王凱，栗文義，李龍，鄧佃毅

(1．內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010080;2．巴盟電業(yè)局，內(nèi)蒙古巴彥淖爾015000)

含風/光互補發(fā)電系統(tǒng)可靠性與經(jīng)濟性評估

王凱1，栗文義1，李龍2，鄧佃毅1

(1．內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010080;2．巴盟電業(yè)局，內(nèi)蒙古巴彥淖爾015000)

近年來可再生能源發(fā)電技術(shù)發(fā)展很快，含風力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電的互補發(fā)電系統(tǒng)越來越受到人們的關(guān)注。本文選取內(nèi)蒙古某地區(qū)的風速及太陽能輻射量等天氣數(shù)據(jù)，采用基于well-being模型的蒙特卡羅模擬法綜合評估了風/光/柴/儲發(fā)電系統(tǒng)的可靠性與經(jīng)濟性，并分析了風/光發(fā)電總量及其容量配置比例對系統(tǒng)可靠性與經(jīng)濟性的影響。結(jié)果可為含風力發(fā)電、光伏發(fā)電的風/光互補發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計提供參考。

well-being模型;可再生能源發(fā)電;可靠性評估;經(jīng)濟性評估;風/光互補發(fā)電系統(tǒng)

1 引言

內(nèi)蒙古風能和太陽能資源蘊藏量巨大，若能充分利用這些資源優(yōu)勢，開發(fā)含有風力發(fā)電、光伏發(fā)電的互補發(fā)電系統(tǒng)為當?shù)靥峁╇娏Ψ?wù)，不僅可以減輕環(huán)境污染，還可以促進這些地區(qū)經(jīng)濟與環(huán)境的平衡協(xié)調(diào)發(fā)展。

目前，國內(nèi)外對于含風力發(fā)電、光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性評估做了一些相關(guān)研究，但均沒有考慮相應(yīng)的經(jīng)濟性評估［1-5］。文獻［1］利用序貫蒙特卡羅模擬法評估風/儲系統(tǒng)對發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性的影響。文獻［2］利用序貫蒙特卡羅模擬法評估風/光/柴/儲孤立發(fā)電系統(tǒng)在不同運行策略下的可靠性。文獻［3］采用序貫蒙特卡羅方法評估了風/光/儲協(xié)調(diào)運行的可靠性，研究了不同協(xié)調(diào)運行策略及聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)容量配置對系統(tǒng)充裕度的影響。上述可靠性評估研究均采用了蒙特卡羅模擬法，但該法只能評估單一的風險狀態(tài)概率，并不能很好地反映系統(tǒng)其他運行狀態(tài)的概率。文獻［4］提出基于well-being模型的蒙特卡羅模擬法評估風/柴/儲發(fā)電系統(tǒng)可靠性，得到系統(tǒng)不同運行狀態(tài)下的概率指標，但沒有考慮基于well-being模型的風/光互補發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估。文獻［6］評估了風/柴/儲發(fā)電系統(tǒng)的可靠性與經(jīng)濟性，但沒有考慮風/光互補發(fā)電對系統(tǒng)可靠性與經(jīng)濟性的影響。

綜上所述，為了更加全面地評估含風/光互補發(fā)電系統(tǒng)可靠性與經(jīng)濟性，本文將利用基于well-being模型的蒙特卡羅模擬法分別評估含不同風/光容量配置的風/光/柴/儲發(fā)電系統(tǒng)可靠性，分析計算不同容量配置系統(tǒng)的經(jīng)濟性與可靠性成本，并研究風/光發(fā)電總?cè)萘繉︼L/光/柴/儲發(fā)電系統(tǒng)可靠性與經(jīng)濟性的影響，結(jié)果可為系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計提供參考。

