大規(guī)模新能源發(fā)電容量可信度分析

隋國富

摘 要：隨著社會經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展，能源問題、環(huán)境問題等得到了廣泛的關(guān)注，在生活與生產(chǎn)過程中，使用的常規(guī)能源不僅造成了嚴(yán)重的污染，同時(shí)也出現(xiàn)了嚴(yán)峻的能源短缺問題。在此背景下，關(guān)于新能源的研究日益深入，其中風(fēng)能、太陽能與潮汐能等均是重要的新能源。新能源與常規(guī)能源二者的發(fā)電形式具有一致性，均為可信容量，它保證了系統(tǒng)的可靠性。但新能源發(fā)電具有一定的特點(diǎn)，如：隨機(jī)性與波動(dòng)性，在大規(guī)模并網(wǎng)后，直接影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性，因此，該文研究了大規(guī)模新能源發(fā)電容量可信度，旨在充分發(fā)揮新能源的作用，使其利用率不斷提高。

關(guān)鍵詞：大規(guī)模新能源發(fā)電容量 可靠性 可信度 蒙特卡洛仿真模型

中圖分類號：TM712 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（c）-0048-02

在社會進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大環(huán)境下，人們生活與生產(chǎn)過程中對于能源有著較大的消耗，同時(shí)能源的過渡使用造成了一系列的問題，嚴(yán)重影響著人類的可持續(xù)發(fā)展。目前，在世界范圍內(nèi)，均十分注重能源的開發(fā)、使用與研究，其中新能源的發(fā)展前景十分良好，具體的能源有風(fēng)能、太陽能及其他可再生能源等。在新能源發(fā)電過程中，風(fēng)力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電是最為重要的一種形式，它具有清潔性、高效性與經(jīng)濟(jì)性，不僅降低了對環(huán)境的影響，還改進(jìn)了能源的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而能源危機(jī)、污染問題等均得到了緩解。但在對二者使用時(shí)，要注重其獨(dú)特性，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性與安全性，需要對大規(guī)模新能源發(fā)電容量可信度進(jìn)行研究，以此促進(jìn)電網(wǎng)發(fā)展的高效、健康與可持續(xù)。

1 大規(guī)模新能源發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性的研究

1.1 電力系統(tǒng)可靠性的評估

現(xiàn)階段，我國電力系統(tǒng)的規(guī)模相對較大，而停電事故直接影響著人們的生活與生產(chǎn)，因此，電力系統(tǒng)的可靠性得到了人們的關(guān)注，與此同時(shí)，為了提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與高效性，對其可靠性展開了全面的研究。

電力系統(tǒng)可靠性評估主要是對電力系統(tǒng)的相關(guān)信息進(jìn)行分析，如：停電時(shí)間、停電頻率與停電影響等，借助可靠性模型、可靠性指標(biāo)及相關(guān)的計(jì)算方法等實(shí)現(xiàn)了對電力系統(tǒng)的研究[1]。

當(dāng)前，可靠性評估的方法主要有兩種，一種為確定性方法，另一種為概率性方法，前者的計(jì)算量相對較小，并且算法具有較強(qiáng)的可操作性，但其缺點(diǎn)為系統(tǒng)參數(shù)具有一定的不確定性；而后者的實(shí)效性較為明顯，因此，在實(shí)際計(jì)算過程中，它的應(yīng)用具有普遍性。在實(shí)際計(jì)算時(shí)，具體的概率性方法有隨機(jī)生產(chǎn)模擬與蒙特卡洛仿真法，其中蒙特卡洛仿真法主要分為三個(gè)環(huán)節(jié)，分別為系統(tǒng)狀態(tài)抽樣、狀態(tài)分析與指標(biāo)統(tǒng)計(jì)。

電力系統(tǒng)的可靠性研究涉及諸多的內(nèi)容，如：發(fā)電系統(tǒng)、輸電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)等，對于不同的系統(tǒng)而言，對其評估的方法存在差異，該文研究的對象為發(fā)電系統(tǒng)與輸電系統(tǒng)。

1.2 研究的現(xiàn)狀

在我國，新能源發(fā)電中風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電扮演著重要的角色，二者的應(yīng)用十分廣泛，作為新能源發(fā)電形式，其優(yōu)勢是顯著的，主要有可再生的能源、較小的環(huán)境影響，并且利于能源問題的有效解決。但在新能源并網(wǎng)后，二者發(fā)電功率的波動(dòng)性、隨機(jī)性與不可預(yù)測性等，均嚴(yán)重影響著電網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性與安全性。因此，需要評估大規(guī)模新能源電力系統(tǒng)的可靠性[2]。

