[科普中国]-风电集群效应

简介

风电场并网运行是实现风能大规模利用的有效方式。 与常规能源不同， 风能是一种间歇性能源， 风电场的输出功率随风速的变化而波动。 随着风电场数量和装机容量的不断增大， 这种功率波动将给电网的安全经济运行带来诸多不利影响。

风电场通常由几十台甚至成百上千台风电机组构成， 这些风电机组型号不同、 所处位置不同，运行特性也不尽相同， 加之风机之间的相互影响以及风机的集群分布， 使得风电场整体的功率输出特性不同于单个风电机组的功率输出特性2， 风机的集群效应主要包括风电场所处地形地貌、风机的尾流效应以及风的延迟效应等。

主要内容风机尾流效应在风电场中， 迎着正行风向， 前面的风机要遮挡后面的风机， 因此， 坐落在下风向的风机风速就低于坐落在上风向的风机风速， 风机相距越近， 前面风机对后面风机风速的影响就越大， 这种现象称为尾流效应3。 尾流效应主要受风向和机组间距离、 风电场所处地形地貌、 风的湍流强度以及风电机组的功率特性和推力特性等因素的影响。

风的延迟效应风电场中的风电机组大多相距一定的距离， 风从一排风机吹到另一排风机需要一定的延迟时间，在相邻 2 排风机之间风的延迟时间tX 可以表示为：

式中： X 为沿着风速方向相邻两排风机之间的距离； V 为平均风速4。

示意图风电集群效应，即风电场的集群效应，主要是指风机的尾流效应、风的延迟效应以及风电场所处地形地貌的影响。由于风机地理位置的不同，坐落于上风向风机的风速会高于坐落于下风向风机的风速，距离越近，影响越大，该现象即为尾流响应。风的延迟效应是指风从上风向风机吹向下风向风机是需要时间的，即有延迟的。风电场集群效应可以减小风电场输出电能质量受风速湍流峰值的影响1。

如右图所示，在风电场集群效应的影响下，受风速湍流峰值影响而产生的输出功率波动明显减小了。风电场的集群效应对电力系统主要是有正面的影响，且由风电场内风机台数和多个风电场的地理分布范围两个因素决定。

分析方法由于风电场覆盖地域较大，处于不同区域的风机所接受的风能会存在空间上的差异，可能导致其风速一功率曲线存在明显的差异。受各种因素的影响，单台风电机组与单个风电场乃至整个风电场群的输出功率波动特性存在较大差异。对风电场群而言，基本不会出现由于无风而使电网内风电机组同时停运的情况，也不会出现同一电网所有风电场同时满发的情况；而风电功率的波动随空间分布尺度的增大也趋于缓和。

风电出力长期波动的相关性风电的长期波动特性取决于季节性气候类型以及年度间风的变化，这些因素影响的范围一般非常大，同一气候环境下的风能波动具有明显相似的趋势。在风资源丰富地区，地理位置比较靠近的风电场基本处于同一风带，其出力具有较强的相关性；随着距离的增加，风场间出力的相关性不断下降5。此外，同样距离的风电场，不同的高度，其出力的相关性也不同。一般而言，高度越高，受地面因素影响越小，其相关性越大6。因此，风电出力长期波动相关性受风电场所在地气候条件、地理条件、风电场距离、风机高度等因素的影响。研究风电出力长期波动的相关性，可采用月度平均/最大出力曲线、日平均/最大出力曲线等开展分析。

风电出力短期波动的互补性处于不同位置的风电场，其风峰和风谷到达时问不同，最大出力变化率出现时刻也不相同，因而可实现互补，降低风电场的出力变化率。由于一个集群内的风电场之间距离有限，因此这种互补性主要体现在小时级以下的时间尺度范围内。大规模风电的功率波动主要由长期趋势性和短期波动性决定的。处于同一气候区域内的风电场之间，长时间尺度下，功率波动具有明显的相关性；短时间尺度下则具有很大的互补效应，这两方面共同组成了风电的集群效应。随着并网风电范围和汇聚容量的增加，风电的集群效应将越加明显，本文以最大出力比、最大波动比、峰值同时率、峰谷差等作为研究风电集群效应的量化指标7。

相关系数

相关系数又称积差相关系数，用来说明两变量问相关的密切程度与相关方向，以符号r表示(正值表示正相关，负值表示负相关；绝对值越大说明相关关系越密切，绝对值等于1为完全相关，等于0为零相关)。

最大出力比

最大出力比是指一段时间内，风电场集群总有功出力的最大值P∑max与区域内风电集群额定容量∑Pk。的比值。该指标用于描述风电集群在并网过程中相互之间削峰填谷、平抑波动的能力。一般来说，风电场位置距离越远，气候地理条件差异越大，风电集群平抑波动的效果越明显，Vps的值越小。

根据不同的气候或季节，同一风电场群最大功率波动比的数值也可能不同7。

风电出力波动比

风电出力波动比是指一段时间内，风电集群的总功率波动量△Pmax与总额定容量∑Pk的比值，可表示如下：

波动峰值同时率

波动峰值同时率是指一段时间内，风电集群总有功出力的最大值△Pmax与区域内各子风电场各自最大出力之和∑Pimax的比值。