極端風況下風電場彈性量化評估方法*

敬彤輝, 王曉東, 劉穎明, 栗杉杉

(沈陽工業(yè)大學 電氣工程學院,遼寧 沈陽 110870)

0 引 言

隨著“碳中和”目標的制定,新能源發(fā)電比率的逐年提高,未來我國風電機組將朝著大型化、智能化、海洋化的方向發(fā)展[1-4]。根據氣候變化研究顯示,在未來特別是在沿海地區(qū)極端天氣發(fā)生的頻率將會持續(xù)上升。從中長期時間尺度上來看,評估風電場面對自然災害以及極端天氣這種高影響力低概率事件(High-impact low-probability events)的脆弱性是大規(guī)模風電場建立與運行的基本考慮,然而一直以來這方面的研究卻被忽視[5-6]。研究風電場抵御力與恢復力將是評估和提升風電場自身的抗災御災能力,優(yōu)化電網結構以及維護能源安全的重要舉措。

基于安全穩(wěn)定問題,國內外很多專家、學者引入了“彈性(Resilience)”的理念,不僅要求電力系統(tǒng)要適應環(huán)境變化、增強抵御能力,而且更強調在面臨無法避免的災害、故障時,能夠有效地利用各種資源迅速恢復的性能。在評估電網的彈性方面,文獻[7-11]通過介紹電力系統(tǒng)典型的彈性定義與系統(tǒng)恢復力相關的關鍵概念,以及闡明彈性系統(tǒng)研究使用的混淆術語,描述了電網恢復性量化評估的幾種方法。文獻[12]提出了一種基于“彈性梯形”的電力系統(tǒng)彈性分析框架與量化指標。文獻[13]提出了用于分析電力系統(tǒng)關鍵設施的多項恢復性評估方法,評估了風暴與洪水對英國電網的潛在影響。文獻[14]使用蒙特卡洛模擬(Monta-Carlo Simulation),基于電力系統(tǒng)各部件的脆弱性曲線來評估包含風電場的電力系統(tǒng)發(fā)電能力的彈性因素和恢復成本。文獻[15]提出了電網災難建模和一般的彈性分析方法,并對使用先進運行策略來增強系統(tǒng)安全的措施進行分析。在增強電網抵御力方面,文獻[5]從負載角度考慮電網安全,提出了一種光伏儲能的彈性負載系統(tǒng),兼顧了經濟性與環(huán)保性。文獻[16]提出在電力輸配電系統(tǒng)中加入彈性元素,并提出一種基于增強彈性的協(xié)調博弈理論,以改善可再生能源和分布式存儲系統(tǒng)的利用效率。文獻[17]基于增強帶有風電滲透的電力系統(tǒng)瞬態(tài)穩(wěn)定性與彈性,提出了協(xié)調四環(huán)開關控制,并通過短期彈性指數(shù)對系統(tǒng)增強抵御力進行評估。

盡管彈性理論已被證實可以全面描述電力系統(tǒng)在動態(tài)環(huán)境下穩(wěn)定運行的能力,從而可從更全面的角度評估風險,但是目前關于風電場抵御自然災害彈性的研究還相對較少。文獻[18]提出一種描述系統(tǒng)冗余的彈性度量和基于元結構的彈性系統(tǒng)設計方法,分析了海上風電場遭受外部沖擊后的系統(tǒng)恢復過程。文獻[19]通過建立沿海地區(qū)對颶風活動的模擬,并使用概率損傷模型對該區(qū)域內風電機組的累計破壞進行計算,量化了颶風災難對海上風電發(fā)展的影響。文獻[20]將“彈性五邊形(Resilience Pentagon)”引入到對惡劣天氣事件與風電場運行的不同階段分析之中。然而上述方法均是側重單一方面的分析比較,并未從沖擊到恢復的全過程對風電場設施與供電能力的彈性進行評估。

