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基于非序貫蒙特卡洛法的特高壓直流外送配套電源可靠性評(píng)估

2020-11-13 01:14胡家華李東輝
分布式能源 2020年5期
關(guān)鍵詞:蒙特卡洛出力風(fēng)光

胡家華,李東輝

(大連交通大學(xué)電氣信息工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,建設(shè)特高壓直流輸電系統(tǒng)已成為我國(guó)電網(wǎng)發(fā)展的必然[1],與之配套的各種電源規(guī)劃方案也相繼應(yīng)運(yùn)而生。因此,研究針對(duì)直流外送系統(tǒng)配套電源的可靠性評(píng)估方案具有重要意義。目前已有一些針對(duì)可靠性評(píng)估方法的研究,但對(duì)于配套電源的可靠性評(píng)估問(wèn)題還鮮有涉及。關(guān)于可靠性評(píng)估,文獻(xiàn)[2]介紹了蒙特卡洛法基本原理及其在電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[3]論述了傳統(tǒng)非序貫蒙特卡洛模擬方法在高可靠性系統(tǒng)中的弊端。文獻(xiàn)[4-6]對(duì)并網(wǎng)光伏電站的發(fā)電可靠性進(jìn)行了評(píng)估。文獻(xiàn)[7]考慮了天氣變化、設(shè)備故障等隨機(jī)因素對(duì)光伏發(fā)電出力的影響,采用蒙特卡洛法研究了大規(guī)模光伏電源的引入對(duì)電網(wǎng)可靠性的影響,但并未對(duì)光伏電源的可靠性評(píng)估進(jìn)行探討。文獻(xiàn)[8]采用蒙特卡洛法,計(jì)算了發(fā)電系統(tǒng)可靠性指標(biāo),分析了含風(fēng)光儲(chǔ)的發(fā)電系統(tǒng)的可靠性問(wèn)題,但在含風(fēng)光儲(chǔ)的新能源電源可靠性評(píng)價(jià)方面沒(méi)有更多的涉及。文獻(xiàn)[9]建立了基于晴空指數(shù)與波動(dòng)特性的光伏電站多狀態(tài)可靠性模型,實(shí)現(xiàn)了含光伏電站的發(fā)電系統(tǒng)的蒙特卡洛模擬仿真。文獻(xiàn)[10]考慮了不同天氣概率、最大輻射強(qiáng)度等不確定天氣因素,針對(duì)光伏電站的發(fā)電可靠性評(píng)估進(jìn)行了研究。

本文針對(duì)直流外送系統(tǒng)配套電源的可靠性進(jìn)行研究。首先考慮配套電源新能源發(fā)電機(jī)組的出力特性和直流外送通道的運(yùn)行情況,建立配套電源新能源發(fā)電系統(tǒng)的故障率計(jì)算模型。采用非序貫蒙特卡洛法計(jì)算配套電源的可靠性指標(biāo),對(duì)某地特高壓直流外送系統(tǒng)配套電源的可靠性進(jìn)行評(píng)估,得出幾種不同情景下配套電源可靠性的變化結(jié)果。結(jié)果表明,本方法可用于對(duì)直流外送系統(tǒng)配套電源的可靠性進(jìn)行評(píng)估計(jì)算。

1 直流外送系統(tǒng)配套電源抽樣模擬方法

直流外送系統(tǒng)配套電源主要包括常規(guī)發(fā)電機(jī)組(火電、水電)和新能源發(fā)電機(jī)組(風(fēng)電、光伏)。對(duì)于常規(guī)發(fā)電機(jī)組,可采用傳統(tǒng)的非序貫蒙特卡洛方法進(jìn)行可靠性評(píng)估。而針對(duì)直流外送系統(tǒng)配套電源新能源發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱配套電源新能源系統(tǒng))隨機(jī)性、波動(dòng)性、間歇性的出力特性,本方法首先對(duì)配套電源新能源系統(tǒng)故障率進(jìn)行計(jì)算,然后采用非序貫蒙特卡洛方法對(duì)配套電源新能源系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行抽樣模擬。

