王瑞剛，栗文義，韓如月，奚慶哲，鮑鑫，王銀莎，巴根

（1.呼和浩特供電局，內(nèi)蒙古呼和浩特010051；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010081；3．本溪供電公司，遼寧 本溪117000；4．曼尼托巴水電集團(tuán)電網(wǎng)規(guī)劃部,溫尼伯加拿大 R3T0P4）

內(nèi)蒙古邊遠(yuǎn)農(nóng)村和牧區(qū)的電力需求有其獨(dú)特的情況。由于地理位置和經(jīng)濟(jì)原因這些地區(qū)很難與電網(wǎng)相聯(lián)。目前大多數(shù)邊遠(yuǎn)地區(qū)依靠柴油燃料提供電力。因?yàn)槿剂蟽r(jià)格在不斷上升，加之燃料運(yùn)輸和柴油機(jī)的維護(hù)成本相對較高，在這些邊遠(yuǎn)地區(qū)使用柴油提供電力非常昂貴；另一方面，這些地區(qū)的風(fēng)力資源豐富，風(fēng)能的利用潛力很大。在這些地區(qū)，可選擇特定的風(fēng)/柴孤立發(fā)電系統(tǒng)供電，從而提高該地區(qū)的供電可靠性和經(jīng)濟(jì)效益[1]。但是風(fēng)能的間歇性和隨機(jī)性特點(diǎn)對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行影響很大[2]。在系統(tǒng)中安裝儲能設(shè)備是解決該問題的一種有效方式[3]。筆者采用序貫蒙特卡羅方法[4-5]對含有儲能設(shè)備的風(fēng)/柴孤立發(fā)電系統(tǒng)（簡稱風(fēng)/柴/儲能孤立發(fā)電系統(tǒng)）充裕度進(jìn)行分析和計(jì)算。充裕度是指電力系統(tǒng)內(nèi)部是否擁有容量足夠的電力設(shè)備以滿足用戶的需求和電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全約束。所以筆者在發(fā)電系統(tǒng)強(qiáng)迫停運(yùn)率（Forced Outage Rate，F(xiàn)OR）、儲能設(shè)備容量以及峰值負(fù)荷的取值不同的情況下，計(jì)算相應(yīng)的充裕度指標(biāo)，分析安裝儲能設(shè)備對風(fēng)/柴孤立發(fā)電系統(tǒng)充裕度的影響。

1 充裕度評估方法

風(fēng)/柴/儲能孤立發(fā)電系統(tǒng)充裕度評估的主要目的是檢查系統(tǒng)發(fā)電能力能否滿足負(fù)荷的需要[6]。風(fēng)/柴/儲能孤立發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 風(fēng)/柴/儲能孤立發(fā)電系統(tǒng)Fig.1 Wind-diesel-storage generation system

本文建立風(fēng)/柴/儲能孤立發(fā)電系統(tǒng)的充裕度評估模型主要考慮了以下幾個(gè)因素。

1）風(fēng)速的時(shí)序性和隨機(jī)性變化特點(diǎn)。

2）風(fēng)速與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率的關(guān)系[7]。

3）柴油發(fā)電機(jī)組和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障停運(yùn)和計(jì)劃檢修停運(yùn)。

4）儲能設(shè)備儲存的能量來源于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和柴油發(fā)電機(jī)組。

基于以上幾個(gè)因素的考慮，本文采用序貫蒙特卡羅模擬法建立風(fēng)/柴/儲能孤立發(fā)電系統(tǒng)充裕度評估模型，對系統(tǒng)進(jìn)行充裕度評估。在考慮系統(tǒng)FOR和風(fēng)速的隨機(jī)波動(dòng)性的情況下，用序貫蒙特卡羅模擬法分別對柴油發(fā)電機(jī)組、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)持續(xù)時(shí)間進(jìn)行抽樣，得到風(fēng)/柴孤立發(fā)電系統(tǒng)容量模型。將風(fēng)/柴孤立發(fā)電系統(tǒng)的容量模型、負(fù)荷模型和儲能模型三者相結(jié)合，得到風(fēng)/柴/儲能孤立發(fā)電系統(tǒng)充裕度評估模型，然后用統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算系統(tǒng)的充裕度指標(biāo)。充裕度評估流程如圖2所示。