針對上述分析,為了評估風電場抵御極端風況這一高影響力低概率事件的能力,量化風電場的基礎設施與運營的彈性,本文提出了基于蒙特卡洛模擬的風電場的彈性評估方法。首先,根據彈性理論結合風電場的運行特征,對比分析了彈性與可靠性的區(qū)別,提出了基于“彈性多邊形”的風電場彈性評估與量化指標。其次,建立了極端風況的概率模型并給出了風電場狀態(tài)模擬。然后通過對風電場降級階段與恢復階段的模擬,提出了風電場彈性評估方法。最后通過算例分析,對比了風電場彈性與冗余在提升風電場彈性中的作用,證明了所提出框架的有效性。

1 風電場彈性及量化指標

1.1 風電場彈性

風電場彈性是指風電場能夠感知和適應不斷變化的環(huán)境,抵御極端天氣的破壞并且能夠快速從破壞中恢復其功能的能力。

風電場的彈性根據關注點不同可分為基礎設施彈性(Infrastruction Resilience)和運營彈性(Operation Resilience)這兩個方面。基礎設施彈性指風電場面臨災害時,風電機組、傳輸線纜等物理硬件整體的降低失效,抵御破壞的物理強度。運營彈性指風電場運營強度特性,如確保在災害事件發(fā)生時提前響應與發(fā)生后的快速恢復以確保供電的能力?；A設施彈性著眼于風電場硬件設備,偏重風電場的抵御能力;運營彈性更加注重風電場功能性的恢復,偏重風電場的恢復能力。

在風電場電力系統(tǒng)中,彈性不等同于可靠性,IEEE將可靠性描述為特定時間范圍內系統(tǒng)瞬時中斷和持續(xù)中斷的次數(shù)[9]?？煽啃耘c彈性的比較如表1所示。

表1 可靠性與彈性的比較

1.2 多階段彈性多邊形與彈性量化指標

彈性多邊形(Resilience Polygon)是由彈性理論中的“彈性三角形”發(fā)展而來,不僅包含了在面臨災害時基礎設施響應曲線的兩條斜邊(分別代表了基礎設施彈性遭受沖擊而下降和彈性恢復),而且考慮了風電場在遭受沖擊后到恢復彈性前的降級階段。除此以外,風電場彈性多邊形還考慮了風電場運營響應情況,可以更加確切地描述其功能性。風電場彈性多邊形如圖1所示。

圖1 風電場彈性多邊形

在圖1中,Ri指基礎設施的彈性量化指標,Ro指風電場運營狀態(tài)的彈性量化指標,均使用百分數(shù)表示為當前所代表的狀態(tài)量與總狀態(tài)量的比值(Ri為當前完備基礎設施的數(shù)量與總基礎設施數(shù)量的比值;Ro為當前風電場功率與預期功率的比值)。同時,假設了風電場處于風電高滲透率的電網,風電場發(fā)出的功率全部由電網接收。因此在事件的最開始,Ri和Ro都是100%。從極端風況事件發(fā)生后,風電場的彈性狀態(tài)可以分為3個階段,分別為階段Ⅰ、階段Ⅱ、階段Ⅲ。

階段Ⅰ為沖擊階段,發(fā)生在ta～tb期間。在ta時刻時,極端風況事件發(fā)生,基礎設施彈性Ri與運營彈性Ro都下降。風電場風電機組與架空電線會因為暴露在危險的環(huán)境中而受損。對于風機來說,過高的風速和強大的湍流可能會對葉片造成損壞。再者,如果偏航系統(tǒng)因為缺乏備用電源或者不能及時偏離風向,那么風機塔架還面臨著折斷的風險。對于架空線路來說,惡劣的天氣可能會引起跳閘,甚至損壞。此外,出于安全性的考慮,在嚴重災害發(fā)生時,風電場的運行人員會立即停機脫網。因此,風電機組向外傳送的能量為0,即Ro下降為0。在tb時刻,極端風況停止,Ri減少到Ri(tb)以表示基礎設施設備的減少。