2 well-being模型

well-being模型是將確定性法則和概率性方法相結(jié)合的一種可靠性評估方法，針對含有儲能裝置的孤立發(fā)電系統(tǒng)，采用投運小時數(shù)(Number of Autonomous Hour，NAH)作為確定性指標判斷系統(tǒng)各個運行狀態(tài)［5］。利用序貫蒙特卡羅模擬法，模擬統(tǒng)計系統(tǒng)well-being模型的各個可靠性指標［7］。

3 元件評估模型

3.1 風力發(fā)電系統(tǒng)模型

風力發(fā)電系統(tǒng)模型包括風速模型和風力發(fā)電機功率模型［8］。本文采用歷史風速時間序列建立風速時間序列模型［9，10］。每小時風速產(chǎn)生以后，使用描述風力發(fā)電機功率輸出和風速之間關(guān)系的函數(shù)確定風力發(fā)電機的可用功率輸出［11］。

3.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)模型

光伏發(fā)電系統(tǒng)模型包括太陽能輻射強度模型、環(huán)境溫度模型和功率輸出模型。本文將在文獻［11，12］提出的合成每日、每小時太陽能輻射量時間序列方法基礎(chǔ)上，加入反映太陽輻射的天空各向異性HDKR模型，模擬光伏電池板傾斜面上的小時太陽總輻射量，如下:

式中，Ai=Ib/I0，Ib為水平面上的小時太陽直射輻射量，I0為大氣層外太陽能輻射量;It為地表水平面上每小時太陽能輻射量;Id為水平面上的小時太陽散射輻射量;β為傾斜面與水平面之間的夾角;ρ為地面反射率，一般取0.2;Rb為傾斜面與水平面上小時直射輻射量的比值。

考慮周圍環(huán)境溫度的隨機波動，采用ERBS模型模擬每小時環(huán)境溫度數(shù)據(jù)［14，15］。結(jié)合光伏電池I-V特性曲線，建立光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率模型［16］。

3.3 發(fā)電機組可靠性模型

發(fā)電機組可靠性模型采用常規(guī)二態(tài)模型。MTTF為平均無故障工作時間，MTTR為平均維修時間。無故障工作時間TTF和維修時間TTR均服從指數(shù)分布，可通過式(2)和式(3)得到:

式中，U和U'為隨機數(shù)，服從［0，1］之間均勻分布［17］。

3.4 儲能系統(tǒng)可靠性評估模型

由于風力和光伏發(fā)電輸出具有間歇性與波動性，所以需要配備儲能設(shè)備來提高含風力發(fā)電、光伏發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。本文采用蓄電池組作為儲能設(shè)備。蓄電池的運行策略是:當可發(fā)電量超過負荷時，蓄電池充電;當可發(fā)電量低于負荷時，蓄電池放電。蓄電池組充放電狀態(tài)時間序列可由發(fā)電系統(tǒng)時間序列和負荷時間序列獲得［18］。

4 經(jīng)濟性評估模型

發(fā)電系統(tǒng)的綜合性成本包括經(jīng)濟性成本和可靠性成本兩部分［19，20］

式中，TC為綜合成本;UCF為經(jīng)濟性成本;K為可靠性成本。

經(jīng)濟性成本可通過成本效用函數(shù)(Utility Cost Function，UCF)計算獲得［6］:

式中，αi為第i臺發(fā)電機組的費用;Pi為第i臺發(fā)電機組的額定容量;為第i臺發(fā)電機組的設(shè)計和安裝等其他費用;為第i臺機組的維修費用;為常規(guī)機組的燃料費用;β為儲能裝置的綜合費用; WS為儲能裝置額定容量;Nt為所有發(fā)電機組的數(shù)量;Nc為常規(guī)發(fā)電機組的數(shù)量。

可靠性成本可通過平均電價折算倍數(shù)法計算獲得［21］:

