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摘要：天津地区沿海风能资源丰富，风电产业发展迅速。本文分析了天津地区风能资源与风电发展，研究了天津地区风电出力特性，并总结出风电出力波动性、随机性、间歇性的变化规律以及风电场群的集聚效应。上述分析研究成果对于下一步开展接入天津电网的风电场运行及天津电网规划方面的有关问题的研究奠定了基础。
关键词：风电 出力特性 波动性 随机性 间歇性
1. 风能资源与风电发展
天津位于欧亚大陆东岸，冬季盛行西北季风、夏季盛行东南和西南季风。天津地区建有3座测风塔，分别为汉沽测风塔、塘沽测风塔和大港测风塔。综合测风塔观测数据，天津沿海风能呈现的特征为：从沿海向内陆地区递减，春季最大、冬季次之、夏季最小。天津沿海陆域年平均风速在6.2m/s～6.4m/s之间，平均风功率密度在300W/m2～320W/m2之间，近海海域年平均风速在6.6m/s～7.0m/s之间，平均风功率密度超过340W/m2，具有稳定的主导风向，风速变化平稳，风资源可利用时间较长，适宜建设沿海风电场[1-2]。
截至2012年底，天津已建成3座风电场，总装机容量224MW，相比同容量的火电机组，每年可节约标准煤近10万吨，节约用水近1亿立方米，减少CO2排放28万吨、SO2排放3.2万吨、NOX排放1.7万吨、粉尘0.14万吨。
2.风电的出力特性
风电的原动力是风能，由于风速是随时间不断变化的，风力发电机产生的电能也随时间不断变化。
图1是大神堂#5风机的有功出力时间变化曲线，风电出力已按风机容量进行标准化。第一张图是2012年全年日平均出力变化，随后的图依次是前一张图中部分时间区域的放大图。可见，风电出力呈现出明显的波动性、随机性和间歇性。
2.1 波动性
风电出力的短期变化规律可以用频谱法分析，即通过傅立叶变换将风电出力的时间序列数据转化为频率函数，进而考察风电出力按不同周期变化的各成分的相对强度及其频域分布特征。
图2是天津沿海风电出力频谱曲线，横坐标为风电出力变化频率（次/天），并采用对数变换方式表示较大范围的时间尺度（频率尺度），纵坐标表示特定频率的风电变化波动幅值。上图为3座风电场代表风力发电机组的出力频谱曲线，可见周期大于30天的风电出力变化强度较大，平均波幅为0.032～0.052p.u.；周期在1～30天的强度居中，平均波幅为0.014～0.015p.u.；周期在1～24小时的强度较弱，平均波幅为0.001p.u.。下图则是天津沿海风电场的出力频谱曲线，周期大于30天的风电出力变化强度较大，平均波幅为0.030～0.052p.u.；周期在1～30天的强度居中，平均波幅为0.012～0.015p.u.；周期在1～24小时的强度较弱，平均波幅为0.001p.u.。可见，天津沿海风电场的出力变化规律与单台风机基本一致，其中各成分的变化强度也基本相当。
由图可见，天津沿海3座风电场之间出力变化规律并不完全一致，同处于南部大港区域的马棚口和沙井子风电场出力变化规律相似性较强，而北部汉沽区域的大神堂风电场出力变化规律则呈现出一定的差异性。
图3更直观地显示出风电出力每15分钟的波动情况，横坐标为波动幅度达到装机容量的百分比，纵坐标为2012年这种程度波动的大约出现次数。单台风力发电机组全年出现近百次高达装机容量100%的出力波动，而天津沿海3座风电场总共仅显示出10次大于装机容量80%的出力波动，可见与单台风机相比，沿海风电场出力的波动性有所减弱。
2.2 随机性
风电出力的长期变化规律可以用概率密度和累积分布描述，概率密度表示风电出力在给定出力水平（间隔）的概率，累积分布则表示风电出力小于等于给定出力水平的概率。
图4是天津沿海风力发电机组出力概率分布，分别选取大神堂、马棚口和沙井子风电场各一台风机2012年全年15min有功出力数据进行统计分析。左图横坐标为出力率，纵坐标是以5%出力间隔统计的概率密度；右图以累积概率为横坐标，纵坐标为对应的最大出力率。各沿海风电场风机出力变化规律相近，概率密度随出力率上升总体呈下降趋势，但当出力率大于0.95p.u.时，概率密度突然跃升至5～10%；累积分布随着风电出力水平的上升，呈现单调上升趋势，在95%置信度下风电出力区间均为0～1.0p.u.。可见，单台风机的出力分布相当分散。
