袁 越，張新松，傅質(zhì)馨

(1.河海大學能源與電氣學院，江蘇南京 210098;2.河海大學可再生能源發(fā)電技術(shù)教育部工程研究中心，江蘇南京 210098)

隨著環(huán)境污染的日益加劇及化石燃料的逐漸枯竭，風電作為一種可大規(guī)模開發(fā)利用的可再生能源受到了越來越多的重視。中國政府計劃在中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃期間(2011—2015年)將風電裝機容量增加至1億kW。然而，與常規(guī)能源發(fā)電機組不同，風電場出力由隨機風速決定，是一種典型的間歇性、波動性能源，其對發(fā)電系統(tǒng)可靠性的貢獻遠不如同容量的常規(guī)發(fā)電機組。通過對RBTS可靠性測試系統(tǒng)［1］的研究發(fā)現(xiàn)，90 MW的風電機組對該測試系統(tǒng)可靠性的貢獻僅相當于原系統(tǒng)中1臺10 MW的常規(guī)發(fā)電機組［2］。當然，這一替代率與風力發(fā)電機輪轂處的平均風速及其參數(shù)均有密切的關系。

20世紀80年代以來，歐、美國家普遍意識到電池儲能系統(tǒng)(BESS)在電力系統(tǒng)中的應用潛力。眾多的BESS試驗工程在世界范圍內(nèi)投入運營，并取得良好的效益［3-4］。如位于美國加州奇諾的BESS(容量為40 MW·h;最大充、放電功率為10MW)試驗工程成功運行了10 a(1988—1997年)，該工程被成功地應用于提供快速備用、抑制低頻震蕩、電壓控制、頻率控制等方面。進入21世紀后，隨著風電大規(guī)模接入電網(wǎng)，工業(yè)界和學術(shù)界普遍意識到風電的波動性和間歇性會對電網(wǎng)運行帶來巨大的挑戰(zhàn)［5］，如降低系統(tǒng)可靠性、增加系統(tǒng)運行成本、惡化電能質(zhì)量等。此時，學者們開始探討如何利用BESS靈活的充、放電能力平滑風功率波動［6-8］、改善風功率間歇性，并在一定程度上實現(xiàn)風電的可調(diào)度［9-10］。

我國于2010年啟動的國家科技支撐計劃“風光儲輸示范工程關鍵技術(shù)研究”也開始著手研究數(shù)十兆瓦級的BESS集成技術(shù)，并將其應用于可再生能源發(fā)電并網(wǎng)工程。與此同時，加拿大著名學者Billinton領導的研究小組嘗試將儲能裝置接入到風電場，并借助蒙特卡洛模擬技術(shù)分析其對發(fā)電系統(tǒng)可靠性的貢獻［11-12］。Bagen等［11］將BESS接入包含風電場和光伏電站的孤立電力系統(tǒng)，并研究不同容量的BESS對孤立系統(tǒng)可靠性的貢獻。研究表明，BESS可有效提升孤立系統(tǒng)的可靠性，且BESS容量越大，可靠性的提升效果越明顯。Hu等［12］研究了風電接入后，BESS對發(fā)電系統(tǒng)可靠性的貢獻，指出BESS可有效提升發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。此外，文獻［12］還提出幾種不同的BESS運行策略，并對比了不同策略下的發(fā)電系統(tǒng)可靠性提升效果。但是在上述研究工作中沒有明確指明儲能裝置的類型，且?guī)缀鯖]有考慮儲能裝置的特性。

為改善風電的間歇性，筆者嘗試將BESS接入到風電場的匯流母線，并利用序貫蒙特卡洛模擬技術(shù)(SMCS)評估其對發(fā)電系統(tǒng)可靠性的貢獻。并用電力不足期望(ELOLE)與電量不足期望(ELOEE)2個常用指標衡量發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。為充分利用BESS有限的充、放電循環(huán)壽命，任何不完整的充、放電循環(huán)在電池運行過程中均被嚴格限制?；赗BTS可靠性測試系統(tǒng)的仿真結(jié)果表明:BESS可以在不顯著消耗循環(huán)壽命的情況下，有效提升風力發(fā)電機組對發(fā)電系統(tǒng)可靠性的貢獻，即BESS在提高發(fā)電系統(tǒng)可靠性的同時，仍有足夠的能力用于平滑風電波動［6-8］、調(diào)度風功率［9-10］。