式中，K為停電成本費用;EENS為系統(tǒng)的期望缺電量;b為單位停電電量與平均售電電價的倍數(shù);P為平均售電價。

5 互補發(fā)電系統(tǒng)可靠性與經(jīng)濟性綜合評估

本文采用內(nèi)蒙古某地區(qū)歷史風速數(shù)據(jù)和每月平均太陽能輻射量及環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，采用基于well-being模型的蒙特卡羅模擬法，用Visual C++編制可靠性評估程序，評估風/光/柴/儲發(fā)電系統(tǒng)的可靠性及經(jīng)濟性，樣例系統(tǒng)配置和參數(shù)如表1所示。

表1 樣例系統(tǒng)參數(shù)Tab．1 Sample system parameters

樣例系統(tǒng)中風力發(fā)電的切入、額定及切出風速分別為3.33m/s、10.56m/s和22.22m/s;光伏陣列的電池板面積為0.5m2，光伏電池運行參考溫度為25℃，參考開路電壓為19.5V，參考短路電流為2.6A，參考輻射等級為1000W/m2，最大功率參考電壓為16V，最大功率參考電流為2A，光伏發(fā)電系統(tǒng)模型中光伏電池板傾角為40°;負荷模型采用IEEERBTS中的每小時負荷模型，系統(tǒng)峰值負荷為40kW。經(jīng)濟性數(shù)據(jù)見表2，表中其他常規(guī)費用指設(shè)計、安裝等費用，維修費用表示發(fā)電機組費用的比例，柴油燃料費為7.28元/L，停電折算倍數(shù)為25，年利率為10%。

表2 經(jīng)濟性數(shù)據(jù)［4］Tab．2 Data used in economic evaluation

表3為樣例系統(tǒng)可靠性指標計算結(jié)果，其中P (H)代表系統(tǒng)健康狀態(tài)概率，P(M)代表系統(tǒng)邊界狀態(tài)概率，LOLP代表系統(tǒng)風險狀態(tài)概率，LOHE代表系統(tǒng)失健康狀態(tài)小時數(shù)?？芍?，在風光資源一定的樣例系統(tǒng)中，按一定風/光容量配置的風/光/柴/儲發(fā)電系統(tǒng)可靠性比系統(tǒng)中僅含有風電或光電的可靠性高，其中風力發(fā)電占風/光發(fā)電容量的75%時的可靠性最高。表4為樣例系統(tǒng)經(jīng)濟性指標計算結(jié)果。由表可知，樣例系統(tǒng)中風力發(fā)電占風光容量配置的比例越大，系統(tǒng)經(jīng)濟性成本越低，這是由于本樣例系統(tǒng)中風力發(fā)電的機組費用小于光伏發(fā)電機組等費用，由此說明，發(fā)電機組費用和其他常規(guī)費用對系統(tǒng)經(jīng)濟性成本的影響較大。此外，可靠性成本費用遠遠小于經(jīng)濟性成本費用，并且發(fā)電機組等費用對可靠性成本費用的影響也并不明顯。因此，在評估孤立風/光/柴/儲發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟性研究中，在某些情況下可忽略可靠性成本對經(jīng)濟性的影響。不同配置情況P(H)P(M)LOLP LOHE/(h/a)

表3 樣例系統(tǒng)可靠性指標計算結(jié)果Tab．3 Reliability indices calculated for example systems

綜上所述，在樣例地區(qū)中按一定風/光容量配置比例建設(shè)風/光/柴/儲發(fā)電系統(tǒng)將有利于提高系統(tǒng)供電可靠性，并且適當提高其中風力發(fā)電的配置比例，可以在保證系統(tǒng)供電可靠性的前提下，減少系統(tǒng)投資，最大程度滿足系統(tǒng)可靠性與經(jīng)濟性相平衡的要求。

表4 樣例系統(tǒng)經(jīng)濟性指標計算結(jié)果Tab．4 Economy indices calculated for example systems