1.1 配套電源新能源系統(tǒng)故障率模型

1.1.1 風(fēng)電機(jī)組故障率模型

在傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)可靠性模型中,通常認(rèn)為風(fēng)機(jī)的故障率與外界條件無(wú)關(guān),因此將其設(shè)為定值。然而,實(shí)際上風(fēng)速和風(fēng)載荷對(duì)風(fēng)機(jī)葉片等元件所產(chǎn)生的影響很大,并且在所有故障當(dāng)中,這些元件所發(fā)生的故障占有相當(dāng)大的比例。因此,這里需要考慮風(fēng)載荷對(duì)風(fēng)機(jī)故障率的影響[11]。

風(fēng)機(jī)所受風(fēng)載荷為

(1)

式中:wk為實(shí)際風(fēng)載荷;vk為風(fēng)速;βz為風(fēng)振系數(shù);μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù);μs為體形系數(shù);ρ為空氣密度。

假設(shè)由風(fēng)速引起的故障率與風(fēng)載荷之間成線性關(guān)系,如式(2)所示:

λw=kfwk+bf

(2)

將式(1)代入式(2),得

(3)

再將點(diǎn)(vci,λmin)和(vco,λmax)代入式(2),得到

式中:λmin為切入風(fēng)速對(duì)應(yīng)的故障率;λmax為切出風(fēng)速對(duì)應(yīng)的故障率。

1.1.2 光伏電站多狀態(tài)模型

考慮到光伏陣列組件的部分故障問(wèn)題,本節(jié)引入光伏電站的M2狀態(tài)模型[9]。若光伏電站此時(shí)處于狀態(tài)i,當(dāng)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí),可能達(dá)到的狀態(tài)數(shù)為M2個(gè)(包括轉(zhuǎn)移到自身狀態(tài)i)。到達(dá)狀態(tài)j的概率Pij可由式(6)得到

式中:λij為狀態(tài)i到狀態(tài)j的轉(zhuǎn)移率;nij為從狀態(tài)i到j(luò)的轉(zhuǎn)換次數(shù);Ti為處于狀態(tài)i的總時(shí)間。

光伏電站由狀態(tài)i轉(zhuǎn)移至狀態(tài)j的過(guò)程可由圖1進(jìn)行判定。如圖1所示,將所有可能狀態(tài)的概率在數(shù)軸[0,1]上依次累加排列;R為隨機(jī)數(shù),其在[0,1]之間服從均勻分布。若R落在區(qū)間Pij,則光伏電站在經(jīng)過(guò)狀態(tài)轉(zhuǎn)移后將運(yùn)行于狀態(tài)j。

圖1 光伏電站狀態(tài)轉(zhuǎn)移的判定過(guò)程Fig.1 PV station state transition decision process

1.2 配套電源的非序貫蒙特卡洛抽樣

本文在運(yùn)用非序貫蒙特卡洛法時(shí),應(yīng)用對(duì)象為直流外送系統(tǒng)配套電源,將配套電源中的單臺(tái)風(fēng)機(jī)或出力總和為1 MW的光伏面板群類比為傳統(tǒng)蒙特卡洛法中的單一元件。

1.2.1 風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)抽樣

對(duì)于由n臺(tái)風(fēng)機(jī)組成的風(fēng)電機(jī)組,一般采用X=[X1,X2,…,Xk,…,Xn]表示風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)變量,其分量Xk表示風(fēng)機(jī)k(k=1,2,…,n)的運(yùn)行狀態(tài);風(fēng)機(jī)k有工作和失效2個(gè)狀態(tài),分別用Xk=1和Xk=0表示,且不同風(fēng)機(jī)之間的運(yùn)行狀態(tài)相互獨(dú)立;λk表示風(fēng)機(jī)k的失效概率。從[0,1]區(qū)間產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)ξk,則一次抽樣中風(fēng)機(jī)k的狀態(tài)Xk由式(8)確定[3]:

(8)

