綜合考慮可靠性和經(jīng)濟(jì)性的風(fēng)/柴/儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)劃

韓如月

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，呼和浩特 010081）

風(fēng)能功率波動(dòng)對(duì)孤立發(fā)電系統(tǒng)有一定的影響，為改善發(fā)電系統(tǒng)的充裕度，提高系統(tǒng)的供電可靠性水平，常配備儲(chǔ)能設(shè)備，形成風(fēng)/柴/儲(chǔ)能系統(tǒng)。

如何合理地選擇系統(tǒng)中 WTG（wind Turbine Generator）和儲(chǔ)能設(shè)備的容量，直接關(guān)系到系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。特別是在當(dāng)前的電力市場(chǎng)環(huán)境下，規(guī)劃中不應(yīng)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(jīng)濟(jì)性的最優(yōu)。目前已有一些研究者關(guān)注這個(gè)問題。文獻(xiàn)[1]提出了風(fēng)/柴/儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本/價(jià)值評(píng)估方法，也談到WTG儲(chǔ)能設(shè)備投入帶來的效益，如用戶缺電成本的降低等。文獻(xiàn)[2]提出了運(yùn)用成本效益分析的風(fēng)/柴/儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)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(chǔ)能設(shè)備的投資與其投入運(yùn)行節(jié)省的燃料費(fèi)用進(jìn)行比較，從而決定規(guī)劃方案的經(jīng)濟(jì)性。在此背景下，本文采用蒙特卡羅仿真計(jì)算風(fēng)/柴/儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，并將文獻(xiàn)[1]提出的成本/價(jià)值評(píng)估模型用于系統(tǒng)的規(guī)劃，以期綜合考慮系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，尋找最優(yōu)的 WTG和儲(chǔ)能設(shè)備的容量。

1 規(guī)劃方法

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

與傳統(tǒng)規(guī)劃方法一樣，規(guī)劃中考慮可靠性指標(biāo)不變（本文采用HLOLE指標(biāo)來評(píng)估可靠性）的情況下，比較各方案的成本。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷增加時(shí)，為了維持要求的可靠性水平，必須增加WTG或儲(chǔ)能設(shè)備的容量。系統(tǒng)在確定的可靠性水平下總成本最小時(shí)，就認(rèn)為找到了最優(yōu)的WTG和儲(chǔ)能設(shè)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(yōu)成本。EESCC描述了儲(chǔ)能容量確定時(shí)，可靠性指標(biāo)與系統(tǒng)風(fēng)機(jī)容量之間的關(guān)系。ERECC描述了可再生能源發(fā)電（文中指WTG）容量一定的情況下，可靠性指標(biāo)與儲(chǔ)能設(shè)備容量的關(guān)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(fēng)機(jī)和儲(chǔ)能的容量組合，也即曲線 ERC。根據(jù)系統(tǒng)要求的可靠性水平，可以比較各方案的成本，確定最優(yōu)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(biāo)值，而是尋找到可靠性和經(jīng)濟(jì)性都最佳的點(diǎn)。在這個(gè)可靠性水平下，綜合考慮了設(shè)備成本、節(jié)省的柴油費(fèi)用和用戶缺電成本的總成本最小。同樣，采用HLOLE指標(biāo)來評(píng)估可靠性。當(dāng)系統(tǒng)中增加風(fēng)機(jī)或儲(chǔ)能設(shè)備容量時(shí)，投入的設(shè)備成本增加，但相應(yīng)節(jié)省的柴油費(fèi)用增大，同時(shí)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(jīng)濟(jì)性都最優(yōu)的 WTG和儲(chǔ)能容量的組合?？捎米餍⌒凸铝⑾到y(tǒng)的規(guī)劃中。

兩種方法各有優(yōu)劣。第一種方法簡(jiǎn)單易行，但是要求規(guī)劃中有一個(gè)具體的可靠性目標(biāo)。在第二種方法中，系統(tǒng)的可靠性水平不再是一個(gè)既定的值，而是隨著系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)和儲(chǔ)能的容量變化的。

