一種評價風(fēng)電場運(yùn)行情況的新方法

一種評價風(fēng)電場運(yùn)行情況的新方法申洪，王偉勝（中國電力科學(xué)研究院，北京100085）摘要：提出了一種基于實(shí)際年發(fā)電量和故障停運(yùn)時間來評價風(fēng)電場實(shí)際運(yùn)行情況的新方法。首先根據(jù)風(fēng)電場的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)來計(jì)算風(fēng)電場的年理想發(fā)電量，然后引入衡量風(fēng)電機(jī)組分布、風(fēng)資源和故障停運(yùn)對風(fēng)電場年發(fā)電量影響的三個新指標(biāo)一風(fēng)電機(jī)組分布系數(shù)、風(fēng)資源系數(shù)和損失系數(shù)，并推導(dǎo)出風(fēng)電場容量系數(shù)與這三個系數(shù)之間的表達(dá)式。所提出的三個新指標(biāo)具有明確的物理意義，可以定量評價風(fēng)電場風(fēng)資源、風(fēng)電機(jī)組分布和風(fēng)電機(jī)組故障對風(fēng)電場運(yùn)行情況的影響。最后對兩個實(shí)際風(fēng)電場進(jìn)行了計(jì)算和分析，結(jié)果表明了所提出方法的正確性和實(shí)用性。關(guān)鍵詞：風(fēng)電場；發(fā)電量；風(fēng)資源；容量系數(shù)1引言近年來風(fēng)力發(fā)電得到了迅速的發(fā)展。與常規(guī)發(fā)電廠相比，風(fēng)力發(fā)電場有其獨(dú)有的特點(diǎn)。常規(guī)火電廠的燃料供應(yīng)（如煤、石油等）和水電廠的水量供應(yīng)一般認(rèn)為是安全的，在無故障情況下可以始終工作在滿負(fù)荷狀態(tài)下，調(diào)度員可以根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷的實(shí)際需求對發(fā)電機(jī)組的發(fā)電功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，使整個電力系統(tǒng)工作于比較安全與經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式下。而風(fēng)電機(jī)組是由風(fēng)能驅(qū)動的，風(fēng)能是一種間歇性能源，風(fēng)速大小是隨機(jī)波動的，因而風(fēng)電機(jī)組的有功出力是隨機(jī)波動的。雖然通過優(yōu)化的方法可以增加風(fēng)電場安裝容量［1］，但由于受風(fēng)速條件的限制，風(fēng)電場的發(fā)電功率不能夠隨意調(diào)度，所以不能用風(fēng)電場的容量來考慮它對系統(tǒng)做出的貢獻(xiàn)，而只能通過其在一段時間內(nèi)的發(fā)電量來衡量其價值。風(fēng)電場的投資較大，但它不需要原料，啟停機(jī)方便，運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用低。然而風(fēng)電場不能始終工作于滿負(fù)荷狀態(tài)，一般情況下發(fā)電功率都遠(yuǎn)低于額定容量，因而只有讓風(fēng)電場盡可能多的發(fā)電，才能使發(fā)電成本降低到最低水平?？己孙L(fēng)電場運(yùn)行情況的重要指標(biāo)是風(fēng)電場容量系數(shù)⑵。風(fēng)電場容量系數(shù)是風(fēng)電場一段時間內(nèi)的實(shí)際發(fā)電量與這段時間內(nèi)的額定發(fā)電量的比值，它等價于風(fēng)電場在一段時間內(nèi)滿負(fù)荷工作的時間，代表了風(fēng)電場總的發(fā)電情況。然而風(fēng)電場的發(fā)電量不僅受風(fēng)速大小的影響，而且受風(fēng)電機(jī)組的分布位置以及風(fēng)電機(jī)組計(jì)劃或強(qiáng)迫停機(jī)情況等因素的影響，只用容量系數(shù)不能完全描述上述因素對風(fēng)電場發(fā)電量的影響。為此，本文根據(jù)文獻(xiàn)［3］中對風(fēng)電場發(fā)電量的計(jì)算方法，提出了風(fēng)電場理想發(fā)電量的概念，并提出了風(fēng)電機(jī)組分布系數(shù)、風(fēng)資源系數(shù)和損失系數(shù)三種新的指標(biāo)，應(yīng)用這三個指標(biāo)，可以定量描述風(fēng)電場運(yùn)行分別受風(fēng)電機(jī)位置分布、風(fēng)資源以及風(fēng)電機(jī)組停機(jī)情況影響的程度。應(yīng)用上述模型和指標(biāo)，本文對兩個實(shí)際風(fēng)電場進(jìn)行了計(jì)算分析。2風(fēng)電場理想發(fā)電量某一時間段T內(nèi)一臺風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量Wh可以表示為【3】W出=7 ⑴式中P(u)為風(fēng)電機(jī)組的功率輸出特性曲線，由風(fēng)電機(jī)組制造廠商提供；f(u)為風(fēng)電機(jī)組輪轂高度的風(fēng)速分布特性，通?？