劉曉霞.風能利用技術講座 (三)風力機的基本結構 [J].農(nóng)村能源，2002(01).

[4] 范永威.風-水電聯(lián)合優(yōu)化運行研究 [D].河海大學，2007.

Study on Wind Power and Hydropower Complementarity Theory and Embodiments in Reginal Power Grid

LI Hongwei
(Yunnan power grid corporation，Kunming 650011)

This paper studied hydropower and wind power output characteristics of Chuxiong region，and calculated electric power and energy balance，and deduced wind power and hydropower complementary conclusions.This paper put forward wind powerhydro regulation by centralized control to optimize scheduling.This paper also analysis speed control of wind power，thermal power and hydropower in power grid of Yunnan，and resolved the issue whether changes of power output in wind power exceed hydro thermal power output adjustment speed.Provided a theoretical basis optimal control of wind power-hydropower.

wind power and hydropower complementary；wind power-hydro regulation by centralized control；ramp rate of generator

TM73

B

1006-7345(2014)04-0029-04

2014-05-06

李宏偉 (1982)，女，工程師，云南電網(wǎng)公司，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃相關工作 (e-mail)lihongwei0514＠qq.com。