图5是天津沿海风电场出力概率分布，分别针对大神堂、马棚口和沙井子风电场的有功出力数据进行统计分析。各沿海风电场出力变化规律相近，概率密度随出力率上升总体呈下降趋势，但当出力率大于0.95p.u.时，大神堂风电场出力概率密度突然跃升至5%以上；累积分布随着风电出力水平的上升，仍呈现单调上升趋势，但在95%置信度下大神堂、马棚口和沙井子风电场的出力区间分别为0～0.998p.u.，0～0.931p.u.，0～0.876p.u.。
2.3 间歇性
天津沿海3座风电场的零出力概率为12～20%，与代表风机24～27%的零出力概率相比，沿海风电场的出力间歇性改善明显，如图4和图5所示。
3. 风电场群的集聚效应
“集聚效应”是指，当多个风电场集中布置形成风电场群后，风电场群出力的波动性、随机性和间歇性得到改善的效果，如图6所示。原因受地理分布的影响，对于风电场群内部相距较远的风电场或风力发电机组，其风资源存在一定程度的差异性，风电出力的部分波动被相互抵消，导致整体出力相对平滑。
天津沿海风电场群组出力波动最大幅度为装机总容量的70%，全年仅出现3次，在95%的时间范围内波动幅度不及装机总容量的10%；出力概率密度随出力率上升总体呈下降趋势，在95%置信度下的出力区间为0～0.870p.u.；零出力的概率也降至5%以下。
4. 结束语
1）天津沿海地形平坦，风能资源分布总体呈从沿海向内陆地区递减的特点，但北部汉沽区域和南部大港区域间呈现出一定的差异性。
2）天津沿海风电场出力的随机性和间歇性十分明显，在95%置信度下大神堂、马棚口和沙井子风电场的出力区间分别为0～0.998p.u.，0～0.931p.u.，0～0.876p.u.；波动性相对较小，在95%的时间范围内，每15分钟的出力变化幅度不及装机容量的10%。
3）天津沿海风电场群的集聚效应不显著。在95%保證率下，风电场群的保证容量不及风电装机总容量的千分之一，有效出力接近0.80p.u.。
天津沿海风电建设对于对改善大气环境，促进节能减排具有重要意义。但是，风电的大力开发将加大天津电网的调峰压力，需要在电网规划和调峰电源安排方面引起足够重视。
参考文献
[1]杨艳娟，李明财，任雨，熊明明. 天津近海风能资源的高分辨率数值模拟与评估[J]. 资源科学，2011，10：1999 -2004.
[2]杨艳娟. 天津滨海新区风资源特征分析[A]. 中国气象学会.S6 大气成分与天气气候变化[C].中国气象学会： 2012 ： 9.
关键词：风电 出力特性 波动性 随机性 间歇性
1. 风能资源与风电发展
天津位于欧亚大陆东岸，冬季盛行西北季风、夏季盛行东南和西南季风。天津地区建有3座测风塔，分别为汉沽测风塔、塘沽测风塔和大港测风塔。综合测风塔观测数据，天津沿海风能呈现的特征为：从沿海向内陆地区递减，春季最大、冬季次之、夏季最小。天津沿海陆域年平均风速在6.2m/s～6.4m/s之间，平均风功率密度在300W/m2～320W/m2之间，近海海域年平均风速在6.6m/s～7.0m/s之间，平均风功率密度超过340W/m2，具有稳定的主导风向，风速变化平稳，风资源可利用时间较长，适宜建设沿海风电场[1-2]。
截至2012年底，天津已建成3座风电场，总装机容量224MW，相比同容量的火电机组，每年可节约标准煤近10万吨，节约用水近1亿立方米，减少CO2排放28万吨、SO2排放3.2万吨、NOX排放1.7万吨、粉尘0.14万吨。
2.风电的出力特性
风电的原动力是风能，由于风速是随时间不断变化的，风力发电机产生的电能也随时间不断变化。
图1是大神堂#5风机的有功出力时间变化曲线，风电出力已按风机容量进行标准化。第一张图是2012年全年日平均出力变化，随后的图依次是前一张图中部分时间区域的放大图。可见，风电出力呈现出明显的波动性、随机性和间歇性。
2.1 波动性
风电出力的短期变化规律可以用频谱法分析，即通过傅立叶变换将风电出力的时间序列数据转化为频率函数，进而考察风电出力按不同周期变化的各成分的相对强度及其频域分布特征。