2 系統(tǒng)仿真模型

本文建立風(fēng)/柴/儲(chǔ)能系統(tǒng)的充裕度評(píng)估模型考慮了以下幾個(gè)因素：

1）內(nèi)蒙古自治區(qū)當(dāng)?shù)仫L(fēng)速的時(shí)序性和隨機(jī)性的變化特點(diǎn)。

2）設(shè)備安裝地點(diǎn)的風(fēng)資源與發(fā)電機(jī)組輸出功率的關(guān)系（此關(guān)系決定風(fēng)/柴發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行策略和儲(chǔ)能設(shè)備的容量和充放電策略）。

3）柴油發(fā)電機(jī)組和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障停運(yùn)。

4）儲(chǔ)能設(shè)備安裝在系統(tǒng)母線上，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和柴油發(fā)電機(jī)組的組合發(fā)電系統(tǒng)補(bǔ)充能源。

2.1 蒙特卡羅方法

對(duì)基于以上幾個(gè)因素的考慮，本文采用蒙特卡羅模擬法對(duì)風(fēng)/柴/儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估。采樣時(shí)考慮風(fēng)速的隨機(jī)性、發(fā)電機(jī)的隨機(jī)故障率（FOR）和節(jié)點(diǎn)負(fù)荷的隨機(jī)波動(dòng)3類不確定因素。抽樣確定WTG的容量、柴油機(jī)組的可用容量和負(fù)荷值后，對(duì)每一抽樣的狀態(tài)進(jìn)行可用發(fā)電容量和負(fù)荷需求量的比較，再結(jié)合儲(chǔ)能模型，即可計(jì)算此狀態(tài)下的可靠性指標(biāo)。在積累了足夠數(shù)目的樣本后，對(duì)每次狀態(tài)計(jì)算得到的可靠性指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)而得到研究期間（如一年）內(nèi)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。

2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型

同常規(guī)機(jī)組一樣，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有一定的故障率，當(dāng)其故障檢修時(shí)，輸出為零。不同之處在于，當(dāng)其處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，可用輸出功率是由風(fēng)力發(fā)電機(jī)（wind Turbine Generation，WTG）輸出功率和風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速之間的函數(shù)關(guān)系決定的。這個(gè)函數(shù)常被稱作功率曲線，它用 WTG的運(yùn)行參數(shù)來描述，主要參數(shù)是：切入風(fēng)速vi(WTG開始產(chǎn)生功率的風(fēng)速)、額定風(fēng)速vN(WTG產(chǎn)生額定功率的風(fēng)速)和切出風(fēng)速vo[3](WTG由于安全原因停運(yùn)的風(fēng)速)。

2.3 運(yùn)行策略

在孤立發(fā)電系統(tǒng)中，儲(chǔ)能設(shè)備最基本的運(yùn)行策略是當(dāng)發(fā)電容量超出負(fù)荷容量時(shí)，多余的能量?jī)?chǔ)存在設(shè)備中；當(dāng)發(fā)電容量不能滿足負(fù)荷的需求時(shí)，釋放儲(chǔ)存能量。存儲(chǔ)狀態(tài)時(shí)間序列可以由負(fù)荷時(shí)間序列和發(fā)電系統(tǒng)輸出功率時(shí)間序列決定，也決定儲(chǔ)能設(shè)備的充電和放電策略[4]。

3 算例

本文制定樣例系統(tǒng)進(jìn)行充裕度評(píng)估，計(jì)算充裕度指標(biāo)。為了保證樣例系統(tǒng)的代表性，樣例參考IEEE可靠性測(cè)試系統(tǒng)（IEEE-RBTS）[5]選定測(cè)試系統(tǒng)的容量和參數(shù)，樣例系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)如表1所示。為了充分利用風(fēng)能，兩臺(tái)柴油機(jī)一臺(tái)持續(xù)運(yùn)行，另一臺(tái)作為備用機(jī)組，以補(bǔ)充風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的供電不足。負(fù)荷模型采用IEEE-RBTS中介紹的每小時(shí)負(fù)荷模型，系統(tǒng)峰值負(fù)荷為90kW。