1.2.2 光伏陣列的狀態(tài)抽樣

光伏陣列由多個(gè)光伏面板組成,假定將出力總和為1 MW的光伏面板群作為光伏陣列的單位出力單元。為了反映出力單元的故障狀態(tài),基于光伏電站的多狀態(tài)模型,此處采用光伏陣列的三狀態(tài)模型進(jìn)行狀態(tài)抽樣[12]。正常狀態(tài)、降額運(yùn)行、故障狀態(tài)的概率分別為Pu、Pe、Pd,抽樣方法如圖2所示。

圖2 三狀態(tài)元件抽樣方法Fig.2 Sampling method for three-state elements

由圖2可得,將光伏陣列處于每個(gè)狀態(tài)下的概率,在數(shù)軸[0,1]上按照正常、降額、故障的順序依次累加排列,隨機(jī)數(shù)R坐落的區(qū)間即表示光伏陣列當(dāng)前所處的狀態(tài)。例如:若Pu

2 直流外送系統(tǒng)配套電源可靠性評(píng)估

2.1 配套電源可靠性評(píng)估指標(biāo)

2.1.1 可靠性指標(biāo)定義

假定直流外送通道輸電可調(diào)空間為

0.8PDCe≤PDC≤PDCe

(9)

式中:PDCe為直流外送通道額定傳輸功率;PDC為直流外送通道某時(shí)段的實(shí)際傳輸功率,即某時(shí)段配套電源的實(shí)際輸出功率。在此基礎(chǔ)上,本文結(jié)合文獻(xiàn)[8]提出的方法給出如下指標(biāo)。

1) 配套電源冗余容量比PRC。

當(dāng)配套電源的實(shí)際輸出功率大于直流外送通道的輸電上限時(shí),超出的部分即為冗余容量。配套電源冗余容量占其全年實(shí)際發(fā)電容量的比值PRC如式(10)所示:

式中:Prt為t時(shí)刻直流外送通道配套電源的冗余功率,若Prt≤0,令Prt=0;PPVt和PWt分別為t時(shí)刻光伏和風(fēng)電出力;Pt為t時(shí)刻配套電源總出力;PDCmax為外送通道可調(diào)功率上限;T為配套電源全年發(fā)電小時(shí)數(shù)。

2) 配套電源出力偏移度OOD。

出力偏移度OOD用于描述配套電源實(shí)際出力與外送通道額定功率之間的偏移程度,如式(12)所示:

(12)

2.1.2 可靠性指標(biāo)計(jì)算

在進(jìn)行完每一次的抽樣之后,通過(guò)式(10)(12)的計(jì)算可得到當(dāng)前抽樣結(jié)果的PRC和OOD指標(biāo)。N次抽樣之后,將所有得到的各項(xiàng)指標(biāo)的期望值作為可靠性指標(biāo)的最終結(jié)果。

設(shè)可靠性指標(biāo)函數(shù)為F(X),則可靠性指標(biāo)的期望E(F)如式(13)所示[13]:

(13)

式中:S為系統(tǒng)樣本狀態(tài)空間;P(X)為抽樣元件i的聯(lián)合概率分布。

實(shí)際抽樣中,由于抽樣次數(shù)的限制,因此只能求得可靠性指標(biāo)期望E(F)的估計(jì)值,如式(14)所示:

(14)

式中:N為抽樣次數(shù);Fi(X)為第i次抽樣的實(shí)驗(yàn)函數(shù)。

2.2 配套電源可靠性評(píng)估流程

使用非序貫蒙特卡洛法評(píng)估直流外送通道配套電源可靠性的流程如圖3所示。評(píng)估過(guò)程中,假定一年當(dāng)中每個(gè)小時(shí)時(shí)段的機(jī)組出力和直流外送通道傳輸功率均保持不變。取模擬時(shí)間間隔為1h,初始參數(shù)Nyear為1,模擬總時(shí)長(zhǎng)為Nz年。

