喬中亞

（南京寧高協(xié)鑫燃機(jī)熱電有限公司）

0 引言

風(fēng)能是發(fā)展最快的能源之一，被認(rèn)為是傳統(tǒng)發(fā)電來源的重要替代品。隨著風(fēng)電在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的滲透率不斷提高，對(duì)其的綜合可靠性和成本評(píng)估變得更加重要。蒙特卡羅模擬和分析方法已用于評(píng)估包含風(fēng)電的發(fā)電系統(tǒng)的充分性［1-2］，該模擬方法可以識(shí)別風(fēng)能變化的時(shí)序及其對(duì)電力系統(tǒng)的影響。部分研究者提出了一種使用時(shí)間序列自回歸移動(dòng)平均（autoregressive and moving average，ARMA）模型來模擬小時(shí)風(fēng)速的算法。該方法需要在長時(shí)間內(nèi)為特定地理位置收集的實(shí)際風(fēng)速數(shù)據(jù)，以構(gòu)建特定地點(diǎn)的風(fēng)速模型，該模型可以反映風(fēng)場風(fēng)速的真實(shí)概率特征。本文提出了一種簡化的六階通用風(fēng)速模型，該模型可應(yīng)用于任何風(fēng)電場的電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估。通過評(píng)估選用風(fēng)電場的風(fēng)電滲透率，說明了所開發(fā)方法的有效性及實(shí)用性。

1 現(xiàn)場風(fēng)速數(shù)據(jù)及風(fēng)速模型

1.1 現(xiàn)場風(fēng)速數(shù)據(jù)

一個(gè)地理位置的風(fēng)資源變化很大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的功率取決于風(fēng)速，而風(fēng)速隨時(shí)間隨機(jī)波動(dòng)。因此，風(fēng)電研究需要準(zhǔn)確的模型來預(yù)測目標(biāo)風(fēng)電場位置的風(fēng)速變化。研究人員已將ARMA時(shí)間序列模型用作預(yù)測任何特定位置風(fēng)速數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確方法［3-5］。特定地理位置在任何給定時(shí)間的風(fēng)速可以使用式（1）來模擬。

其中，SWt是根據(jù)歷史平均風(fēng)速μt和標(biāo)準(zhǔn)偏差σt計(jì)算的t小時(shí)的模擬風(fēng)速；yt的時(shí)間序列值可以使用式（2）獲得：

式中，φi（i＝1，…，n）和θj（j＝1，…m）分別是模型的自回歸和移動(dòng)平均參數(shù)；αt是具有零均值和方差的正態(tài)白噪聲過程，即，其中NID表示正態(tài)獨(dú)立分布。

公式（2）中所示的自回歸和移動(dòng)平均參數(shù)的階數(shù)（n、m）和值可以使用非線性最小二乘法求得。使用之前研究中提供的算法，本文開發(fā)了一個(gè)計(jì)算機(jī)程序來估計(jì)地理風(fēng)電場站點(diǎn)的ARMA模型參數(shù)。

1.2 多個(gè)風(fēng)場的通用風(fēng)速模型

在本節(jié)中，概率分布是根據(jù)所選位置的年平均風(fēng)速值μ和標(biāo)準(zhǔn)偏差σ繪制的。該分布考慮了高達(dá)10σ的風(fēng)速，并且包括極值。分布分為Nb個(gè)間隔步長，每個(gè)步長的長度為10σ／Nb，這些步長的中點(diǎn)值為SWbi（i＝1…Nb），其中一個(gè)步長的中點(diǎn)為μ。SWbi的表達(dá)式如公式（3）所示。例如，對(duì)于100階模型，風(fēng)速階躍的中點(diǎn)值SWbi如下：μ－4.9σ，μ－4.8σ…，μ－0.1σ，μ，μ＋0.1σ，μ＋0.2σ，…，μ＋5σ。

