甘肃酒泉风电功率调节方式的研究

第30卷第10期中国电机工程学报Vol.30No.10Apr.5,20102010年4月5日ProceedingsoftheCSEE©2010Chin.Soc.forElec.Eng.1文章编号：0258-8013(2010)10-0001-07中图分类号：TM71文献标志码：A学科分类号：470·40甘肃酒泉风电功率调节方式的研究肖创英，汪宁渤，丁坤，陟晶(甘肃省电力公司，甘肃省兰州市730050)SystemPowerRegulationSchemeforJiuquanWindPowerBaseXIAOChuang-ying,WANGNing-bo,DINGKun,ZHIJing(GansuElectricPowerCompany,Lanzhou730050,GansuProvince,China)ABSTRACT:Jiuquanwindpowerbase(JQWPB)isthefirst10GW-levelpilotwindpowerbase.Itsconstructionbringsalotoftechnicalproblemsinpowersystemoperationsuchaspeakloadregulation,frequencycontrolandtheconsumptionofwindpowerandelectricity.Thispaperutilizesthegaugedwindresourcesdataandtherecentenergymanagementsystem(EMS)operatingdatafromdispatchingdepartment,analyzesthecharacteristicsofwindpowerresources,andresearchesthesystempowerregulationschemefortheintegratedJQWPB.Comparingthreedifferentkindsofpowerregulationschemes:pumpedstoragepowerstation,thermalelectricpowerplantandthecombinedscheme,accordingtothedevelopinglevelofpowertechnologyandtheresourcesconditioninthatdistrict,theconclusionsare:theschemeofpumpedstoragepowerstationisnotsuitableforwindpowerregulation;thecombinedschemehasmanyuncertaintiesandtheschemeofthermalpowerplantwithpropercapacitysatisfiesthewindpowerregulation.Itistheuniquewaytosolvetheproblemofpeakloadregulation,frequencycontrolandthewindpowerconsumptionbyconstructingthermalpowerplantofcertaincapacityandtransmittingwindpowerbyultrahighvoltagedirectcurrent(UHVDC)powertransmissiontechnology.KEYWORDS:Jiuquanwindpowerbase(JQWPB);windpowercharacteristic;powerregulation;peakloadregulationandfrequencycontrol;ultrahighvoltageDC(UHVDC)摘要：酒泉风电基地(Jiuquanwindpowerbase，JQWPB)是中国第一个千万千瓦级示范风电基地，它的建设给甘肃电网乃至西北电网带来调频调峰、电力电量消纳等技术难题，利用河西地区测风资料和近期调度能量管理系统(energymanagementsystem，EMS)实际运行数据，分析甘肃酒泉地区风资源特性和风电出力特性，研究风电并入电网的功率调节方式，根据国内技术发展水平和河西资源状况，比较了抽水蓄能、常规火电以及抽水蓄能和火电联合3种功率调节方式，得出了抽水蓄能电站不能用于风电功率调节、抽水蓄能和火电联合调节存在不确定性和一定规模的常规火电可以满足风电功率调节要求的结论。建设一定规模的火电基地，并在酒泉地区将其电能以特高压直流外送是解决酒泉风电调频调峰与电量消纳的有效途径。关键词：酒泉风电；风电特性；功率调节；调峰调频；特高压直流0引言酒泉地区位于甘肃省河西走廊西端，风能资源可开发储量约40GW，是国内风力资源丰富地区，适宜建设大型风电基地。根据《甘肃酒泉千万千瓦级风电基地规划报告》，2010年酒泉地区风电装机容量将达到516万kW，2015年酒泉地区风电装机容量将达到1271万kW，是世界上第一个千万千瓦级风电基地[1]。风电出力具有间歇性、波动性和随机性等特点。为了维持电力平衡，包含风电的电力系统除了要求满足正常负荷变化的调峰能力以外，还必须满足适应风电随机性的调峰能力。截至2009年底，甘肃电网统调装机容量为1852.5万kW，具备调峰能力的装机容量约700万kW，其中火电机组500万kW、水电机组200万kW。受到水电、火电机组运行方式及检修等因素的影响，系统内昀大可能的调峰容量约为450万kW；考虑事故备用、负荷备用等因素，全省不同时期的总调峰能力约为250万kW；除去用电负荷调峰所需的约100万kW，能够承担风电调峰的发电能力仅为150万kW左右，根本无法满足2010年516万kW风电调峰的要求。仅考虑装机容量，西北电网能够满足516万kW风电建设的调峰需求。