1 電池儲能系統(tǒng)及其運行策略

為提高并網(wǎng)風電場對發(fā)電系統(tǒng)可靠性的貢獻，將BESS通過雙向功率變換器接入到風電場的匯流母線，構(gòu)建了如圖1所示的風儲混合電站。圖1中Pw為風儲混合電站中的風電輸出功率，Pb為BESS的充、放電功率(電池放電時，Pb為正值，反之為負值)，Pd為風儲混合電站向發(fā)電系統(tǒng)注入的功率。需要指出，本文中Pb并不局限于風速，因此Pd可能為負值，即整個風儲混合電站可能會從發(fā)電系統(tǒng)吸收功率。

BESS的使用壽命可用其生命周期內(nèi)總的充、放電循環(huán)次數(shù)來衡量，其與最大放電深度、環(huán)境溫度以及充、放電速度均有密切的關系［3］。文獻［13］指出:當BESS放電深度為20%時，壽命為4 200次充、放電循環(huán);當其放電深度增加到80%時，壽命下降為2000次充、放電循環(huán)。此外，過大的放電深度可能對BESS造成永久性的傷害，并顯著降低其使用壽命［14］。因此，參照美國加州奇諾 BESS試驗工程的成功經(jīng)驗，本文BESS的最大放電深度設為80%，與之對應的BESS荷電率(SOC)為0.2。此外，為避免過快的充、放電速度對BESS造成傷害，利用功率變換器對BESS的充、放電功率進行嚴格控制。若電池在t時刻處于放電狀態(tài)，為避免過度放電，其最大允許放電功率為

圖1 風儲混合電站示意圖Fig.1 BESSincorporated into wind farm

若t時刻電池處于充電狀態(tài)，為避免過度充電，其最大充電功率為

式中:Pbm——BESS的最大充、放電功率;St-1——t-1 時刻的荷電率;Eb——BESS 的容量;η——BESS 的充、放電效率;T——時間間隔。

BESS的運行策略為:當發(fā)電系統(tǒng)可用發(fā)電容量(包含風電)大于負荷需求時，BESS充電;當發(fā)電系統(tǒng)可用發(fā)電容量小于負荷需求時，BESS放電，以減小發(fā)電系統(tǒng)失負荷風險。由于BESS是一種昂貴的儲能裝置，為充分利用其有限的循環(huán)壽命，運行中應嚴格禁止BESS經(jīng)歷不完整的充、放電循環(huán)。即BESS充電時，必須充電至滿充狀態(tài)(對應的SOC為1.0);而BESS的放電時，必須放電至設定的最大放電深度(對應的SOC為0.2)。BESS的運行策略見圖2。假定某時刻負荷需求大于可用發(fā)電容量，此時BESS應放電并承當部分負荷，從而減少切負荷量，降低系統(tǒng)風險。但若此時BESS正處在充電狀態(tài)，且為避免不完整的充、放電循環(huán)，BESS便不能放電。顯然，這一運行策略會影響B(tài)ESS對發(fā)電系統(tǒng)可靠性的貢獻。

2 常規(guī)機組及風電場的可靠性模型

2.1 常規(guī)機組可靠性模型

常規(guī)機組采用雙狀態(tài)模型描述，即正常運行狀態(tài)和故障停運狀態(tài)。機組的可用容量由其運行狀態(tài)決定，即正常運行時，可用容量為其額定容量;而故障停運時，可用容量為零。機組i的運行持續(xù)時間ti1與檢修時間ti2均服從指數(shù)分布［15］，即故障率λi和修復率μi均為常數(shù)。因此，對各機組的持續(xù)運行時間和檢修時間進行抽樣的公式分別為

圖2 BESS運行策略Fig.2 Operation strategy of BESS

式中U為區(qū)間［0，1］上服從均勻分布的隨機數(shù)。本文假定各常規(guī)機組的初始狀態(tài)均為正常狀態(tài)。基于各常規(guī)機組在模擬周期內(nèi)的時序運行狀態(tài)抽樣結(jié)果，可求得各常規(guī)機組在模擬周期內(nèi)各時段總的可用發(fā)電容量。