6 風/光發(fā)電總?cè)萘繉︼L/光/柴/儲發(fā)電系統(tǒng)可靠性與經(jīng)濟性的影響

6.1 風/光發(fā)電總?cè)萘繉ο到y(tǒng)可靠性的影響

為了分析風/光發(fā)電總?cè)萘繉︼L/光/柴/儲發(fā)電系統(tǒng)可靠性的影響，本文將分別評估風/光發(fā)電總?cè)萘吭?0～160kW等步長增大時，對不同風/光容量配置比例的風/光/柴/儲發(fā)電系統(tǒng)可靠性的影響，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，隨著風/光發(fā)電容量的不斷增大，系統(tǒng)可靠性水平不斷提高，并且不同風/光容量配置比例的系統(tǒng)可靠性變化趨勢各有不同。開始時風力發(fā)電占風/光發(fā)電容量的75%時的系統(tǒng)可靠性最高，但隨著風/光發(fā)電容量的不斷增大，風/光發(fā)電容量各占50%時的系統(tǒng)可靠性最高，并且系統(tǒng)中光伏發(fā)電容量配置比例越大，系統(tǒng)可靠性變化趨勢越明顯。

由此說明，在樣例地區(qū)中環(huán)境及負荷基本保持不變的前提下，適當增大系統(tǒng)中風/光發(fā)電總?cè)萘靠梢栽谝欢ǔ潭壬咸岣唢L/光/柴/儲發(fā)電系統(tǒng)供電可靠性，反之繼續(xù)增大，影響將不明顯。此外，合理的風/光發(fā)電容量配置可以在一定程度上削弱只含風或光資源發(fā)電系統(tǒng)的波動性，提高系統(tǒng)的供電可靠性。

6.2 風/光發(fā)電總?cè)萘繉ο到y(tǒng)經(jīng)濟性的影響

為了研究風/光發(fā)電總?cè)萘坎粩嘣龃髮︼L/光/柴/儲發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟性和可靠性成本的影響，本文將評估風/光發(fā)電總?cè)萘吭?0～160kW等步長不斷增大時，系統(tǒng)經(jīng)濟性與可靠性成本費用的變化趨勢，如圖2所示。

由圖2可知，隨著風/光發(fā)電容量不斷增大，風/光/柴/儲發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟性成本費用不斷增加，可靠性成本費用不斷減少;并且隨著風/光容量配置比例的不同，系統(tǒng)的經(jīng)濟性與可靠性成本變化趨勢略有不同。隨著風/光發(fā)電容量不斷增大，風力發(fā)電容量占風/光發(fā)電總?cè)萘康谋壤酱?，系統(tǒng)的經(jīng)濟性成本增加的幅度越小。

綜上所述，在樣例地區(qū)中環(huán)境及負荷基本保持不變的前提下，當系統(tǒng)接納可再生能源發(fā)電在允許限度時，風/光發(fā)電容量不斷增大可在一定程度上提高風/光/柴/儲發(fā)電系統(tǒng)的供電可靠性，但經(jīng)濟性成本也將隨之增加，因此合理的容量配置對于滿足系統(tǒng)可靠性與經(jīng)濟性要求有重要作用。

圖1 風/光發(fā)電總?cè)萘繉ο到y(tǒng)健康狀態(tài)、邊界狀態(tài)和風險狀態(tài)的影響Fig．1 Effect ofwind/solar power generating capacity on healthy，marginal and risk states

圖2 風/光發(fā)電容量對系統(tǒng)經(jīng)濟性成本和可靠性成本的影響Fig．2 Effect ofwind/solar power generating capacity on system economy and reliability costs

7 結(jié)論

本文采用基于well-being模型的蒙特卡羅模擬法分別評估了不同風/光配置比例的風/光/柴/儲發(fā)電系統(tǒng)可靠性，并分析了系統(tǒng)經(jīng)濟性和可靠性成本。結(jié)果表明:

