周 專，姚秀萍，常喜強(qiáng)

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047;2.新疆電力公司，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引言

隨著能源危機(jī)以及人類環(huán)境保護(hù)意識(shí)的加強(qiáng)，可再生能源的利用得到了越來越廣泛的發(fā)展，越來越多的并網(wǎng)型光伏發(fā)電出現(xiàn)在電力系統(tǒng)中［1］。但是光伏發(fā)電是間歇性的，隨著光照的變化而變化，光伏發(fā)電不容易控制，它不能像常規(guī)電站一樣能隨著負(fù)荷的變化而改變其出力，因此這為光伏電站并網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)度帶來一定的困難。同時(shí)隨著光伏電站大量的接入系統(tǒng)，系統(tǒng)的不確定性將增大，為保證系統(tǒng)正常運(yùn)行需要配備一定的備用容量，維持電力系統(tǒng)的功率平衡與穩(wěn)定運(yùn)行［2］。因此光伏電站的接入電網(wǎng)將改變電力系統(tǒng)的規(guī)劃和備用容量。

雖然光伏發(fā)電具有較強(qiáng)的隨機(jī)性、間歇性和波動(dòng)性，但從可靠性角度分析，光伏電站接入電網(wǎng)仍具有一定的負(fù)荷攜帶能力，可提高系統(tǒng)的可靠性水平。從經(jīng)濟(jì)性角度分析，光伏發(fā)電如果替代一定的常規(guī)機(jī)組發(fā)電，能夠減少常規(guī)機(jī)組的燃料費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用，具有可觀的環(huán)保效益。下面將根據(jù)光伏發(fā)電容量可信度的定義，給出了幾種光伏發(fā)電容量可信度計(jì)算方法，通過對(duì)不同比重和不同負(fù)荷特性下的光伏發(fā)電容量可信度分析，得出了光伏發(fā)電容量可信度的決定因素。為光伏電站接入電網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)度提供一定的指導(dǎo)意義，同時(shí)能夠?yàn)檎块T以及電力運(yùn)行規(guī)劃部門制定相關(guān)政策提供科學(xué)依據(jù)，具有重要的理論和工程實(shí)踐價(jià)值。

1 光伏發(fā)電出力模型

光伏出力和電網(wǎng)負(fù)荷均具有不確定性。從長(zhǎng)時(shí)間尺度來看，光伏出力的波動(dòng)特性主要由太陽(yáng)位置、電站經(jīng)緯度、海拔高度、氣象因素決定，負(fù)荷波動(dòng)特性主要由生產(chǎn)、生活、氣象因素決定［3］。

光伏電站的輸出功率與光照強(qiáng)度、光伏陣列面積和光電轉(zhuǎn)換效率等因素密切相關(guān)。對(duì)于一個(gè)光伏陣列，其輸出功率為

式中，E為光照強(qiáng)度;A和η分別為電池方陣的面積和光電轉(zhuǎn)換效率。

光照強(qiáng)度具有隨機(jī)性，因此光伏陣列的輸出功率也是隨機(jī)波動(dòng)的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在一定時(shí)段內(nèi)(1 h或幾小時(shí))，光照強(qiáng)度近似呈Beta分布［4］，其概率密度函數(shù)為

式中，E和Emax分別為這一時(shí)間段內(nèi)的實(shí)際光照強(qiáng)度和最大光照強(qiáng)度;α和β為Beta分布的形狀參數(shù);Γ為Gamma函數(shù)。

由式(1)可知，光伏陣列輸出功率也呈Beta分布，其概率密度函數(shù)為

式中，Pmax=EmaxAη，為電池方陣的最大輸出功率。

2 光伏發(fā)電容量可信度

光伏發(fā)電容量可信度是指在保持系統(tǒng)可靠性水平不變的前提下，并網(wǎng)光伏電站能夠替代的常規(guī)機(jī)組發(fā)電容量占光伏電站裝機(jī)容量的百分比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

