姚俊偉，張燕，楊星磊，金蕭，項川，何奇

（囯網(wǎng)宜昌供電公司經(jīng)濟技術(shù)研究所，湖北 宜昌 443000）

1 引言

風電與水電的產(chǎn)生都是通過現(xiàn)代先進技術(shù)，將風與水等自然元素所具備的動能轉(zhuǎn)化為電能，該過程無需燃燒，不會對大氣中排放污染物質(zhì)，并且風能與水能是自然中取之不盡用之不竭的，因此風電與水電被稱為可再生的清潔能源。風電與水電具有地域性與季節(jié)性的特性，風電的獲取受到地理地形的環(huán)境影響程度較大，并且其還存在較高的波動性；水電的獲取則要與季節(jié)特性以及江河的地理分布情況來進行結(jié)合。

在我國經(jīng)濟不斷發(fā)展的背景下，國內(nèi)對于能源的需求程度也在不斷提升，傳統(tǒng)的能源供給模式已經(jīng)無法滿足日益提升的能源需求，因此需要加快在新能源領(lǐng)域的發(fā)展，以滿足國能能源需求的同時，也能夠符合我國政策所提出的可持續(xù)發(fā)展的科學發(fā)展觀標準。在新能源的發(fā)展領(lǐng)域中，自然能源的占比程度不斷提升，為電力系統(tǒng)的并網(wǎng)提出了新的要求，結(jié)合目前所考慮的解決方式，為使水電與風電協(xié)調(diào)運行，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)對風電場進行常規(guī)調(diào)控管理。在對水電與風電協(xié)調(diào)運行的方案進行研究的過程中，需要首先了解其原理與特性，以及相互之間的聯(lián)系與區(qū)別，進而使兩者形成互補，相互進行電量與容量的補償。

2 風力發(fā)電的特性分析

風電產(chǎn)生的效率跟風速有直接聯(lián)系，而風速則與地理特征、氣候特征等因素有關(guān)，同時也受到時空因素的影響，根據(jù)時間尺度的差異，對風速的評估標準也不同。圖1展示了風速變化過程中的頻譜、頻率統(tǒng)計圖，圖中天氣峰值的形成主要是由于氣候變化所造成，圖中的日峰值則是由于溫度的影響所形成。一般情況下，對于規(guī)模越大的風電場，其變化的時間尺度等級越小，分鐘級別以下的變化程度較大，湍流峰值就是與該等級的時間尺度相對應(yīng)。

圖1 風速變化時的功率頻譜圖

由于風電功率與風速有直接聯(lián)系，學術(shù)界對于風速進行深入研究后建立了多種模型，其中有Weibull、Rayleigh等，Weibull是對風速分布進行模擬測量，能夠通過現(xiàn)代軟件來進行計算與統(tǒng)計，其在現(xiàn)實應(yīng)用中的表現(xiàn)較好。HOMER軟件能夠?qū)︼L電場的Weibull概率進行分析與統(tǒng)計，并且能夠通過曲線圖來展現(xiàn)，該曲線能夠有效統(tǒng)計風速的分布性與隨機性概率。為了便于研究，本文對風速概率與Weibull的關(guān)系進行假設(shè)，假設(shè)前者服從后者的情況下，能夠構(gòu)建概率密度函數(shù)的算式，具體如式（1）所示：

上式中，v、c、k分別表示風速以及Weibull分布的尺寸參數(shù)與形狀參數(shù)，k值的范圍為1.5～3。風速的分布計算式如下：

由于風能具備較大程度的隨機性與分布性，因此風電機組的輸出功率不具備穩(wěn)定性，其數(shù)值的表現(xiàn)形式為分段函數(shù)，當風速與風電場的風機切入風速不能匹配時，風電場的輸出功率為零。當風速小于切出風速，并且大于額定風速的狀態(tài)下，風電場的輸出功率為額定狀態(tài)。

