敬彤輝, 王曉東, 劉穎明, 栗杉杉

(沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110870)

0 引 言

隨著“碳中和”目標(biāo)的制定,新能源發(fā)電比率的逐年提高,未來我國(guó)風(fēng)電機(jī)組將朝著大型化、智能化、海洋化的方向發(fā)展[1-4]。根據(jù)氣候變化研究顯示,在未來特別是在沿海地區(qū)極端天氣發(fā)生的頻率將會(huì)持續(xù)上升。從中長(zhǎng)期時(shí)間尺度上來看,評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)面對(duì)自然災(zāi)害以及極端天氣這種高影響力低概率事件(High-impact low-probability events)的脆弱性是大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)建立與運(yùn)行的基本考慮,然而一直以來這方面的研究卻被忽視[5-6]。研究風(fēng)電場(chǎng)抵御力與恢復(fù)力將是評(píng)估和提升風(fēng)電場(chǎng)自身的抗災(zāi)御災(zāi)能力,優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及維護(hù)能源安全的重要舉措。

基于安全穩(wěn)定問題,國(guó)內(nèi)外很多專家、學(xué)者引入了“彈性(Resilience)”的理念,不僅要求電力系統(tǒng)要適應(yīng)環(huán)境變化、增強(qiáng)抵御能力,而且更強(qiáng)調(diào)在面臨無法避免的災(zāi)害、故障時(shí),能夠有效地利用各種資源迅速恢復(fù)的性能。在評(píng)估電網(wǎng)的彈性方面,文獻(xiàn)[7-11]通過介紹電力系統(tǒng)典型的彈性定義與系統(tǒng)恢復(fù)力相關(guān)的關(guān)鍵概念,以及闡明彈性系統(tǒng)研究使用的混淆術(shù)語,描述了電網(wǎng)恢復(fù)性量化評(píng)估的幾種方法。文獻(xiàn)[12]提出了一種基于“彈性梯形”的電力系統(tǒng)彈性分析框架與量化指標(biāo)。文獻(xiàn)[13]提出了用于分析電力系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)施的多項(xiàng)恢復(fù)性評(píng)估方法,評(píng)估了風(fēng)暴與洪水對(duì)英國(guó)電網(wǎng)的潛在影響。文獻(xiàn)[14]使用蒙特卡洛模擬(Monta-Carlo Simulation),基于電力系統(tǒng)各部件的脆弱性曲線來評(píng)估包含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)發(fā)電能力的彈性因素和恢復(fù)成本。文獻(xiàn)[15]提出了電網(wǎng)災(zāi)難建模和一般的彈性分析方法,并對(duì)使用先進(jìn)運(yùn)行策略來增強(qiáng)系統(tǒng)安全的措施進(jìn)行分析。在增強(qiáng)電網(wǎng)抵御力方面,文獻(xiàn)[5]從負(fù)載角度考慮電網(wǎng)安全,提出了一種光伏儲(chǔ)能的彈性負(fù)載系統(tǒng),兼顧了經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性。文獻(xiàn)[16]提出在電力輸配電系統(tǒng)中加入彈性元素,并提出一種基于增強(qiáng)彈性的協(xié)調(diào)博弈理論,以改善可再生能源和分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)的利用效率。文獻(xiàn)[17]基于增強(qiáng)帶有風(fēng)電滲透的電力系統(tǒng)瞬態(tài)穩(wěn)定性與彈性,提出了協(xié)調(diào)四環(huán)開關(guān)控制,并通過短期彈性指數(shù)對(duì)系統(tǒng)增強(qiáng)抵御力進(jìn)行評(píng)估。

盡管彈性理論已被證實(shí)可以全面描述電力系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行的能力,從而可從更全面的角度評(píng)估風(fēng)險(xiǎn),但是目前關(guān)于風(fēng)電場(chǎng)抵御自然災(zāi)害彈性的研究還相對(duì)較少。文獻(xiàn)[18]提出一種描述系統(tǒng)冗余的彈性度量和基于元結(jié)構(gòu)的彈性系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,分析了海上風(fēng)電場(chǎng)遭受外部沖擊后的系統(tǒng)恢復(fù)過程。文獻(xiàn)[19]通過建立沿海地區(qū)對(duì)颶風(fēng)活動(dòng)的模擬,并使用概率損傷模型對(duì)該區(qū)域內(nèi)風(fēng)電機(jī)組的累計(jì)破壞進(jìn)行計(jì)算,量化了颶風(fēng)災(zāi)難對(duì)海上風(fēng)電發(fā)展的影響。文獻(xiàn)[20]將“彈性五邊形(Resilience Pentagon)”引入到對(duì)惡劣天氣事件與風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的不同階段分析之中。然而上述方法均是側(cè)重單一方面的分析比較,并未從沖擊到恢復(fù)的全過程對(duì)風(fēng)電場(chǎng)設(shè)施與供電能力的彈性進(jìn)行評(píng)估。