2.2 風電場可靠模型

假定風電場由N臺容量為Pr的風力發(fā)電機組(WTG)組成，各機組經(jīng)匯流、升壓后接入電網(wǎng)。WTG的切入、額定及切出風速分別為Vq，Vr及Vo，當WTG輪轂高度處的風速為V時，其輸出功率為［16］

與常規(guī)機組不同，WTG的輸入能源不可控，其可用發(fā)電容量主要由隨機風速確定。因此，在可靠性分析中可忽略WTG本身的隨機故障對風電場可用容量的影響，即假定WTG是完全可靠的理想發(fā)電機。此外，在可靠性分析中一般認為風電場各WTG的輸出功率近似相同，即整個風電場的輸出功率為

由于V難以預測，因此用Weibull分布［16-17］描述其概率分布:

其中

式中:k——形狀參數(shù)，代表風速頻譜特性，無量綱;c——尺度參數(shù)，反映平均風速大小，m/s;Ew，σw——WTG輪轂高度處風速的平均值和標準差;?！ゑR函數(shù)。參數(shù)k，c均可由風速統(tǒng)計數(shù)據(jù)獲得。

根據(jù)式(7)對V進行抽樣后，由式(5)(6)可計算出對應風電輸出功率的抽樣值。

3 基于SMCS的發(fā)電系統(tǒng)可靠性分析

BESS的充、放電模型與常規(guī)機組可用發(fā)電容量序列均為時序模型，故本文采用SMCS技術(shù)對包含BESS與風力發(fā)電機組的發(fā)電系統(tǒng)1 a內(nèi)的運行情況進行模擬，并在此基礎上分析發(fā)電系統(tǒng)的可靠性，流程如圖3所示。為保證模擬的精度，在研究周期內(nèi)需要對發(fā)電系統(tǒng)的運行狀況進行足夠次的模擬，設模擬次數(shù)為n(本文設定的最大模擬次數(shù)為106次)，并在此基礎上統(tǒng)計發(fā)電系統(tǒng)的可靠性指標。

4 算例分析

以RBTS可靠性測試系統(tǒng)(由11臺常規(guī)機組組成，總裝機容量240 MW、最高負荷185 MW)［2］為算例，研究BESS接入對發(fā)電系統(tǒng)的可靠性的影響。首先，對RBTS基本測試系統(tǒng)的可靠性進行模擬，得到可靠性指標ELOLE為1.06 h/a，ELOEE為9.43 MW·h/a。因此，RBTS基本測試系統(tǒng)的可靠性水平很高。

假定RBTS測試系統(tǒng)的最高負荷由185 MW增至210 MW，由于負荷水平的增加，測試系統(tǒng)的可靠性指標ELOLE與ELOEE分別增至7.39 h/a與82.76 MW·h/a。為確保發(fā)電系統(tǒng)的可靠性，必須新增發(fā)電容量。當新增發(fā)電容量為10 MW的燃氣機組(GTG)［2］時，測試系統(tǒng)可靠性指標的變化情況如表1所示。由表1得，GTG可有效地應對負荷增長，確保發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。當GTG新增容量為30MW時(3臺GTG)，系統(tǒng)的可靠性水平與RBTS基本測試系統(tǒng)相當。

假定單臺WTG的額定容量為2MW，其切入風速、額定風速和切出風速分別為3 m/s，12 m/s和22 m/s。風電場的風況數(shù)據(jù)采用江蘇響水風電場的實測數(shù)據(jù)，WTG輪轂高度處的年平均風速為6.68 m/s，標準差為3.61 m/s。當新增發(fā)電容量為WTG時，測試系統(tǒng)可靠性的變化趨勢如表2所示。

