含风/光互补发电系统可靠性与经济性评估

王凯，栗文义，李龙，邓佃毅

(1．内蒙古工业大学电力学院，内蒙古呼和浩特010080;2．巴盟电业局，内蒙古巴彦淖尔015000)

含风/光互补发电系统可靠性与经济性评估

王凯1，栗文义1，李龙2，邓佃毅1

(1．内蒙古工业大学电力学院，内蒙古呼和浩特010080;2．巴盟电业局，内蒙古巴彦淖尔015000)

近年来可再生能源发电技术发展很快，含风力发电、光伏发电等可再生能源发电的互补发电系统越来越受到人们的关注。本文选取内蒙古某地区的风速及太阳能辐射量等天气数据，采用基于well-being模型的蒙特卡罗模拟法综合评估了风/光/柴/储发电系统的可靠性与经济性，并分析了风/光发电总量及其容量配置比例对系统可靠性与经济性的影响。结果可为含风力发电、光伏发电的风/光互补发电系统的规划与设计提供参考。

well-being模型;可再生能源发电;可靠性评估;经济性评估;风/光互补发电系统

1 引言

内蒙古风能和太阳能资源蕴藏量巨大，若能充分利用这些资源优势，开发含有风力发电、光伏发电的互补发电系统为当地提供电力服务，不仅可以减轻环境污染，还可以促进这些地区经济与环境的平衡协调发展。

目前，国内外对于含风力发电、光伏发电系统的可靠性评估做了一些相关研究，但均没有考虑相应的经济性评估［1-5］。文献［1］利用序贯蒙特卡罗模拟法评估风/储系统对发输电系统可靠性的影响。文献［2］利用序贯蒙特卡罗模拟法评估风/光/柴/储孤立发电系统在不同运行策略下的可靠性。文献［3］采用序贯蒙特卡罗方法评估了风/光/储协调运行的可靠性，研究了不同协调运行策略及联合发电系统容量配置对系统充裕度的影响。上述可靠性评估研究均采用了蒙特卡罗模拟法，但该法只能评估单一的风险状态概率，并不能很好地反映系统其他运行状态的概率。文献［4］提出基于well-being模型的蒙特卡罗模拟法评估风/柴/储发电系统可靠性，得到系统不同运行状态下的概率指标，但没有考虑基于well-being模型的风/光互补发电系统可靠性评估。文献［6］评估了风/柴/储发电系统的可靠性与经济性，但没有考虑风/光互补发电对系统可靠性与经济性的影响。

综上所述，为了更加全面地评估含风/光互补发电系统可靠性与经济性，本文将利用基于well-being模型的蒙特卡罗模拟法分别评估含不同风/光容量配置的风/光/柴/储发电系统可靠性，分析计算不同容量配置系统的经济性与可靠性成本，并研究风/光发电总容量对风/光/柴/储发电系统可靠性与经济性的影响，结果可为系统规划与设计提供参考。

2 well-being模型

well-being模型是将确定性法则和概率性方法相结合的一种可靠性评估方法，针对含有储能装置的孤立发电系统，采用投运小时数(Number of Autonomous Hour，NAH)作为确定性指标判断系统各个运行状态［5］。利用序贯蒙特卡罗模拟法，模拟统计系统well-being模型的各个可靠性指标［7］。

3 元件评估模型

3.1 风力发电系统模型

风力发电系统模型包括风速模型和风力发电机功率模型［8］。本文采用历史风速时间序列建立风速时间序列模型［9，10］。每小时风速产生以后，使用描述风力发电机功率输出和风速之间关系的函数确定风力发电机的可用功率输出［11］。

3.2 光伏发电系统模型

光伏发电系统模型包括太阳能辐射强度模型、环境温度模型和功率输出模型。本文将在文献［11，12］提出的合成每日、每小时太阳能辐射量时间序列方法基础上，加入反映太阳辐射的天空各向异性HDKR模型，模拟光伏电池板倾斜面上的小时太阳总辐射量，如下:

式中，Ai=Ib/I0，Ib为水平面上的小时太阳直射辐射量，I0为大气层外太阳能辐射量;It为地表水平面上每小时太阳能辐射量;Id为水平面上的小时太阳散射辐射量;β为倾斜面与水平面之间的夹角;ρ为地面反射率，一般取0.2;Rb为倾斜面与水平面上小时直射辐射量的比值。

考虑周围环境温度的随机波动，采用ERBS模型模拟每小时环境温度数据［14，15］。结合光伏电池I-V特性曲线，建立光伏发电系统输出功率模型［16］。

3.3 发电机组可靠性模型

发电机组可靠性模型采用常规二态模型。MTTF为平均无故障工作时间，MTTR为平均维修时间。无故障工作时间TTF和维修时间TTR均服从指数分布，可通过式(2)和式(3)得到:

式中，U和U'为随机数，服从［0，1］之间均匀分布［17］。

3.4 储能系统可靠性评估模型

由于风力和光伏发电输出具有间歇性与波动性，所以需要配备储能设备来提高含风力发电、光伏发电系统的供电质量。本文采用蓄电池组作为储能设备。蓄电池的运行策略是:当可发电量超过负荷时，蓄电池充电;当可发电量低于负荷时，蓄电池放电。蓄电池组充放电状态时间序列可由发电系统时间序列和负荷时间序列获得［18］。

4 经济性评估模型

发电系统的综合性成本包括经济性成本和可靠性成本两部分［19，20］

式中，TC为综合成本;UCF为经济性成本;K为可靠性成本。

经济性成本可通过成本效用函数(Utility Cost Function，UCF)计算获得［6］:

式中，αi为第i台发电机组的费用;Pi为第i台发电机组的额定容量;为第i台发电机组的设计和安装等其他费用;为第i台机组的维修费用;为常规机组的燃料费用;β为储能装置的综合费用; WS为储能装置额定容量;Nt为所有发电机组的数量;Nc为常规发电机组的数量。

可靠性成本可通过平均电价折算倍数法计算获得［21］:

式中，K为停电成本费用;EENS为系统的期望缺电量;b为单位停电电量与平均售电电价的倍数;P为平均售电价。

5 互补发电系统可靠性与经济性综合评估

本文采用内蒙古某地区历史风速数据和每月平均太阳能辐射量及环境温度数据，采用基于well-being模型的蒙特卡罗模拟法，用Visual C++编制可靠性评估程序，评估风/光/柴/储发电系统的可靠性及经济性，样例系统配置和参数如表1所示。

表1 样例系统参数Tab．1 Sample system parameters

样例系统中风力发电的切入、额定及切出风速分别为3.33m/s、10.56m/s和22.22m/s;光伏阵列的电池板面积为0.5m2，光伏电池运行参考温度为25℃，参考开路电压为19.5V，参考短路电流为2.6A，参考辐射等级为1000W/m2，最大功率参考电压为16V，最大功率参考电流为2A，光伏发电系统模型中光伏电池板倾角为40°;负荷模型采用IEEERBTS中的每小时负荷模型，系统峰值负荷为40kW。经济性数据见表2，表中其他常规费用指设计、安装等费用，维修费用表示发电机组费用的比例，柴油燃料费为7.28元/L，停电折算倍数为25，年利率为10%。

表2 经济性数据［4］Tab．2 Data used in economic evaluation

表3为样例系统可靠性指标计算结果，其中P (H)代表系统健康状态概率，P(M)代表系统边界状态概率，LOLP代表系统风险状态概率，LOHE代表系统失健康状态小时数。可知，在风光资源一定的样例系统中，按一定风/光容量配置的风/光/柴/储发电系统可靠性比系统中仅含有风电或光电的可靠性高，其中风力发电占风/光发电容量的75%时的可靠性最高。表4为样例系统经济性指标计算结果。由表可知，样例系统中风力发电占风光容量配置的比例越大，系统经济性成本越低，这是由于本样例系统中风力发电的机组费用小于光伏发电机组等费用，由此说明，发电机组费用和其他常规费用对系统经济性成本的影响较大。此外，可靠性成本费用远远小于经济性成本费用，并且发电机组等费用对可靠性成本费用的影响也并不明显。因此，在评估孤立风/光/柴/储发电系统经济性研究中，在某些情况下可忽略可靠性成本对经济性的影响。不同配置情况P(H)P(M)LOLP LOHE/(h/a)

表3 样例系统可靠性指标计算结果Tab．3 Reliability indices calculated for example systems

综上所述，在样例地区中按一定风/光容量配置比例建设风/光/柴/储发电系统将有利于提高系统供电可靠性，并且适当提高其中风力发电的配置比例，可以在保证系统供电可靠性的前提下，减少系统投资，最大程度满足系统可靠性与经济性相平衡的要求。

表4 样例系统经济性指标计算结果Tab．4 Economy indices calculated for example systems

6 风/光发电总容量对风/光/柴/储发电系统可靠性与经济性的影响

6.1 风/光发电总容量对系统可靠性的影响

为了分析风/光发电总容量对风/光/柴/储发电系统可靠性的影响，本文将分别评估风/光发电总容量在40～160kW等步长增大时，对不同风/光容量配置比例的风/光/柴/储发电系统可靠性的影响，结果如图1所示。

由图1可知，随着风/光发电容量的不断增大，系统可靠性水平不断提高，并且不同风/光容量配置比例的系统可靠性变化趋势各有不同。开始时风力发电占风/光发电容量的75%时的系统可靠性最高，但随着风/光发电容量的不断增大，风/光发电容量各占50%时的系统可靠性最高，并且系统中光伏发电容量配置比例越大，系统可靠性变化趋势越明显。