(1)在特定地區(qū)，風/光發(fā)電容量的合理配置可以在一定程度上削弱只含有風或光資源單獨發(fā)電的波動性，提高系統(tǒng)的供電可靠性。

(2)風/光/柴/儲發(fā)電系統(tǒng)供電可靠性的提高往往需要較高的投資費用，合理的容量配置對于滿足系統(tǒng)可靠性與經(jīng)濟性要求有重要作用。

［1］王劍，劉天琪，李興源(Wang Jian，Liu Tianqi，Li Xingyuan)．風電場及儲能裝置對發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性的影響(Influences of connecting wind farms and energy storage devices to power grid on reliability of power generation and transmission system)［J］．電網(wǎng)技術(shù)(Power System Technology)，2011，35(5):165-170．

［2］Ba Gen，Roy Billinton．Evaluation of different operating strategies in small stand-alone power systems［J］．IEEE Transactions on Energy Conversion，2005，20(3): 654-660．

［3］汪海瑛，白曉民，許婧(Wang Haiying，Bai Xiaomin，Xu Jing)．考慮風光儲協(xié)調(diào)運行的可靠性評估(Reliability assessment considering the coordination of wind power，solar energy and energy storage)［J］．中國電機工程學(xué)報(Proceedings of the CSEE)，2012，32 (13):13-20．

［4］栗文義，王銀莎，郭鑫，等(Li Wenyi，Wang Yinsha，Guo Xin，et al．)．基于well-being模型的風力發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估(Reliability evaluation of wind pow-er system based on well-beingmodel)［J］．華東電力(East China Electric Power)，2011，39(7):1062-1065．

［5］王凱，栗文義，張曉飛，等(Wang Kai，Li Wenyi，Zhang Xiaofei，et al．)．光伏發(fā)電對風光柴儲小型孤立發(fā)電系統(tǒng)可靠性的影響(Impact of photovoltaic generation on reliability of small isolated PV-wind-diesel-battery power generation system)［J］．電網(wǎng)技術(shù)(Power System Technology)，2013，37(11):3096-3100．

［6］Rajesh Karki，Roy Billinton．Reliability cost/worth associated with wind energy and energy storage utilization in electric power systems［A］．Proceedings of the 10th International Conference on Probabilistic Methods Applied to Power Systems，PMAPS’08［C］．2008.1-7．

［7］栗文義，張保會，巴根(LiWenyi，Zhang Baohui，Ba Gen)．風能大規(guī)模利用對電力系統(tǒng)可靠性的影響(Reliability impacts of large scale utilization ofwind energy on electric power systems)［J］．中國電機工程學(xué)報(Proceedings of the CSEE)，2008，28(1):100-105．

［8］楊軼雷，姚鵬，郭小波(Yang Yilei，Yao Peng，Guo Xiaobo)．基于時序和隨機風速模型的含風電場發(fā)電系統(tǒng)充裕性評估(Adequacy evaluation of power generation system with wind farm based on sequential and stochastic wind speed models)［J］．現(xiàn)代電力(Modern Electric Power)，2012，29(1):72-76．

［9］郭創(chuàng)新，張理，張金江，等(Guo Chuangxin，Zhang Li，Zhang Jinjiang，et al．)．風光互補綜合發(fā)電系統(tǒng)可靠性分析(Reliability analysis ofwind and photovoltaic integrated generating system)［J］．電力系統(tǒng)保護與控制(Power System Protection and Control)，2013，41 (1):102-108．

［10］Roy Billinton，Guang Bai．Generating capacity adequacy associated with wind energy［J］．IEEE Transactions on Energy Conversion，2004，19(3):641-646．

［11］Graham V A，Hollands K G T，Unny T E．A time series model for Kt with application to global synthetic weather generation［J］．Solar Energy，1988，40(2):83-92．

［12］Graham V A，Hollands K G T．A method to generate synthetic hourly solar radiation globally［J］．Solar Energy，1990，44(6):333-341．

［13］楊金煥，于化叢，葛亮(Yang Jinhuan，Yu Huacong， Ge Liang)．太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)(Solar photovoltaic power generation technology)［M］．北京:電子工業(yè)出版社(Beijing:Publishing House of Electronics Industry)，2009．