其中，CC為光伏發(fā)電容量可信度;CSN為光伏電站總裝機(jī)容量;△C為光伏電站能夠替代的常規(guī)發(fā)電機(jī)組容量。

由于大量光伏電站接入電網(wǎng)，光伏電站對(duì)系統(tǒng)的影響也越來越大。光伏發(fā)電到底能替代多少常規(guī)發(fā)電即光伏發(fā)電容量可信度如何，對(duì)分析光伏電站接入系統(tǒng)影響有重要意義。光伏發(fā)電容量可信度的確定有利于對(duì)光伏發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行進(jìn)行調(diào)度。同時(shí)也可以確定系統(tǒng)中的備用容量，有利于系統(tǒng)規(guī)劃。無視光伏發(fā)電容量可信度，盲目地配置較大容量的旋轉(zhuǎn)備用會(huì)直接影響電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性;對(duì)光伏發(fā)電容量可信度的期望過高又會(huì)給電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性帶來風(fēng)險(xiǎn)［5］，因此要對(duì)光伏發(fā)電容量進(jìn)行有效的評(píng)估。

光伏發(fā)電容量可信度的高低取決于光照強(qiáng)度、負(fù)荷特性、光伏發(fā)電在電網(wǎng)中的比重。

光伏發(fā)電站接入電網(wǎng)可以提供一定的功率，為系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行作出一定的貢獻(xiàn)。光伏發(fā)電容量可信度的確定，可以更加精確地對(duì)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行評(píng)估。同時(shí)光伏發(fā)電是間歇性的、不可控的，在保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)需要配備一定的備用容量。光伏發(fā)電容量可信度的確定可以精確地規(guī)劃系統(tǒng)中的備用容量。

3 評(píng)估方法

在進(jìn)行光伏發(fā)電容量可信度評(píng)估時(shí)要滿足兩個(gè)原則［6］:①最大常規(guī)發(fā)電裝機(jī)容量需求隨著光伏發(fā)電裝機(jī)容量的增加，常規(guī)發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘啃枨笾荒鼙３衷瓉硭交蚪档?。②?shí)際常規(guī)發(fā)電裝機(jī)容量需求，如果光伏發(fā)電能對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行安全性作出貢獻(xiàn)，則實(shí)際需要的常規(guī)發(fā)電裝機(jī)容量可以降低。

光伏發(fā)電容量可信度評(píng)估方法有概率性方法和確定性方法。

3.1 概率性方法［7］

電力系統(tǒng)是一個(gè)具有隨機(jī)特性的大系統(tǒng)，負(fù)荷水平變化、元件故障等都具有不確定性，同時(shí)光伏發(fā)電站的輸出功率也具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，采用概率性方法更符合電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況。光伏發(fā)電容量可信度評(píng)估的概率性方法是借助電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估實(shí)現(xiàn)的。

基于電力不足概率(LOLP)，在保證電力系統(tǒng)可靠性水平不變的情況下，新增光伏電站的同時(shí)減少系統(tǒng)中的常規(guī)發(fā)電。則光伏發(fā)電可信容量(△C)為減少的常規(guī)發(fā)電量，表達(dá)式為

CO和CS分別為光伏電站并網(wǎng)前后系統(tǒng)投入常規(guī)發(fā)電機(jī)組的總?cè)萘俊?/p>

概率性方法基于電力系統(tǒng)可靠性理論，對(duì)常規(guī)發(fā)電機(jī)組和光伏發(fā)電的隨機(jī)特性具有良好的處理機(jī)制，能很好地區(qū)分不同性質(zhì)的電源對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響，方法嚴(yán)謹(jǐn)，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。不足之處是，概率性方法需要復(fù)雜的建模，計(jì)算量較大，且計(jì)算所需數(shù)據(jù)集較難獲取。

