风光互补特性现状研究

摘要：目前，可再生能源发电在电力系统中的应用日益广泛，但以往的研究侧重于单独含有风电场或者单独含有太阳能电场的配电系统的可靠性的分析。本文研究了配电网中同时含有风电系统、光伏发电系统时风光互补特性对供电可靠性的影响。

关键词：风光互补特性，并网可靠性

通过研究案例，发现在发电机组容量相同的情况下，同时含有风光互补发电系统的配电网可靠性比单一含有风电或者是光伏发电系统的配电网要高。风光互补特性能提高配电网的供电可靠性。而且适当的储能设备（当然容量可以经过优化）能够在保持系统可靠性的前提下，减少风电机组、太阳能发电机组的容量。

光/风、光/柴油机等互补发电系统比任何一种单独发电系统都更具优势[1]，[2]。

文献[3]指出风光互补特性研究首先需要得到每月典型日风力发电出力、太阳能发电出力和风光总输出功率曲线图，根据历史数据经过理论计算并修正可以得到1年每个月典型日的输出功率曲线图。针对每个月的典型日风力发电出力、太阳能发电出力，我们可以定性的看出该区域该月的风光互补特性的强弱。为了从总体上更好地说明风光互补性的问题，将每个月风光叠加出力的最大值与风光独立发电出力最大值之和进行比较将每月风光叠加后的最大出力除以风光每月出力最大值之和的数值定义为叠加最大出力标么值，以此标么值作为比较依据，该标么值越低，表示峰值出力下降比率越多，风光的互补效应越大。

研究电力系统的可靠性主要有两类方法：①确定性分析方法；②仿真方法。确定性方法采用一组经过抽象的代数方程或者是微分方程来描述风电场、光伏发电场以及含有它们的电力系统，通过求解来获得相应的可靠性指标。而仿真方法采用的思想大多是蒙特卡洛方法。使用蒙特卡洛方法仿真风电、光伏各自并网时的可靠性问题，取得了不错的效果。

采用分析方法建模，利用卷积来计算可靠性指标EENS。具体公式如下：

（1-1）

其中， 是风光混合系统的输出功率概率密度函数， 是光伏发电系统输出功率的概率密度函数， 是风电系统的输出功率的概率密度函数。

继而有： （1-2）

其中， 是风光混合系统的输出功率， 是风电系统的输出功率， 是光伏发电系统输出功率。

一个地区的风速是一种自相关的时间序列，因而可以通过时间序列预测法进行预测。但是，预测所需的历史数据不能只含有过去几天，而应该是过去若干年内的。具体过程如下。

设仿真出的风速序列为 ，历史风速的平均值为 ，标准差为 ，所以有下式：

（1-3）

其中， 是依据历史风速建立起来的用于预测的时间序列，按下式：

（1-4）

其中 和 分别是自回归系数和平均步长系数。 是时刻t的剩余系数。用上述公式即可以进行时间序列预测，获得仿真所需的数据。

时间序列预测只是获得仿真数据的手段之一，天气发生器模型也能满足人们的需求。天气发生器是研究一个地区天气或气候的一般特征，并根据这些统计特征生成该地区一年内逐日天气数据的随机模型。天气发生器自问世以来，已广泛应用于农业，经济等领域，进行气候条件的影响评价。以往进行天气发生器模型研究的多是国外的研究机构，而文献[4]，[5]则利用中国最新的尽可能长的逐日气候资料对中国各地的非降水变量的模拟进行全局性的研究，并开发了中国天气发生器，对我国气候特征的模拟精度较高。

文献[6]利用概率方法建立了风光混合发电系统的可靠性计算的数学模型。该篇文章使用的是确定性分析方法。从虽然整体上看，方法局限性很大，但是它为我们建立了风光互补混合发电系统建模的一般框架，如下：

文献[6]采用m维向量，n维向量，j维向量分别描述传统能源发电厂、风电场、太阳能发电场。其中，m，n，j的确定分别是由这三种发电厂输出功率的能力决定的。因此该文建立的是一种离散数学模型。整个系统的一个运行点 决定了三维空间中的一个点，因此可以依据整个系统在空间中的运行状态来求解系统的可靠性指标LOLE.

风光互补发电系统离散状态模型图示

具体的求解涉及高阶累积量方法。虽然该方法理论体系较为完备，但是由于该方法只能计算LOLE而局限性较大，而且对负荷变化较大的情况下不占优势，所以不加详述。

公式（1-5）来对元件的工作、故障状态进行仿真[12]。

（1-5）

其中，MTTF是系统故障的平均时间，MTTR是系统修复的平均时间。Up Time是正常运行时间，Down Time是故障修复时间。 和 是均匀分布随机数。同时，该篇文章作者也提出了风光互补系统的电力调度的一般方法：首先调度所有可以利用的太阳能电力，接着根据风电系统的容量可信度来按比例调度风电，最后的一部分用传统能源电力补足。依据负荷的波动规律，风电机组和光伏机组应该按照一定的比例投入，才能获得最大可靠性效益和经济效益。同时，新能源机组的投入一定要配合传统机组备用容量的增大。在太阳能电场内加入适当的储能措施能够平抑新能源发电场带来的电压闪变。

总结出风电并入上网后，为提高电网可靠性的应对措施：

1）增加本地调峰机组装机容量，提高电网的调频、调峰能力。

2）可调整电网的分区控制模式，以缓解风电启停对整个电网的冲击。

3）提高区外来电的可调节性，缓和电网的调峰困难。

4）提高电网对风电场的控制能力。

5）建议对大型的风电场均安装风电场无功控制系统。

参考文献

[1] 吴义纯. 含风电场的电力系统可靠性与规划问题的研究[D]. 合肥：合肥工业大学， 2006

[2] 陈闽江. 光伏发电系统的蒙特卡罗序贯仿真和可靠性分析[D]. 合肥：合肥工业大学， 2004

[3] 张节潭，程浩忠，胡泽春等.含风电场的电力系统随机生产模拟[J]. 中国电机工程学报，2009，29（28）：34-39

[4] 张伯泉，杨宜民. 风力和太阳能光伏发电现状及发展趋势[J]. 中国电力，2006，39（6）：65-69

[5]陈明昌，张强，杨晋玲等.降水、温度和日照时数的随机生成模型和验证[J].干旱地区农业研究.1994，12（2）：17-26

[6] 陈S. 风力发电和光伏发电并网问题研究[D]. 上海：上海交通大学，2009