階段Ⅱ為降級階段,發(fā)生在tb～tc期間。這個階段表示風暴停止到風電場彈性恢復之前,風電場處于安全檢查等一系列恢復準備工作,以確定各機組和線路的受損情況,并確認可正常運行的設施。降級階段持續(xù)的時間與天氣,風電場檢修人員的人數(shù),以及事故的嚴重程度有關。

階段Ⅲ為恢復階段,發(fā)生在tc～td期間?；謴碗A段表示風電場受損的設備開始維修,同時風電場內未受損的機組開始正常工作。維修結束的設備在確認無誤后也會快速投入生產。故Ri與Ro開始隨著時間增長?；謴偷乃俾逝c修理人員的人數(shù),設備部件的冗余有關。

1.3 風電場彈性評估指標

為了系統(tǒng)性地評估風電場彈性,需要根據風電場運營與基礎設施彈性多邊形各個階段的特點分析。在文獻[20]所提出的“ΦΛΕΠ+Area”度量框架的基礎上,通過對風電場彈性概念的細化,提出風電場彈性評估指標。

在階段Ⅰ中,本文關注風電場基礎設施彈性下降的快慢,以及設備損失的程度。Ri下降速度越慢,損失程度越小,則可認為風電場針對極端風況的抵御能力越強。因此,可以建立度量指標Φ(How Fast)與Λ(How Low)來評估風電場階段Ⅰ的彈性,其表達式如式(1)、式(2)所示。

(1)

Λ=Ri(ta)-Ri(tb)

(2)

在階段Ⅱ中,需要關注的是降級過程的時間長短。持續(xù)的時間越短,則說明準備得越充分,風電場彈性越好。建立指標E(How Extensive)表達式如式(3)所示。

E=tc-tb

(3)

在階段Ⅲ中,更關注于風電場基礎設施與供電能力恢復速度的快慢,即彈性多邊形tc～td斜邊的斜率。斜率越大,則代表風電場恢復得越快,風電場恢復能力越好。建立指標Π(How Promptly)以評估風電場在階段Ⅲ中基礎設施彈性與運營彈性的恢復能力,其表達式如式(4)、式(5)所示。

(4)

(5)

式中:Πi——基礎設施彈性的指標Π;

Πo——運營彈性的指標Π。

除此以外,還需從整體上考慮風電場的功能缺失情況,以便評估風電場預期供電水平的損失程度,因而可用彈性多邊形的面積來量化。建立指標Area,即

(6)

2 極端風況事件與風電場狀態(tài)建模

建立極端風況事件的概率模型,風電場各部件彈性失效的判定,同時介紹了風電場的兩種布線方式與各部件的狀態(tài)的定義。

2.1 極端風況事件建模

極端風況區(qū)別于正常風況,是指一段時間內一種平均風速很大并且可能帶有強烈湍流的自然現(xiàn)象。一般情況下發(fā)生的概率很低。發(fā)生極端風況事件時風速的變化可能會超過風機的設計極限,造成風機的損傷甚至破壞。根據極端風況的上述特點,選用基于威布爾分布的風速模擬,其中威布爾分布是一個描述在一些典型地點一年中短時平均風速的變化公式,其優(yōu)點是計算簡單,既能保證絕大部分時間處于正常自然風,也能在小概率生成極端風速。威布爾分布函數(shù)為

F(V)=1-e-(v/c)k

(7)

式中:v——風速;

k——形狀參數(shù);

c——尺度參數(shù)。

(8)

式中: ?！獮橥暾馁ゑR函數(shù)。

考慮到風機輪轂高度與架空線路存在很大的高度差,故需引用風切變公式。風切變公式為

vn=v0(Zn/Z0)α

(9)

式中:Zn——n處高度;

Z0——0處高度;

vn——Zn高度處風速;

v0——Z0高度處風速;

