考虑风电和水电协调配合的可靠性评估.docx

考虑风电和水电协调配合的可靠性评估.docx

《考虑风电和水电协调配合的可靠性评估.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《考虑风电和水电协调配合的可靠性评估.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

考虑风电和水电协调配合的可靠性评估

考虑风电和水电协调配合的可靠性评估

RajeshKarki,PoHu,RoyBillinton,

摘要：

全球范围内风能在电力系统中的应用持续增长。

由于风能的高度波动性，风电场对整个系统的可靠性贡献受到风电输出功率不确定性的限制。

随着风电渗透率的不断提高，电力系统接纳可用的风电和维持系统可靠性和稳定性的能力下降。

因此协调传统发电单元和风电的运行具有重要的意义。

具有储能能力的水电厂不仅能够减小风电功率波动的影响，而且对电力系统的充裕性也有一定贡献。

本文利用蒙特卡罗模拟技术提出了一种容量有限水电厂和风电场协调配合的方法，同时考虑到风速、水流和负荷需求的时序变化。

该方法采用IEEE四节模型以表现出水电单元的间歇性运行。

本文提出方法应用于IEEE-RTS算例，通过一系列的研究定量评估了有效利用风能和水能的可靠性效益。

同时还考察了大电网参数对系统充裕性的影响。

关键字：

水电；蒙特卡洛模拟；电力系统可靠性；风电

1引言

随着促进可再生能源发展政策的实施例如北美的可再生能源配额制，德国、丹麦和西班牙的固定电价制[1]，以及英国的可再生能源义务[2]，已经确立了高风电渗透率的目标。

由于许多国家的风电渗透率已有显著提高，风能的间歇性将会阻碍风电的接入[3]。

电力系统运行商有责任接入大规模的风电场，因而他们十分关注电力系统接纳风能同时维持系统可靠性的能力。

如果现有的传统发电单元不能快速响应风电功率的波动，此时电力系统能够接纳的风电数量将受到显著的限制。

带有水库的水电站有能力快速变化输出功率，在风速较高时期它通过储水能够作为一个储能电厂，而当风电功率下降时水电厂又能够增加功率输出。

关于大规模风电场接入电力系统的问题已有大量的研究工作[4,5]。

文献[6,7]研究了电力系统中风电快速增长时的系统可靠性问题，以及风电的易变性对电力系统充裕性的影响。

在文献[8-11]中提出了包含风电和储能的发电系统的可靠性能力评估。

文献[12-17]探讨了风电场和水电站的协调配合。

大多数研究人员都认为风电和水电协调工作以提供稳定的电能，能够使两者的价值相互提高。

文献[13]提出了一种多水库水电系统与风电厂协调的规划算法，以减少由于输电阻塞而造成的弃风。

在文献[14]中研究了一个风电场和两个水库（包括一个微水电厂和一个水泵站）长期运行的经济可行性。

文献[15]阐述了一个按小时离散的优化算法，用于确定风力发电机和水电站的发电抽水设备的日优化运行策略。

风电与大电网互联时水电作为一个后备单元，用于补偿风电的功率波动，从而在一定的范围内实现全局的功率平衡[16]。

文献[17]研究了大规模风电场接入现有水电系统的经济效益。

在文献[13-17]的研究中协调风电和水电运行的目标是，实现风能的最大利用率，减少由于输电阻塞而造成的弃风，经济运行效益最大化，以及维持能量的守恒和系统的稳定。

这些研究的主要目标就是评价所采用的协调配合方式的经济效益。

在以往的研究中都没有考虑风电和水电协调配合对系统充裕性的影响。

本文采用蒙特卡洛模拟方法结合风电和容量有限水电系统的协调配合来进行发电容量的充裕性评估。

本文建立的模型适用于不同存储能力的水电系统，但是不能用于抽水储能系统。

采用IEEE概率方法应用委员会提出的四阶模型[18]来建立水电单元模型，其用于响应风电的波动间歇性运行，并以IEEE-RTS作为测试系统[19]。

本文还扩展了文献[20]提出的容量有限的水电系统模型，研究中还使用了水流、库容、水轮机放电率等水电厂运行特性数据，由此对水电与容量有限的水电单元的可靠性效益进行了一系列的研究。