梢杂肳eibull函數(shù)來表示。如果風(fēng)電場沒有測風(fēng)裝置，風(fēng)電場的風(fēng)速分布特性可以通過附近的氣象站的測量數(shù)據(jù)，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法囹或根據(jù)空間相關(guān)性模型［5］等方法求得。由于受下列因素的影響，風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際發(fā)電量將比由式(1)計(jì)算出的發(fā)電量要小。風(fēng)電機(jī)組位置周圍的地形地貌、地表粗糙度以及其它風(fēng)電機(jī)組的建立、植樹、新建筑物等都會影響風(fēng)電機(jī)組所在位置處的風(fēng)速分布，降低風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量。因風(fēng)電機(jī)組或接入的電力系統(tǒng)發(fā)生故障，以及風(fēng)電機(jī)組計(jì)劃檢修而引起的停機(jī)，將降低風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量。如果風(fēng)電機(jī)組在一段時間內(nèi)一直處于運(yùn)行狀態(tài)，沒有計(jì)劃或非計(jì)劃的停機(jī)事件發(fā)生，則每臺風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量將只受上述第⑴種因素的影響。這種情況下，對風(fēng)電機(jī)組而言，此時的發(fā)電量是在它所處的位置及其風(fēng)速分布特性下所能發(fā)出的最大發(fā)電量，稱之為風(fēng)電機(jī)組理想發(fā)電量，記為W；d。風(fēng)電機(jī)組停機(jī)情況下?lián)p失的發(fā)電量，可以通過理想運(yùn)行狀態(tài)下的平均發(fā)電功率和停機(jī)時間求得，如式(2)所示。式中Kss為停機(jī)損失電量；^ut為時間段T內(nèi)計(jì)劃和強(qiáng)迫停運(yùn)時間的總和。風(fēng)電機(jī)組實(shí)際測得的發(fā)電量可以由理想發(fā)電量和停機(jī)損失電量得出，如式(3)所示。叫=吟一電響二%(―上)仃 ⑶式中叫為實(shí)際測得的發(fā)電量：實(shí)狗:運(yùn)行數(shù)據(jù)中.股.丁和孩、都為U知因此’由式⑶可求得風(fēng)電機(jī)組理想發(fā)電量，其為%=吒丁仃-砧) (4)3評價風(fēng)電場運(yùn)行情況的新指標(biāo)在衡量一個風(fēng)電場的運(yùn)行情況時，通過風(fēng)電場一年的累計(jì)發(fā)電量可以求出該風(fēng)電場的容量系數(shù)，它可以說明該風(fēng)電場總的發(fā)電情況，并可以在不同的風(fēng)電場之間對發(fā)電情況進(jìn)行定量的比較。然而，人們在由容量系數(shù)了解了某一風(fēng)電場總的發(fā)電情況后，經(jīng)常要提出如下一些問題：是風(fēng)電場的風(fēng)資源對它的發(fā)電量影響大，還是風(fēng)電機(jī)組分布位置對它的發(fā)電量影響大？風(fēng)電機(jī)組停機(jī)損失對發(fā)電量的影響如何？等等。顯然，只應(yīng)用容量系數(shù)一個指標(biāo)并不能說明在風(fēng)電場總的發(fā)電情況中，風(fēng)資源、風(fēng)電機(jī)組分布位置以及風(fēng)電機(jī)組停機(jī)情況對發(fā)電量的影響。為此，本文提出了三個新的衡量風(fēng)電場運(yùn)行情況的指標(biāo)：風(fēng)電機(jī)組分布系數(shù)、風(fēng)資源系數(shù)和損失系數(shù)。對一有N臺風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場，若每臺風(fēng)電機(jī)組的容量相同，則每臺機(jī)組的理想發(fā)電量可以由式(5)得出風(fēng)q"燈-頑昵廣臨項(xiàng)仃-丁她) ⑸叫％叫?w-5令吟=狙爪地頃叫心?叫煩)，稱其為參考電量，相應(yīng)的風(fēng)電機(jī)組稱為參考機(jī)組。參考機(jī)組的理想發(fā)電量是所有風(fēng)電機(jī)組中最大的，在該風(fēng)電機(jī)組位置處的風(fēng)資源是風(fēng)電場所有風(fēng)電機(jī)組所在位置的風(fēng)資源中最好的，因而可用它近似描述風(fēng)電場的風(fēng)資源情況。若第k臺風(fēng)電機(jī)組為參考機(jī)，令式中ai稱為第/'臺機(jī)相對于參考機(jī)組的位置系數(shù)，顯然ak=1。它體現(xiàn)了每臺風(fēng)電機(jī)組位置不同對發(fā)電量的影響。