儲能設備對孤立風力發(fā)電系統(tǒng)的影響

王瑞剛，栗文義，韓如月，奚慶哲，鮑鑫，王銀莎，巴根

（1.呼和浩特供電局，內蒙古呼和浩特010051；2.內蒙古工業(yè)大學電力學院，內蒙古呼和浩特010081；3．本溪供電公司，遼寧 本溪117000；4．曼尼托巴水電集團電網(wǎng)規(guī)劃部,溫尼伯加拿大 R3T0P4）

內蒙古邊遠農村和牧區(qū)的電力需求有其獨特的情況。由于地理位置和經濟原因這些地區(qū)很難與電網(wǎng)相聯(lián)。目前大多數(shù)邊遠地區(qū)依靠柴油燃料提供電力。因為燃料價格在不斷上升，加之燃料運輸和柴油機的維護成本相對較高，在這些邊遠地區(qū)使用柴油提供電力非常昂貴；另一方面，這些地區(qū)的風力資源豐富，風能的利用潛力很大。在這些地區(qū)，可選擇特定的風/柴孤立發(fā)電系統(tǒng)供電，從而提高該地區(qū)的供電可靠性和經濟效益[1]。但是風能的間歇性和隨機性特點對風力發(fā)電系統(tǒng)的運行影響很大[2]。在系統(tǒng)中安裝儲能設備是解決該問題的一種有效方式[3]。筆者采用序貫蒙特卡羅方法[4-5]對含有儲能設備的風/柴孤立發(fā)電系統(tǒng)（簡稱風/柴/儲能孤立發(fā)電系統(tǒng)）充裕度進行分析和計算。充裕度是指電力系統(tǒng)內部是否擁有容量足夠的電力設備以滿足用戶的需求和電力系統(tǒng)運行的安全約束。所以筆者在發(fā)電系統(tǒng)強迫停運率（Forced Outage Rate，F(xiàn)OR）、儲能設備容量以及峰值負荷的取值不同的情況下，計算相應的充裕度指標，分析安裝儲能設備對風/柴孤立發(fā)電系統(tǒng)充裕度的影響。

1 充裕度評估方法

風/柴/儲能孤立發(fā)電系統(tǒng)充裕度評估的主要目的是檢查系統(tǒng)發(fā)電能力能否滿足負荷的需要[6]。風/柴/儲能孤立發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 風/柴/儲能孤立發(fā)電系統(tǒng)Fig.1 Wind-diesel-storage generation system

本文建立風/柴/儲能孤立發(fā)電系統(tǒng)的充裕度評估模型主要考慮了以下幾個因素。

1）風速的時序性和隨機性變化特點。

2）風速與風力發(fā)電機組輸出功率的關系[7]。

3）柴油發(fā)電機組和風力發(fā)電機組的故障停運和計劃檢修停運。

4）儲能設備儲存的能量來源于風力發(fā)電機組和柴油發(fā)電機組。

基于以上幾個因素的考慮，本文采用序貫蒙特卡羅模擬法建立風/柴/儲能孤立發(fā)電系統(tǒng)充裕度評估模型，對系統(tǒng)進行充裕度評估。在考慮系統(tǒng)FOR和風速的隨機波動性的情況下，用序貫蒙特卡羅模擬法分別對柴油發(fā)電機組、風力發(fā)電機組的狀態(tài)持續(xù)時間進行抽樣，得到風/柴孤立發(fā)電系統(tǒng)容量模型。將風/柴孤立發(fā)電系統(tǒng)的容量模型、負荷模型和儲能模型三者相結合，得到風/柴/儲能孤立發(fā)電系統(tǒng)充裕度評估模型，然后用統(tǒng)計方法計算系統(tǒng)的充裕度指標。充裕度評估流程如圖2所示。

圖2 充裕度評估流程圖Fig.2 Generation adequacy assessment study process

在某個特定時間點，充裕度是發(fā)電可用容量和儲存能量以及負荷之間的差值[8]。充裕度為負時，說明系統(tǒng)發(fā)生停運故障。在多個抽樣年內，用序貫蒙特卡羅方法對充裕度評估模型進行模擬，通過對系統(tǒng)的充裕度進行數(shù)理統(tǒng)計計算，得到相關的充裕度指標。

充裕度指標是衡量系統(tǒng)運行狀態(tài)的數(shù)學期望值。充裕度評估中常用的充裕度指標有以下幾種。

1）電力不足時間期望值（Loss of Load Expectation，LOLE）[9-10],表示一年中發(fā)電系統(tǒng)不能滿足系統(tǒng)負荷的小時數(shù)。一般認為一個系統(tǒng)中的LOLE值在8 h/a左右為宜。