圖3 可靠性評(píng)估流程圖Fig.3 Flow chart of the reliability evaluation

3 算例分析

3.1 算例簡(jiǎn)介

為了分析配套電源出力的可靠性問(wèn)題,選取某地的風(fēng)速、溫度、輻照度等數(shù)據(jù),假定該地包含100個(gè)1MW機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng),并假定vci=3,vco=25,λmin=0.036,λmax=0.301;βz、μz、μs分別取1、0.5、0.6[11],空氣密度取標(biāo)準(zhǔn)值1.225kg/m3。選取包含100個(gè)1MW出力單元的光伏系統(tǒng),降額狀態(tài)概率Pe=5.58%,故障狀態(tài)概率Pd=3.1%。風(fēng)光容量利用率[14]取20%,直流外送通道額定傳輸功率為12 000 MW,假定配套電源總?cè)萘颗c直流外送通道額定傳輸功率始終保持相等,且在配套電源中除去風(fēng)光總?cè)萘康氖S嗖糠譃槌R?guī)機(jī)組發(fā)電容量。選取風(fēng)電機(jī)組出力模型[15]和光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本出力模型[7],對(duì)基本算例系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估與分析。

3.2 可靠性評(píng)估結(jié)果與分析

分別在僅有光照資源充足、僅有風(fēng)力資源充足、風(fēng)光資源均充足的情景下,對(duì)基本算例系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估,分別計(jì)算3種情景下的配套電源可靠性指標(biāo),結(jié)果如表1所示。

表1 基本算例系統(tǒng)可靠性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Table 1 Indexes of the basic system %

從表1可以看出,當(dāng)僅有光照資源充足或僅有風(fēng)力資源充足時(shí),可靠性指標(biāo)數(shù)值在這2種情景下相差無(wú)幾,某情景可靠性指標(biāo)的高低取決于該情景資源自身的充裕程度:資源越充裕,可靠性指標(biāo)越高。在風(fēng)光資源都充足的情況下,配套電源的冗余容量比和出力偏移度均有增加,其可靠性有所下降。這是因?yàn)轱L(fēng)光資源均充足時(shí),配套電源出力提升,導(dǎo)致超出通道傳輸功率上限的部分相應(yīng)增加;另外,風(fēng)力的不穩(wěn)定性和光照的不確定性同時(shí)影響著配套電源的出力,造成配套電源的出力波動(dòng)增大,出力偏移的部分隨之上升。

將基本算例條件進(jìn)行適當(dāng)改變,在風(fēng)光資源均充足的情況下,研究風(fēng)光總?cè)萘?、風(fēng)光容量比例以及通道額定傳輸功率等對(duì)配套電源可靠性的影響。

3.2.1 風(fēng)光總?cè)萘空急葘?duì)配套電源可靠性的影響

保持風(fēng)光容量比例和通道額定傳輸功率不變,將風(fēng)光總?cè)萘繌?00 MW等比例逐步增加到800 MW,常規(guī)機(jī)組出力也相應(yīng)發(fā)生變化,調(diào)整其各自在配套電源中的出力比例。每次改變后的配套電源可靠性評(píng)估結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同風(fēng)光總?cè)萘康目煽啃灾笜?biāo)Fig.4 Reliability indexes under different capacity of wind/photovoltaic

由圖4可以看出,配套電源冗余容量比PRC隨風(fēng)光總?cè)萘康脑黾佣饾u增大,表明隨著風(fēng)光總?cè)萘吭谂涮纂娫粗械谋壤黾?,配套電源輸出功率的利用率也隨之逐漸降低。隨著風(fēng)光總?cè)萘康脑龃?,配套電源出力偏移度OOD大幅增大,這是由于風(fēng)光出力具有隨機(jī)波動(dòng)的特性,很難維持在某一特定水平進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)穩(wěn)定的輸出。因此隨著風(fēng)光總?cè)萘康脑龃?,配套電源出力偏移將愈發(fā)嚴(yán)重。