則風(fēng)電場的理想發(fā)電量為TOC\o"1-5"\h\z偵 如1根據(jù)容?量系數(shù)的定義及式(3).風(fēng)電場容量系數(shù)可以表必.V NC=^IV；,/(V閔 is]由式(7)可得N N2(晚「￡咀伸"7)-、吟2伸無D舊 i=i(9)式中Pr為風(fēng)電機(jī)組的額定容量；T一般取為一年的小時數(shù)，即為8760。式中G是由風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組分布位置決定的，稱為風(fēng)電機(jī)組分布系數(shù)；命是由參考風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量決定的，它近似表明了該風(fēng)電場的風(fēng)資源情況，稱為風(fēng)資源系數(shù)；closs描述的是風(fēng)電場由于計(jì)劃或非計(jì)劃停機(jī)所造成的相對于理想發(fā)電量的損失，因而稱為損失系數(shù)。則風(fēng)電場容量系數(shù)可以表示為這樣，根據(jù)風(fēng)電場的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)從容量系數(shù)中分離出三個系數(shù)，通過這三個系數(shù)，可以定量描述該風(fēng)電場中風(fēng)電機(jī)組選址是否合理，風(fēng)資源是否充足以及各種原因?qū)е碌娘L(fēng)電機(jī)組停機(jī)造成的損失情況。與、&、qoss都為小于1的數(shù)，cs越大，說明該風(fēng)電場的風(fēng)電機(jī)組分布越合理；命越大，說明該風(fēng)電場的風(fēng)資源越好；closs越小，說明風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行情況越好。實(shí)際計(jì)算中，可以先取年發(fā)電量最大的風(fēng)電機(jī)組作為參考機(jī)組，如果計(jì)算所得其他風(fēng)電機(jī)組的位置系數(shù)a‘.都小于等于1,則所選的機(jī)組就是參考機(jī)組；如果計(jì)算所得的位置系數(shù)q中有大于1的，則選擇位置系數(shù)最大的風(fēng)電機(jī)組為參考機(jī)組，同時調(diào)整參考電量和各臺風(fēng)電機(jī)組的位置系數(shù)，方法如下：環(huán)Ernax]%冬廣、如）+令=VVh|d4■hH”,則風(fēng)炬場的網(wǎng)電機(jī)狙分布系數(shù)期以資源系散分刈按卜式計(jì)瞥4算例分析應(yīng)用本文提出的計(jì)算風(fēng)電場理想發(fā)電量的數(shù)學(xué)模型，對兩個實(shí)際風(fēng)電場進(jìn)行了計(jì)算分析。1號風(fēng)電場中安裝有33臺600kW的風(fēng)電機(jī)組，分布于山區(qū)，其每臺機(jī)組某年的發(fā)電量和故障時間如圖1、2所示；2號風(fēng)電場中安裝有11臺660kW的風(fēng)電機(jī)組，分布于平原地區(qū)，其每臺機(jī)組某年的發(fā)電量和故障時間如圖:liiII4710t51622225網(wǎng)3J

風(fēng)加臼兮圖L1號風(fēng)電場彼含風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量Fii^irrvdiKiionnfcvtrywindlurhincinNu.lwindhirni<匡擔(dān)<匡擔(dān)&定I4I47lb[3161922252BM風(fēng)機(jī)型號￡21號鳳電場每臺區(qū)電機(jī)蛆成曜時間FaulitinieuFwindturbineinNd.L￥indfannElhililiiil

12^4?&7S9toJI

旭機(jī)帽耳圖3壬號風(fēng)電場舟臺風(fēng)電機(jī)蛆筮電星PmdudionofeachwindturbineinNu,2windhirmI2345675?I2345675?JUII說機(jī)場號圖42號周電場每色風(fēng)電機(jī)組敖隔時間卜南HitimeofeverywindlurittoeinNoJwindhm應(yīng)用本文所述方法，對該風(fēng)電場的運(yùn)行情況進(jìn)行了分析。通過計(jì)算得出的兩個風(fēng)電場中各風(fēng)電機(jī)組的位置系數(shù)中如圖5,圖6所示。兩個風(fēng)電場的風(fēng)電機(jī)組分布系數(shù)和風(fēng)資源系數(shù)以及相關(guān)的計(jì)算結(jié)果如表1所示。從計(jì)算結(jié)果中可以看出，1號風(fēng)電場的4號機(jī)組和2號風(fēng)電場的7號機(jī)組是各自風(fēng)電場的參考機(jī)組。1號風(fēng)電場的風(fēng)電機(jī)組分布位置對其發(fā)電量的影響較大，其位置系數(shù)中最小的為0.49，而2號風(fēng)電場受風(fēng)電機(jī)組分布的影響則相對較小，其位置系數(shù)中最小的為0.87。