表1 風電與水電在協(xié)調(diào)運行中所具備的互補內(nèi)容

3 風水互補特性分析

風能的產(chǎn)生效率主要由風電場的輸出功率決定，風電場輸出功率與風速以及裝機類型的關(guān)系較為緊密，同時波動幅度也較大。水電站能夠發(fā)電的同時，還能夠進行防洪灌溉，并且輸出功率也受到河流以及環(huán)境氣候的影響，其也具備一定程度的波動性。

隨著科技的發(fā)展，可再生能源發(fā)電將成為未來能源的主流趨勢，因此需要各種不同類型的可再生能源進行相互協(xié)調(diào)，共同為國家能源供給來服務(wù)。在可再生能源中，水電與風電就具有較好的互補條件，被能源行業(yè)與社會各界所重視。國際能源機構(gòu)在對二者進行深入研究分析后指出，需要通過制定相應(yīng)的實施協(xié)議方案來發(fā)展集成系統(tǒng)項目。由于我國地大物博，在風電與水電的發(fā)展上具有一定優(yōu)勢，并且東北地區(qū)具備同時開發(fā)兩種可再生能源的特質(zhì)，能夠有效開展風水聯(lián)合調(diào)度的研究。并且國家政府對該項研究也較為重視，通過設(shè)立多項重大科技項目來促進風電與水電的聯(lián)合發(fā)展。

風電與水電之所以能夠進行聯(lián)合互補發(fā)展，主要因為二者具備較大的時空差異，具體的差異有季節(jié)差異與調(diào)節(jié)技術(shù)差異，因此能夠進行有效的互補。表1展示了風電與水電在協(xié)調(diào)運行中所具備的互補。

（1）季節(jié)互補性。自然資源都具有一定的季節(jié)性影響，同樣風電與水電也不例外，在我國夏季的風速要比冬季小，并且降水比冬季充沛，因此夏季的季節(jié)特性使得風能較小而水電較為充分，而冬季則是風電充分，水電發(fā)電量不足。水電還存在豐水期與枯水期因素的影響，不同的水期直接影響到水流量與發(fā)電量，水電當?shù)厝盏乃髁勘容^穩(wěn)定，屬于日級波動較小的狀態(tài)。風電的波動屬于小時級別，在日內(nèi)的波動幅度較大。水電與風電相互協(xié)調(diào)能夠?qū)Σ▌有赃M行互補。圖2展示了克什克騰旗地區(qū)水電與風電的季節(jié)互補表現(xiàn)，從兩圖曲線來看，互補關(guān)系非常明顯。

（2）技術(shù)特性互補。水電發(fā)電站在修建時都具備蓄水的功能，通過對水量的儲備能夠間接對電能進行儲備。通過蓄水能夠使水電站較好的應(yīng)對時間較短的波動，使得水電與風電結(jié)合時，在風能較大使得風電輸出效率提升的情況下，可以讓水電站進行蓄水，而風能變小使得風電的輸出效率降低的情況下，可以通過防水提升水電輸出，這樣可以形成較為規(guī)律的循環(huán)，從而一直保持穩(wěn)定的總輸出功率。

圖2 內(nèi)蒙古克什克騰旗地區(qū)風電與水電在季節(jié)上的互補性

4 結(jié)語

本文對風能與水能發(fā)電進行概述，并對二者的功率特性進行了分析，在前任的研究基礎(chǔ)上，通過風能發(fā)電的相關(guān)數(shù)據(jù)對Weibull分布的合理性進行了分析與驗證，根據(jù)風速Weibull分布對各種尺度標準與形狀參數(shù)的風電功率進行了計算分析。在對風電規(guī)模不斷提升而出現(xiàn)的并網(wǎng)與消納問題上，提出了對目前風電與水電進行相互協(xié)調(diào)互補的構(gòu)想方案，并對風電與水電結(jié)合的客觀可行性與互補優(yōu)勢特性進行了分析，其中對風電與水電的季節(jié)性互補以及技術(shù)特性互補方面的內(nèi)容進行詳細分析。通過風電與水電的協(xié)同運行，能夠有效解決現(xiàn)階段存在的風電消納問題。