α——風切變指數(shù)。

2.2 風電機組與架空線路失效判定

失效在這里指結構或者系統(tǒng)因為外部沖擊或內部故障引起的功能缺失或損壞,如風機的損傷、停機,線路的短路、跳閘、破壞。極端風況的強度受風速大小、方向變化率和風切變等因素影響,主要與風速大小相關。為了對風電場各部件的脆弱性在極端風況事件中建模,使用文獻[17]中的脆弱性曲線(Fragility Curve)的概念。脆弱性曲線指某部件的失效概率為風速的函數(shù),脆弱性曲線如圖2所示。

圖2 脆弱性曲線

圖2的3條脆弱性曲線,分別為正常風電機組、偏航失效的風電機組[18]、架空線路[10]的脆弱性曲線。當有極端風況事件發(fā)生時,風電機組偏航系統(tǒng)會控制機組自動停機,釋放葉尖,背離風向,以達到保護機組免受損壞的目的。這里,風電機組偏航系統(tǒng)的失效與否,在于在極端風況來臨風電機組的響應速度,偏航的備用電源是否可靠,偏航系統(tǒng)是否能正?？煽抗ぷ?以及偏航速度是否能跟上風向變化的速度。通過該曲線,可以得到某風速v下的風電場某部件的失效概率f(v)。

為了判定單個部件失效的情況,可以使用式(10)給出的方法判斷:

(10)

式中:R——服從U(0,1)的隨機數(shù)。

2.3 風電場接線方式與各部件狀態(tài)量

風電場的及機組間的布線方式可分為架空線布線與地下線纜布線?？紤]更易受氣象環(huán)境影響的特點,建模全部選用架空線的方式。風電場電氣連接方式如圖3所示。

圖3 風電場電氣連接方式

假設風電場內有SW臺風電機組,這些風機根據各自所處的地理位置不同,分成了I個小組。每臺風機自身配備一條架空線路,每個組都有J臺風電機組。由于風電場的風電機組電氣系統(tǒng)接線方式的不同,可在風電場內采用星形接線或放射形接線方式。在放射形連接方式中,風電機組的架空線直接與相鄰風電機組的架空線首尾相連,在一個小組內形成串聯(lián),最后再用一根母線與其他小組集電連接風電場變壓器并到電網。在星形連接方式中,先把一個小組的風電機組連接到一個點上,在通過一根母線與其他小組的連接,并匯流到場用變壓器并到電網。放射形連接是目前應用最廣泛的連接方式,其安裝維護操作簡單,且成本較低;而星形連接能夠提供較大冗余,能夠提高風電場的可靠性。

根據風電場各部件的失效情況,可以設置各部件狀態(tài)量。部件有0和1兩種狀態(tài)量,當該部件能正常工作時,狀態(tài)量為1;當該部件失效時,狀態(tài)量為0。風電場各部件狀態(tài)量說明如表2所示。

表2 風電場各部件狀態(tài)量說明

2.4 有效機組數(shù)

有效機組數(shù)NW指實際能夠向外發(fā)出功率的風電機組臺數(shù)。在發(fā)生極端風況事件的恢復階段,同一配置的風電場會因為布線方式的不同而存在不同的運營彈性?？紤]到存在上述差異,以及彈性量化指標中計算的需要,提出風電場有效機組數(shù)以助于計算不同電氣接線方式下的風電場運營彈性。

放射形連接有效機組數(shù)NWS:

(11)

星形連接有效機組數(shù)NWP:

(12)

根據有效機組數(shù),可以計算風電場功率P為

P=cfPWNW

(13)

式中:cf——為一年中風電場功率的平均容量因子;

PW——單臺風電機組額定功率;

NW——風電場有效機組數(shù)。

3 風電場彈性評估方法

針對目前很少有對于風電場面對極端風況彈性的全面系統(tǒng)性評估,結合上述彈性量化與評估指標,極端天氣模擬以及各部件失效判定,提出了風電場彈性評估方法,并建立了降級階段與恢復階段的模型。