2提出的方法

发电能力的充裕性评估的主要目的是评估发电厂满足系统负荷需求的风险。

本文研究的发电系统包括火电、水电和风力发电（WTG）单元。

火电单元采用采用二阶的马尔可夫模型[21]。

水电单元采用四阶模型[18]，该单元只在系统需要时才进行供电。

如果当系统需要时水电单元起动成功，其输出功率依赖于当时的水文条件。

WTG单元的输出功率有风电场的风速和WTG的特性决定。

由于WTG的强迫停运率（FOR）对整体系统的充裕性没有显著影响，因此本文不考虑WTG的强迫停运率。

负荷模型采用每小时时间序列负荷曲线。

给定时间间隔的系统可用的备用部分是指系统可用容量与负荷之间的差值。

负的差值表示负荷减小的情况。

通过模拟足够长的时间段内系统的可用备用曲线，能够计算系统的可靠性指标例如电力不足期望值（LOLE）、电量不足期望值（LOEE）[21]。

系统充裕性研究模拟时通常采用每小时时间间隔。

在每个时间间隔中，通常认为系统的状态时恒定的，所有系统的变化只在时间间隔的开始阶段出现。

风电场和水电厂的模拟模型分别在第ⅡA节和第ⅡB节提出。

风电和水电的协调配合则在第ⅡC节进行阐述。

A风电模型

风能变换系统（WECS）的序贯模拟涉及到指定电站在足够长的时间段内每小时速度的出力。

已有文献证明一个平稳的随机系统能够由一个（n,n-1）阶的时序自回归移动平均模型尽可能的近似[22]。

文献[23]提供了一个拟合风速时间序列模型的方法。

采用该方法的时间序列ARMA风速模型能够重现实际风速的高阶自相关以及季节和昼夜的分布特性，因此该方法被用于包含WECS的电力系统的可靠性研究中。

对于选定风电场的风速采用具体地区的ARMA模型模拟，其数学表达式如

（1）所示，

（1）

式中yt为t时刻的时间序列值，Φi（i=1,2,3…n）和θj（j=1,2,3…n-1）分别是自回归和滑动平均模型的参数。

αt为平均值为0方差为

的标准白噪声过程（例如αt∈NID（0,

））,NID表示独立正态分布。

斯威夫特卡伦特（SC）风况的ARMA模型由式

（2）表示，该风场的历史风速数据从加拿大环境部获得。

斯威夫特卡伦特位于加拿大萨斯喀彻温省南部，其平均风速为5.6m/s。

本文研究该地风电场时采用的风况表达式如下：

（2）

第t个小时的风速SWt可用（3）式模拟，

（3）

式中μt和σt分别为该风电场风速每小时历史数据的平均值和标准差。

由时序模型得到的每小时风速SWt代入式（4）中，能够确定WTG的可用输出功率P（SWt）[24]，

（4）

B水电厂模型

水电厂在相对较短的时期指定为调峰单元时，需要频繁的起动和中断。

IEEE概率方法应用委员会提出调峰单元采用四阶模型。

如图1所示该模型包括备用停运和强迫停运状态，但是没有需求状态。

图1IEEE四阶模型

本文提出的方法水电单元采用IEEE四阶模型，为了体现出考虑系统条件和运行限制时水电单元快速起动和停止以响应系统需求的能力。

在模拟水电单元每个小时的状态时，考虑了系统的负荷需求、传统发电单元和风电场的输出功率以及由于水流和库容等原因的水电站容量限制。

水电单元的状态确定后，图1中水电单元运行于状态1时，其输出功率由水库的水文条件确定。

如图1所示所采用的四阶模型需要T和D两个参数。

在MCS方法中，状态0和状态1、状态2和状态3的过渡过程的时序模拟，依据水电单元满足负荷或者平衡风电功率波动的要求，在下一小节中将按5步来阐述。

在水库存储的水势能通过水轮机和发电机转换成电能。

输入的能量与流进水库的水流量和发电输出的能量有关。

水流量主要来自降水，因而依赖于天气条件。

考虑一年中有三种类型的天气条件：

潮湿、干燥和正常。

每种天气条件出现的概率是相同的，在仿真过程中随机选择。

本文扩展了文献[20]中的水电厂模型和水流量模型，加入了风电模型和四阶发电单元模型，以及风电和水电协调运行的各种运行约束。

假设水流量（Zj,j=1,…,13）满足正态分布，而Zj的值由Box和Muller方法得到[25]。