針對(duì)上述分析,為了評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)抵御極端風(fēng)況這一高影響力低概率事件的能力,量化風(fēng)電場(chǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施與運(yùn)營(yíng)的彈性,本文提出了基于蒙特卡洛模擬的風(fēng)電場(chǎng)的彈性評(píng)估方法。首先,根據(jù)彈性理論結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行特征,對(duì)比分析了彈性與可靠性的區(qū)別,提出了基于“彈性多邊形”的風(fēng)電場(chǎng)彈性評(píng)估與量化指標(biāo)。其次,建立了極端風(fēng)況的概率模型并給出了風(fēng)電場(chǎng)狀態(tài)模擬。然后通過對(duì)風(fēng)電場(chǎng)降級(jí)階段與恢復(fù)階段的模擬,提出了風(fēng)電場(chǎng)彈性評(píng)估方法。最后通過算例分析,對(duì)比了風(fēng)電場(chǎng)彈性與冗余在提升風(fēng)電場(chǎng)彈性中的作用,證明了所提出框架的有效性。

1 風(fēng)電場(chǎng)彈性及量化指標(biāo)

1.1 風(fēng)電場(chǎng)彈性

風(fēng)電場(chǎng)彈性是指風(fēng)電場(chǎng)能夠感知和適應(yīng)不斷變化的環(huán)境,抵御極端天氣的破壞并且能夠快速從破壞中恢復(fù)其功能的能力。

風(fēng)電場(chǎng)的彈性根據(jù)關(guān)注點(diǎn)不同可分為基礎(chǔ)設(shè)施彈性(Infrastruction Resilience)和運(yùn)營(yíng)彈性(Operation Resilience)這兩個(gè)方面?；A(chǔ)設(shè)施彈性指風(fēng)電場(chǎng)面臨災(zāi)害時(shí),風(fēng)電機(jī)組、傳輸線纜等物理硬件整體的降低失效,抵御破壞的物理強(qiáng)度。運(yùn)營(yíng)彈性指風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)強(qiáng)度特性,如確保在災(zāi)害事件發(fā)生時(shí)提前響應(yīng)與發(fā)生后的快速恢復(fù)以確保供電的能力?；A(chǔ)設(shè)施彈性著眼于風(fēng)電場(chǎng)硬件設(shè)備,偏重風(fēng)電場(chǎng)的抵御能力;運(yùn)營(yíng)彈性更加注重風(fēng)電場(chǎng)功能性的恢復(fù),偏重風(fēng)電場(chǎng)的恢復(fù)能力。

在風(fēng)電場(chǎng)電力系統(tǒng)中,彈性不等同于可靠性,IEEE將可靠性描述為特定時(shí)間范圍內(nèi)系統(tǒng)瞬時(shí)中斷和持續(xù)中斷的次數(shù)[9]?？煽啃耘c彈性的比較如表1所示。

表1 可靠性與彈性的比較

1.2 多階段彈性多邊形與彈性量化指標(biāo)

彈性多邊形(Resilience Polygon)是由彈性理論中的“彈性三角形”發(fā)展而來,不僅包含了在面臨災(zāi)害時(shí)基礎(chǔ)設(shè)施響應(yīng)曲線的兩條斜邊(分別代表了基礎(chǔ)設(shè)施彈性遭受沖擊而下降和彈性恢復(fù)),而且考慮了風(fēng)電場(chǎng)在遭受沖擊后到恢復(fù)彈性前的降級(jí)階段。除此以外,風(fēng)電場(chǎng)彈性多邊形還考慮了風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)響應(yīng)情況,可以更加確切地描述其功能性。風(fēng)電場(chǎng)彈性多邊形如圖1所示。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)彈性多邊形

在圖1中,Ri指基礎(chǔ)設(shè)施的彈性量化指標(biāo),Ro指風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的彈性量化指標(biāo),均使用百分?jǐn)?shù)表示為當(dāng)前所代表的狀態(tài)量與總狀態(tài)量的比值(Ri為當(dāng)前完備基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)量與總基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量的比值;Ro為當(dāng)前風(fēng)電場(chǎng)功率與預(yù)期功率的比值)。同時(shí),假設(shè)了風(fēng)電場(chǎng)處于風(fēng)電高滲透率的電網(wǎng),風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的功率全部由電網(wǎng)接收。因此在事件的最開始,Ri和Ro都是100%。從極端風(fēng)況事件發(fā)生后,風(fēng)電場(chǎng)的彈性狀態(tài)可以分為3個(gè)階段,分別為階段Ⅰ、階段Ⅱ、階段Ⅲ。