3.1 風電場彈性評估

針對量化風電場抵御極端風況事件的抵御力和恢復力,提出風電場彈性評估方法。風電場彈性評估流程如圖4所示。風電場彈性評估核心是利用蒙特卡洛方法進行反復試驗,最后根據統(tǒng)計結果計算風電場彈性指標。首先,模擬了沖擊階段,使用威布爾分布函數(shù)天氣進行模擬,得到風機輪轂高度和架空線路高度的風速。其次,利用各部件的脆弱性曲線對風電場的風電機組與架空線路進行失效判定,并統(tǒng)計數(shù)據。然后,若風電場不存在部件失效,則進入下一輪迭代,若風電場存在部件失效,則風電場進入降級階段和恢復階段。當時間到達迭代設定時間時,則停止迭代。最后對風電場彈性量化與評估指標進行計算。

圖4 風電場彈性評估流程

3.2 沖擊階段

沖擊階段包含了風電場各部件遭受失效和風電場面對極端情況時的緊急響應。沖擊階段帶來的影響與極端風況事件的嚴重程度與持續(xù)時間有關,同時也受風電場自身設備的響應速度以及冗余影響。對沖擊階段的天氣模擬與失效判定建模已在前文中提出,這里不再贅述。

3.3 降級階段

降級過程包含風電場安全檢查,損壞設備的現(xiàn)場確認以及損壞備件的準備。降級階段中,巡檢人員會對存在故障或損壞的部件進行現(xiàn)場確認,并確定維修的方案和手段。維修部門也會對損壞的部件進行統(tǒng)計,將維修設備與備用的組件備好。針對降級階段的特點,提出降級階段的持續(xù)時間tgr為

tgr=max[kctmcnf/ngc,tpr]

(14)

式中: max——最大值函數(shù);

kc——檢查人員準備因子;

tmc——設備平均巡檢時間;

nf——失效設備數(shù)量;

ngc——檢查人員組數(shù);

tpr——備件準備時間。

其中,kc的范圍為0～1,人員準備的越充分,kc值越大。

此外,降級階段還跟天氣有關,若在降級階段中發(fā)生極端風況事件,則降級會持續(xù)更長。

3.4 恢復階段

恢復階段包含著基礎設施的維修或重建,風電場供電能力的恢復?；謴碗A段的持續(xù)時間與天氣,維修人員,設備冗余以及沖擊階段的破壞程度有關。根據上述恢復階段的的特點,提出恢復時間計算tre為

tre=krtmrnf/ngr

(15)

式中:kr——維修人員準備因子;

tmr——設備平均維修時間;

nf——失效設備數(shù)量;

ngr——維修人員組數(shù)。

恢復階段的維修策略按照“母線→線路→機組”的維修順序進行,并且從靠近電網側開始。采取這樣的維修策略,無論是對于放射形連接還是星形連接的風電場來說,都可以盡量保證恢復原則的實現(xiàn),即在盡量短的時間內恢復盡可能多的供電能力。

4 算例分析

在同種極端風況沖擊下,本節(jié)使用提出的風電場彈性評估方法對某風電場的4種情況的彈性多邊形不同階段進行量化和分析,說明了所提出的彈性量化方法的適用性。

4.1 參數(shù)與建模過程

假設某風電場擁有30臺風電機組,分為3個小組。某風電場設備位置與連接方式如圖5所示。風電場考慮采用放射型連接(如圖5(a))或星形連接(如圖5(b)),并且風電場中的風機存在:偏航系統(tǒng)正常,偏航系統(tǒng)失效這兩種情況。為了便于對照,設置不同風電場的風電機組與架空線路數(shù)量相同。

圖5 某風電場設備位置與連接方式

根據上述的情況,風電場存在以下4種類型:類型Ⅰ為風機星形連接,偏航系統(tǒng)正常;類型Ⅱ為風機放射形連接,偏航系統(tǒng)正常;類型Ⅲ為風機星形連接,偏航系統(tǒng)失效;類型Ⅳ為風機放射形連接,偏航系統(tǒng)失效。

根據風電場彈性評估方法,在蒙特卡洛模擬中導入時間分辨率為6 min,每次持續(xù)時間t為1～2 h,平均風速為16 m/s的風況事件,總時間T迭代設置為5 000 h。極端風況事件的隨機生成服從參數(shù)為c=17.85,b=1.6威布爾分布。針對失效判斷,使用圖2的脆弱性曲線作為判斷依據。

