儲能設備對孤立風力發電系統的影響

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規劃部,溫尼伯加拿大 R3T0P4）

內蒙古邊遠農村和牧區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很難與電網相聯。目前大多數邊遠地區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，在這些邊遠地區使用柴油提供電力非常昂貴；另一方面，這些地區的風力資源豐富，風能的利用潛力很大。在這些地區，可選擇特定的風/柴孤立發電系統供電，從而提高該地區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電系統的運行影響很大[2]。在系統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/柴孤立發電系統（簡稱風/柴/儲能孤立發電系統）充裕度進行分析和計算。充裕度是指電力系統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運行的安全約束。所以筆者在發電系統強迫停運率（Forced Outage Rate，FOR）、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/柴孤立發電系統充裕度的影響。

1 充裕度評估方法

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

圖1 風/柴/儲能孤立發電系統Fig.1 Wind-diesel-storage generation system

本文建立風/柴/儲能孤立發電系統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）風速與風力發電機組輸出功率的關系[7]。

3）柴油發電機組和風力發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電機組和柴油發電機組。

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/儲能孤立發電系統充裕度評估模型，對系統進行充裕度評估。在考慮系統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電機組、風力發電機組的狀態持續時間進行抽樣，得到風/柴孤立發電系統容量模型。將風/柴孤立發電系統的容量模型、負荷模型和儲能模型三者相結合，得到風/柴/儲能孤立發電系統充裕度評估模型，然后用統計方法計算系統的充裕度指標。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，說明系統發生停運故障。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，通過對系統的充裕度進行數理統計計算，得到相關的充裕度指標。

充裕度指標是衡量系統運行狀態的數學期望值。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],表示一年中發電系統不能滿足系統負荷的小時數。一般認為一個系統中的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時間；N表示總的抽樣年數。

2）電量不足期望值（Loss of Energy Expectation，LOEE）[11]，表示在一年中發電系統不能滿足系統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。

3）儲能設備提供能量的期望值（Expected Energy Supplied，EES）[12]，表示在一年中發電系統不能滿足系統負荷需求時，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。

2 發電系統容量模型

2.1 柴油發電機組容量模型

柴油發電機組模型可采用兩態模型表示，運行時間和維修時間用指數分布表示[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）與服從指數分布隨機數相乘得到：

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

2.2 風力發電機組發電容量模型

風力發電機組受風速波動影響較大，在準確建立風速模型后，計算風力發電機組的輸出功率，得到風力發電機組的發電容量模型。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的長期觀測數據，通過模型定階和計算自回歸滑動平均（Auto Regressive Moving Average，ARMA）模型的參數等過程得到該地區的風速模型：

其中{at}是均值為零且方差為（0，0.455 8522）的正態白噪聲序列，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）計算風力發電機組的輸出功率[15-16]。

式中，Pr，vci，vr和vco分別為風力發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。儲能設備的狀態時間序列由負荷和發電系統容量狀態時間序列決定[19]。

儲能設備的狀態時間序列計算步驟如下：

1）由負荷時間序列和發電時間序列計算得到發電容量序列{SGi,i=1,2,…,T}，當SGi為正時，表示系統當前可用容量可以滿足負荷的需求；當SGi為負時，表示系統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；{WGi,i=1,2,…,T}為每小時的風/柴孤立發電系統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/柴孤立系統充裕度影響

為了分析儲能設備對風/柴孤立發電系統充裕度的影響，本文對樣例系統進行充裕度評估。在參考IEEE可靠性測試系統（IEEE-RBTS）[20]的基礎上，選定樣例系統的參數如表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中的每小時負荷模型，系統峰值負荷為60 kW。

表1 樣例系統參數Tab.1 Example systems

4.1 安裝儲能設備對系統充裕度指標的影響

安裝儲能設備前后系統的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/柴孤立發電系統供電可靠性明顯提高。

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

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

4.2 儲能設備受發電系統FOR的影響

4.2.1 柴油發電機FOR對系統和儲能設備的影響

柴油發電機FOR從0.01到0.10變化時，計算安裝儲能設備前后風/柴孤立發電系統充裕度指標。如圖5所示，柴油發電機FOR對發電系統的影響很大，這主要是因為柴油發電機組承擔系統的基荷。隨著柴油發電機組的強迫停運率的增大，發電系統的充裕度水平會明顯下降；再者，柴油發電機組啟停時間較長，故障停運和檢修停運都會造成系統在可用容量較小的狀態下長時間運行。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 柴油發電機FOR對系統LOLE的影響Fig.5 The diesel generator FOR effect on LOLE

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

4.2.2 風力發電機組FOR對系統和儲能設備的影響

當風力發電機組FOR從0.02到0.10變化時，由圖7和圖8可知，風力發電機組FOR對有無儲能設備的風/柴孤立發電系統的影響均不明顯，LOLE值波動不大。這是因為風力發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電機組的輸出功率影響很大，從而使得風力發電機組故障和機組檢修對系統可靠性的影響成為次要因素，所以FOR對風力發電系統影響不是特別明顯。由于儲能設備充放電受到風力發電機組輸出功率的影響，當風力發電機組發電能量不足時儲能設備釋放電能，而風力發電機組受FOR影響發生能量不足的情況較少（受到風速影響的情況較多），因此系統受風力發電機組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 風力發電機組FOR對系統LOLE的影響Fig.7 The WTG FOR Effect on LOLE

圖8 風力發電機組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的充裕度水平改進不大，該樣例系統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,系統的充裕度水平較為合理。

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

圖10 儲能設備容量對系統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/儲能孤立發電系統充裕度評估模型。利用該充裕度評估模型，計算了樣例系統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電系統的充裕度水平。在發電系統FOR不同的情況下，分析了風/柴/儲能孤立發電系統充裕度指標LOLE和儲能系統的EES的變化情況，發現風/柴/儲能孤立發電系統受風力發電機組FOR的影響不大，而受柴油發電機組FOR的影響較大。本文還對儲能容量對系統的影響作了分析，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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