表1 樣例系統(tǒng)參數(shù)

通過算例計(jì)算當(dāng)規(guī)劃年系統(tǒng)負(fù)荷增加到100kW時(shí)，如何在綜合考慮可靠性和經(jīng)濟(jì)性的情況下選擇系統(tǒng)的儲(chǔ)能設(shè)備和 WTG容量。采用蒙特卡羅模擬法編制程序計(jì)算系統(tǒng)的可靠性。分別利用前文提到的兩種方法進(jìn)行系統(tǒng)的規(guī)劃。計(jì)算中涉及到的成本計(jì)算參考文獻(xiàn)[1]。

3.1 OUCM法進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃

通過在系統(tǒng)中增加 WTG和儲(chǔ)能的容量，維持系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)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(chǔ)能設(shè)備容量的增加，系統(tǒng)的可靠性水平增加，即可靠性指標(biāo)值減小。在要求的系統(tǒng)可靠性水平下，可計(jì)算比較各方案的成本。如要求可靠性指標(biāo)HLOLE的值維持30 h/year，比較可得，當(dāng)WTG為180kW，而儲(chǔ)能容量為400kW·h，成本最小。而當(dāng) WTG為 90kW、而儲(chǔ)能容量為530kW·h時(shí)，成本最大。

圖1 等W TG曲線

圖 2為不同的儲(chǔ)能容量下的 EESCC（Equal Energy Storage Capacity Curves）曲線。儲(chǔ)能容量從300開始，每次遞增50，直到500為止。結(jié)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(xiàn)在WTG為330kW，儲(chǔ)能為300kW·h時(shí)，最大成本出現(xiàn)在儲(chǔ)能為500kW·h，WTG為100kW時(shí)。

圖2 等儲(chǔ)能容量曲線

圖3顯示了HLOLE為30和35時(shí)的ERC曲線（Equal Risk Curves）。舉例來說，當(dāng)儲(chǔ)能容量為300kW·h時(shí)，若要求 HLOLE為 35h/year，則 WTG為240kW的時(shí)候可以滿足要求；當(dāng)WTG增為330kW的時(shí)候，HLOLE提高到30 h/year。某一個(gè)HLOLE水平下的ERC曲線上可以有不同的WTG和儲(chǔ)能容量的組合方案，可選擇一個(gè)對(duì)應(yīng)最小的平均年費(fèi)用的方案。而系統(tǒng)規(guī)劃所要求的可靠性水平不同，所對(duì)應(yīng)的最小成本是不同的。算例計(jì)算結(jié)果可得，當(dāng)要求系統(tǒng)的HLOLE水平為30h/year時(shí)，成本最小的方案為WTG為330kW，儲(chǔ)能為300kW·h。

圖3 等風(fēng)險(xiǎn)（可靠性）水平曲線

3.2 RCWM方法進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃

對(duì)給定的系統(tǒng)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(biāo)不是預(yù)先確定的值，而是由系統(tǒng)的最小成本決定的。計(jì)算中考慮了用戶的停電成本，以停電成本為50$/kW·h計(jì)算。節(jié)省的柴油費(fèi)用是指由于系統(tǒng)中使用了WTG和儲(chǔ)能設(shè)備而節(jié)省的柴油成本。柴油成本以 1.1$/L計(jì)算，每升柴油可發(fā)電 3.2kW·h。設(shè)備成本指 WTG、柴油機(jī)組和儲(chǔ)能設(shè)備的投資成本（包括檢修費(fèi)用等），文中使用了資金的等年值。方案中的總成本為設(shè)備成本加上停電成本再減去節(jié)省的柴油費(fèi)用。