假定在理想狀態(tài)下,風電場應急響應迅速,設備齊全,各工作人員準備良好,各部件備件充裕。風電機組與電路的平均巡檢時間分別為1 h與0.5 h,平均檢修時間分別為20 h與3 h。

4.2 極端風況下風電場彈性

風電場彈性基礎設施與運營彈性如圖6所示。圖6展示了在極端風況下風電場的基礎設施與運營彈性的變化情況。這些變化可以明顯地展示出彈性多邊形的3個階段。在沖擊階段中,基礎設施的數(shù)量迅速下降,供電能力也立即減少為0。在維持了一段降級階段后,各基礎設施的數(shù)量開始在維修中回升。

在線路基礎設施彈性達到初始值后,風電機組基礎設施彈性開始上升,如圖6(a)和6(b),這體現(xiàn)了之前制定的維修策略。圖6(a)與圖6(b)的主要差別在于損失的風電機組數(shù)量,這表明了帶有偏航系統(tǒng)良好風電機組的風電場在風電機組失效的數(shù)量上會遠少于那些風電機組偏航系統(tǒng)在極端風況中不能正常工作或者響應速度不夠的風電場。

圖6 風電場彈性基礎設施與運營彈性

圖6(c)展示了4種類型風電場的運營彈性的區(qū)別,在有偏航與無偏航的風電場中,運營彈性的變化相差很大,這是因為損失的風電機組數(shù)量不同帶來的差異。在極端風況中每多損失一臺風電機組,就會多損失對應的發(fā)電能力。對比星形連接與放射形連接的風電場可以看出,在恢復階段星形連接風電場的供電能力比放射形連接風電場更多,這一差異特別體現(xiàn)在恢復階段的初期。這是由于星形連接這種接線方式相比放射形連接能夠為風電場線路發(fā)生失效時提供更多的冗余性能。這有助于風電場在短時間內恢復更多的供電能力,即運營彈性。

4.3 彈性量化指標分析

4.3.1 基礎設施彈性量化指標分析

對風電場的基礎設施彈性進行分析。根據上文中提出的風電場彈性量化方法,對蒙特卡洛模擬的記錄的每一步數(shù)據進行分析,可得到風電場基礎設施彈性在較為平均水平上的總體彈性量化結果?；A設施彈性指標Φ、Λ與Π如圖7所示;基礎設施彈性指標E如表3所示。

圖7 基礎設施彈性指標Φ、Λ與Π

表3 基礎設施彈性指標E

在之前所提出的彈性量化方法中,指標Φ代表極端風況發(fā)生時風電場基礎設施彈性下降的速率。由圖7可見,在風電場基礎設施中,無偏航風電機組的下降速率最大,其次是架空線路,有偏航風電機組的下降速率最低。產生這種現(xiàn)象的原因是在破壞性較大的極端風況事件發(fā)生后,無偏航風電機組會產生大量的失效,而有偏航風電機組對于這種災害仍有較強的抵御能力。然而這種極端風況發(fā)生的概率是極低的。

對于架空線路來說,不同程度的極端風況都或只是其發(fā)生多少的失效,而其中大部分發(fā)生的都是只會引起線路輕微失效的極端風況。故而架空線路的Φ指標在數(shù)值上會低于無偏航風電機組。指標Λ代表基礎設施彈性的下降程度。在圖7中,有偏航風電機組指標Λ的值很低,說明其失效的程度很低;接著是無偏航風電機組,存在一定程度上的失效;最后是架空線路,失效率最高。根據以上分析,可以證明指標Φ與指標Λ能夠代表風電場中各部件針對極端風況的抵御能力。

