大规模新能源发电容量可信度分析

2015-10-22隋国富

科技创新导报 2015年24期

隋国富

摘要：随着社会经济的稳定发展，能源问题、环境问题等得到了广泛的关注，在生活与生产过程中，使用的常规能源不仅造成了严重的污染，同时也出现了严峻的能源短缺问题。在此背景下，关于新能源的研究日益深入，其中风能、太阳能与潮汐能等均是重要的新能源。新能源与常规能源二者的发电形式具有一致性，均为可信容量，它保证了系统的可靠性。但新能源发电具有一定的特点，如：随机性与波动性，在大规模并网后，直接影响着系统的稳定性与安全性，因此，该文研究了大规模新能源发电容量可信度，旨在充分发挥新能源的作用，使其利用率不断提高。

关键词：大规模新能源发电容量可靠性可信度蒙特卡洛仿真模型

中图分类号：TM712 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）08（c）-0048-02

在社会进步、经济发展的大环境下，人们生活与生产过程中对于能源有着较大的消耗，同时能源的过渡使用造成了一系列的问题，严重影响着人类的可持续发展。目前，在世界范围内，均十分注重能源的开发、使用与研究，其中新能源的发展前景十分良好，具体的能源有风能、太阳能及其他可再生能源等。在新能源发电过程中，风力发电、太阳能光伏发电是最为重要的一种形式，它具有清洁性、高效性与经济性，不仅降低了对环境的影响，还改进了能源的结构，进而能源危机、污染问题等均得到了缓解。但在对二者使用时，要注重其独特性，为了保证系统的稳定性、可靠性与安全性，需要对大规模新能源发电容量可信度进行研究，以此促进电网发展的高效、健康与可持续。

1 大规模新能源发输电系统可靠性的研究

1.1 电力系统可靠性的评估

现阶段，我国电力系统的规模相对较大，而停电事故直接影响着人们的生活与生产，因此，电力系统的可靠性得到了人们的关注，与此同时，为了提高系统的经济性与高效性，对其可靠性展开了全面的研究。

电力系统可靠性评估主要是对电力系统的相关信息进行分析，如：停电时间、停电频率与停电影响等，借助可靠性模型、可靠性指标及相关的计算方法等實现了对电力系统的研究[1]。

当前，可靠性评估的方法主要有两种，一种为确定性方法，另一种为概率性方法，前者的计算量相对较小，并且算法具有较强的可操作性，但其缺点为系统参数具有一定的不确定性；而后者的实效性较为明显，因此，在实际计算过程中，它的应用具有普遍性。在实际计算时，具体的概率性方法有随机生产模拟与蒙特卡洛仿真法，其中蒙特卡洛仿真法主要分为三个环节，分别为系统状态抽样、状态分析与指标统计。

电力系统的可靠性研究涉及诸多的内容，如：发电系统、输电系统、配电系统等，对于不同的系统而言，对其评估的方法存在差异，该文研究的对象为发电系统与输电系统。

1.2 研究的现状

在我国，新能源发电中风力发电与光伏发电扮演着重要的角色，二者的应用十分广泛，作为新能源发电形式，其优势是显著的，主要有可再生的能源、较小的环境影响，并且利于能源问题的有效解决。但在新能源并网后，二者发电功率的波动性、随机性与不可预测性等，均严重影响着电网系统的经济性、可靠性与安全性。因此，需要评估大规模新能源电力系统的可靠性[2]。

在实际研究过程中，构建了可靠性的模型，并利用蒙特卡洛法对可靠性指标进行了计算，同时结合了风电场可靠性模型，此后对蒙特卡洛算法进行了改进，以此保证了计算效率的提高。

2 大规模新能源发电容量可信度的研究

容量可信度可以称之为有效容量，它是指电源可被信用的容量。通过对电源容量可信度的研究，明确了电源容量的效益，在此基础上，可以直观的、全面的了解大规模新能源并网的综合效益。在对其进行计算时，主要的方法有解析法与仿真法两种，第一种具有一定的复杂性，而第二种的方法相对简单，因此，在大规模新能源发电容量可信度研究中主要利用了后一种方法[3]。