本文中将一年分成13个时期，每一个时期包含672个小时且天气条件相同。

每个时期的水流量数据的平均值可见下一节的表Ⅰ，其标准差为相应平均值的5%。

由式（5）能够得到每小时流进水库的水流量（Ii,i=1,…,8736）：

（5）

采用式（6-8）能够在每个小时的开始阶段计算第i个小时的弃水量Si和水库储水量Vi：

（6）

（7）

（8）

式中Vpi为在弃水前第i个小时水库的水量，Vmax为最大和最小水库容量，Ri-1为在第i-1个小时期间用于发电的水量，Si为第i个小时期间的弃水量。

当Vi大于水库的最小水量Vmin时，水电厂在第i个小时水库的净水头Hi可由式（9）近似计算得到：

（9）

式中a，b，c为水库模型系数

当电力系统中其他发电单元（例如WTG、火电厂等）的输出功率，能够满足系统负荷需求时，调峰水电单元不供电。

此时，水流能够在水库中存储。

如果来自其他发电单元的功率不足，适当数量的水电单元（ka）运行为负荷供电，水电单元的输出功率（Phi）能够由式（10）和（11）得到：

（10）

（11）

式中g为引力常数（m/s2）；β为水电单元的总效率（β=0.8）；Q为水轮机的放电率，其最大和最小限值分别为10.5和53m3/s；s为水的比重（s=103kg/m3）；G为每个水轮机的导叶开度面积，最小值为1.1m2。

第i个小时期间用于发电的水量Ri可由式（12）得到：

（12）

C风电和水电协调配合模拟

水电和风力发电的波动协调运行的主要目的是，在维持系统稳定性和安全性的同时实现可再生能源的最大利用率。

但是协调配合对系统的充裕性有较大的影响。

在峰值负荷时间充分利用风能能够进行储水，这有利于提高系统的充裕性，反之当系统用于平衡风电波动的水能耗尽时系统的充裕性将降低。

因此风电和水电协调配合对系统充裕性的方法需要能够考虑风电和水电协调运行限制条件的完整模型。

所提出的方法考虑了水电水库的能量限制，其采用图1所示的四阶模型。

本文研究中部分水电单元用于与风力发电协调运行，以平衡风电的功率波动，而剩下的水电单元则作为调峰单元。

如果风电场的功率输出小于指定值（称作协调基准值），则被指定与风电协调的水电单元必须提供必要的功率支持。

模拟过程和系统的充裕性指标计算的描述见以下几个步骤。

步骤1）利用所选风电场风况的ARMA风速模型，以及功率曲线技术确定风电场的输出功率时间序列（Pwi,i=1,2,…,8736）。

步骤2）计算采用二阶模型表示的传统发电单元的输出功率时间序列（Pbi,i=1,2,…,8736）。

步骤3）协调基准值F是相对于风电场容量（Cw）的百分值，用于表示水电单元为风力发电提供的支持所需要的功率。

由于风电场的容量是其长期运行的平均输出功率，因此F选为接近风电场容量的系数。

用于和风力发电协调的水电单元的数量为k（k≦M）。

M是水电单元的总个数。

由于水电单元能够被强迫停运，在该时间间隔内能够转入供电状态的水电单元的数量为kw，其小于或者等于k。

如果Pwi

如果Pwi≧F×Cw，则不需要水电单元提供支持。

k与kw之间的关系可由式（13）表示：

（13）

与风力发电协调的水电单元的输出功率（Phwi）由式（14）计算得到：

（14）

步骤4）确定了需要与风力发电协调的水电单元数量以及它们输出的功率后，则用于调峰的水电单元数量（kp）及其输出功率（Phpi）也可计算得到。

kp与kw之间的关系如式15所示。

需要指出被分配与风力发电协调的水电单元，在Pwi≧F×Cw时仍有能力减小负荷损失：

（15）

调峰水电单元的输出功率Phpi可由式（16）计算得到，如前所述存在水量的限制则Phpi的上限由时（17）所示

（16）

（17）

在计算完每个时间间隔内风电场、基本单元和水电单元的输出功率后，系统的总输出功率（Pgi）可由式（18）计算得到：

（18）

步骤5）在每个时间间隔将Pgi与系统负荷Pli比较，以确定是否有失负荷情况发生。

电力不足LOLi和电量不足LO