階段Ⅰ為沖擊階段,發(fā)生在ta～tb期間。在ta時(shí)刻時(shí),極端風(fēng)況事件發(fā)生,基礎(chǔ)設(shè)施彈性Ri與運(yùn)營(yíng)彈性Ro都下降。風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組與架空電線會(huì)因?yàn)楸┞对谖ｋU(xiǎn)的環(huán)境中而受損。對(duì)于風(fēng)機(jī)來說,過高的風(fēng)速和強(qiáng)大的湍流可能會(huì)對(duì)葉片造成損壞。再者,如果偏航系統(tǒng)因?yàn)槿狈溆秒娫椿蛘卟荒芗皶r(shí)偏離風(fēng)向,那么風(fēng)機(jī)塔架還面臨著折斷的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于架空線路來說,惡劣的天氣可能會(huì)引起跳閘,甚至損壞。此外,出于安全性的考慮,在嚴(yán)重災(zāi)害發(fā)生時(shí),風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行人員會(huì)立即停機(jī)脫網(wǎng)。因此,風(fēng)電機(jī)組向外傳送的能量為0,即Ro下降為0。在tb時(shí)刻,極端風(fēng)況停止,Ri減少到Ri(tb)以表示基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的減少。

階段Ⅱ?yàn)榻导?jí)階段,發(fā)生在tb～tc期間。這個(gè)階段表示風(fēng)暴停止到風(fēng)電場(chǎng)彈性恢復(fù)之前,風(fēng)電場(chǎng)處于安全檢查等一系列恢復(fù)準(zhǔn)備工作,以確定各機(jī)組和線路的受損情況,并確認(rèn)可正常運(yùn)行的設(shè)施。降級(jí)階段持續(xù)的時(shí)間與天氣,風(fēng)電場(chǎng)檢修人員的人數(shù),以及事故的嚴(yán)重程度有關(guān)。

階段Ⅲ為恢復(fù)階段,發(fā)生在tc～td期間?；謴?fù)階段表示風(fēng)電場(chǎng)受損的設(shè)備開始維修,同時(shí)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)未受損的機(jī)組開始正常工作。維修結(jié)束的設(shè)備在確認(rèn)無誤后也會(huì)快速投入生產(chǎn)。故Ri與Ro開始隨著時(shí)間增長(zhǎng)?；謴?fù)的速率與修理人員的人數(shù),設(shè)備部件的冗余有關(guān)。

1.3 風(fēng)電場(chǎng)彈性評(píng)估指標(biāo)

為了系統(tǒng)性地評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)彈性,需要根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)與基礎(chǔ)設(shè)施彈性多邊形各個(gè)階段的特點(diǎn)分析。在文獻(xiàn)[20]所提出的“ΦΛΕΠ+Area”度量框架的基礎(chǔ)上,通過對(duì)風(fēng)電場(chǎng)彈性概念的細(xì)化,提出風(fēng)電場(chǎng)彈性評(píng)估指標(biāo)。

在階段Ⅰ中,本文關(guān)注風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施彈性下降的快慢,以及設(shè)備損失的程度。Ri下降速度越慢,損失程度越小,則可認(rèn)為風(fēng)電場(chǎng)針對(duì)極端風(fēng)況的抵御能力越強(qiáng)。因此,可以建立度量指標(biāo)Φ(How Fast)與Λ(How Low)來評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)階段Ⅰ的彈性,其表達(dá)式如式(1)、式(2)所示。

(1)

Λ=Ri(ta)-Ri(tb)

(2)

在階段Ⅱ中,需要關(guān)注的是降級(jí)過程的時(shí)間長(zhǎng)短。持續(xù)的時(shí)間越短,則說明準(zhǔn)備得越充分,風(fēng)電場(chǎng)彈性越好。建立指標(biāo)E(How Extensive)表達(dá)式如式(3)所示。

E=tc-tb

(3)

在階段Ⅲ中,更關(guān)注于風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施與供電能力恢復(fù)速度的快慢,即彈性多邊形tc～td斜邊的斜率。斜率越大,則代表風(fēng)電場(chǎng)恢復(fù)得越快,風(fēng)電場(chǎng)恢復(fù)能力越好。建立指標(biāo)Π(How Promptly)以評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)在階段Ⅲ中基礎(chǔ)設(shè)施彈性與運(yùn)營(yíng)彈性的恢復(fù)能力,其表達(dá)式如式(4)、式(5)所示。

(4)

(5)

式中:Πi——基礎(chǔ)設(shè)施彈性的指標(biāo)Π;

Πo——運(yùn)營(yíng)彈性的指標(biāo)Π。

除此以外,還需從整體上考慮風(fēng)電場(chǎng)的功能缺失情況,以便評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)預(yù)期供電水平的損失程度,因而可用彈性多邊形的面積來量化。建立指標(biāo)Area,即

(6)

2 極端風(fēng)況事件與風(fēng)電場(chǎng)狀態(tài)建模

建立極端風(fēng)況事件的概率模型,風(fēng)電場(chǎng)各部件彈性失效的判定,同時(shí)介紹了風(fēng)電場(chǎng)的兩種布線方式與各部件的狀態(tài)的定義。