圖2 充裕度評估流程圖Fig.2 Generation adequacy assessment study process

在某個(gè)特定時(shí)間點(diǎn)，充裕度是發(fā)電可用容量和儲存能量以及負(fù)荷之間的差值[8]。充裕度為負(fù)時(shí)，說明系統(tǒng)發(fā)生停運(yùn)故障。在多個(gè)抽樣年內(nèi)，用序貫蒙特卡羅方法對充裕度評估模型進(jìn)行模擬，通過對系統(tǒng)的充裕度進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)計(jì)算，得到相關(guān)的充裕度指標(biāo)。

充裕度指標(biāo)是衡量系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)學(xué)期望值。充裕度評估中常用的充裕度指標(biāo)有以下幾種。

1）電力不足時(shí)間期望值（Loss of Load Expectation，LOLE）[9-10],表示一年中發(fā)電系統(tǒng)不能滿足系統(tǒng)負(fù)荷的小時(shí)數(shù)。一般認(rèn)為一個(gè)系統(tǒng)中的LOLE值在8 h/a左右為宜。

式中,ti表示在第i個(gè)時(shí)間段內(nèi)電力不足持續(xù)時(shí)間；N表示總的抽樣年數(shù)。

2）電量不足期望值（Loss of Energy Expectation，LOEE）[11]，表示在一年中發(fā)電系統(tǒng)不能滿足系統(tǒng)負(fù)荷時(shí)所缺少的能量期望值。計(jì)算公式如下

式中，ei表示在第i個(gè)時(shí)間段內(nèi)不能滿足負(fù)荷的能量；N表示總的抽樣年數(shù)。

3）儲能設(shè)備提供能量的期望值（Expected Energy Supplied，EES）[12]，表示在一年中發(fā)電系統(tǒng)不能滿足系統(tǒng)負(fù)荷需求時(shí)，需要由儲能設(shè)備釋放儲存能量以補(bǔ)足負(fù)荷需求的能量期望值。計(jì)算公式如下

式中，Si表示在第i個(gè)時(shí)間段內(nèi)儲能設(shè)備提供的能量；N表示總的抽樣年數(shù)。

2 發(fā)電系統(tǒng)容量模型

2.1 柴油發(fā)電機(jī)組容量模型

柴油發(fā)電機(jī)組模型可采用兩態(tài)模型表示，運(yùn)行時(shí)間和維修時(shí)間用指數(shù)分布表示[13]。故障時(shí)間（Time to Failure，TTF）和修復(fù)時(shí)間（Time to Repair，TTR）的抽樣值分別用平均修復(fù)時(shí)間（Mean Time to Failure，MTTF）和平均故障時(shí)間（Mean Time to Repair，MTTR）與服從指數(shù)分布隨機(jī)數(shù)相乘得到：

式中，U和U′用[0,1]范圍內(nèi)的均勻分布隨機(jī)數(shù)表示；發(fā)電機(jī)組正常和停運(yùn)2個(gè)狀態(tài)的模型由TTF和TTR抽樣得到。

2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電容量模型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組受風(fēng)速波動(dòng)影響較大，在準(zhǔn)確建立風(fēng)速模型后，計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率，得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電容量模型。本文采用時(shí)間序列法建立風(fēng)速模型[14]，由于不同的地區(qū)風(fēng)速變化特點(diǎn)不同，因而風(fēng)速模型也不相同。本文利用內(nèi)蒙古某地區(qū)的長期觀測數(shù)據(jù)，通過模型定階和計(jì)算自回歸滑動(dòng)平均（Auto Regressive Moving Average，ARMA）模型的參數(shù)等過程得到該地區(qū)的風(fēng)速模型：

其中{at}是均值為零且方差為（0，0.455 8522）的正態(tài)白噪聲序列，即at∈NID（0,0.455 8522）。

由式（6）得到每小時(shí)風(fēng)速后，再將風(fēng)速值代入式（7）計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率[15-16]。

式中，Pr，vci，vr和vco分別為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出額定功率、切入風(fēng)速、額定風(fēng)速和切出風(fēng)速。常量A，B，C由式（8）計(jì)算