由此说明，在样例地区中环境及负荷基本保持不变的前提下，适当增大系统中风/光发电总容量可以在一定程度上提高风/光/柴/储发电系统供电可靠性，反之继续增大，影响将不明显。此外，合理的风/光发电容量配置可以在一定程度上削弱只含风或光资源发电系统的波动性，提高系统的供电可靠性。

6.2 风/光发电总容量对系统经济性的影响

为了研究风/光发电总容量不断增大对风/光/柴/储发电系统经济性和可靠性成本的影响，本文将评估风/光发电总容量在40～160kW等步长不断增大时，系统经济性与可靠性成本费用的变化趋势，如图2所示。

由图2可知，随着风/光发电容量不断增大，风/光/柴/储发电系统的经济性成本费用不断增加，可靠性成本费用不断减少;并且随着风/光容量配置比例的不同，系统的经济性与可靠性成本变化趋势略有不同。随着风/光发电容量不断增大，风力发电容量占风/光发电总容量的比例越大，系统的经济性成本增加的幅度越小。

综上所述，在样例地区中环境及负荷基本保持不变的前提下，当系统接纳可再生能源发电在允许限度时，风/光发电容量不断增大可在一定程度上提高风/光/柴/储发电系统的供电可靠性，但经济性成本也将随之增加，因此合理的容量配置对于满足系统可靠性与经济性要求有重要作用。

图1 风/光发电总容量对系统健康状态、边界状态和风险状态的影响Fig．1 Effect ofwind/solar power generating capacity on healthy，marginal and risk states

图2 风/光发电容量对系统经济性成本和可靠性成本的影响Fig．2 Effect ofwind/solar power generating capacity on system economy and reliability costs

7 结论

本文采用基于well-being模型的蒙特卡罗模拟法分别评估了不同风/光配置比例的风/光/柴/储发电系统可靠性，并分析了系统经济性和可靠性成本。结果表明:

(1)在特定地区，风/光发电容量的合理配置可以在一定程度上削弱只含有风或光资源单独发电的波动性，提高系统的供电可靠性。

(2)风/光/柴/储发电系统供电可靠性的提高往往需要较高的投资费用，合理的容量配置对于满足系统可靠性与经济性要求有重要作用。

［1］王剑，刘天琪，李兴源(Wang Jian，Liu Tianqi，Li Xingyuan)．风电场及储能装置对发输电系统可靠性的影响(Influences of connecting wind farms and energy storage devices to power grid on reliability of power generation and transmission system)［J］．电网技术(Power System Technology)，2011，35(5):165-170．

［2］Ba Gen，Roy Billinton．Evaluation of different operating strategies in small stand-alone power systems［J］．IEEE Transactions on Energy Conversion，2005，20(3): 654-660．

［3］汪海瑛，白晓民，许婧(Wang Haiying，Bai Xiaomin，Xu Jing)．考虑风光储协调运行的可靠性评估(Reliability assessment considering the coordination of wind power，solar energy and energy storage)［J］．中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)，2012，32 (13):13-20．

［4］栗文义，王银莎，郭鑫，等(Li Wenyi，Wang Yinsha，Guo Xin，et al．)．基于well-being模型的风力发电系统可靠性评估(Reliability evaluation of wind pow-er system based on well-beingmodel)［J］．华东电力(East China Electric Power)，2011，39(7):1062-1065．

［5］王凯，栗文义，张晓飞，等(Wang Kai，Li Wenyi，Zhang Xiaofei，et al．)．光伏发电对风光柴储小型孤立发电系统可靠性的影响(Impact of photovoltaic generation on reliability of small isolated PV-wind-diesel-battery power generation system)［J］．电网技术(Power System Technology)，2013，37(11):3096-3100．

［6］Rajesh Karki，Roy Billinton．Reliability cost/worth associated with wind energy and energy storage utilization in electric power systems［A］．Proceedings of the 10th International Conference on Probabilistic Methods Applied to Power Systems，PMAPS’08［C］．2008.1-7．

［7］栗文义，张保会，巴根(LiWenyi，Zhang Baohui，Ba Gen)．风能大规模利用对电力系统可靠性的影响(Reliability impacts of large scale utilization ofwind energy on electric power systems)［J］．中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)，2008，28(1):100-105．

［8］杨轶雷，姚鹏，郭小波(Yang Yilei，Yao Peng，Guo Xiaobo)．基于时序和随机风速模型的含风电场发电系统充裕性评估(Adequacy evaluation of power generation system with wind farm based on sequential and stochastic wind speed models)［J］．现代电力(Modern Electric Power)，2012，29(1):72-76．