2.1 極端風(fēng)況事件建模

極端風(fēng)況區(qū)別于正常風(fēng)況,是指一段時(shí)間內(nèi)一種平均風(fēng)速很大并且可能帶有強(qiáng)烈湍流的自然現(xiàn)象。一般情況下發(fā)生的概率很低。發(fā)生極端風(fēng)況事件時(shí)風(fēng)速的變化可能會(huì)超過風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)極限,造成風(fēng)機(jī)的損傷甚至破壞。根據(jù)極端風(fēng)況的上述特點(diǎn),選用基于威布爾分布的風(fēng)速模擬,其中威布爾分布是一個(gè)描述在一些典型地點(diǎn)一年中短時(shí)平均風(fēng)速的變化公式,其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單,既能保證絕大部分時(shí)間處于正常自然風(fēng),也能在小概率生成極端風(fēng)速。威布爾分布函數(shù)為

F(V)=1-e-(v/c)k

(7)

式中:v——風(fēng)速;

k——形狀參數(shù);

c——尺度參數(shù)。

(8)

式中: ?！獮橥暾馁ゑR函數(shù)。

考慮到風(fēng)機(jī)輪轂高度與架空線路存在很大的高度差,故需引用風(fēng)切變公式。風(fēng)切變公式為

vn=v0(Zn/Z0)α

(9)

式中:Zn——n處高度;

Z0——0處高度;

vn——Zn高度處風(fēng)速;

v0——Z0高度處風(fēng)速;

α——風(fēng)切變指數(shù)。

2.2 風(fēng)電機(jī)組與架空線路失效判定

失效在這里指結(jié)構(gòu)或者系統(tǒng)因?yàn)橥獠繘_擊或內(nèi)部故障引起的功能缺失或損壞,如風(fēng)機(jī)的損傷、停機(jī),線路的短路、跳閘、破壞。極端風(fēng)況的強(qiáng)度受風(fēng)速大小、方向變化率和風(fēng)切變等因素影響,主要與風(fēng)速大小相關(guān)。為了對(duì)風(fēng)電場(chǎng)各部件的脆弱性在極端風(fēng)況事件中建模,使用文獻(xiàn)[17]中的脆弱性曲線(Fragility Curve)的概念。脆弱性曲線指某部件的失效概率為風(fēng)速的函數(shù),脆弱性曲線如圖2所示。

圖2 脆弱性曲線

圖2的3條脆弱性曲線,分別為正常風(fēng)電機(jī)組、偏航失效的風(fēng)電機(jī)組[18]、架空線路[10]的脆弱性曲線。當(dāng)有極端風(fēng)況事件發(fā)生時(shí),風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)會(huì)控制機(jī)組自動(dòng)停機(jī),釋放葉尖,背離風(fēng)向,以達(dá)到保護(hù)機(jī)組免受損壞的目的。這里,風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)的失效與否,在于在極端風(fēng)況來臨風(fēng)電機(jī)組的響應(yīng)速度,偏航的備用電源是否可靠,偏航系統(tǒng)是否能正?？煽抗ぷ?以及偏航速度是否能跟上風(fēng)向變化的速度。通過該曲線,可以得到某風(fēng)速v下的風(fēng)電場(chǎng)某部件的失效概率f(v)。

為了判定單個(gè)部件失效的情況,可以使用式(10)給出的方法判斷:

(10)

式中:R——服從U(0,1)的隨機(jī)數(shù)。

2.3 風(fēng)電場(chǎng)接線方式與各部件狀態(tài)量

風(fēng)電場(chǎng)的及機(jī)組間的布線方式可分為架空線布線與地下線纜布線?？紤]更易受氣象環(huán)境影響的特點(diǎn),建模全部選用架空線的方式。風(fēng)電場(chǎng)電氣連接方式如圖3所示。

圖3 風(fēng)電場(chǎng)電氣連接方式

假設(shè)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)有SW臺(tái)風(fēng)電機(jī)組,這些風(fēng)機(jī)根據(jù)各自所處的地理位置不同,分成了I個(gè)小組。每臺(tái)風(fēng)機(jī)自身配備一條架空線路,每個(gè)組都有J臺(tái)風(fēng)電機(jī)組。由于風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組電氣系統(tǒng)接線方式的不同,可在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)采用星形接線或放射形接線方式。在放射形連接方式中,風(fēng)電機(jī)組的架空線直接與相鄰風(fēng)電機(jī)組的架空線首尾相連,在一個(gè)小組內(nèi)形成串聯(lián),最后再用一根母線與其他小組集電連接風(fēng)電場(chǎng)變壓器并到電網(wǎng)。在星形連接方式中,先把一個(gè)小組的風(fēng)電機(jī)組連接到一個(gè)點(diǎn)上,在通過一根母線與其他小組的連接,并匯流到場(chǎng)用變壓器并到電網(wǎng)。放射形連接是目前應(yīng)用最廣泛的連接方式,其安裝維護(hù)操作簡(jiǎn)單,且成本較低;而星形連接能夠提供較大冗余,能夠提高風(fēng)電場(chǎng)的可靠性。