在降級階段與恢復階段中,指標Ε表示降級階段的持續(xù)時間,指標Π表示恢復階段的恢復速率。這兩個指標不僅與沖擊階段的損壞程度有關,而且與備件情況與人員準備有關。在圖7中,偏航系統(tǒng)正常與偏航系統(tǒng)失效風電機組的指標Π相同且低于架空線路的指標Π,這是因為在前面的設定中,設定的風電機組平均維修時間相同而且比架空線路的平均維修時間長很多。在表3中,表明了擁有良好偏航系統(tǒng)風電機組的風電場降級時間比偏航系統(tǒng)失效風電機組的風電場少,這是因為前者的失效程度比后者低。此外,表3展示了兩種不同巡檢人員準備因子降級時間的區(qū)別,說明了人員準備良好的風電場的降級時間會低于準備不足風電場。

4.3.2 運營彈性量化指標分析

下面對風電場運營彈性進行評估分析。風電場運營彈性指標Π如表4所示;風電場運營彈性指標Area如圖8所示。

表4 風電場運營彈性指標Π

圖8 風電場運營彈性指標Area

風電場運營彈性指標Π在恢復階段時表示風電場供電能力恢復速度。在表4中,顯示4種類型風電場的指標Π。其中,類型Ⅰ和類型Ⅱ比類型Ⅲ和類型Ⅳ高許多,這種差異是風電場基礎設施所造成的。偏航系統(tǒng)正常工作風電機組的風電場的基礎設施損失比偏航失效風電機組的風電場的少,保留的供電設施會跟多,且維修的時間較短,故前者運營彈性的恢復速度比后者大。此外,對比類型Ⅱ與類型Ⅰ和類型Ⅳ與Ⅲ可以發(fā)現(xiàn)相同條件下放射形連接的風電場恢復速度比星形連接的大,這是由于星形連接帶來的風電場運營性能冗余,使得在恢復階段初期星形連接的運營彈性比放射形連接的多,這樣就造成了在相同的維修時間下,星形連接風電場運營彈性的恢復速度顯得比放射形連接的慢。

Area指標可以表示風電場預期發(fā)電量的損失情況,圖8中橫坐標Area1、Area2、Area3、Total Area分別表示沖擊階段、降級階段、恢復階段和三階段總共的運營彈性多變形面積。由圖8可見,在Area1中,4種類型的風電場彈性多邊形面積并無區(qū)別。在Area2中,各類型面積會因為風電場風電機組的偏航有無失效出現(xiàn)差異,這是因為基礎設施損壞不同而導致的降級時間的不同。在Area3中,各類型面積會由于偏航正常與否出現(xiàn)較大區(qū)別,這是由于降級時間的不同進一步拉大了差異;同時,放射形連接風電場的面積會大于星形連接,產生這種現(xiàn)象也是因為星形連接在恢復階段初期提升了運營彈性,縮短了彈性多邊形的邊長。

通過上述分析,反映了具有良好條件的基礎設施有助于提升風電場抵御極端風況的能力,具有冗余的電氣線路接線方式可以使風電場的發(fā)電能力在災難過后快速恢復,說明了風電場的人員準備在降級與恢復階段所起的關鍵作用。

基于對仿真結果的分析,表明了彈性量化與評估指標能夠體現(xiàn)風電場的抵御力與恢復力,驗證了所提出的風電場彈性量化指標與評估方法的有效性。

5 結 語

本文針對風電場對于極端風況的抵御力與恢復力,提出了風電場彈性量化指標和一種基于蒙特卡洛模擬的風電場彈性評估方法,分別對4種風電場類型,分析了在設備物理強度與冗余性能兩個方面對風電場的基礎設施彈性以及運營彈性的影響,驗證了所提出量化指標與評估方法的有效性。

本文提出的方法完善了風電場針對極端風況彈性評估的手段,有助于完善風電場設計初期的考慮以及提升彈性的運維策略。同時,可以為電力系統(tǒng)結構優(yōu)化與維護能源安全提供基礎。

需要指出的是,本文使用了簡化風電場模型,極端風況、恢復過程的模擬趨于理想化。下一步研究擬進一步改進失效判定建模,完善降級與修復的模型。