［14］Hollands K G T，Andrea L JD，Morrison ID．Effect of random fluctuations in ambient air temperature on solar system performance［J］．Solar Energy，1989，42 (4):335-338．

［15］Bilbao Julia，de Miguel Argimiro H，Kambezidis Harry D．Air temperature model evaluation in the north mediterranean belt area［J］．American Meteorological Society，2002，41(8):872-884．

［16］Roy Billinton，Bagen．Generating capacity adequacy evaluation of small stand-alone power systems containing solar energy［J］．Reliability Engineering and System Safety，2006，91(4):438-443．

［17］謝開貴，王岸，胡博(Xie Kaigui，Wang An，Hu Bo)．計及儲能設(shè)備運行策略的風/柴/儲混合系統(tǒng)可靠性評估(Reliability evaluation of wind-diesel-storage hybrid system considering energy storage system operating strategies)［J］．電力系統(tǒng)保護與控制(Power System Protection and Control)，2012，40(9):1-7．

［18］鮑莎日娜，栗文義，高飛(Bao Sharina，Li Wenyi，Gao Fei)．儲能設(shè)備對風/柴/儲能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)10min間隔可靠性影響的評估(10-Minute interval reliability assessment of wind-diesel-storage power generation system influenced by energy storage devices)［J］．華東電力(East China Electric Power)，2011，7(39): 1053-1057．

［19］何曉陽，康慶平，肖貴申(He Xiaoyang，Kang Qingping，Xiao Guishen)．基于可靠性成本-效益分析的電網(wǎng)規(guī)劃(Power network planning based on reliability of cost-benefit analysis)［J］．繼電器(Relay)，2005，33(10):8-11．

［20］陳興雷(Chen Xinglei)．配電網(wǎng)可靠性與經(jīng)濟性綜合評估(The comprehensive assessment of power distribution network reliability and economy)［D］．杭州:浙江大學(xué)(Hangzhou:Zhejiang University)，2008．

［21］郭永基(Guo Yongji)．電力系統(tǒng)可靠性分析(Power system reliability analysis)［M］．北京:清華大學(xué)出版社(Beijing:Tsinghua University Press)，2003．

(，cont．on p.63)(，cont．from p.56)

Reliability and econom y evaluation of com plementary power system s containing w ind and solar energy

WANG Kai1，LIWen-yi1，LILong2，DENG Dian-yi1
(1．College of Electrical Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot010080，China; 2．Bameng Electric Power Bureau，Bayannaoer 015000，China)

Renewable energy power generation technology is developing quickly in recent years and complementary power generation systems containing wind and solar energy are attractingmore and more attention．This paper presents the study results on the reliability and economy of complementary power generating systems containing wind and solar energy．The reliability and economic assessments are conducted using awell-being approach based on the Monte Carlo simulation．Weather data such aswind speed and solar radiation data obtained for a certain area in Inner Mongolia are used in the Monte Carlo simulation．The influence of wind/solar capacity allocation on the reliability and economy of Wind/PV/Diesel/Storage generating systems is also analyzed．The results obtained should provide guidelines and reference to planning，operation and design ofwind/PV complementary power systems containing wind and solar energy．

well-being model;renewable energy power generation;reliability evaluation;economy evaluation; wind/PV complementary power systems

TM 73

A

1003-3076(2015)06-0052-05

2013-10-16

內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金(2013MS0701)、內(nèi)蒙古“草原英才”(2013)、內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)風能太陽能利用技術(shù)省部共建教育部重點實驗室開放基金資助項目

王凱(1988-)，男，內(nèi)蒙古籍，碩士研究生，研究方向為新能源發(fā)電可靠性評估;栗文義(1963-)，男，內(nèi)蒙古籍，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為新能源發(fā)電和可靠性評估等(通信作者)。