式（7）和（8）表示的關(guān)系也可以用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率曲線表示[17-18]。

3 儲能設(shè)備容量模型

在孤立發(fā)電系統(tǒng)中，儲能設(shè)備最基本的運(yùn)行策略是當(dāng)發(fā)電容量超出負(fù)荷容量時(shí)，多余的能量儲存在設(shè)備中；當(dāng)發(fā)電容量不能滿足負(fù)荷的需求時(shí)，釋放儲存能量。儲能設(shè)備的狀態(tài)時(shí)間序列由負(fù)荷和發(fā)電系統(tǒng)容量狀態(tài)時(shí)間序列決定[19]。

儲能設(shè)備的狀態(tài)時(shí)間序列計(jì)算步驟如下：

1）由負(fù)荷時(shí)間序列和發(fā)電時(shí)間序列計(jì)算得到發(fā)電容量序列{SGi,i=1,2,…,T}，當(dāng)SGi為正時(shí)，表示系統(tǒng)當(dāng)前可用容量可以滿足負(fù)荷的需求；當(dāng)SGi為負(fù)時(shí)，表示系統(tǒng)當(dāng)前可用機(jī)組容量不能滿足負(fù)荷的需求。

式中，T為研究的總時(shí)間段內(nèi)的小時(shí)數(shù)；{WGi,i=1,2,…,T}為每小時(shí)的風(fēng)/柴孤立發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)前可用容量時(shí)間序列；{Li,i=1,2,…,T}為每小時(shí)負(fù)荷時(shí)間序列。

2）用式（10）計(jì)算儲能設(shè)備的存儲能量時(shí)間序列{Bi,i=1,2,…,T}

式中，Bi,Bm,BM分別為儲能設(shè)備儲存的能量值、最小值和最大值；t為時(shí)間，h。

4 儲能設(shè)備對風(fēng)/柴孤立系統(tǒng)充裕度影響

為了分析儲能設(shè)備對風(fēng)/柴孤立發(fā)電系統(tǒng)充裕度的影響，本文對樣例系統(tǒng)進(jìn)行充裕度評估。在參考IEEE可靠性測試系統(tǒng)（IEEE-RBTS）[20]的基礎(chǔ)上，選定樣例系統(tǒng)的參數(shù)如表1所示。為了充分利用風(fēng)能，兩臺柴油機(jī)一臺持續(xù)運(yùn)行，另一臺作為備用機(jī)組，以補(bǔ)充風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的供電不足。負(fù)荷模型采用IEEE-RBTS中的每小時(shí)負(fù)荷模型，系統(tǒng)峰值負(fù)荷為60 kW。

表1 樣例系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Example systems

4.1 安裝儲能設(shè)備對系統(tǒng)充裕度指標(biāo)的影響

安裝儲能設(shè)備前后系統(tǒng)的LOLE和LOEE計(jì)算結(jié)果如圖3和圖4所示。當(dāng)負(fù)荷峰值增大到70 kW以上時(shí)，安裝儲能設(shè)備前的系統(tǒng)LOLE和LOEE快速增大；而安裝儲能設(shè)備后，當(dāng)峰值負(fù)荷增加到100 kW以上時(shí)，系統(tǒng)LOLE和LOEE才開始快速增大。由此可見，含有儲能設(shè)備的風(fēng)/柴孤立發(fā)電系統(tǒng)供電可靠性明顯提高。

圖3 系統(tǒng)峰值負(fù)荷變化對系統(tǒng)LOLE的影響Fig.3 The peak load effect on LOLE

圖4 系統(tǒng)峰值負(fù)荷對系統(tǒng)LOEE的影響Fig.4 The peak load effect on LOEE

4.2 儲能設(shè)備受發(fā)電系統(tǒng)FOR的影響

4.2.1 柴油發(fā)電機(jī)FOR對系統(tǒng)和儲能設(shè)備的影響

柴油發(fā)電機(jī)FOR從0.01到0.10變化時(shí)，計(jì)算安裝儲能設(shè)備前后風(fēng)/柴孤立發(fā)電系統(tǒng)充裕度指標(biāo)。如圖5所示，柴油發(fā)電機(jī)FOR對發(fā)電系統(tǒng)的影響很大，這主要是因?yàn)椴裼桶l(fā)電機(jī)組承擔(dān)系統(tǒng)的基荷。隨著柴油發(fā)電機(jī)組的強(qiáng)迫停運(yùn)率的增大，發(fā)電系統(tǒng)的充裕度水平會明顯下降；再者，柴油發(fā)電機(jī)組啟停時(shí)間較長，故障停運(yùn)和檢修停運(yùn)都會造成系統(tǒng)在可用容量較小的狀態(tài)下長時(shí)間運(yùn)行。受此影響，儲能設(shè)備需長時(shí)間投入運(yùn)行，其EES值波動(dòng)較大，如圖6所示。