3.2 確定性方法

確定性方法以系統(tǒng)高峰負(fù)荷時(shí)段的光伏發(fā)電容量因子(光伏電站平均出力與最大出力的比值)近似替代容量可信度，只需統(tǒng)計(jì)研究周期內(nèi)光伏電站的輸出功率，無需進(jìn)行可靠性建模，計(jì)算簡(jiǎn)單、快速。

然而，確定性方法與研究周期有關(guān)，即系統(tǒng)高峰負(fù)荷時(shí)段選取的合適與否直接影響光伏發(fā)電容量因子的計(jì)算結(jié)果。與概率性方法相比，確定性方法雖然簡(jiǎn)單，但是由于沒有考慮系統(tǒng)中的隨機(jī)因素，從而不能反映系統(tǒng)潛在的風(fēng)險(xiǎn)，很難準(zhǔn)確地反映光伏發(fā)電對(duì)系統(tǒng)可靠性的貢獻(xiàn)，僅適用于近似計(jì)算。

如圖1所示，分析光伏發(fā)電與負(fù)荷的關(guān)系［8］，光伏發(fā)電出力是在白天，而系統(tǒng)中的用電負(fù)荷高峰也是出現(xiàn)在白天這一時(shí)段。即光伏發(fā)電在負(fù)荷用電最高峰時(shí)有一定的貢獻(xiàn)。這里所用的光伏容量可信度評(píng)估方法是根據(jù)光伏發(fā)電對(duì)負(fù)荷的作用提出來的，統(tǒng)計(jì)每天負(fù)荷最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的光伏發(fā)電量，求出統(tǒng)計(jì)的光伏發(fā)電量的平均值，該平均值就是光伏發(fā)電所能替代的常規(guī)機(jī)組發(fā)電容量(△C)。

圖1 光伏發(fā)電與負(fù)荷關(guān)系曲線

4 不同角度下的光伏發(fā)電容量可信度

容量可信度的主要決定因素［1］:①負(fù)荷峰值與間歇式電廠出力之間的相關(guān)程度;②間歇式電廠出力的平均水平;③間歇式電廠在系統(tǒng)中的比重;④間歇式電廠所處的自然條件(風(fēng)速、光照強(qiáng)度)。由光伏發(fā)電特性可以知道，光伏發(fā)電容量可信度的大小受很多方面的影響。

4.1 光伏發(fā)電在系統(tǒng)中的不同比重

隨著國(guó)家大力推廣可再生資源，光伏發(fā)電作為清潔能源在電網(wǎng)中的比重不斷增大。光伏電站大量并入電網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)度、電網(wǎng)規(guī)劃和備用容量產(chǎn)生較大的影響。光伏發(fā)電容量可信度也會(huì)隨著光伏電站在電網(wǎng)中的比重不同而發(fā)生改變。

A地區(qū)總裝機(jī)容量為560 MW，其中光伏發(fā)電容量為40 MW，占總裝機(jī)容量的7.2%。B地區(qū)總裝機(jī)容量為1123 MW，其中光伏發(fā)電容量為20 MW，占總裝機(jī)容量的1.8%。對(duì)這兩個(gè)地區(qū)光伏發(fā)電容量可信度進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果如表1。

表1 光伏發(fā)電容量可信度

由表1計(jì)算結(jié)果可以得出，光伏發(fā)電裝機(jī)容量在系統(tǒng)中的比重增大時(shí)，光伏發(fā)電容量可信度反而減小。

4.2 不同負(fù)荷特性

光伏發(fā)電是間歇、可變和不可控的，它的出力隨著光照強(qiáng)度和溫度的變化而變化。系統(tǒng)中的負(fù)荷需求也是變化的，具有不確定性。若光伏發(fā)電出力能隨負(fù)荷需求變化而變化，則光伏發(fā)電對(duì)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)越大，即光伏發(fā)電容量可信度越大。因此光伏發(fā)電與負(fù)荷相關(guān)性不同，光伏發(fā)電容量可信度也不同。