每個(gè)步驟的概率Pbi（i＝1…Nb）可以通過式（4）來計(jì)算。

其中，Nbi是SWbi中模擬風(fēng)速數(shù)據(jù)的數(shù)量。

2 可靠性評(píng)估

2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型

在可靠性分析中，準(zhǔn)確評(píng)估位于特定地理位置的風(fēng)力發(fā)電機(jī)（wind turbine generator，WTG）產(chǎn)生的電力是很重要的。發(fā)電功率隨風(fēng)電場現(xiàn)場的風(fēng)速而變化，風(fēng)電機(jī)組的功率輸出可以從其功率曲線中確定。公式（5）是功率線的數(shù)學(xué)表達(dá)式。因此，對(duì)應(yīng)于給定風(fēng)速SWbi（i＝1…Nb）的發(fā)電功率Pi（i＝1…Nb），可以從式（5）中獲得。

其中，常數(shù)A、B和C為現(xiàn)場給定參數(shù)；當(dāng)風(fēng)速小于Vci和大于Vco時(shí)，WTG產(chǎn)生的輸出功率為零。因此，可以將與這些值相對(duì)應(yīng)的風(fēng)速模型步長組合成累積步長，并且可以從式（4）獲得零輸出概率Pp0。

本文通過將通用模型應(yīng)用于一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，說明了該模型的應(yīng)用。研究中使用了額定功率為1.5MW，切入風(fēng)速、額定風(fēng)速和切出風(fēng)速分別為14.4km／h、45km／h和90km／h的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

2.2 常用風(fēng)速模型在可靠性研究中的有效性

風(fēng)電場的發(fā)電模型可以很容易地從常見風(fēng)速模型中獲得，本文僅使用特定地點(diǎn)的μ、σ數(shù)據(jù)以及WTG功率曲線，并使用測試系統(tǒng)分析了該通用模型在實(shí)際可靠性應(yīng)用中的有效性。使用分析技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)風(fēng)電場進(jìn)行了可靠性研究，以說明不同地點(diǎn)通用風(fēng)速模型的實(shí)用性。

該實(shí)驗(yàn)由11臺(tái)傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組組成，總?cè)萘繛?40MW，系統(tǒng)峰值負(fù)荷為185MW。風(fēng)電場中增加了一個(gè)擁有18臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)電場，研究中使用了額定功率為1.5MW，切入風(fēng)速、額定風(fēng)速和切出風(fēng)速分別為14.4、45和90km／h的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。新增風(fēng)電容量為27MW，幾乎占系統(tǒng)總裝機(jī)容量的10%。結(jié)果表明，通用風(fēng)速模型可以用于包含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)的可靠性評(píng)估，并且與不同站點(diǎn)的特定點(diǎn)ARMA模型相比，可以提供非常接近的結(jié)果。

3 簡化的多狀態(tài)WTG模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估中使用的分析方法中，風(fēng)電機(jī)組由多狀態(tài)模型表示。常用風(fēng)速模型中，使用不同數(shù)量的風(fēng)速步長，對(duì)峰值負(fù)荷水平增加的系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)期損失LOLE進(jìn)行了評(píng)估研究，結(jié)果如圖1所示?？梢钥闯?，在風(fēng)速模型中6階或更多階數(shù)的結(jié)果較為接近，風(fēng)電場的可靠性貢獻(xiàn)在很大程度上取決于現(xiàn)場的風(fēng)況。針對(duì)具有不同風(fēng)況的風(fēng)電場，也進(jìn)行了類似于圖1所示的研究，圖2顯示了風(fēng)電場2的LOLE結(jié)果。該圖表明，6階風(fēng)速模型足以進(jìn)行具有合理精度的可靠性研究。

圖1 具有10%的風(fēng)力穿透水平風(fēng)電場1（18個(gè)WTG）

圖2 具有10%的風(fēng)力穿透水平風(fēng)電場2（18個(gè)WTG）

需要注意的是，在上述研究中，所選風(fēng)電場增加了27MW 的風(fēng)電容量，相當(dāng)于約10%的穿透率。由于風(fēng)源的可靠性貢獻(xiàn)高度依賴于風(fēng)力穿透水平，因此在實(shí)際風(fēng)力穿透水平下確定適當(dāng)數(shù)量的風(fēng)速模型步驟很重要。在大多數(shù)電力系統(tǒng)中，現(xiàn)有的風(fēng)電穿透水平遠(yuǎn)低于上述獲得的10%。對(duì)1%的風(fēng)力穿透率進(jìn)行的研究表明，階數(shù)對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)期損失結(jié)果沒有影響。當(dāng)穿透水平不顯著時(shí)，風(fēng)電對(duì)整個(gè)系統(tǒng)可靠性的影響相對(duì)較小。