圖5 柴油發(fā)電機(jī)FOR對系統(tǒng)LOLE的影響Fig.5 The diesel generator FOR effect on LOLE

圖6 柴油發(fā)電機(jī)FOR對儲能設(shè)備EES的影響Fig.6 The Diesel Generator FOR effect on EES

4.2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組FOR對系統(tǒng)和儲能設(shè)備的影響

當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組FOR從0.02到0.10變化時(shí)，由圖7和圖8可知，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組FOR對有無儲能設(shè)備的風(fēng)/柴孤立發(fā)電系統(tǒng)的影響均不明顯，LOLE值波動(dòng)不大。這是因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率很大程度上是由風(fēng)資源決定的，風(fēng)速的隨機(jī)波動(dòng)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率影響很大，從而使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障和機(jī)組檢修對系統(tǒng)可靠性的影響成為次要因素，所以FOR對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)影響不是特別明顯。由于儲能設(shè)備充放電受到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率的影響，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電能量不足時(shí)儲能設(shè)備釋放電能，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組受FOR影響發(fā)生能量不足的情況較少（受到風(fēng)速影響的情況較多），因此系統(tǒng)受風(fēng)力發(fā)電機(jī)組FOR的影響而需要釋放儲能設(shè)備能量的情況也較少，對EES影響也不大。

圖7 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組FOR對系統(tǒng)LOLE的影響Fig.7 The WTG FOR Effect on LOLE

圖8 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組FOR對儲能設(shè)備EES的影響Fig.8 The WTG FOR Effect on EES

4.3 儲能設(shè)備容量變化對系統(tǒng)的影響

當(dāng)儲能設(shè)備容量從100kW·h逐漸變化到700kW·h時(shí)，計(jì)算系統(tǒng)的LOLE和LOEE。由圖9和圖10可知，當(dāng)儲能設(shè)備容量增加到300 kW·h以上時(shí)，儲能設(shè)備容量增加對系統(tǒng)的充裕度水平改進(jìn)不大，該樣例系統(tǒng)的儲能設(shè)備容量選擇在300～400 kW·h之間時(shí)，LOLE和LOEE值變化比較平緩，而且LOLE在8 h/a左右,系統(tǒng)的充裕度水平較為合理。

圖9 儲能設(shè)備容量對系統(tǒng)LOLE的影響Fig.9 The energy storage capacity Effect on LOLE

圖10 儲能設(shè)備容量對系統(tǒng)LOEE的影響Fig.10 The energy storage capacity Effect on LOEE

5 結(jié)論

本文采用蒙特卡羅模擬法建立了風(fēng)/柴/儲能孤立發(fā)電系統(tǒng)充裕度評估模型。利用該充裕度評估模型，計(jì)算了樣例系統(tǒng)安裝儲能設(shè)備前后的充裕度指標(biāo)。結(jié)果表明，加入儲能設(shè)備能明顯的提高發(fā)電系統(tǒng)的充裕度水平。在發(fā)電系統(tǒng)FOR不同的情況下，分析了風(fēng)/柴/儲能孤立發(fā)電系統(tǒng)充裕度指標(biāo)LOLE和儲能系統(tǒng)的EES的變化情況，發(fā)現(xiàn)風(fēng)/柴/儲能孤立發(fā)電系統(tǒng)受風(fēng)力發(fā)電機(jī)組FOR的影響不大，而受柴油發(fā)電機(jī)組FOR的影響較大。本文還對儲能容量對系統(tǒng)的影響作了分析，得出的結(jié)論可為進(jìn)一步開展相關(guān)研究工作提供理論指導(dǎo)。

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