但水电机组出力涉及到黄河水资源的综合利用，大规模跨省调峰面临调度管理2中国电机工程学报第30卷模式和电费交易管理办法等管理问题；另外远距离调峰将带来系统潮流频繁大范围波动等技术问题。2015年1271万kW风电的调峰将更加困难。建设新的调峰设施刻不容缓。2010年底，酒泉风电基地装机容量将达到516万kW，年上网电量约为116亿kW⋅h。预计2011年甘肃省统调范围内昀大负荷为1060万kW，全省全社会用电量为823亿kW⋅h。从电力平衡和电量平衡两方面考虑，516万kW风电在甘肃省难以消纳，必须依靠整个西北电网进行消纳。2015年1271万kW装机容量的风电项目，对应的发电量约为285亿kW⋅h，即使考虑全省用电负荷年均增长10%、全省用电量年均增长8%，甘肃电网也无法消纳，预计西北电网也难以消纳，必须依靠全国电力市场消纳。但中东部电力市场不可能接受波动的电力，因此解决风电功率的调节问题是通过电力外送解决风电消纳问题的关键。总之，能否有效地解决酒泉风电功率调节问题，直接关系到酒泉风电基地的未来发展态势，同时也影响国内大规模风电的整体发展模式的选择，希望通过本文的研究成果为未来风电与电网协调发展提供决策参考依据。1甘肃风电特性1.1甘肃风资源特性和风电出力特性1.1.1风速和风电出力波动范围大酒泉地区风能资源丰富，风电出力波动范围大，小时级及以上时间尺度下相关性明显，而在小时级以下时间尺度下的互补性明显。根据测风数据，酒泉风电基地每个月及大部分天内，风速都会从接近零到额定风速之间变化，即风电出力会从接近零出力到额定出力之间变化，如图1所示。图中数据为酒泉风电基地折算后的日发电量年度分布。时间12月出力/%02060408010月6月2月1008月4月图1风电日发电量的年度分布Fig.1Annualdistributionofdailywindgenerationenergy1.1.2小时级及以上时间尺度下的风电出力具有相关性由于酒泉风电基地风电场地理位置比较集中，因而对于大面积来风，不同风电场出力变化趋势相近。在小时级及以上时间尺度范围内，不同风电场的风电出力表现出较大的相关性，导致风电基地的总出力波动很大。以北大桥和干河口风电场群为例，选取每小时风电出力绘制曲线，如图2所示，图中为2009年5月4—10日的风电出力曲线。由图可见，在小时级及以上时间尺度下，2个风电场群的出力具有很大的相关性。时间10日出力/%0206040808日6日4日1009日7日5日北大桥干河口图2小时级及以上时间尺度的风电出力相关性Fig.2Windpowercharacterinthescaleofhoursorlarger1.1.3小时级以下时间尺度下的风电出力具有互补性在小时级以下时间尺度下，风电出力存在互补性，其效果是降低了酒泉风电总出力的变化率。风电出力的互补性主要包括2个方面：1）风电场内部的互补性。一方面，在转动惯量和有功功率控制策略的作用下，风电机组可以有效平抑秒级时间尺度的有功出力波动；另一方面，风电场内不同的风电机组由于风速波动的随机性和风峰、风谷到达时间不同，存在一定的互补性，可以抑制数分钟以下时间尺度的有功出力波动。2）风电场之间的地理分散效应。不同位置风电场的风峰和风谷到达时间不同，昀大出力变化率出现时刻也不同，从而实现互补，降低了风电基地的出力变化率。由于风电场之间的距离有限，这种互补性体现在小时级以下的时间尺度范围内。图3为北大桥风电场群和干河口风电场群典型时段内的出力曲线。北大桥风电场群位于干河口风电场群的上风处约45km，北大桥风电场群的昀大出力变化率的出现时间早于干河口风电场群，在10m/s风速下两者相差30min左右，“风风互补”作用明显。北大桥风电场群和干河口风电场群的出力变第10期肖创英等：甘肃酒泉风电功率调节方式的研究3时间出力/%02060408000:00100北大桥干河口00:4001:2002:0002:4003:20两场群总出力图3风电出力曲线Fig.3Curveofwindpowergeneration化率以及总出力变化率如图4所示。总出力变化率超过10%/(10min)的时间只占爬坡时间的27%；相比之下，单个风电场群出力变化率超过10%/(10min)的时间占爬坡时间的59%。时间出力变化率/(%/min)−10020103000:1040北大桥干河口00:5001:3002:1002:5003:30两场群总出力图4风电出力变化率Fig.4Changerateofwindpowergeneration1.1.4实际运行中的风电出力变化率根据酒泉风电的实际运行经验，虽然单个风电场出力变化率较大，但是在“风风互补”的作用下，风电基地的出力变化率较小。截至2008年底，酒泉风电基地并网风电场总装机容量为50.86万kW，其运行数据已经记录在甘肃省电力调度中心能量管理系统(energymanagementsystem，EMS)中。图5是根据2009年1月1日—6月11日50.86万kW风电场群的运行数据绘制的出力变化率的累计概率图。出力变化率/(%/min)累计概率/%040800.11200.50.91.31.7全部图5酒泉风电实际出力变化率的累计概率Fig.5AccumulationprobabilityvschangerateofwindpowerinJiuquanwindpowerbase图5表明，风电场群出力变化率在每分钟0~0.6%之内的概率约为90%，在每分钟0~1.5%之内的概率约为99%，大于1.5%的概率约为1%。总之，风电场群风电出力存在明显的互补性，并且随着风电场群装机规模的增加，其风电出力的互补性增强，因此对风能资源进行集中开发，建设大规模风电基地不仅具有明显的规模经济优势，还能够有效降低风电出力变化率，有利于缓解电力系统调峰调频的矛盾。1.2相邻日之间的风电出力特性1.2.1相邻日风电出力的不确定性分析测风数据可知：在风能资源丰富的时段，会出现连续数天(如8月9—14日连续6天)，风电场日平均出力达到或接近于额定出力，如图6所