在新能源应用过程中，风力发电机组在电力系统中的数量不断增多，因此，本文对风力发电技术展开了深入的研究。风力发电的特点为波动性与随机性，通过对其容量可信度的研究，使风力发电的不足得到了完善。关于风电的研究较为全面，但对于光伏发电容量可信度的研究相对较少，对其研究的类别有评估等效容量的概念、评估其有效载荷能力等。

3 大规模新能源发电发输电系统的可靠性评估

风力发电与光伏发电均具有一定的不可预测性，主要是二者受原动力不可控影响，在此基础上，出力难以实现预测与控制，在大规模并网后，直接影响着系统的可靠性。在应用初期，部分人认为上述两种发电形式为完全不可靠的，但在能源危机与环境污染问题急需解决的背景下，新能源并网规模逐渐扩大，因此，在新能源并网后，对电力系统的可靠性展开了评估。

现阶段，关于电力系统可靠性的评估方法主要有两种，一种为模拟法，另一种为解析法，前者借助了蒙特卡洛模拟，在随机抽样原理的指导下，细化了蒙特卡洛法，使其形成了非序贯与序贯两种蒙特卡洛仿真，同时，它的计算主要是借助系统频率指标实现的，因此，该方法满足了大型电力系统评估的需求。后者的计算具有一定的简便性，但在系统规模不断增大的基础上，该方法的计算量不断增大，因此，该它适合小型电力系统评估的需要[4]。

3.1 评估的基础

电力系统可靠性主要是根据一定的质量或者数量标准，为用户提供不间断电力的能力，同时为了实现对此能力的衡量运用了可靠性指标。具体的可靠性评估包括安全性与充裕性。安全性可以称之为动态可靠性，它主要是指电力系统对突然扰动的承受能力，此时的扰动包括短路或者意外故障等；充裕性可以称之为静态可靠性，它主要是指保证电力系统稳态运行的基础上，对用户不间断供电能力的评估。电力系统可靠性评估主要是对发电系统与输电系统的发电容量、输电容量进行评估，此时的评估属于定量评价[5]。

电力系统可靠性评估的方法主要有两种，一种为确定性方法，另一种为概率性方法，前者的优点为简单的算法与少量的运算，但此方法的结果误差较大，因此，不符合大规模电力系统可靠性评估的要求；后者的优点为精准的计算结果，在具体应用过程中，具体还可以分为解析法与蒙特卡洛法，前者运用了故障枚举法，后者使用了随机抽样法，其中蒙特卡洛法的应用具有一定的普遍性与高效性。

3.2 蒙特卡洛仿真模型

蒙特卡洛模拟法主要是利用随机数实现了随机模拟，它借助抽样试验实现了仿真，它是统计试验方法的一种。该方法具有较强的适应性与简单性，因此满足了大规模电力系统可靠性评估的要求。

在构建蒙特卡洛仿真模型过程中，要明确其可靠性参数，主要有故障率、平均无故障工作时间、修复率与平均修复时间等。同时，对主要元件的停运模型进行构建，其中涉及的元件主要为发电机组与线路，停运模型分别为常规机组模型、风电机组停运模型、光伏阵列停运模型与线路模型等。

该文利用蒙特卡洛仿真对元件状态、持续时间等进行了采样，并获得了系统中各个组成元件的状态转移过程，此后对其进行了合并，使其构成了整个系统的状态矩阵，再利用潮流计算与统计计算，实现了可靠性指标的获取。通过计算与分析可知，新能源并网后，系统的可靠性得到了提高，此时的可靠性和新能源电源的并网有着紧密的联系。同时，风光的互补性，使风电场与光伏电站的同时接入效果明显高于单一新能源的接入效果[6]。

4 大规模新能源发电容量的可信度研究

当前，在世界范围内，均面临着严重的能源短缺与环境污染的问题，为了有效解决上述问题，对新能源展开了全面的研究，重点研究的内容为风电与光伏。在大规模新能源并网后，新能源的容量价值得到了广泛的关注。

新能源发电容量可信度可以称之为有效容量，对其评估的方法主要有两种，一种是借助被替代的常规机组容量进行计算，此方法属于等效容量法；另一种利用有效载荷能力进行计算，该方法对于风力发电与光伏发电等新能源容量可信度的计算具有高效性，它使新能源容量价值更加显著[7]。

4.1 有效载荷能力研究

有效载荷能力主要是指系统中新增电源后，为了促进系统可靠性的提高，使其与原电源的可靠性保持一致，此时增加的负荷值。在对有效载荷能力进行计算时，具体的方法为中断容量概率表法与中间节点法。