根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)各部件的失效情況,可以設(shè)置各部件狀態(tài)量。部件有0和1兩種狀態(tài)量,當(dāng)該部件能正常工作時(shí),狀態(tài)量為1;當(dāng)該部件失效時(shí),狀態(tài)量為0。風(fēng)電場(chǎng)各部件狀態(tài)量說明如表2所示。

表2 風(fēng)電場(chǎng)各部件狀態(tài)量說明

2.4 有效機(jī)組數(shù)

有效機(jī)組數(shù)NW指實(shí)際能夠向外發(fā)出功率的風(fēng)電機(jī)組臺(tái)數(shù)。在發(fā)生極端風(fēng)況事件的恢復(fù)階段,同一配置的風(fēng)電場(chǎng)會(huì)因?yàn)椴季€方式的不同而存在不同的運(yùn)營(yíng)彈性?？紤]到存在上述差異,以及彈性量化指標(biāo)中計(jì)算的需要,提出風(fēng)電場(chǎng)有效機(jī)組數(shù)以助于計(jì)算不同電氣接線方式下的風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)彈性。

放射形連接有效機(jī)組數(shù)NWS:

(11)

星形連接有效機(jī)組數(shù)NWP:

(12)

根據(jù)有效機(jī)組數(shù),可以計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)功率P為

P=cfPWNW

(13)

式中:cf——為一年中風(fēng)電場(chǎng)功率的平均容量因子;

PW——單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組額定功率;

NW——風(fēng)電場(chǎng)有效機(jī)組數(shù)。

3 風(fēng)電場(chǎng)彈性評(píng)估方法

針對(duì)目前很少有對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)面對(duì)極端風(fēng)況彈性的全面系統(tǒng)性評(píng)估,結(jié)合上述彈性量化與評(píng)估指標(biāo),極端天氣模擬以及各部件失效判定,提出了風(fēng)電場(chǎng)彈性評(píng)估方法,并建立了降級(jí)階段與恢復(fù)階段的模型。

3.1 風(fēng)電場(chǎng)彈性評(píng)估

針對(duì)量化風(fēng)電場(chǎng)抵御極端風(fēng)況事件的抵御力和恢復(fù)力,提出風(fēng)電場(chǎng)彈性評(píng)估方法。風(fēng)電場(chǎng)彈性評(píng)估流程如圖4所示。風(fēng)電場(chǎng)彈性評(píng)估核心是利用蒙特卡洛方法進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn),最后根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)彈性指標(biāo)。首先,模擬了沖擊階段,使用威布爾分布函數(shù)天氣進(jìn)行模擬,得到風(fēng)機(jī)輪轂高度和架空線路高度的風(fēng)速。其次,利用各部件的脆弱性曲線對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組與架空線路進(jìn)行失效判定,并統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。然后,若風(fēng)電場(chǎng)不存在部件失效,則進(jìn)入下一輪迭代,若風(fēng)電場(chǎng)存在部件失效,則風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)入降級(jí)階段和恢復(fù)階段。當(dāng)時(shí)間到達(dá)迭代設(shè)定時(shí)間時(shí),則停止迭代。最后對(duì)風(fēng)電場(chǎng)彈性量化與評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。

圖4 風(fēng)電場(chǎng)彈性評(píng)估流程

3.2 沖擊階段

沖擊階段包含了風(fēng)電場(chǎng)各部件遭受失效和風(fēng)電場(chǎng)面對(duì)極端情況時(shí)的緊急響應(yīng)。沖擊階段帶來的影響與極端風(fēng)況事件的嚴(yán)重程度與持續(xù)時(shí)間有關(guān),同時(shí)也受風(fēng)電場(chǎng)自身設(shè)備的響應(yīng)速度以及冗余影響。對(duì)沖擊階段的天氣模擬與失效判定建模已在前文中提出,這里不再贅述。

3.3 降級(jí)階段

降級(jí)過程包含風(fēng)電場(chǎng)安全檢查,損壞設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)以及損壞備件的準(zhǔn)備。降級(jí)階段中,巡檢人員會(huì)對(duì)存在故障或損壞的部件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn),并確定維修的方案和手段。維修部門也會(huì)對(duì)損壞的部件進(jìn)行統(tǒng)計(jì),將維修設(shè)備與備用的組件備好。針對(duì)降級(jí)階段的特點(diǎn),提出降級(jí)階段的持續(xù)時(shí)間tgr為

tgr=max[kctmcnf/ngc,tpr]

(14)