如圖2所示，A地區(qū)的最大負(fù)荷是在22:30，最小負(fù)荷是在6:15，地區(qū)的負(fù)荷變化比較大。而該地區(qū)光伏發(fā)電出力的最大值是在12:30。由圖可以知道該地區(qū)的光伏發(fā)電出力與負(fù)荷的相關(guān)性不強(qiáng)。

圖2 A地區(qū)光伏發(fā)電出力與負(fù)荷曲線

如圖3所示，B地區(qū)的最大負(fù)荷是在12:30，最小負(fù)荷是在3:45，地區(qū)的負(fù)荷變化不大。而該地區(qū)光伏發(fā)電出力的最大值是在13:30。由圖可以知道該地區(qū)的光伏發(fā)電出力與負(fù)荷的相關(guān)性強(qiáng)。

圖3 B地區(qū)光伏發(fā)電出力與負(fù)荷曲線

對(duì)這兩地區(qū)光伏發(fā)電容量可信度進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估結(jié)果如表2。

表2 光伏發(fā)電容量可信度

由表2計(jì)算結(jié)果可以得出，光伏發(fā)電容量可信度與負(fù)荷特性有關(guān)，當(dāng)光伏發(fā)電出力與負(fù)荷相關(guān)性強(qiáng)時(shí)光伏發(fā)電容量可信度大;反之光伏發(fā)電容量可信度小。

5 系統(tǒng)中額外備用容量

由于系統(tǒng)中的需求與發(fā)電的不確定性變化，為了保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)需要配備一定的備用容量。大量光伏電站接入系統(tǒng)，系統(tǒng)的不確定性將增大［9］，這對(duì)系統(tǒng)中的備用容量要求更高。系統(tǒng)中的備用容量過高，有利于系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，但投資過高。系統(tǒng)中的備用容量過低，系統(tǒng)不能安全穩(wěn)定運(yùn)行。

光伏電站接入電網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)的可靠性有一定的貢獻(xiàn)，它的接入將改變系統(tǒng)的備用容量大小。光伏發(fā)電容量可信度的確定對(duì)系統(tǒng)中備用容量的配備有重要的意義。通過對(duì)光伏發(fā)電容量可信度進(jìn)行評(píng)估，可以合理地配備系統(tǒng)中的備用容量。在不考慮光伏發(fā)電容量可信度時(shí)，系統(tǒng)要求備用容量要有100%的備用。這樣在電力系統(tǒng)規(guī)劃中有很大的浪費(fèi)，投資費(fèi)用大。當(dāng)考慮光伏發(fā)電容量可信度時(shí)，在電力系統(tǒng)規(guī)劃中可以適當(dāng)?shù)販p少備用容量，減少投資。

不同備用方式與只含常規(guī)發(fā)電裝機(jī)方式的對(duì)比如圖4所示。由圖可以看出若考慮系統(tǒng)中的光伏發(fā)電容量可信度時(shí)，系統(tǒng)中的總備用容量會(huì)比其他兩種備用方式低，同時(shí)光伏電站接入系統(tǒng)可以降低系統(tǒng)所需的常規(guī)機(jī)組容量。

圖4 不同備用方式

6 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)光伏發(fā)電容量可信度分析，提出了一種簡(jiǎn)便的光伏發(fā)電容量可信度評(píng)估方法，通過對(duì)實(shí)際光伏發(fā)電分析得出如下結(jié)論:①光伏電站接入系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的可靠性，在一定的條件下可以替代一部分常規(guī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電容量。②光伏發(fā)電容量可信度的大小與負(fù)荷特性及光伏發(fā)電容量在系統(tǒng)中的比重有關(guān)。光伏電站出力與負(fù)荷峰值相關(guān)性越強(qiáng)，則光伏發(fā)電容量可信度越大;光伏發(fā)電容量占系統(tǒng)的比重低時(shí)光伏發(fā)電容量可信度就大。③光伏發(fā)電容量可信度的確定有利于系統(tǒng)中備用容量的規(guī)劃，適當(dāng)?shù)販p少投資。

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