在實(shí)際研究過程中，構(gòu)建了可靠性的模型，并利用蒙特卡洛法對可靠性指標(biāo)進(jìn)行了計(jì)算，同時(shí)結(jié)合了風(fēng)電場可靠性模型，此后對蒙特卡洛算法進(jìn)行了改進(jìn)，以此保證了計(jì)算效率的提高。

2 大規(guī)模新能源發(fā)電容量可信度的研究

容量可信度可以稱之為有效容量，它是指電源可被信用的容量。通過對電源容量可信度的研究，明確了電源容量的效益，在此基礎(chǔ)上，可以直觀的、全面的了解大規(guī)模新能源并網(wǎng)的綜合效益。在對其進(jìn)行計(jì)算時(shí)，主要的方法有解析法與仿真法兩種，第一種具有一定的復(fù)雜性，而第二種的方法相對簡單，因此，在大規(guī)模新能源發(fā)電容量可信度研究中主要利用了后一種方法[3]。

在新能源應(yīng)用過程中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在電力系統(tǒng)中的數(shù)量不斷增多，因此，本文對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)展開了深入的研究。風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)為波動(dòng)性與隨機(jī)性，通過對其容量可信度的研究，使風(fēng)力發(fā)電的不足得到了完善。關(guān)于風(fēng)電的研究較為全面，但對于光伏發(fā)電容量可信度的研究相對較少，對其研究的類別有評估等效容量的概念、評估其有效載荷能力等。

3 大規(guī)模新能源發(fā)電發(fā)輸電系統(tǒng)的可靠性評估

風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電均具有一定的不可預(yù)測性，主要是二者受原動(dòng)力不可控影響，在此基礎(chǔ)上，出力難以實(shí)現(xiàn)預(yù)測與控制，在大規(guī)模并網(wǎng)后，直接影響著系統(tǒng)的可靠性。在應(yīng)用初期，部分人認(rèn)為上述兩種發(fā)電形式為完全不可靠的，但在能源危機(jī)與環(huán)境污染問題急需解決的背景下，新能源并網(wǎng)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，因此，在新能源并網(wǎng)后，對電力系統(tǒng)的可靠性展開了評估。

現(xiàn)階段，關(guān)于電力系統(tǒng)可靠性的評估方法主要有兩種，一種為模擬法，另一種為解析法，前者借助了蒙特卡洛模擬，在隨機(jī)抽樣原理的指導(dǎo)下，細(xì)化了蒙特卡洛法，使其形成了非序貫與序貫兩種蒙特卡洛仿真，同時(shí)，它的計(jì)算主要是借助系統(tǒng)頻率指標(biāo)實(shí)現(xiàn)的，因此，該方法滿足了大型電力系統(tǒng)評估的需求。后者的計(jì)算具有一定的簡便性，但在系統(tǒng)規(guī)模不斷增大的基礎(chǔ)上，該方法的計(jì)算量不斷增大，因此，該它適合小型電力系統(tǒng)評估的需要[4]。

3.1 評估的基礎(chǔ)

電力系統(tǒng)可靠性主要是根據(jù)一定的質(zhì)量或者數(shù)量標(biāo)準(zhǔn)，為用戶提供不間斷電力的能力，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)對此能力的衡量運(yùn)用了可靠性指標(biāo)。具體的可靠性評估包括安全性與充裕性。安全性可以稱之為動(dòng)態(tài)可靠性，它主要是指電力系統(tǒng)對突然擾動(dòng)的承受能力，此時(shí)的擾動(dòng)包括短路或者意外故障等；充裕性可以稱之為靜態(tài)可靠性，它主要是指保證電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，對用戶不間斷供電能力的評估。電力系統(tǒng)可靠性評估主要是對發(fā)電系統(tǒng)與輸電系統(tǒng)的發(fā)電容量、輸電容量進(jìn)行評估，此時(shí)的評估屬于定量評價(jià)[5]。

電力系統(tǒng)可靠性評估的方法主要有兩種，一種為確定性方法，另一種為概率性方法，前者的優(yōu)點(diǎn)為簡單的算法與少量的運(yùn)算，但此方法的結(jié)果誤差較大，因此，不符合大規(guī)模電力系統(tǒng)可靠性評估的要求；后者的優(yōu)點(diǎn)為精準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果，在具體應(yīng)用過程中，具體還可以分為解析法與蒙特卡洛法，前者運(yùn)用了故障枚舉法，后者使用了隨機(jī)抽樣法，其中蒙特卡洛法的應(yīng)用具有一定的普遍性與高效性。

