綜合考慮可靠性和經濟性的風/柴/儲能系統規劃

韓如月

（內蒙古工業大學電力學院，呼和浩特 010081）

風能功率波動對孤立發電系統有一定的影響，為改善發電系統的充裕度，提高系統的供電可靠性水平，常配備儲能設備，形成風/柴/儲能系統。

如何合理地選擇系統中 WTG（wind Turbine Generator）和儲能設備的容量，直接關系到系統的可靠性和經濟性。特別是在當前的電力市場環境下，規劃中不應單純考慮可靠性，也不能盲目追求高可靠性，必須尋找可靠性和經濟性的最優。目前已有一些研究者關注這個問題。文獻[1]提出了風/柴/儲能系統的成本/價值評估方法，也談到WTG儲能設備投入帶來的效益，如用戶缺電成本的降低等。文獻[2]提出了運用成本效益分析的風/柴/儲能系統規劃方法，在考慮滿足可靠性水平的前提下，將供電方并入 WTG和儲能設備的投資與其投入運行節省的燃料費用進行比較，從而決定規劃方案的經濟性。在此背景下，本文采用蒙特卡羅仿真計算風/柴/儲能系統的可靠性指標，并將文獻[1]提出的成本/價值評估模型用于系統的規劃，以期綜合考慮系統運行的可靠性和經濟性，尋找最優的 WTG和儲能設備的容量。

1 規劃方法

1.1 OUCM（Optim al Utility Cost Method）法[1]

與傳統規劃方法一樣，規劃中考慮可靠性指標不變（本文采用HLOLE指標來評估可靠性）的情況下，比較各方案的成本。當系統負荷增加時，為了維持要求的可靠性水平，必須增加WTG或儲能設備的容量。系統在確定的可靠性水平下總成本最小時，就認為找到了最優的WTG和儲能設備容量。可以繪制3種曲線，EESCC（Equal Energy Storage Capacity Curves），ERECC（Equal Renewable Energy Capacity Curves），ERC（Equal Risk Curves）來找到最優成本。EESCC描述了儲能容量確定時，可靠性指標與系統風機容量之間的關系。ERECC描述了可再生能源發電（文中指WTG）容量一定的情況下，可靠性指標與儲能設備容量的關系。利用以上兩組曲線，可以得到某一確定可靠性水平下的各種風機和儲能的容量組合，也即曲線 ERC。根據系統要求的可靠性水平，可以比較各方案的成本，確定最優方案。

1.2 RCWM（Reliability Cost/Worth Method）法[1]

在這種方法中，可靠性水平不再是確定的目標值，而是尋找到可靠性和經濟性都最佳的點。在這個可靠性水平下，綜合考慮了設備成本、節省的柴油費用和用戶缺電成本的總成本最小。同樣，采用HLOLE指標來評估可靠性。當系統中增加風機或儲能設備容量時，投入的設備成本增加，但相應節省的柴油費用增大，同時由于可靠性水平提高使得用戶供電中斷的成本減小。綜合比較，可確定可靠性和經濟性都最優的 WTG和儲能容量的組合。可用作小型孤立系統的規劃中。

兩種方法各有優劣。第一種方法簡單易行，但是要求規劃中有一個具體的可靠性目標。在第二種方法中，系統的可靠性水平不再是一個既定的值，而是隨著系統中的風機和儲能的容量變化的。

2 系統仿真模型

本文建立風/柴/儲能系統的充裕度評估模型考慮了以下幾個因素：

1）內蒙古自治區當地風速的時序性和隨機性的變化特點。

2）設備安裝地點的風資源與發電機組輸出功率的關系（此關系決定風/柴發電系統的運行策略和儲能設備的容量和充放電策略）。

3）柴油發電機組和風力發電機組的故障停運。

4）儲能設備安裝在系統母線上，為風力發電機組和柴油發電機組的組合發電系統補充能源。

2.1 蒙特卡羅方法

對基于以上幾個因素的考慮，本文采用蒙特卡羅模擬法對風/柴/儲能系統進行可靠性評估。采樣時考慮風速的隨機性、發電機的隨機故障率（FOR）和節點負荷的隨機波動3類不確定因素。抽樣確定WTG的容量、柴油機組的可用容量和負荷值后，對每一抽樣的狀態進行可用發電容量和負荷需求量的比較，再結合儲能模型，即可計算此狀態下的可靠性指標。在積累了足夠數目的樣本后，對每次狀態計算得到的可靠性指標進行統計而得到研究期間（如一年）內系統的可靠性指標。

2.2 風力發電機模型

同常規機組一樣，風力發電機組有一定的故障率，當其故障檢修時，輸出為零。不同之處在于，當其處于正常運行狀態時，可用輸出功率是由風力發電機（wind Turbine Generation，WTG）輸出功率和風電場風速之間的函數關系決定的。這個函數常被稱作功率曲線，它用 WTG的運行參數來描述，主要參數是：切入風速vi(WTG開始產生功率的風速)、額定風速vN(WTG產生額定功率的風速)和切出風速vo[3](WTG由于安全原因停運的風速)。

2.3 運行策略

在孤立發電系統中，儲能設備最基本的運行策略是當發電容量超出負荷容量時，多余的能量儲存在設備中；當發電容量不能滿足負荷的需求時，釋放儲存能量。存儲狀態時間序列可以由負荷時間序列和發電系統輸出功率時間序列決定，也決定儲能設備的充電和放電策略[4]。

3 算例

本文制定樣例系統進行充裕度評估，計算充裕度指標。為了保證樣例系統的代表性，樣例參考IEEE可靠性測試系統（IEEE-RBTS）[5]選定測試系統的容量和參數，樣例系統的相關參數如表1所示。為了充分利用風能，兩臺柴油機一臺持續運行，另一臺作為備用機組，以補充風力發電機組的供電不足。負荷模型采用IEEE-RBTS中介紹的每小時負荷模型，系統峰值負荷為90kW。