图2是天津沿海风电出力频谱曲线，横坐标为风电出力变化频率（次/天），并采用对数变换方式表示较大范围的时间尺度（频率尺度），纵坐标表示特定频率的风电变化波动幅值。上图为3座风电场代表风力发电机组的出力频谱曲线，可见周期大于30天的风电出力变化强度较大，平均波幅为0.032～0.052p.u.；周期在1～30天的强度居中，平均波幅为0.014～0.015p.u.；周期在1～24小时的强度较弱，平均波幅为0.001p.u.。下图则是天津沿海风电场的出力频谱曲线，周期大于30天的风电出力变化强度较大，平均波幅为0.030～0.052p.u.；周期在1～30天的强度居中，平均波幅为0.012～0.015p.u.；周期在1～24小时的强度较弱，平均波幅为0.001p.u.。可见，天津沿海风电场的出力变化规律与单台风机基本一致，其中各成分的变化强度也基本相当。
由图可见，天津沿海3座风电场之间出力变化规律并不完全一致，同处于南部大港区域的马棚口和沙井子风电场出力变化规律相似性较强，而北部汉沽区域的大神堂风电场出力变化规律则呈现出一定的差异性。
图3更直观地显示出风电出力每15分钟的波动情况，横坐标为波动幅度达到装机容量的百分比，纵坐标为2012年这种程度波动的大约出现次数。单台风力发电机组全年出现近百次高达装机容量100%的出力波动，而天津沿海3座风电场总共仅显示出10次大于装机容量80%的出力波动，可见与单台风机相比，沿海风电场出力的波动性有所减弱。
2.2 随机性
风电出力的长期变化规律可以用概率密度和累积分布描述，概率密度表示风电出力在给定出力水平（间隔）的概率，累积分布则表示风电出力小于等于给定出力水平的概率。
图4是天津沿海风力发电机组出力概率分布，分别选取大神堂、马棚口和沙井子风电场各一台风机2012年全年15min有功出力数据进行统计分析。左图横坐标为出力率，纵坐标是以5%出力间隔统计的概率密度；右图以累积概率为横坐标，纵坐标为对应的最大出力率。各沿海风电场风机出力变化规律相近，概率密度随出力率上升总体呈下降趋势，但当出力率大于0.95p.u.时，概率密度突然跃升至5～10%；累积分布随着风电出力水平的上升，呈现单调上升趋势，在95%置信度下风电出力区间均为0～1.0p.u.。可见，单台风机的出力分布相当分散。
图5是天津沿海风电场出力概率分布，分别针对大神堂、马棚口和沙井子风电场的有功出力数据进行统计分析。各沿海风电场出力变化规律相近，概率密度随出力率上升总体呈下降趋势，但当出力率大于0.95p.u.时，大神堂风电场出力概率密度突然跃升至5%以上；累积分布随着风电出力水平的上升，仍呈现单调上升趋势，但在95%置信度下大神堂、马棚口和沙井子风电场的出力区间分别为0～0.998p.u.，0～0.931p.u.，0～0.876p.u.。
2.3 间歇性
天津沿海3座风电场的零出力概率为12～20%，与代表风机24～27%的零出力概率相比，沿海风电场的出力间歇性改善明显，如图4和图5所示。
3. 风电场群的集聚效应
“集聚效应”是指，当多个风电场集中布置形成风电场群后，风电场群出力的波动性、随机性和间歇性得到改善的效果，如图6所示。原因受地理分布的影响，对于风电场群内部相距较远的风电场或风力发电机组，其风资源存在一定程度的差异性，风电出力的部分波动被相互抵消，导致整体出力相对平滑。
天津沿海风电场群组出力波动最大幅度为装机总容量的70%，全年仅出现3次，在95%的时间范围内波动幅度不及装机总容量的10%；出力概率密度随出力率上升总体呈下降趋势，在95%置信度下的出力区间为0～0.870p.u.；零出力的概率也降至5%以下。
4. 结束语
1）天津沿海地形平坦，风能资源分布总体呈从沿海向内陆地区递减的特点，但北部汉沽区域和南部大港区域间呈现出一定的差异性。
2）天津沿海风电场出力的随机性和间歇性十分明显，在95%置信度下大神堂、马棚口和沙井子风电场的出力区间分别为0～0.998p.u.，0～0.931p.u.，0～0.876p.u.；波动性相对较小，在95%的时间范围内，每15分钟的出力变化幅度不及装机容量的10%。
3）天津沿海风电场群的集聚效应不显著。在95%保證率下，风电场群的保证容量不及风电装机总容量的千分之一，有效出力接近0.80p.u.。
天津沿海风电建设对于对改善大气环境，促进节能减排具有重要意义。但是，风电的大力开发将加大天津电网的调峰压力，需要在电网规划和调峰电源安排方面引起足够重视。
参考文献
[1]杨艳娟，李明财，任雨，熊明明. 天津近海风能资源的高分辨率数值模拟与评估[J]. 资源科学，2011，10：1999 -2004.
[2]杨艳娟. 天津滨海新区风资源特征分析[A]. 中国气象学会.S6 大气成分与天气气候变化[C].中国气象学会： 2012 ： 9.