式中: max——最大值函數(shù);

kc——檢查人員準(zhǔn)備因子;

tmc——設(shè)備平均巡檢時(shí)間;

nf——失效設(shè)備數(shù)量;

ngc——檢查人員組數(shù);

tpr——備件準(zhǔn)備時(shí)間。

其中,kc的范圍為0～1,人員準(zhǔn)備的越充分,kc值越大。

此外,降級(jí)階段還跟天氣有關(guān),若在降級(jí)階段中發(fā)生極端風(fēng)況事件,則降級(jí)會(huì)持續(xù)更長(zhǎng)。

3.4 恢復(fù)階段

恢復(fù)階段包含著基礎(chǔ)設(shè)施的維修或重建,風(fēng)電場(chǎng)供電能力的恢復(fù)?；謴?fù)階段的持續(xù)時(shí)間與天氣,維修人員,設(shè)備冗余以及沖擊階段的破壞程度有關(guān)。根據(jù)上述恢復(fù)階段的的特點(diǎn),提出恢復(fù)時(shí)間計(jì)算tre為

tre=krtmrnf/ngr

(15)

式中:kr——維修人員準(zhǔn)備因子;

tmr——設(shè)備平均維修時(shí)間;

nf——失效設(shè)備數(shù)量;

ngr——維修人員組數(shù)。

恢復(fù)階段的維修策略按照“母線→線路→機(jī)組”的維修順序進(jìn)行,并且從靠近電網(wǎng)側(cè)開始。采取這樣的維修策略,無論是對(duì)于放射形連接還是星形連接的風(fēng)電場(chǎng)來說,都可以盡量保證恢復(fù)原則的實(shí)現(xiàn),即在盡量短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)盡可能多的供電能力。

4 算例分析

在同種極端風(fēng)況沖擊下,本節(jié)使用提出的風(fēng)電場(chǎng)彈性評(píng)估方法對(duì)某風(fēng)電場(chǎng)的4種情況的彈性多邊形不同階段進(jìn)行量化和分析,說明了所提出的彈性量化方法的適用性。

4.1 參數(shù)與建模過程

假設(shè)某風(fēng)電場(chǎng)擁有30臺(tái)風(fēng)電機(jī)組,分為3個(gè)小組。某風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備位置與連接方式如圖5所示。風(fēng)電場(chǎng)考慮采用放射型連接(如圖5(a))或星形連接(如圖5(b)),并且風(fēng)電場(chǎng)中的風(fēng)機(jī)存在:偏航系統(tǒng)正常,偏航系統(tǒng)失效這兩種情況。為了便于對(duì)照,設(shè)置不同風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組與架空線路數(shù)量相同。

圖5 某風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備位置與連接方式

根據(jù)上述的情況,風(fēng)電場(chǎng)存在以下4種類型:類型Ⅰ為風(fēng)機(jī)星形連接,偏航系統(tǒng)正常;類型Ⅱ?yàn)轱L(fēng)機(jī)放射形連接,偏航系統(tǒng)正常;類型Ⅲ為風(fēng)機(jī)星形連接,偏航系統(tǒng)失效;類型Ⅳ為風(fēng)機(jī)放射形連接,偏航系統(tǒng)失效。

根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)彈性評(píng)估方法,在蒙特卡洛模擬中導(dǎo)入時(shí)間分辨率為6 min,每次持續(xù)時(shí)間t為1～2 h,平均風(fēng)速為16 m/s的風(fēng)況事件,總時(shí)間T迭代設(shè)置為5 000 h。極端風(fēng)況事件的隨機(jī)生成服從參數(shù)為c=17.85,b=1.6威布爾分布。針對(duì)失效判斷,使用圖2的脆弱性曲線作為判斷依據(jù)。

假定在理想狀態(tài)下,風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)急響應(yīng)迅速,設(shè)備齊全,各工作人員準(zhǔn)備良好,各部件備件充裕。風(fēng)電機(jī)組與電路的平均巡檢時(shí)間分別為1 h與0.5 h,平均檢修時(shí)間分別為20 h與3 h。

4.2 極端風(fēng)況下風(fēng)電場(chǎng)彈性

風(fēng)電場(chǎng)彈性基礎(chǔ)設(shè)施與運(yùn)營(yíng)彈性如圖6所示。圖6展示了在極端風(fēng)況下風(fēng)電場(chǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施與運(yùn)營(yíng)彈性的變化情況。這些變化可以明顯地展示出彈性多邊形的3個(gè)階段。在沖擊階段中,基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)量迅速下降,供電能力也立即減少為0。在維持了一段降級(jí)階段后,各基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)量開始在維修中回升。