電力系統(tǒng)規(guī)劃中的可靠性評(píng)估應(yīng)具有長期規(guī)劃視野，預(yù)計(jì)未來10～15年，風(fēng)電滲透率將增長至10% ～15%。圖3顯示了當(dāng)風(fēng)電場包含28個(gè)WTG機(jī)組時(shí)獲得的結(jié)果，將風(fēng)力穿透率增加到系統(tǒng)總裝機(jī)容量的15%。

圖3 具有15%風(fēng)力穿透水平的風(fēng)電場3（28WTG）

結(jié)果表明，6階風(fēng)速模型適用于可靠性研究，具有合理的精度?？捎糜诰哂泻侠砭鹊碾娏ο到y(tǒng)可靠性研究的6階通用風(fēng)速模型如圖4所示。該模型顯示了6階風(fēng)速步長和相應(yīng)的概率。

圖4 六階通用風(fēng)速模型

通過將六階通用風(fēng)速模型應(yīng)用于風(fēng)電場的一個(gè)站點(diǎn)，說明了該模型的應(yīng)用。風(fēng)電機(jī)組的簡化多狀態(tài)發(fā)電模型可以通過將6階通用風(fēng)速模型與功率曲線方程相結(jié)合來確定。該方法可用于開發(fā)一個(gè)簡單但充分的多狀態(tài)風(fēng)力發(fā)電模型，唯一需要的數(shù)據(jù)是風(fēng)電場現(xiàn)場的年度μ、σ數(shù)據(jù)，以及風(fēng)電機(jī)組的功率曲線數(shù)據(jù)。

圖5顯示了風(fēng)電場系統(tǒng)的可靠性評(píng)估結(jié)果，其中10%的風(fēng)力穿透來自27MW 風(fēng)電場。將從簡化模型獲得的結(jié)果與從現(xiàn)場的精確ARMA模型導(dǎo)出的100階風(fēng)速模型獲得的結(jié)果進(jìn)行比較。

圖5 不同型號(hào)風(fēng)電機(jī)組L OLE的比較

由圖5可以看出，與現(xiàn)場特定時(shí)間序列ARMA風(fēng)速模型推導(dǎo)出的100階模型相比，從通用6階風(fēng)速模型推導(dǎo)出來的簡化多狀態(tài)WTG發(fā)電模型可以提供非常接近的結(jié)果。因此，該簡化模型可以用于包括風(fēng)電在內(nèi)的發(fā)電系統(tǒng)的可靠性評(píng)估，具有合理的精度。

4 結(jié)束語

風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)實(shí)的可靠性評(píng)估技術(shù)變得越來越重要，這些技術(shù)對(duì)電力行業(yè)非常有用，預(yù)計(jì)未來幾年風(fēng)力發(fā)電的比例將迅速增長。風(fēng)能的收益在很大程度上取決于風(fēng)電場的風(fēng)況，因此，在可靠性評(píng)估中，獲得合適的風(fēng)速模型和合適的技術(shù)來開發(fā)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電模型是非常重要的。

本文利用三個(gè)不同風(fēng)況站點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)獲得了一個(gè)通用的風(fēng)速模型。如果平均風(fēng)速和標(biāo)準(zhǔn)偏差以及WTG功率曲線參數(shù)已知，則可以應(yīng)用通用風(fēng)速模型來獲得任何地理位置的風(fēng)電場發(fā)電模型。本文給出了不同可靠性研究的結(jié)果，表明在普通風(fēng)速模型中僅使用6階步驟就可以大大簡化風(fēng)力發(fā)電模型。介紹了為任何地理位置開發(fā)簡化的WTG多狀態(tài)模型的技術(shù)，并舉例說明。結(jié)果表明，該簡化方法可用于含風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性評(píng)估，具有合理的精度。這種方法對(duì)于缺乏足夠歷史數(shù)據(jù)的風(fēng)電場非常有用，易于實(shí)際應(yīng)用。