表1 樣例系統參數

通過算例計算當規劃年系統負荷增加到100kW時，如何在綜合考慮可靠性和經濟性的情況下選擇系統的儲能設備和 WTG容量。采用蒙特卡羅模擬法編制程序計算系統的可靠性。分別利用前文提到的兩種方法進行系統的規劃。計算中涉及到的成本計算參考文獻[1]。

3.1 OUCM法進行系統規劃

通過在系統中增加 WTG和儲能的容量，維持系統的可靠性指標HLOLE仍為30h/year。

圖1示出了4種不同的WTG容量下的ERECC（Equal Renewable Energy Capacity Curve）曲線。任意一條曲線中，隨著儲能設備容量的增加，系統的可靠性水平增加，即可靠性指標值減小。在要求的系統可靠性水平下，可計算比較各方案的成本。如要求可靠性指標HLOLE的值維持30 h/year，比較可得，當WTG為180kW，而儲能容量為400kW·h，成本最小。而當 WTG為 90kW、而儲能容量為530kW·h時，成本最大。

圖1 等W TG曲線

圖 2為不同的儲能容量下的 EESCC（Equal Energy Storage Capacity Curves）曲線。儲能容量從300開始，每次遞增50，直到500為止。結果證明，盡管在五種不同的容量組合下均可保證可靠性水平為HLOLE等于30h/year，但是成本卻不同。最小成本出現在WTG為330kW，儲能為300kW·h時，最大成本出現在儲能為500kW·h，WTG為100kW時。

圖2 等儲能容量曲線

圖3顯示了HLOLE為30和35時的ERC曲線（Equal Risk Curves）。舉例來說，當儲能容量為300kW·h時，若要求 HLOLE為 35h/year，則 WTG為240kW的時候可以滿足要求；當WTG增為330kW的時候，HLOLE提高到30 h/year。某一個HLOLE水平下的ERC曲線上可以有不同的WTG和儲能容量的組合方案，可選擇一個對應最小的平均年費用的方案。而系統規劃所要求的可靠性水平不同，所對應的最小成本是不同的。算例計算結果可得，當要求系統的HLOLE水平為30h/year時，成本最小的方案為WTG為330kW，儲能為300kW·h。

圖3 等風險（可靠性）水平曲線

3.2 RCWM方法進行系統規劃

對給定的系統而言，兩種方法下的最小成本是一樣的。在RCWM方法中，可靠性指標不是預先確定的值，而是由系統的最小成本決定的。計算中考慮了用戶的停電成本，以停電成本為50$/kW·h計算。節省的柴油費用是指由于系統中使用了WTG和儲能設備而節省的柴油成本。柴油成本以 1.1$/L計算，每升柴油可發電 3.2kW·h。設備成本指 WTG、柴油機組和儲能設備的投資成本（包括檢修費用等），文中使用了資金的等年值。方案中的總成本為設備成本加上停電成本再減去節省的柴油費用。

本文分別比較WTG和儲能系統對成本的影響。首先，儲能的容量設為固定，在系統中不斷增加WTG容量。然后比較哪種方案的成本最小。然后改變儲能設備的容量，將上述過程重復一遍。尋找到最優的 WTG容量是對應成本最小的方案。同樣，也可保持 WTG容量為固定的值，不斷增加儲能設備的容量。顯然，最優的儲能容量是對應成本最小的方案。

表2為儲能設備為300kW·h不變，而WTG從120kW 逐漸增加到 330kW 時的成本計算。從表中數據可以看出，最初投入的 WTG容量越大，節省的柴油費用越多，但隨著 WTG容量的增加，投入風機帶來的效益逐漸下降，即投入風機的成本增加超過其所節省的柴油費用和減少的用戶停電損失。從表中數據可以看出，當WTG容量為180kW時，成本最小。

表2 W TG容量增加對成本的影響

表3為WTG容量為90kW不變，而儲能設備的容量從300kW·h不斷增加到450kW·h時的各種成本計算。結果顯示，投入儲能設備帶來的效益（主要指節省的柴油費用）沒有投入成本大。此時，不宜增加儲能容量。

表3 儲能容量增加對成本的影響

用 RCWM 方法進行系統規劃時，將所有方案的成本進行比較，得出當儲能為 300kW·h、風機容量為180kW時，成本最小。

4 結論

文中對風/柴/儲能系統進行綜合考慮經濟性和可靠性的規劃方法進行了分析。OUCM方法簡單易行，首先確定系統要求的可靠性水平，然后在各種WTG容量和儲能設備容量的組合方案中選擇成本最小的作為規劃方案。在 RCWM 方法中，可靠性指標不再是系統指定的參數，而是優化的結果。最優可靠性指標是權衡可靠性成本與可靠性效益而得到的。比較而言，在規劃中選用哪種方法要視具體的要求和系統的特點而定。但 RCWM 方法更能體現電力市場環境下，不再是可靠性大于經濟性，而是尋求可靠性和經濟性最優的思想。

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[2]董凱,江輝,黃澤榮,鐘浩．運用成本效益分析的風/柴/儲能系統規劃方法[J]電力系統及其自動化學報,2010,22(3):67-72.

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[4]Bagen, Roy Billinton. Incorporating Well-Being Considerations in Generating Systems Using Energy Storage[J]. 2005, 20(1):225-230.

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[6]栗文義,張保會,巴根.風能大規模應用對電力系統可靠性的影響[J].中國電機工程學報,2008, 28(1):100-105.

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[9]栗文義,張保會,巴根. 風/柴/儲能系統發電容量充裕度評估中國電機工程學報,2006,26(16):62-67.