式中,ti表示在第i個時間段內電力不足持續(xù)時間；N表示總的抽樣年數(shù)。

2）電量不足期望值（Loss of Energy Expectation，LOEE）[11]，表示在一年中發(fā)電系統(tǒng)不能滿足系統(tǒng)負荷時所缺少的能量期望值。計算公式如下

式中，ei表示在第i個時間段內不能滿足負荷的能量；N表示總的抽樣年數(shù)。

3）儲能設備提供能量的期望值（Expected Energy Supplied，EES）[12]，表示在一年中發(fā)電系統(tǒng)不能滿足系統(tǒng)負荷需求時，需要由儲能設備釋放儲存能量以補足負荷需求的能量期望值。計算公式如下

式中，Si表示在第i個時間段內儲能設備提供的能量；N表示總的抽樣年數(shù)。

2 發(fā)電系統(tǒng)容量模型

2.1 柴油發(fā)電機組容量模型

柴油發(fā)電機組模型可采用兩態(tài)模型表示，運行時間和維修時間用指數(shù)分布表示[13]。故障時間（Time to Failure，TTF）和修復時間（Time to Repair，TTR）的抽樣值分別用平均修復時間（Mean Time to Failure，MTTF）和平均故障時間（Mean Time to Repair，MTTR）與服從指數(shù)分布隨機數(shù)相乘得到：

式中，U和U′用[0,1]范圍內的均勻分布隨機數(shù)表示；發(fā)電機組正常和停運2個狀態(tài)的模型由TTF和TTR抽樣得到。

2.2 風力發(fā)電機組發(fā)電容量模型

風力發(fā)電機組受風速波動影響較大，在準確建立風速模型后，計算風力發(fā)電機組的輸出功率，得到風力發(fā)電機組的發(fā)電容量模型。本文采用時間序列法建立風速模型[14]，由于不同的地區(qū)風速變化特點不同，因而風速模型也不相同。本文利用內蒙古某地區(qū)的長期觀測數(shù)據(jù)，通過模型定階和計算自回歸滑動平均（Auto Regressive Moving Average，ARMA）模型的參數(shù)等過程得到該地區(qū)的風速模型：

其中{at}是均值為零且方差為（0，0.455 8522）的正態(tài)白噪聲序列，即at∈NID（0,0.455 8522）。

由式（6）得到每小時風速后，再將風速值代入式（7）計算風力發(fā)電機組的輸出功率[15-16]。

式中，Pr，vci，vr和vco分別為風力發(fā)電機組的輸出額定功率、切入風速、額定風速和切出風速。常量A，B，C由式（8）計算

式（7）和（8）表示的關系也可以用風力發(fā)電機組的輸出功率曲線表示[17-18]。

3 儲能設備容量模型

在孤立發(fā)電系統(tǒng)中，儲能設備最基本的運行策略是當發(fā)電容量超出負荷容量時，多余的能量儲存在設備中；當發(fā)電容量不能滿足負荷的需求時，釋放儲存能量。儲能設備的狀態(tài)時間序列由負荷和發(fā)電系統(tǒng)容量狀態(tài)時間序列決定[19]。

儲能設備的狀態(tài)時間序列計算步驟如下：

1）由負荷時間序列和發(fā)電時間序列計算得到發(fā)電容量序列{SGi,i=1,2,…,T}，當SGi為正時，表示系統(tǒng)當前可用容量可以滿足負荷的需求；當SGi為負時，表示系統(tǒng)當前可用機組容量不能滿足負荷的需求。

式中，T為研究的總時間段內的小時數(shù)；{WGi,i=1,2,…,T}為每小時的風/柴孤立發(fā)電系統(tǒng)當前可用容量時間序列；{Li,i=1,2,…,T}為每小時負荷時間序列。

2）用式（10）計算儲能設備的存儲能量時間序列{Bi,i=1,2,…,T}

式中，Bi,Bm,BM分別為儲能設備儲存的能量值、最小值和最大值；t為時間，h。

4 儲能設備對風/柴孤立系統(tǒng)充裕度影響

為了分析儲能設備對風/柴孤立發(fā)電系統(tǒng)充裕度的影響，本文對樣例系統(tǒng)進行充裕度評估。在參考IEEE可靠性測試系統(tǒng)（IEEE-RBTS）[20]的基礎上，選定樣例系統(tǒng)的參數(shù)如表1所示。為了充分利用風能，兩臺柴油機一臺持續(xù)運行，另一臺作為備用機組，以補充風力發(fā)電機組的供電不足。負荷模型采用IEEE-RBTS中的每小時負荷模型，系統(tǒng)峰值負荷為60 kW。

表1 樣例系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Example systems

4.1 安裝儲能設備對系統(tǒng)充裕度指標的影響

安裝儲能設備前后系統(tǒng)的LOLE和LOEE計算結果如圖3和圖4所示。當負荷峰值增大到70 kW以上時，安裝儲能設備前的系統(tǒng)LOLE和LOEE快速增大；而安裝儲能設備后，當峰值負荷增加到100 kW以上時，系統(tǒng)LOLE和LOEE才開始快速增大。由此可見，含有儲能設備的風/柴孤立發(fā)電系統(tǒng)供電可靠性明顯提高。