3.2.2 風(fēng)光容量比例對(duì)配套電源可靠性的影響

保持風(fēng)光總?cè)萘?00 MW和通道額定傳輸功率不變,對(duì)光伏容量所占比例進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)光伏容量百分比為0%時(shí),表示只有風(fēng)力發(fā)電;當(dāng)光伏容量百分比為100%時(shí),表示只有光伏發(fā)電。變化后的可靠性評(píng)估結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同風(fēng)光容量比例的可靠性指標(biāo)Fig.5 Reliability indexes under different proportions of wind/photovoltaic capacity

由圖5可以看出,風(fēng)電系統(tǒng)與光伏系統(tǒng)相比可靠性更高,并且含風(fēng)光容量的配套電源可靠性要優(yōu)于僅含風(fēng)電或光伏的發(fā)電系統(tǒng)。這是因?yàn)轱L(fēng)、光資源在時(shí)間及季節(jié)上均存在一定的互補(bǔ)性。一般而言,太陽(yáng)光照強(qiáng)度白天較強(qiáng)、夜晚為0,并且夏季強(qiáng)、冬季弱;而風(fēng)速白天小、夜晚大,夏季風(fēng)小、冬季風(fēng)大。風(fēng)光這種互補(bǔ)特性,在光伏占比為20%時(shí)表現(xiàn)得較為明顯,更能體現(xiàn)出二者在時(shí)間及季節(jié)上的出力特點(diǎn)。

3.2.3 通道額定傳輸功率對(duì)配套電源可靠性的影響

保持風(fēng)光總?cè)萘吭谂涮纂娫粗械恼急群惋L(fēng)光容量比例不變,對(duì)直流外送通道的額定傳輸功率(與配套電源總?cè)萘勘3窒嗟?進(jìn)行調(diào)整,通道額定傳輸功率從10 000 MW逐步增加到15 000 MW。對(duì)每次調(diào)整后的方案進(jìn)行可靠性評(píng)估,其結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出,隨著直流外送通道額定傳輸功率的增大,配套電源冗余容量比PRC和出力偏移度OOD幾乎不發(fā)生變化。這說(shuō)明當(dāng)保持風(fēng)光總?cè)萘吭谂涮纂娫粗械恼急纫欢〞r(shí),配套電源的可靠性幾乎不隨通道額定傳輸功率的變化而發(fā)生改變。因此,針對(duì)不同傳輸功率的外送通道,其配套電源的可靠性可通過(guò)維持風(fēng)光總?cè)萘吭谂涮纂娫粗械恼急榷靡员WC。

4 結(jié)論

本文針對(duì)配套電源新能源發(fā)電機(jī)組的出力特性和直流外送通道的運(yùn)行情況,建立配套電源新能源發(fā)電系統(tǒng)的故障率計(jì)算模型。在不同情景之下,運(yùn)用非序貫蒙特卡洛法,對(duì)直流外送通道配套電源進(jìn)行可靠性評(píng)估。采用配套電源冗余容量比和出力偏移度衡量配套電源的可靠性。通過(guò)算例分析可得出以下結(jié)論。

1) 配套電源的可靠性與電源中風(fēng)光總?cè)萘康拇笮〕烧嚓P(guān)。因此,在選擇具有高比例新能源的配套電源的同時(shí),其可靠程度也將受到一定影響。

2) 風(fēng)、光發(fā)電的組合相對(duì)于單一風(fēng)電或光伏系統(tǒng)更有利于改善配套電源的可靠性。

3) 通過(guò)保持風(fēng)光總?cè)萘吭谂涮纂娫粗械恼急?,可以保證不同容量電源的可靠性程度一致。

本方法在一定程度上可適用于對(duì)直流外送系統(tǒng)配套電源的可靠性評(píng)估。在以后的研究工作中,需要進(jìn)一步考慮常規(guī)發(fā)電機(jī)組的設(shè)備故障率,根據(jù)實(shí)際發(fā)電設(shè)備的故障情況,進(jìn)一步提升配套電源實(shí)時(shí)出力的計(jì)算真實(shí)度,有利于更加準(zhǔn)確地分析各類型發(fā)電系統(tǒng)對(duì)配套電源可靠性的影響。

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