圖3 SMCS流程Fig.3 Flowchart of SMCS

從表2可以看出，作為一種間歇性能源，WTG對發(fā)電系統(tǒng)可靠性的貢獻遠不如常規(guī)機組。當WTG新增容量增至280 MW時，ELOEE和ELOLE的數(shù)值分別為15.53MW·h/a和1.39h/a，仍顯著低于RBTS基本測試系統(tǒng)的可靠性水平。當WTG裝機容量從0 MW增至160 MW時，對應的ELOEE和ELOLE數(shù)值分別下降65.31 MW·h/a和5.81 h/a;而當WTG裝機容量進一步增至280 MW時，對應的ELOEE和ELOLE數(shù)值僅分別下降2.1 MW·h/a和0.19 h/a。即WTG對發(fā)電系統(tǒng)可靠性的貢獻呈現(xiàn)出“飽和”效應，由此可推斷，即使繼續(xù)增加WTG裝機容量也不能有效提高發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。因此，在負荷增長的情況下，僅靠WTG不足以確保發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。

為改善WTG對發(fā)電系統(tǒng)可靠性的貢獻，假定容量為40 MW·h的BESS接入到風電場匯流母線(該 BESS最大充、放電功率為10 MW)，且BESS按照第1節(jié)提出的運行策略運行。不同新增WTG裝機容量下測試系統(tǒng)的可靠性水平如表3所示。從表3可以看出，當新增WTG裝機容量為160 MW時，發(fā)電系統(tǒng)的可靠性指標ELOEE與ELOLE分別降至10.73 MW·h/a和0.97 h/a，基本達到了RBTS基本測試系統(tǒng)的可靠性水平。

當BESS容量從40 MW·h增至80 MW·h時(BESS最大充、放電功率亦由10 MW增至20 MW)，不同WTG裝機容量下測試系統(tǒng)的可靠性水平如表3所示。此時，當新增WTG裝機容量為100 MW時，發(fā)電系統(tǒng)的ELOEE和ELOLE分別降至10.10 MW·h/a和0.83 h/a，基本達到了RBTS基本測試系統(tǒng)的可靠性水平。

表1 GTG對測試系統(tǒng)可靠性的貢獻Table 1 Reliability contribution of GTG

表2 WTG對測試系統(tǒng)可靠性的貢獻Table 2 Reliability contribution of WTG

表3 含BESS的WTG對測試系統(tǒng)可靠性的貢獻(E b=40 MW·h，E b=80 MW·h)Table 3 Reliability contribution of WTG with BESS(E b=40 MW·h，E b=80 MW·h)

以上分析表明，按照第1節(jié)提出的技術(shù)方案將BESS接入到風電場，可顯著增強WTG對發(fā)電系統(tǒng)的可靠性的貢獻。且BESS容量越大，這一作用越明顯。需要指出，電池是一種昂貴的儲能設備，僅用其來提高WTG對發(fā)電系統(tǒng)的可靠性的貢獻度不經(jīng)濟。從表3可以看出，由于嚴格限制了BESS不完整的充、放電循環(huán)，因此，模擬年內(nèi)電池的平均充、放電次數(shù)均不超過2次，且隨BESS容量的增加而下降。BESS在其使用周期內(nèi)可用的充、放電總數(shù)往往可達幾百乃至上千次(如美國加州奇諾BESS試驗工程在10 a內(nèi)的總充、放電循環(huán)次數(shù)高達2000次)，也就是說BESS完全有能力在提高發(fā)電系統(tǒng)可靠性的同時完成其他的功能，如用于平滑風功率的波動［6-8］、實現(xiàn)風功率的可調(diào)度［9-10］等。當然，如何協(xié)調(diào)BESS完成這些功能，是一個值得深入研究的課題，作者將在未來的研究工作中加以考慮。

5 結(jié) 語

為提高WTG對發(fā)電系統(tǒng)可靠性的貢獻，將BESS接入到風電場的匯流母線。BESS在發(fā)電系統(tǒng)可用發(fā)電容量大于負荷需求時充電，在發(fā)電系統(tǒng)可用發(fā)電容量小于負荷需求時放電，以減小發(fā)電系統(tǒng)失負荷風險、提高發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。為延長BESS的使用壽命，BESS在運行過程中嚴格限制不完整的充、放電循環(huán)。

利用SMCS技術(shù)評估BESS對發(fā)電系統(tǒng)可靠性的影響，結(jié)果顯示，BESS可在不顯著消耗其循環(huán)壽命的前提下有效提高風力發(fā)電機組對發(fā)電系統(tǒng)可靠性的貢獻。

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