中断容量概率表法属于非线性计算方法，在对风电场研究过程中，以风电场中机组的强迫停运率为依据，对其进行排列组合，并对风电场出力情况下的概率进行计算，同时制定COPT表格，在表格制定后，对新能源的可靠性与有效载荷能力进行计算。此方法存在一定的不足，它仅关注了风电场中风机的故障情况，而未能注重输电线路的故障，在实际的输电线路故障情况下，对系统要展开潮流计算与网络拓扑判断，因此，该方法缺少适用性[8]。

中间节点法以日负荷曲线、周负荷曲线与负荷峰值等为依据，实现了系统年负荷曲线的获取。当系统的负荷水平存在差异时，其可靠性指标也会出现相应的变化。因此，在新能源并网后，如果负荷水平不变，则系统的可靠性会得到提高。

4.2 可信度的研究

关于大规模新能源发电容量可信度的计算，其衡量指标为有效载荷能力，但在新能源并网后，系统所承担的负荷量存在差异，与常规机组相比，风电场和光伏电站二者的出力具有一定的不确定性，二者的有效容量均相对较小，但电源额定容量为确定时，其可靠性指标数值存在差异。在对大规模新能源发电容量可信度进行计算时，其方法分为两步，第一步为计算新能源多承担的负荷量；第二步为计算常规机组的额定容量[9]。

关于新能源承担的负荷计算，其方法主要有牛顿迭代法、中间节点法与弦截法，其中弦截法的效果最为显著。因此，本文在实际计算中，运用了弦截法，其计算步骤如下：首先，对原系统的可靠性水平进行计算，并得到其负荷水平；其次，在系统中增加额定容量的新能源时，计算负荷水平未提高的可靠性指标，同时，在额定容量系能源增加后，计算负荷水平提高的可靠性指标；再次，对系统可靠性指标进行重新的计算；最后，对误差进行计算，此时要保证可靠性指标和原始可靠性指标二者间的差值要低于误差精度，同时二者的差值要高于检验条件，再利用弦截法进行求解。

通過计算明确了系统可靠性和负荷等级二者之间的关系，同时也明确了增加电源容量和系统可靠性二者间的关系。计算结果表明，新能源承担的负荷量和常规机组容量相比，二者存在一定的差距，造成此情况的原因为输电线路故障。同时新能源容量可信度、可靠性水平与系统的负荷水平有着直接的联系，如果负荷水平不同，则系统的可靠性、容量可信度等均会有所不同。因此，在实际并网过程中，要对新能源容量进行合理的选择，以此保证电网规划的高效性与可靠性[10]。

5 结语

新能源并网的规模在不断扩大，为了促进新能源作用的进一步发挥，对其容量价值展开了研究。相信，我国节能、减排与环保的目标将得到逐渐实现，同时，太阳能与风能等新能源的利用率也将不断提高。

参考文献

[1] 梁双，胡学浩，张东霞，等.考虑风速变化特性的风电容量可信度评估方法[J].中国电机工程学报，2013（10）：18-27.

[2] 周专，姚秀萍，常喜强.光伏发电容量可信度分析[J].四川电力技术，2013（1）：48-52.

[3] 刘吉臻.大规模新能源电力安全高效利用基础问题[J].中国电机工程学报，2013（16）：1-8，25.

[4] 张宁，康重庆，肖晋宇，等.风电容量可信度研究综述与展望[J].中国电机工程学报，2015（1）：82-94.

[5] 赵宇思，吴林林，宋玮，等.新能源发电系统运行特性评价分析方法的研究综述[J]. 华北电力技术，2015（3）：18-24.

[6] 钟浩，唐民富风电场发电可靠性及容量可信度评估[J].电力系统保护与控制，2012（18）：75-80.

[7] 谢国辉，李琼慧，王卿然.风电容量充裕性成本分析模型和方法研究[J].中国电力，2012（10）：86-89.

[8] 罗剑波，陈永华，刘强.大规模间歇性新能源并网控制技术综述[J].电力系统保护与控制，2014（22）：140-146.

[9] 王海超，鲁宗相，周双喜.风电场发电容量可信度研究[J].中国电机工程学报，2014（10）：103-106.