哈密风电基地出力特性研究

章 凯

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司, 西安 710065)

0 前 言

区别于传统能源，风能既是清洁能源,又是可再生能源。风力发电对其它一次能源没有依赖性，无燃料价格变动风险，运行成本相对稳定，更不会产生碳排放等环境成本。规模化开发利用风能资源,不仅可以有效降低对化石能源的依赖,而且对保护环境也可以起到一定的积极作用。基于以上独特优势，风力发电不仅是中国能源战略的重要部分也逐渐成为许多国家可持续发展战略的方向。

大规模风电基地或风电场集群出力特性与风电场的空间分布、装机规模、评估时间尺度等紧密相关。目前，针对风电场出力研究的文献很多，文献[1,2,5]分析了甘肃酒泉风电基地的出力特性及时空变化规律；文献[3]阐述了风电出力特点、大规模风电并网对电网影响；文献[4]利用数理统计的方法对黑龙江地区风电出力特性进行了描述；文献[6,7]采用概率统计方法分析了风电场(群)的出力特性；文献[9]研究了风电出力波动性评价指标，建立了混合高斯模型；文献[8,10]对海上风电出力特性进行了研究。

本文基于新疆哈密风电基地测风塔实测数据以及风功率预测塔数据，采用时间序列与统计计算的分析方法，对哈密风电基地风电的出力特性，从日变化、季节变化以及相关性、互补性等方面进行了研究，为促进大规模的风电开发与利用以及大规模风电并网运行提供了依据。

1 哈密风电基地概况

哈密，位于中国新疆自治区东部，是新疆通向中国中东部地区的要道。哈密地区风能、太阳能、煤炭等资源十分丰富，已成为国家级重要能源基地。哈密风电基地是中国规划的重要风电基地，开发条件优越，也是中国首个利用跨区特高压直流输电通道开展风电消纳的示范项目。

哈密地区位于新疆东部，南北两侧分别是阿尔泰山和库鲁克塔格余脉，东天山余脉从哈密地区横穿而过，整个哈密地区是三山两谷的地势。受常年西风气流以及山谷强大的夹击作用形成的狭管效应的影响，造成了哈密地区丰富的风能资源。

哈密市气候主要受西风环流影响，风速春、夏季大，秋季次之，冬季最小。此外，受地形影响，哈密市各地风向、风速的分布差异较大。据哈密市各地气象站资料(10 m高度)分析，天山以南的哈密市区及附近风力偏小，年平均风速仅为2.3 m/s。哈密市区以东戈壁，盛行偏东风，年平均风速2.3～4.9 m/s。三塘湖～淖毛湖盆地盛行偏西风，年平均风速4.6～5.9 m/s。

哈密风电基地一、二期共建设风电场超过30个，其中多数风场装机容量约200 MW，总装机容量约10 000 MW。风电基地主要含3个子区域：三塘湖、景峡、烟墩。哈密风电基地各区域位置及区域地形见图1。

图1 哈密风电基地风电场位置示意图

2 数据情况及数据预处理

本文研究主要基于风电场内测风塔的实测风速数据以及风功率预测塔数据。为保证数据的可靠性，研究在各区域内优选数据时段较长、完整率较高的2～3个风电场数据。哈密风电出力数据及测风塔数据时段选取数据完整、质量较高的同一自然年，分辨率为10 min。以下全部计算及图、表均基于以上数据。

3 风电出力的日变化、季节变化分析

3.1 风电出力的日变化分析

为了解哈密风电基地内风电出力的日变化特征，本文收集了实测风速数据(70 m高)、风电场出力数据统计日变化情况，见图2。结果显示，风速日变化具有明显的区域差异：烟墩、景峡区域夜间风速大、白天风速小，00:00～8:00最大，然后逐渐减小，中午13:00～14:00最小，然后又逐渐增大；三塘湖区域夜间和白天风速均比较大，中午11:00～12:00最小，其他时间风速均比较大。出力变化趋势与风速基本一致。

