考虑风电出力不确定的风电并网优化探究

闫天一，邱殿成，葛晨阳

（国网江苏省电力有限公司连云港市赣榆区供电分司，江苏连云港 222100）

引言

随着我国经济和社会的不断发展，风电行业的发展越来越快。我国安装的风电装机量占到全球总量的三分之一，且还在以每年超过25 GW的速度增长。由于全球环境问题日益严重和我国的资源日渐短缺，为了加快可持续发展的步伐，我国大力发展风电并网，目前风电并网已经成为比较成熟的新能源。但风电出力的不确定性是目前风电并网面临的一项巨大挑战，研究风电出力的随机性、间接性等特点，针对不同特性优化风电并网，可以提高系统运行的经济性，有效降低成本。

1 风电出力的特性

风电是将风能转变成机械能再转变成电能，所以风电出力与风速有着紧密的联系，风速对风电出力的影响较为明显。分析风速的规律有利于正确理解并把握风电出力的规律，自然界中，风有明显的随机性和波动性，受气候和地形的影响较大，时大时小，断断续续，且不可控制。风由基本风、阵风、渐变风和随机风组成，风电出力最主要的是基本风，它作用于风机运行的全程中。风电出力随着风速立方的增大而增大，由于风速的不确定性导致风电出力的不确定性[1]。除了风速影响风电出力，风电装机内部机械的运行对风电出力也有一定的影响，机械的运行停滞，力矩变化等也时刻影响着风能、机械能和电能之间的转换，在转换中难免会产生其他的损耗或者热能造成风电出力的不确定。风电出力的不确定性会加大风电并网系统的难度，使电力系统的运行数值偏离正常的稳定值，进而造成系统不平衡，影响风电的安全性和可靠性。

通过相关研究人员的专业分析，与传统的火电机组相比，风电出力由于风速的不确定性导致风电的输出功率会在短时内频繁变化，通常情况下虽然风电可以满足人们的电力需求，但没有与火电机组一样相对稳定的发电容量。

2 风电出力不确定性分析

风电出力有着明显的波动性、间接性和随机性[2]，形成这些特性的因素主要有风速的不确定性、风电转换过程中的不确定性以及风电系统外部的不确定性。由于地形、高度、空气密度、气流流向等原因，导致风速在风向、脉动风速等时空分布上不确定，风速预测系统对风的时空分布不能完整反映，对系统的评估影响较大，增大评估结果的误差。风电转换过程中的不确定性首先是风机出现故障造成的，比如风机脱网，检修等；其次，最大风电功率的追踪过程中出现的较大变化和远程调节工况等问题也会影响风电间的转换；最后，风电装机的机组运行特性也会出现相应的变化，导致风电转换不确定。风电系统外部的不确定包括节假日等重大社会活动时的电量需求及供应等。

风电的不确定性不采用高斯分布来描述，较大时间尺度通常采用2参数的Welbull分布模型，描述短时间内的风速概率时只需增加参数个数即可[3]。风电场的聚集可以降低风电总功率的不确定性，可以依据风电场的时序来协同调频控制。风电出力的不确定性会造成电压波动，其中并网连接点短路、风速和塔影效应都会造成电压闪变，电压闪变引起电网电压的波动较大，进而造成风机频繁脱网出现故障。风力发电的不确定性还会影响电能质量，在风电并网瞬间产生的电流可达到额定电流的2倍左右，风机脱网时最高可使电压升高10%左右，严重影响电能的质量。

3 风电并网优化策略

3.1 预测风电功率

充分利用超短期、短期、长期等不同时间尺度的风电功率预测技术，将风速的不确定性转变成风电功率预测的不确定性，再提高风电功率预测的精确度，进而减小风电的不确定性，完善天气预报的历史数据可以提高风电功率预测的精确度，还可以采用智能算法等组合预测模型来减小预测误差。

3.2 提高风电场的可控性

采用传感技术、通信技术和调度控制技术等提高风电场的可控性，利用风电场的综合控制来降低风电出力的不确定性。依据风电装机的机型以及分布位置对同一风电场分群，同一群组的风电机采用一种控制策略，不同群组相互协调，进行有效控制，达到平滑控制总功率[4]；还可以采用储能和变流器技术来调节有功功率波；采用分层控制法来进行无功控制，用分区控制来进行无功调节，进而实现有序控制，达到优化风电并网的目的。

3.3 采用故障穿越术调节

风电机组运行过程中会出现短路等故障造成风电出力不确定，针对这一问题，可以采用变桨距控制，串联网侧变换器的拓扑结构等故障穿越术来调节因短路造成的电压不稳定。

3.4 采用大容量储能技术

采用大容量的储能技术来解决电能质量问题，目前使用最多的储能手段是抽水蓄能，它能在提供超大功率和超大电量的同时拥有较低的成本，除抽水蓄能外还有电池储能与压缩空气储能手段[5]。储能系统调节风电功率主要有：通过功率追踪来优化调度策略，进而调节风电功率的波动；通过非功率追踪的参与来稳定风电功率。