張擇策,沈天時(shí)

(西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

基于廣義等效法的含大規(guī)模風(fēng)電接入的發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估

張擇策,沈天時(shí)

(西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

只含有傳統(tǒng)機(jī)組的發(fā)電系統(tǒng)，由于可將機(jī)組簡化為兩種狀態(tài)模型，采用蒙特卡洛模擬法模擬機(jī)組狀態(tài)，其可靠性評估較易實(shí)現(xiàn)。由于風(fēng)的隨機(jī)性和間歇性，在含有大規(guī)模風(fēng)電接入的發(fā)電系統(tǒng)中，不能簡單將風(fēng)電機(jī)組看成兩種狀態(tài)模型。因此，提出廣義等效法，將風(fēng)電機(jī)組群一步步等效成1個(gè)傳統(tǒng)機(jī)組，并引入zzc系數(shù)定義了該等效機(jī)組的平均穩(wěn)定工作時(shí)間MTTS。選取RTS79系統(tǒng)作為算例，考慮大規(guī)模風(fēng)電的接入，使用廣義等效法計(jì)算可靠性指標(biāo)EENS和LOLE，并與傳統(tǒng)蒙特卡洛模擬法的結(jié)果進(jìn)行比較。所提方法為簡化風(fēng)電機(jī)組群模型提供了思路，對含大規(guī)模風(fēng)電接入的發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估有一定指導(dǎo)作用。

風(fēng)電；可靠性評估；廣義等效法；zzc系數(shù)；MTTS

0 前 言

發(fā)電系統(tǒng)可靠性在電力系統(tǒng)可靠性中至關(guān)重要，它直接影響電能的充裕度。風(fēng)力發(fā)電是可再生能源發(fā)電形式中技術(shù)最成熟、最具開發(fā)規(guī)模和商業(yè)化前景。然而風(fēng)在時(shí)間和空間上鮮明的間歇性和波動性會造成風(fēng)機(jī)出力不穩(wěn)，這對發(fā)電系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的傳統(tǒng)計(jì)算方式產(chǎn)生了沖擊[1-4]。

許多研究者認(rèn)為，可以將風(fēng)電機(jī)組看成1個(gè)多狀態(tài)機(jī)組進(jìn)行處理，這在一定程度上計(jì)入了風(fēng)電本身的特征。然而，風(fēng)電機(jī)組容量小、數(shù)量多，若用傳統(tǒng)的模擬法模擬機(jī)組狀態(tài)，在風(fēng)機(jī)數(shù)量增多或者風(fēng)機(jī)狀態(tài)數(shù)增多時(shí)，將會造成極大的運(yùn)算量[5-8]。

下面提出了廣義等效法，基于概率分布的理論使用按權(quán)分配的方法將風(fēng)電機(jī)組群一步步等效成一個(gè)傳統(tǒng)機(jī)組，為實(shí)現(xiàn)計(jì)算的統(tǒng)一性，引入zzc系數(shù)定義了該等效機(jī)組的平均穩(wěn)定工作時(shí)間MTTS。為簡化風(fēng)電機(jī)組群模型提供了思路，對含大規(guī)模風(fēng)電接入的發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估有一定指導(dǎo)作用。

1 廣義等效法

傳統(tǒng)模擬法難以處理大規(guī)模多狀態(tài)風(fēng)電機(jī)組群，其根本原因是將風(fēng)電機(jī)組的地位看成是與傳統(tǒng)機(jī)組平等的。大量研究者認(rèn)為，在發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估中，既然對每個(gè)傳統(tǒng)機(jī)組要單獨(dú)模擬其狀態(tài)和狀態(tài)持續(xù)時(shí)間，那么對于風(fēng)電機(jī)組也應(yīng)該做同樣的處理[9-11]。這樣的思路無疑是忽略了風(fēng)電機(jī)組本身的一些特點(diǎn)。在實(shí)際風(fēng)電機(jī)組群中，是大量完全相同的風(fēng)電機(jī)組，它們?nèi)萘亢苄?，往往整個(gè)風(fēng)電機(jī)組群的總?cè)萘坎畔喈?dāng)于1個(gè)傳統(tǒng)機(jī)組。

圖1 風(fēng)速分段

因此，提供的思路是將整個(gè)風(fēng)電機(jī)組群對發(fā)電系統(tǒng)的影響看成是1個(gè)等效機(jī)組的影響，而在可靠性指標(biāo)計(jì)算中將該等效機(jī)組看成傳統(tǒng)機(jī)組進(jìn)行處理。廣義等效法的實(shí)質(zhì)是在預(yù)處理階段計(jì)入風(fēng)電的間歇性和波動性，而等效后就看成傳統(tǒng)機(jī)組參與狀態(tài)模擬，以節(jié)省模擬的運(yùn)算量。