從表1中可知，1號風(fēng)電場的風(fēng)電機(jī)組總體分布對風(fēng)電場發(fā)電量的影響很大，其風(fēng)電機(jī)組分布系數(shù)為0.74,而2號風(fēng)電場的情況則較好，風(fēng)電機(jī)組分布系數(shù)為0.94；兩個風(fēng)電場的風(fēng)資源情況大致差不多，風(fēng)資源系數(shù)分別為0.224和0.237,但1號風(fēng)電場的停機(jī)情況比2號風(fēng)電場嚴(yán)重，損失系數(shù)分別為0.007和0.0003。1K75111111111111K7511111111111101316192225涉打風(fēng)機(jī)編詹圖51號風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組位置系數(shù)SiteproductionfiictorsofNc*lwindfarni].05白7風(fēng)機(jī)褊號圖62號風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)蛆位置系數(shù)Fig<6Sit*pnxluctinnfactorsofNo.2windfnrmWi兩個風(fēng)電場計(jì)算皓果比莪

'Lah.lVoniparisonofcalculationrtsuJis

of3妲^indpowerplan皿1號風(fēng)電場2TJIfh坊[■0.159(1222(5.74匚0.237J00075結(jié)論本文提出了用于描述風(fēng)電場運(yùn)行情況的三個新的指標(biāo)％%風(fēng)電機(jī)組分布系數(shù)、風(fēng)資源系數(shù)和損失系數(shù)。風(fēng)電機(jī)組分布系數(shù)說明了風(fēng)電場中風(fēng)電機(jī)組分布位置對發(fā)電量的影響，風(fēng)資源系數(shù)近似說明了風(fēng)電場的風(fēng)資源情況，損失系數(shù)說明了風(fēng)電機(jī)組各種停機(jī)情況導(dǎo)致的發(fā)電量損失情況。這種分析風(fēng)電場運(yùn)行情況的方法可以通過上述三個新指標(biāo)的計(jì)算在不同風(fēng)電場之間進(jìn)行定量比較，為決策部門評價風(fēng)電場運(yùn)行情況提供量化依據(jù)，具有一定的實(shí)用價值。本文分別計(jì)算了兩個實(shí)際風(fēng)電場的風(fēng)電機(jī)組分布系數(shù)和風(fēng)資源系數(shù)，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較分析。從算例中可知，盡管兩個風(fēng)電場的風(fēng)資源情況相差不大，但不同的地形地貌對風(fēng)電場實(shí)際運(yùn)行情況的影響很大。一般風(fēng)電場在進(jìn)行可行性研究時，測風(fēng)點(diǎn)比較少，其測量數(shù)據(jù)并不能描述整個風(fēng)電場區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速分布，尤其是在地形復(fù)雜的山區(qū)，若以相同的風(fēng)速分布特性來推算風(fēng)電場的發(fā)電量將和實(shí)際情況產(chǎn)生較大的差別。所以，在進(jìn)行風(fēng)資源評估時必須采用更科學(xué)有效的方法，準(zhǔn)確計(jì)算風(fēng)電場所有風(fēng)電機(jī)組位置的風(fēng)速分布情況。參考文獻(xiàn)雷亞洲，王偉勝，印永華，等(LeiYazhou，WangWeisheng，YinYonghua，etal.一種靜態(tài)安全約束下確定電力系統(tǒng)風(fēng)電準(zhǔn)入功率極限的優(yōu)化方法(Anoptimizationmethodfordeterminingwindpowerpenetrationlimitinpowersystemunderstaticsecurityconstraints)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(ProceedingsoftheCSEE)，2001，21(6)：25-28.李俊峰.中國可再生能源技術(shù)評價[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1999.TandeJO，HunterR.Expertgroupstudyonrecommendedpracticesforwindturbinetestingandevaluation—estimationofcostofenergyfromwindenergyconversionsystems[R].1994.AlexiadisMC，DokopoulosPS，SahsamanoglouHS.Windspeedandpowerforecastingbased