圖3 系統(tǒng)峰值負荷變化對系統(tǒng)LOLE的影響Fig.3 The peak load effect on LOLE

圖4 系統(tǒng)峰值負荷對系統(tǒng)LOEE的影響Fig.4 The peak load effect on LOEE

4.2 儲能設備受發(fā)電系統(tǒng)FOR的影響

4.2.1 柴油發(fā)電機FOR對系統(tǒng)和儲能設備的影響

柴油發(fā)電機FOR從0.01到0.10變化時，計算安裝儲能設備前后風/柴孤立發(fā)電系統(tǒng)充裕度指標。如圖5所示，柴油發(fā)電機FOR對發(fā)電系統(tǒng)的影響很大，這主要是因為柴油發(fā)電機組承擔系統(tǒng)的基荷。隨著柴油發(fā)電機組的強迫停運率的增大，發(fā)電系統(tǒng)的充裕度水平會明顯下降；再者，柴油發(fā)電機組啟停時間較長，故障停運和檢修停運都會造成系統(tǒng)在可用容量較小的狀態(tài)下長時間運行。受此影響，儲能設備需長時間投入運行，其EES值波動較大，如圖6所示。

圖5 柴油發(fā)電機FOR對系統(tǒng)LOLE的影響Fig.5 The diesel generator FOR effect on LOLE

圖6 柴油發(fā)電機FOR對儲能設備EES的影響Fig.6 The Diesel Generator FOR effect on EES

4.2.2 風力發(fā)電機組FOR對系統(tǒng)和儲能設備的影響

當風力發(fā)電機組FOR從0.02到0.10變化時，由圖7和圖8可知，風力發(fā)電機組FOR對有無儲能設備的風/柴孤立發(fā)電系統(tǒng)的影響均不明顯，LOLE值波動不大。這是因為風力發(fā)電機組的輸出功率很大程度上是由風資源決定的，風速的隨機波動對風力發(fā)電機組的輸出功率影響很大，從而使得風力發(fā)電機組故障和機組檢修對系統(tǒng)可靠性的影響成為次要因素，所以FOR對風力發(fā)電系統(tǒng)影響不是特別明顯。由于儲能設備充放電受到風力發(fā)電機組輸出功率的影響，當風力發(fā)電機組發(fā)電能量不足時儲能設備釋放電能，而風力發(fā)電機組受FOR影響發(fā)生能量不足的情況較少（受到風速影響的情況較多），因此系統(tǒng)受風力發(fā)電機組FOR的影響而需要釋放儲能設備能量的情況也較少，對EES影響也不大。

圖7 風力發(fā)電機組FOR對系統(tǒng)LOLE的影響Fig.7 The WTG FOR Effect on LOLE

圖8 風力發(fā)電機組FOR對儲能設備EES的影響Fig.8 The WTG FOR Effect on EES

4.3 儲能設備容量變化對系統(tǒng)的影響

當儲能設備容量從100kW·h逐漸變化到700kW·h時，計算系統(tǒng)的LOLE和LOEE。由圖9和圖10可知，當儲能設備容量增加到300 kW·h以上時，儲能設備容量增加對系統(tǒng)的充裕度水平改進不大，該樣例系統(tǒng)的儲能設備容量選擇在300～400 kW·h之間時，LOLE和LOEE值變化比較平緩，而且LOLE在8 h/a左右,系統(tǒng)的充裕度水平較為合理。

圖9 儲能設備容量對系統(tǒng)LOLE的影響Fig.9 The energy storage capacity Effect on LOLE

圖10 儲能設備容量對系統(tǒng)LOEE的影響Fig.10 The energy storage capacity Effect on LOEE

5 結論

本文采用蒙特卡羅模擬法建立了風/柴/儲能孤立發(fā)電系統(tǒng)充裕度評估模型。利用該充裕度評估模型，計算了樣例系統(tǒng)安裝儲能設備前后的充裕度指標。結果表明，加入儲能設備能明顯的提高發(fā)電系統(tǒng)的充裕度水平。在發(fā)電系統(tǒng)FOR不同的情況下，分析了風/柴/儲能孤立發(fā)電系統(tǒng)充裕度指標LOLE和儲能系統(tǒng)的EES的變化情況，發(fā)現(xiàn)風/柴/儲能孤立發(fā)電系統(tǒng)受風力發(fā)電機組FOR的影響不大，而受柴油發(fā)電機組FOR的影響較大。本文還對儲能容量對系統(tǒng)的影響作了分析，得出的結論可為進一步開展相關研究工作提供理論指導。

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