3.2 蒙特卡洛仿真模型

蒙特卡洛模擬法主要是利用隨機(jī)數(shù)實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)模擬，它借助抽樣試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了仿真，它是統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方法的一種。該方法具有較強(qiáng)的適應(yīng)性與簡單性，因此滿足了大規(guī)模電力系統(tǒng)可靠性評估的要求。

在構(gòu)建蒙特卡洛仿真模型過程中，要明確其可靠性參數(shù)，主要有故障率、平均無故障工作時(shí)間、修復(fù)率與平均修復(fù)時(shí)間等。同時(shí)，對主要元件的停運(yùn)模型進(jìn)行構(gòu)建，其中涉及的元件主要為發(fā)電機(jī)組與線路，停運(yùn)模型分別為常規(guī)機(jī)組模型、風(fēng)電機(jī)組停運(yùn)模型、光伏陣列停運(yùn)模型與線路模型等。

該文利用蒙特卡洛仿真對元件狀態(tài)、持續(xù)時(shí)間等進(jìn)行了采樣，并獲得了系統(tǒng)中各個(gè)組成元件的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程，此后對其進(jìn)行了合并，使其構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣，再利用潮流計(jì)算與統(tǒng)計(jì)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了可靠性指標(biāo)的獲取。通過計(jì)算與分析可知，新能源并網(wǎng)后，系統(tǒng)的可靠性得到了提高，此時(shí)的可靠性和新能源電源的并網(wǎng)有著緊密的聯(lián)系。同時(shí)，風(fēng)光的互補(bǔ)性，使風(fēng)電場與光伏電站的同時(shí)接入效果明顯高于單一新能源的接入效果[6]。

4 大規(guī)模新能源發(fā)電容量的可信度研究

當(dāng)前，在世界范圍內(nèi)，均面臨著嚴(yán)重的能源短缺與環(huán)境污染的問題，為了有效解決上述問題，對新能源展開了全面的研究，重點(diǎn)研究的內(nèi)容為風(fēng)電與光伏。在大規(guī)模新能源并網(wǎng)后，新能源的容量價(jià)值得到了廣泛的關(guān)注。

新能源發(fā)電容量可信度可以稱之為有效容量，對其評估的方法主要有兩種，一種是借助被替代的常規(guī)機(jī)組容量進(jìn)行計(jì)算，此方法屬于等效容量法；另一種利用有效載荷能力進(jìn)行計(jì)算，該方法對于風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電等新能源容量可信度的計(jì)算具有高效性，它使新能源容量價(jià)值更加顯著[7]。

4.1 有效載荷能力研究

有效載荷能力主要是指系統(tǒng)中新增電源后，為了促進(jìn)系統(tǒng)可靠性的提高，使其與原電源的可靠性保持一致，此時(shí)增加的負(fù)荷值。在對有效載荷能力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，具體的方法為中斷容量概率表法與中間節(jié)點(diǎn)法。

中斷容量概率表法屬于非線性計(jì)算方法，在對風(fēng)電場研究過程中，以風(fēng)電場中機(jī)組的強(qiáng)迫停運(yùn)率為依據(jù)，對其進(jìn)行排列組合，并對風(fēng)電場出力情況下的概率進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)制定COPT表格，在表格制定后，對新能源的可靠性與有效載荷能力進(jìn)行計(jì)算。此方法存在一定的不足，它僅關(guān)注了風(fēng)電場中風(fēng)機(jī)的故障情況，而未能注重輸電線路的故障，在實(shí)際的輸電線路故障情況下，對系統(tǒng)要展開潮流計(jì)算與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑袛?，因此，該方法缺少適用性[8]。

中間節(jié)點(diǎn)法以日負(fù)荷曲線、周負(fù)荷曲線與負(fù)荷峰值等為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)年負(fù)荷曲線的獲取。當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)荷水平存在差異時(shí)，其可靠性指標(biāo)也會出現(xiàn)相應(yīng)的變化。因此，在新能源并網(wǎng)后，如果負(fù)荷水平不變，則系統(tǒng)的可靠性會得到提高。