3.2 风电出力的季节变化分析

为了解哈密风电基地内风电出力的季节变化特征，本文统计了逐月平均风速、风电场出力数据统计季节变化情况，结果见图3。结果显示，哈密地区的风速与风电场出力季节变化趋势总体一致，即春季(3-6月)风速大，冬季(11月-翌年2月)风速小。

图2 70 m高风速及风电场出力日变化图(哈密风电基地)

图3 70 m高风速及风电场出力季节变化图(哈密风电基地)

4 哈密风电出力的相关性与互补性

4.1 风电出力具有相关性

同一区域内地理位置相对集中的风电场，当出现持续时间较长的强风时，这些风电场之间发电出力变化就呈现一致，即反映出较强的相关性。而这种相关性通常体现为各个风电场出力变化趋势相近，不同风电场的风电出力表现出较大的相关性,导致整个区域风电场或风电基地总体出力呈现较强波动。

本次分别以哈密风电基地三塘湖区域和景峡区域为例分析同一区域内风电出力的相关性。对哈密风电基地建成后各风功率预测塔风速数据进行统计，分别绘制得到三塘湖区域STH01和STH02两座风功率塔同期风速过程线、景峡区域JX01和JX02两座风功率塔同期风速过程线，具体见图4、5。

图4 三塘湖区域2座风功率塔同期风速过程线图

图5 景峡区域2座风功率塔同期风速过程线图

由图4、5可以看出，同一区域内2个距离相对较近的风电场(集群)之间出力变化形状具有较大的相似性，呈现较为一致的变化趋势，这也意味着同一区域内的风电场(集群)相互之间有着较强的相关性。

4.2 风电出力具有互补性

当同一区域内多个风电场间的地理位置分布较分散时，由于地理跨距大，各风电场出力特性受地理分散效应的影响，降低了风电场间输出功率的相关性，提高了输出功率的互补性。当有来风时，由于风电场之间地理间距较大，风的高峰时刻和低谷时刻达到的时间不同，因此在同一时刻，有的风电场处于高峰时刻而有的风电场则处于低谷时刻，这样就在总体上形成了互补效应。

本次对哈密风电基地景峡区域JX01和三塘湖区域STH01两座风功率塔进行统计，绘制得到景峡代表塔JX01和三塘湖代表塔STH01同期风速过程线(见图4～6)，分析哈密风电基地景峡区域和三塘湖区域2个地理跨距较大区域内风电出力的互补性。

图6 景峡区域代表塔JX01和三塘湖区域代表塔STH01同期风速过程线图

由图6可以看出，由于相距较远的2个风电场(集群)之间地理跨距较大，风峰和风谷达到的时间不同。当三塘湖区域风电场(集群)处于风峰时刻、出力较大时，而在同一时刻，景峡区域风电场(集群)则处于风谷时刻，出力较小，这样就在总体上形成了互补效应,削弱了自然风波动对风电集群出力的影响，从而使得哈密风电基地风电集群的出力曲线变得更为平滑。

5 结 语

本文以哈密风电基地为例，研究了三塘湖、景峡及烟墩区域风电出力日变化、季节变化、相关性、互补性等特性，得到以下结论：

(1) 哈密风电基地三塘湖区域盛行西风，景峡、烟墩区域盛行东风。风电基地风具有较为明显的传递相关过程。无论是在局部风电集群内还是从三塘湖区域-景峡、烟墩区域，均存在较为明显的传递过程。

(2) 在大型风电基地内，由于地形地貌的差异，局地大气环流的成因及变化规律不同，造成风电基地内不同区域的风速以及风电出力宏观变化呈现不同特点。

(3) 同一区域内2个距离相对较近的风电场(集群)之间出力变化形状具有较大的相似性，呈现较为一致的变化趋势，这也意味着同一区域内的风电场(集群)相互之间有着较强的相关性。

(4) 2个相距较远的区域风电场(集群)，风的高峰时刻和低谷时刻达到的时间不同，因此在同一时刻，某一区域风电场(集群)处于高峰时刻而另一区域风电场(集群)则处于低谷时刻，这样就在总体上形成了互补效应。