在線路基礎(chǔ)設(shè)施彈性達(dá)到初始值后,風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)施彈性開始上升,如圖6(a)和6(b),這體現(xiàn)了之前制定的維修策略。圖6(a)與圖6(b)的主要差別在于損失的風(fēng)電機(jī)組數(shù)量,這表明了帶有偏航系統(tǒng)良好風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)在風(fēng)電機(jī)組失效的數(shù)量上會(huì)遠(yuǎn)少于那些風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)在極端風(fēng)況中不能正常工作或者響應(yīng)速度不夠的風(fēng)電場(chǎng)。

圖6 風(fēng)電場(chǎng)彈性基礎(chǔ)設(shè)施與運(yùn)營(yíng)彈性

圖6(c)展示了4種類型風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)彈性的區(qū)別,在有偏航與無偏航的風(fēng)電場(chǎng)中,運(yùn)營(yíng)彈性的變化相差很大,這是因?yàn)閾p失的風(fēng)電機(jī)組數(shù)量不同帶來的差異。在極端風(fēng)況中每多損失一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組,就會(huì)多損失對(duì)應(yīng)的發(fā)電能力。對(duì)比星形連接與放射形連接的風(fēng)電場(chǎng)可以看出,在恢復(fù)階段星形連接風(fēng)電場(chǎng)的供電能力比放射形連接風(fēng)電場(chǎng)更多,這一差異特別體現(xiàn)在恢復(fù)階段的初期。這是由于星形連接這種接線方式相比放射形連接能夠?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)線路發(fā)生失效時(shí)提供更多的冗余性能。這有助于風(fēng)電場(chǎng)在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)更多的供電能力,即運(yùn)營(yíng)彈性。

4.3 彈性量化指標(biāo)分析

4.3.1 基礎(chǔ)設(shè)施彈性量化指標(biāo)分析

對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施彈性進(jìn)行分析。根據(jù)上文中提出的風(fēng)電場(chǎng)彈性量化方法,對(duì)蒙特卡洛模擬的記錄的每一步數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可得到風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施彈性在較為平均水平上的總體彈性量化結(jié)果?；A(chǔ)設(shè)施彈性指標(biāo)Φ、Λ與Π如圖7所示;基礎(chǔ)設(shè)施彈性指標(biāo)E如表3所示。

圖7 基礎(chǔ)設(shè)施彈性指標(biāo)Φ、Λ與Π

表3 基礎(chǔ)設(shè)施彈性指標(biāo)E

在之前所提出的彈性量化方法中,指標(biāo)Φ代表極端風(fēng)況發(fā)生時(shí)風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施彈性下降的速率。由圖7可見,在風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施中,無偏航風(fēng)電機(jī)組的下降速率最大,其次是架空線路,有偏航風(fēng)電機(jī)組的下降速率最低。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是在破壞性較大的極端風(fēng)況事件發(fā)生后,無偏航風(fēng)電機(jī)組會(huì)產(chǎn)生大量的失效,而有偏航風(fēng)電機(jī)組對(duì)于這種災(zāi)害仍有較強(qiáng)的抵御能力。然而這種極端風(fēng)況發(fā)生的概率是極低的。

對(duì)于架空線路來說,不同程度的極端風(fēng)況都或只是其發(fā)生多少的失效,而其中大部分發(fā)生的都是只會(huì)引起線路輕微失效的極端風(fēng)況。故而架空線路的Φ指標(biāo)在數(shù)值上會(huì)低于無偏航風(fēng)電機(jī)組。指標(biāo)Λ代表基礎(chǔ)設(shè)施彈性的下降程度。在圖7中,有偏航風(fēng)電機(jī)組指標(biāo)Λ的值很低,說明其失效的程度很低;接著是無偏航風(fēng)電機(jī)組,存在一定程度上的失效;最后是架空線路,失效率最高。根據(jù)以上分析,可以證明指標(biāo)Φ與指標(biāo)Λ能夠代表風(fēng)電場(chǎng)中各部件針對(duì)極端風(fēng)況的抵御能力。

在降級(jí)階段與恢復(fù)階段中,指標(biāo)Ε表示降級(jí)階段的持續(xù)時(shí)間,指標(biāo)Π表示恢復(fù)階段的恢復(fù)速率。這兩個(gè)指標(biāo)不僅與沖擊階段的損壞程度有關(guān),而且與備件情況與人員準(zhǔn)備有關(guān)。在圖7中,偏航系統(tǒng)正常與偏航系統(tǒng)失效風(fēng)電機(jī)組的指標(biāo)Π相同且低于架空線路的指標(biāo)Π,這是因?yàn)樵谇懊娴脑O(shè)定中,設(shè)定的風(fēng)電機(jī)組平均維修時(shí)間相同而且比架空線路的平均維修時(shí)間長(zhǎng)很多。在表3中,表明了擁有良好偏航系統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)降級(jí)時(shí)間比偏航系統(tǒng)失效風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)少,這是因?yàn)榍罢叩氖С潭缺群笳叩汀４送?表3展示了兩種不同巡檢人員準(zhǔn)備因子降級(jí)時(shí)間的區(qū)別,說明了人員準(zhǔn)備良好的風(fēng)電場(chǎng)的降級(jí)時(shí)間會(huì)低于準(zhǔn)備不足風(fēng)電場(chǎng)。