4.2 可信度的研究

關(guān)于大規(guī)模新能源發(fā)電容量可信度的計(jì)算，其衡量指標(biāo)為有效載荷能力，但在新能源并網(wǎng)后，系統(tǒng)所承擔(dān)的負(fù)荷量存在差異，與常規(guī)機(jī)組相比，風(fēng)電場和光伏電站二者的出力具有一定的不確定性，二者的有效容量均相對較小，但電源額定容量為確定時(shí)，其可靠性指標(biāo)數(shù)值存在差異。在對大規(guī)模新能源發(fā)電容量可信度進(jìn)行計(jì)算時(shí)，其方法分為兩步，第一步為計(jì)算新能源多承擔(dān)的負(fù)荷量；第二步為計(jì)算常規(guī)機(jī)組的額定容量[9]。

關(guān)于新能源承擔(dān)的負(fù)荷計(jì)算，其方法主要有牛頓迭代法、中間節(jié)點(diǎn)法與弦截法，其中弦截法的效果最為顯著。因此，本文在實(shí)際計(jì)算中，運(yùn)用了弦截法，其計(jì)算步驟如下：首先，對原系統(tǒng)的可靠性水平進(jìn)行計(jì)算，并得到其負(fù)荷水平；其次，在系統(tǒng)中增加額定容量的新能源時(shí)，計(jì)算負(fù)荷水平未提高的可靠性指標(biāo)，同時(shí)，在額定容量系能源增加后，計(jì)算負(fù)荷水平提高的可靠性指標(biāo)；再次，對系統(tǒng)可靠性指標(biāo)進(jìn)行重新的計(jì)算；最后，對誤差進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)要保證可靠性指標(biāo)和原始可靠性指標(biāo)二者間的差值要低于誤差精度，同時(shí)二者的差值要高于檢驗(yàn)條件，再利用弦截法進(jìn)行求解。

通過計(jì)算明確了系統(tǒng)可靠性和負(fù)荷等級二者之間的關(guān)系，同時(shí)也明確了增加電源容量和系統(tǒng)可靠性二者間的關(guān)系。計(jì)算結(jié)果表明，新能源承擔(dān)的負(fù)荷量和常規(guī)機(jī)組容量相比，二者存在一定的差距，造成此情況的原因?yàn)檩旊娋€路故障。同時(shí)新能源容量可信度、可靠性水平與系統(tǒng)的負(fù)荷水平有著直接的聯(lián)系，如果負(fù)荷水平不同，則系統(tǒng)的可靠性、容量可信度等均會有所不同。因此，在實(shí)際并網(wǎng)過程中，要對新能源容量進(jìn)行合理的選擇，以此保證電網(wǎng)規(guī)劃的高效性與可靠性[10]。

5 結(jié)語

新能源并網(wǎng)的規(guī)模在不斷擴(kuò)大，為了促進(jìn)新能源作用的進(jìn)一步發(fā)揮，對其容量價(jià)值展開了研究。相信，我國節(jié)能、減排與環(huán)保的目標(biāo)將得到逐漸實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，太陽能與風(fēng)能等新能源的利用率也將不斷提高。

參考文獻(xiàn)

[1] 梁雙，胡學(xué)浩，張東霞，等.考慮風(fēng)速變化特性的風(fēng)電容量可信度評估方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013（10）：18-27.

[2] 周專，姚秀萍，常喜強(qiáng).光伏發(fā)電容量可信度分析[J].四川電力技術(shù)，2013（1）：48-52.

[3] 劉吉臻.大規(guī)模新能源電力安全高效利用基礎(chǔ)問題[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013（16）：1-8，25.

[4] 張寧，康重慶，肖晉宇，等.風(fēng)電容量可信度研究綜述與展望[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015（1）：82-94.

[5] 趙宇思，吳林林，宋瑋，等.新能源發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行特性評價(jià)分析方法的研究綜述[J]. 華北電力技術(shù)，2015（3）：18-24.

[6] 鐘浩，唐民富 風(fēng)電場發(fā)電可靠性及容量可信度評估[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012（18）：75-80.

[7] 謝國輝，李瓊慧，王卿然.風(fēng)電容量充裕性成本分析模型和方法研究[J].中國電力，2012（10）：86-89.

[8] 羅劍波，陳永華，劉強(qiáng).大規(guī)模間歇性新能源并網(wǎng)控制技術(shù)綜述[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014（22）：140-146.

[9] 王海超，魯宗相，周雙喜.風(fēng)電場發(fā)電容量可信度研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014（10）：103-106.

[10] 何俊，鄧長虹，徐秋實(shí)，等.風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的可信容量及互補(bǔ)效益評估[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2013（11）：3030-3036.