［9］郭创新，张理，张金江，等(Guo Chuangxin，Zhang Li，Zhang Jinjiang，et al．)．风光互补综合发电系统可靠性分析(Reliability analysis ofwind and photovoltaic integrated generating system)［J］．电力系统保护与控制(Power System Protection and Control)，2013，41 (1):102-108．

［10］Roy Billinton，Guang Bai．Generating capacity adequacy associated with wind energy［J］．IEEE Transactions on Energy Conversion，2004，19(3):641-646．

［11］Graham V A，Hollands K G T，Unny T E．A time series model for Kt with application to global synthetic weather generation［J］．Solar Energy，1988，40(2):83-92．

［12］Graham V A，Hollands K G T．A method to generate synthetic hourly solar radiation globally［J］．Solar Energy，1990，44(6):333-341．

［13］杨金焕，于化丛，葛亮(Yang Jinhuan，Yu Huacong， Ge Liang)．太阳能光伏发电应用技术(Solar photovoltaic power generation technology)［M］．北京:电子工业出版社(Beijing:Publishing House of Electronics Industry)，2009．

［14］Hollands K G T，Andrea L JD，Morrison ID．Effect of random fluctuations in ambient air temperature on solar system performance［J］．Solar Energy，1989，42 (4):335-338．

［15］Bilbao Julia，de Miguel Argimiro H，Kambezidis Harry D．Air temperature model evaluation in the north mediterranean belt area［J］．American Meteorological Society，2002，41(8):872-884．

［16］Roy Billinton，Bagen．Generating capacity adequacy evaluation of small stand-alone power systems containing solar energy［J］．Reliability Engineering and System Safety，2006，91(4):438-443．

［17］谢开贵，王岸，胡博(Xie Kaigui，Wang An，Hu Bo)．计及储能设备运行策略的风/柴/储混合系统可靠性评估(Reliability evaluation of wind-diesel-storage hybrid system considering energy storage system operating strategies)［J］．电力系统保护与控制(Power System Protection and Control)，2012，40(9):1-7．

［18］鲍莎日娜，栗文义，高飞(Bao Sharina，Li Wenyi，Gao Fei)．储能设备对风/柴/储能联合发电系统10min间隔可靠性影响的评估(10-Minute interval reliability assessment of wind-diesel-storage power generation system influenced by energy storage devices)［J］．华东电力(East China Electric Power)，2011，7(39): 1053-1057．

［19］何晓阳，康庆平，肖贵申(He Xiaoyang，Kang Qingping，Xiao Guishen)．基于可靠性成本-效益分析的电网规划(Power network planning based on reliability of cost-benefit analysis)［J］．继电器(Relay)，2005，33(10):8-11．

［20］陈兴雷(Chen Xinglei)．配电网可靠性与经济性综合评估(The comprehensive assessment of power distribution network reliability and economy)［D］．杭州:浙江大学(Hangzhou:Zhejiang University)，2008．

［21］郭永基(Guo Yongji)．电力系统可靠性分析(Power system reliability analysis)［M］．北京:清华大学出版社(Beijing:Tsinghua University Press)，2003．

(，cont．on p.63)(，cont．from p.56)

Reliability and econom y evaluation of com plementary power system s containing w ind and solar energy

WANG Kai1，LIWen-yi1，LILong2，DENG Dian-yi1
(1．College of Electrical Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot010080，China; 2．Bameng Electric Power Bureau，Bayannaoer 015000，China)

Renewable energy power generation technology is developing quickly in recent years and complementary power generation systems containing wind and solar energy are attractingmore and more attention．This paper presents the study results on the reliability and economy of complementary power generating systems containing wind and solar energy．The reliability and economic assessments are conducted using awell-being approach based on the Monte Carlo simulation．Weather data such aswind speed and solar radiation data obtained for a certain area in Inner Mongolia are used in the Monte Carlo simulation．The influence of wind/solar capacity allocation on the reliability and economy of Wind/PV/Diesel/Storage generating systems is also analyzed．The results obtained should provide guidelines and reference to planning，operation and design ofwind/PV complementary power systems containing wind and solar energy．

well-being model;renewable energy power generation;reliability evaluation;economy evaluation; wind/PV complementary power systems

TM 73

A

1003-3076(2015)06-0052-05

2013-10-16

内蒙古自然科学基金(2013MS0701)、内蒙古“草原英才”(2013)、内蒙古工业大学风能太阳能利用技术省部共建教育部重点实验室开放基金资助项目

王凯(1988-)，男，内蒙古籍，硕士研究生，研究方向为新能源发电可靠性评估;栗文义(1963-)，男，内蒙古籍，教授，博士生导师，研究方向为新能源发电和可靠性评估等(通信作者)。