4.3.2 運(yùn)營(yíng)彈性量化指標(biāo)分析

下面對(duì)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)彈性進(jìn)行評(píng)估分析。風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)彈性指標(biāo)Π如表4所示;風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)彈性指標(biāo)Area如圖8所示。

表4 風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)彈性指標(biāo)Π

圖8 風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)彈性指標(biāo)Area

風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)彈性指標(biāo)Π在恢復(fù)階段時(shí)表示風(fēng)電場(chǎng)供電能力恢復(fù)速度。在表4中,顯示4種類型風(fēng)電場(chǎng)的指標(biāo)Π。其中,類型Ⅰ和類型Ⅱ比類型Ⅲ和類型Ⅳ高許多,這種差異是風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施所造成的。偏航系統(tǒng)正常工作風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施損失比偏航失效風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)的少,保留的供電設(shè)施會(huì)跟多,且維修的時(shí)間較短,故前者運(yùn)營(yíng)彈性的恢復(fù)速度比后者大。此外,對(duì)比類型Ⅱ與類型Ⅰ和類型Ⅳ與Ⅲ可以發(fā)現(xiàn)相同條件下放射形連接的風(fēng)電場(chǎng)恢復(fù)速度比星形連接的大,這是由于星形連接帶來的風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)性能冗余,使得在恢復(fù)階段初期星形連接的運(yùn)營(yíng)彈性比放射形連接的多,這樣就造成了在相同的維修時(shí)間下,星形連接風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)彈性的恢復(fù)速度顯得比放射形連接的慢。

Area指標(biāo)可以表示風(fēng)電場(chǎng)預(yù)期發(fā)電量的損失情況,圖8中橫坐標(biāo)Area1、Area2、Area3、Total Area分別表示沖擊階段、降級(jí)階段、恢復(fù)階段和三階段總共的運(yùn)營(yíng)彈性多變形面積。由圖8可見,在Area1中,4種類型的風(fēng)電場(chǎng)彈性多邊形面積并無區(qū)別。在Area2中,各類型面積會(huì)因?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組的偏航有無失效出現(xiàn)差異,這是因?yàn)榛A(chǔ)設(shè)施損壞不同而導(dǎo)致的降級(jí)時(shí)間的不同。在Area3中,各類型面積會(huì)由于偏航正常與否出現(xiàn)較大區(qū)別,這是由于降級(jí)時(shí)間的不同進(jìn)一步拉大了差異;同時(shí),放射形連接風(fēng)電場(chǎng)的面積會(huì)大于星形連接,產(chǎn)生這種現(xiàn)象也是因?yàn)樾切芜B接在恢復(fù)階段初期提升了運(yùn)營(yíng)彈性,縮短了彈性多邊形的邊長(zhǎng)。

通過上述分析,反映了具有良好條件的基礎(chǔ)設(shè)施有助于提升風(fēng)電場(chǎng)抵御極端風(fēng)況的能力,具有冗余的電氣線路接線方式可以使風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電能力在災(zāi)難過后快速恢復(fù),說明了風(fēng)電場(chǎng)的人員準(zhǔn)備在降級(jí)與恢復(fù)階段所起的關(guān)鍵作用。

基于對(duì)仿真結(jié)果的分析,表明了彈性量化與評(píng)估指標(biāo)能夠體現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的抵御力與恢復(fù)力,驗(yàn)證了所提出的風(fēng)電場(chǎng)彈性量化指標(biāo)與評(píng)估方法的有效性。

5 結(jié) 語

本文針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)于極端風(fēng)況的抵御力與恢復(fù)力,提出了風(fēng)電場(chǎng)彈性量化指標(biāo)和一種基于蒙特卡洛模擬的風(fēng)電場(chǎng)彈性評(píng)估方法,分別對(duì)4種風(fēng)電場(chǎng)類型,分析了在設(shè)備物理強(qiáng)度與冗余性能兩個(gè)方面對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施彈性以及運(yùn)營(yíng)彈性的影響,驗(yàn)證了所提出量化指標(biāo)與評(píng)估方法的有效性。

本文提出的方法完善了風(fēng)電場(chǎng)針對(duì)極端風(fēng)況彈性評(píng)估的手段,有助于完善風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)初期的考慮以及提升彈性的運(yùn)維策略。同時(shí),可以為電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與維護(hù)能源安全提供基礎(chǔ)。

需要指出的是,本文使用了簡(jiǎn)化風(fēng)電場(chǎng)模型,極端風(fēng)況、恢復(fù)過程的模擬趨于理想化。下一步研究擬進(jìn)一步改進(jìn)失效判定建模,完善降級(jí)與修復(fù)的模型。