1.1 風(fēng)電機(jī)組群的容量等效

標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布已在工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用，假設(shè)當(dāng)某地的風(fēng)速統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)足夠長時(shí)，則在統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)的風(fēng)速可近似的服從正態(tài)分布[8]。

將風(fēng)速分布劃分為如下5個(gè)區(qū)段[12]：小于切入風(fēng)速Vci、切入風(fēng)速Vci和平均風(fēng)速Vm之間、平均風(fēng)速Vm和額定風(fēng)速Vr之間、額定風(fēng)速Vr和切出風(fēng)速Vco之間以及大于切出風(fēng)速Vco，即將所有風(fēng)速分為落入圖中5個(gè)區(qū)段的5種風(fēng)速V1、V2、V3、V4、V5，其中，取V2=0.5×(Vci+Vm)，V3=0.5×(Vm+Vr)。另外，根據(jù)風(fēng)功率P與風(fēng)速V的關(guān)系，V1、V4、V5對應(yīng)的P為已知值。

風(fēng)速分段如圖1所示。由于風(fēng)速服從正態(tài)分布，5種風(fēng)速所對應(yīng)的概率也容易得到，見表1。

表1 5種風(fēng)速及其概率

風(fēng)功率P與風(fēng)速V的關(guān)系如下。

易得各風(fēng)功率值及其概率，見表2。

表2 各風(fēng)功率及其概率

其中P1=0，假設(shè)風(fēng)電機(jī)組群由n臺額定容量為Pr的風(fēng)機(jī)組成，忽略尾流效應(yīng)，定義風(fēng)電機(jī)組群的等效容量：

Pw=n(p2×P2+p3+p4×Pr)

至此，將整個(gè)風(fēng)電機(jī)組群看成1臺容量為Pw的傳統(tǒng)機(jī)組。

1.2 風(fēng)電機(jī)組群的參數(shù)等效

傳統(tǒng)機(jī)組參與計(jì)算的參數(shù)有容量P、強(qiáng)迫停運(yùn)率FOR、平均故障修復(fù)時(shí)間MTTR和平均無故障工作時(shí)間MTTF。上節(jié)已得到等效容量Pw，為實(shí)現(xiàn)等效，還需要得到風(fēng)電機(jī)組群的廣義停運(yùn)率FORBS、平均故障修復(fù)時(shí)間MTTR′和1個(gè)在公式中用來代替MTTF，表征風(fēng)電出力穩(wěn)定性的時(shí)間參數(shù)——平均穩(wěn)定工作時(shí)間MTTS。

FORBS定義為理論上風(fēng)機(jī)出力為0的頻率，即歷史風(fēng)速數(shù)據(jù)中風(fēng)速小于Vci以及大于Vco的頻率。MTTR′與常規(guī)機(jī)組一樣定義為修復(fù)率μ的倒數(shù)。

MTTS的定義如下。

首先定義k率，用于表征出現(xiàn)各個(gè)不同相鄰風(fēng)速波動的頻率。即比較每個(gè)相鄰小時(shí)風(fēng)速差值的絕對值，設(shè)歷史數(shù)據(jù)共有m個(gè)小時(shí)，則

end

圖2 實(shí)際風(fēng)速分段

圖3 EENS結(jié)果對比

不同k率對風(fēng)機(jī)不穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)是不同的，因此定義zzc系數(shù)與z率，假設(shè)相鄰k率對z率的貢獻(xiàn)相差10倍，公式如下：

z率表征風(fēng)機(jī)綜合不穩(wěn)定性，其中zzc系數(shù)用于調(diào)整z率的數(shù)量級。類比傳統(tǒng)機(jī)組MTTF的定義，取z率的倒數(shù)1/z為平均穩(wěn)定工作時(shí)間MTTS。

2 算例與分析

2.1 算例計(jì)算

為驗(yàn)證廣義等效法的有效性，下面選用RTS79系統(tǒng)作為算例，該系統(tǒng)含有32臺火電機(jī)組，總?cè)萘? 405MW，年負(fù)荷選用RTS79系統(tǒng)負(fù)荷數(shù)據(jù)。已知各單臺機(jī)組的額定容量、強(qiáng)迫停運(yùn)率FOR、平均故障修復(fù)時(shí)間MTTR和平均無故障工作時(shí)間MTTF。考慮300臺額定功率為1.5MW的風(fēng)機(jī)(修復(fù)率已知)接入發(fā)電系統(tǒng)，此時(shí)的風(fēng)電滲透率為11.67%。