本文分別比較WTG和儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)成本的影響。首先，儲(chǔ)能的容量設(shè)為固定，在系統(tǒng)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(chǔ)能設(shè)備的容量，將上述過程重復(fù)一遍。尋找到最優(yōu)的 WTG容量是對(duì)應(yīng)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(chǔ)能設(shè)備的容量。顯然，最優(yōu)的儲(chǔ)能容量是對(duì)應(yīng)成本最小的方案。

表2為儲(chǔ)能設(shè)備為300kW·h不變，而WTG從120kW 逐漸增加到 330kW 時(shí)的成本計(jì)算。從表中數(shù)據(jù)可以看出，最初投入的 WTG容量越大，節(jié)省的柴油費(fèi)用越多，但隨著 WTG容量的增加，投入風(fēng)機(jī)帶來的效益逐漸下降，即投入風(fēng)機(jī)的成本增加超過其所節(jié)省的柴油費(fèi)用和減少的用戶停電損失。從表中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)WTG容量為180kW時(shí)，成本最小。

表2 W TG容量增加對(duì)成本的影響

表3為WTG容量為90kW不變，而儲(chǔ)能設(shè)備的容量從300kW·h不斷增加到450kW·h時(shí)的各種成本計(jì)算。結(jié)果顯示，投入儲(chǔ)能設(shè)備帶來的效益（主要指節(jié)省的柴油費(fèi)用）沒有投入成本大。此時(shí)，不宜增加儲(chǔ)能容量。

表3 儲(chǔ)能容量增加對(duì)成本的影響

用 RCWM 方法進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)，將所有方案的成本進(jìn)行比較，得出當(dāng)儲(chǔ)能為 300kW·h、風(fēng)機(jī)容量為180kW時(shí)，成本最小。

4 結(jié)論

文中對(duì)風(fēng)/柴/儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和可靠性的規(guī)劃方法進(jìn)行了分析。OUCM方法簡(jiǎn)單易行，首先確定系統(tǒng)要求的可靠性水平，然后在各種WTG容量和儲(chǔ)能設(shè)備容量的組合方案中選擇成本最小的作為規(guī)劃方案。在 RCWM 方法中，可靠性指標(biāo)不再是系統(tǒng)指定的參數(shù)，而是優(yōu)化的結(jié)果。最優(yōu)可靠性指標(biāo)是權(quán)衡可靠性成本與可靠性效益而得到的。比較而言，在規(guī)劃中選用哪種方法要視具體的要求和系統(tǒng)的特點(diǎn)而定。但 RCWM 方法更能體現(xiàn)電力市場(chǎng)環(huán)境下，不再是可靠性大于經(jīng)濟(jì)性，而是尋求可靠性和經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的思想。

[1]B. Bagen, and R. Billinton．Reliability Cost/Worth Associated With Wind Energy and Energy Storage Utilization in Electric Power Systems[C]// Proceedings of the 10th International Conference on PMAPS.Rincon:25-29 May, 2008:1-7

[2]董凱,江輝,黃澤榮,鐘浩．運(yùn)用成本效益分析的風(fēng)/柴/儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)劃方法[J]電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),2010,22(3):67-72.

[3]Giorsetto P,Utsurogi K F．Development of a new procedure for reliability modeling of wind turbine generators[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,1983,102(1):134-143.

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

[5]R. N. A llan, R. Billinton, L. Goel, I. Sjarrief, and K. S.So．A reliability test system for educational purposesbasic distribution system data and results, IEEE Trans.Power Syst., 1991(6): 813-820.

[6]栗文義,張保會(huì),巴根.風(fēng)能大規(guī)模應(yīng)用對(duì)電力系統(tǒng)可靠性的影響[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008, 28(1):100-105.

[7]劉威,趙淵,周家啟,等,計(jì)及風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)輸配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估[J].電網(wǎng)技術(shù),2008,32(13):69-73.

[8]吳義純,丁明.基于蒙特卡羅仿真的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2004,24(12):70-72.

[9]栗文義,張保會(huì),巴根. 風(fēng)/柴/儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)電容量充裕度評(píng)估中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006,26(16):62-67.