歷史風(fēng)速數(shù)據(jù)使用5年(43 648h)的風(fēng)速數(shù)據(jù)，其中：

Vm=8.02km/h，σ=5.19km/h，Vci=3km/h，Vco=23km/h，Vr=13km/h

風(fēng)速分布曲線如圖2所示。

按風(fēng)速服從正態(tài)分布計(jì)算出5種風(fēng)速所對應(yīng)的概率p1～p5見表1。

表3 5種實(shí)際風(fēng)速及其概率

再由風(fēng)功率P與風(fēng)速V的關(guān)系得到各風(fēng)功率值及其概率，見表4。

表4 各實(shí)際風(fēng)功率及其概率

計(jì)算出等效容量Pw=n×(p2×P2+p3×P3+p4×Pr)=245.314MW,選取風(fēng)機(jī)修復(fù)率為0.006 7，計(jì)算出平均故障修復(fù)時(shí)間MTTR′為149.253 7h的風(fēng)機(jī)，廣義停運(yùn)率FORBS為0.095 9，按照1.2的辦法求得不同zzc系數(shù)下的z率，MTTS如表5所示。

圖4 LOLE結(jié)果對比

zzz系數(shù)z率MTTS/hzzc=0.00250.022544.444zzc=0.00300.027037.037zzc=0.00350.031531.746

至此，將300臺組成1.5MW的風(fēng)電機(jī)組群看做RTS系統(tǒng)的第33臺傳統(tǒng)機(jī)組，計(jì)算中代入?yún)?shù)Pw、FORBS、MTTR′和MTSS，廣義等效完成。

2.2 結(jié)果分析

以zzc系數(shù)取0.003為例分析，用傳統(tǒng)的序貫蒙特卡洛法和廣義等效法分別模擬1000年、2000年……10000年的情況，比較指標(biāo)EENS和LOLE，如圖3和圖4所示。

從圖中可以看出使用廣義等效法計(jì)算出的指標(biāo)結(jié)果和傳統(tǒng)方法的計(jì)算結(jié)果差別很小，下面再考察指標(biāo)EENS和LOLE的精度，如圖5所示。

當(dāng)模擬10 000年時(shí)，各結(jié)果的比較如表6所示。

從表6中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)模擬10 000年時(shí)，使用廣義等效法與使用傳統(tǒng)方法得到的指標(biāo)差值百分比在5%以下，而指標(biāo)精度在0.02之上，由此可見廣義等效法是有效的。

表6 計(jì)算結(jié)果

3 結(jié) 論

1)傳統(tǒng)蒙特卡洛模擬法評估含大規(guī)模風(fēng)電接入的發(fā)電系統(tǒng)可靠性，其難點(diǎn)在于風(fēng)機(jī)數(shù)量增多或風(fēng)機(jī)狀態(tài)數(shù)增多時(shí)，運(yùn)算量很大。小容量風(fēng)機(jī)和傳統(tǒng)機(jī)組在系統(tǒng)中的地位是不平等的。所提出了廣義等效法，將風(fēng)電機(jī)組群一步步等效成1個(gè)傳統(tǒng)機(jī)組。

2)k率表征出現(xiàn)各個(gè)不同相鄰風(fēng)速波動的頻率，z率表征風(fēng)機(jī)綜合不穩(wěn)定性，不同k率對z率的貢獻(xiàn)不同，假設(shè)相鄰k率對z率的貢獻(xiàn)相差10倍，引入zzc系數(shù)后定義等效機(jī)組的平均穩(wěn)定工作時(shí)間MTTS。

3)選取RTS79系統(tǒng)作為算例，考慮大規(guī)模風(fēng)電(滲透率達(dá)11.67%)的接入，使用廣義等效法計(jì)算可靠性指標(biāo)EENS和LOLE，當(dāng)模擬10 000年時(shí)(精度均在0.02上)，結(jié) 果 分 別 為661.72MW和

5.35h，與傳統(tǒng)蒙特卡洛模擬法的結(jié)果相比誤差均在5%以內(nèi)，有效性顯而易見。

4)廣義等效不僅是一種方法，更是一種思維。所提方法為簡化風(fēng)電機(jī)組群模型提供了思路，對含大規(guī)模風(fēng)電接入的發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估有一定指導(dǎo)作用。

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The reliability of power system which only consists of traditional generators is easy to be assessed using Monte Carlo simulation because the generators can be simplified to a two-state model. But the wind turbine generator system cannot be treated as a two-state model in power system considering large-scale wind power integration due to the randomness and intermittent of wind. Hence, generalized equivalent approach is put forward. In this method, wind turbine generator system can be equivalent to a traditional generator step by step and a coefficient namedzzcis introduced to define the equivalent generators′average time of steady operation——MTTS. The RTS79 system is chosen as an example. Considering the large-scale wind power integration, the reliability index like EENS and LOLE are calculated using generalized equivalent approach and its outcomes are compared to those using traditional Monte Carlo simulation. It provides an idea to simplify the model of wind turbine generator system, which has guiding meaning to the reliability assessment of power system considering large-scale wind power integration.

wind power; reliability assessment; generalized equivalent approach; coefficient ofzzc; MTTS

TK89

A

1003-6954(2015)03-0073-05

2015-02-12)