風電容量可信度風電容量可信度的計算方法

根據(jù)定義，風電容量可信度的核心在于電力系統(tǒng)可靠性(充裕度)的評估，因此，其主要計算方法也來白可靠性的計算方法，為了提高風電容量可信度的計算效率，國內(nèi)外學者們也提出了解析化的計算方法，此外，還提出了峰荷負荷率法以及優(yōu)化模型法等計算方法。風電容量可信度的評估時問維度一般與中長期可靠性評價維度相同，一般以年度為時間單位。

風電容量可信度基于可靠性評估的方法

基于可靠性評估的風電容量可信度計算方法的基本原理是：首先評估包含風電的系統(tǒng)可靠性指標，并引入一等效系統(tǒng)，在等效系統(tǒng)中添加虛擬機組或降低負荷后評估等效系統(tǒng)的可靠性，對比實際系統(tǒng)與等效系統(tǒng)的可靠性并調(diào)整等效系統(tǒng)的設置，通過不斷的迭代使等效系統(tǒng)可靠性與實際系統(tǒng)相同，進而得到風電容量可信度?；诳煽啃缘娘L電容量可信度計算主要包含風電場出力的建模、系統(tǒng)可靠性的計算、可靠性基準選擇以及可信容量的搜索4個環(huán)節(jié)，下面將分別綜述這4個環(huán)節(jié)中不同的方法與模型，現(xiàn)有的基于可靠性的風電容量可信度計算方法均可歸納為這4個環(huán)節(jié)中方法的不同組合。

（1）風電場出力的建模方法

風電容量可信度評估中采用風電場出力長期不確定性模型。風電出力具有問歇性，其出力在0至其裝機容量范圍內(nèi)均有可能出現(xiàn)，因此風電可靠性模型建模中無法采用常規(guī)機組的經(jīng)典兩狀態(tài)模型?，F(xiàn)有模型可分為考慮出力時序的模型以及不考慮出力時序的模型。前者可分為多狀態(tài)機組等效模型以及風電出力概率密度模型，后者主要包括采用風電歷史出力曲線和采用風電時序出力模擬模型。

（2）可靠性計算方法

考慮風電接入的可靠性計算本質(zhì)上與傳統(tǒng)系統(tǒng)可靠性計算方法相同，因此現(xiàn)有的可靠性計算方法均可用于考慮風電接入的可靠性計算。風電容量可信度計算中，大多數(shù)僅考慮發(fā)電側系統(tǒng)可靠性，即系統(tǒng)充裕度評估，少數(shù)文獻考慮了發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性。由于風電容量可信度評估涉及到等效系統(tǒng)的可靠性評估問題(將風電等效為虛擬常規(guī)機組)，發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性評估中存在虛擬機組連接節(jié)點選擇的問題，不同連接節(jié)點的選擇對風電容量可信度計算結果有一定影響，進而會引起結果比較基準不一致的問題。因此，風電容量可信度的計算一般在系統(tǒng)充裕度的基礎上進行討論。計算方法一般包括：卷積法、蒙特卡羅法、序列運算法及通用生成函數(shù)法及智能算法 。

（3）容量可信度計算中的可靠性準則

風電可信容量在等可靠性的基礎上定義風電可以替代其他常規(guī)機組或帶負荷的能力。其中等可靠性這一準則依賴于可靠性指標的選取。絕大多數(shù)可信容量計算中選取系統(tǒng)電力不足功率或EENS作為原系統(tǒng)與等效系統(tǒng)的可靠性的比較標準。

（4）容量可信度搜索方法

基于可靠性評估的風電容量可信度計算中，風電容量可信度需要通過向不含風電的等效系統(tǒng)中添加虛擬機組容量(或降低負荷)并反復試探確定的。隨著系統(tǒng)中虛擬機組容量的提高(或負荷的降低)，系統(tǒng)可靠性單調(diào)上升，可信容量計算的目標是找到與原系統(tǒng)可靠性相等的等效系統(tǒng)。容量可信度搜索方法實質(zhì)上是一維搜索的過程，主要方法包括二分法和截弦法。

風電容量可信度解析法

在基于可靠性的計算方法之外，部分研究另辟蹊徑，希望從風電可信容量的定義出發(fā)推導其解析表達式，以期降低風電容量可信度的計算量并更直觀的揭示風電容量可信度的影響因素。解析法主要括Garver近似法、z統(tǒng)計量法、可靠性函數(shù)法以及經(jīng)驗公式法。

風電容量可信度其他方法

（1）峰荷負荷率法

眾多研究表明，系統(tǒng)峰荷時對應的風電負荷率可以作為風電可信容量很好的近似。由于這種方法估計風電容量可信度的計算量極小，因此也成為風電容量可信度計算中的一類重要簡化方法，即峰荷負荷率法。有文獻對峰荷負荷率法的研究表明，取Top3000小時的負荷對應的風電容量因了就可以準確的估計風電容量可信度。峰荷負荷率法僅在風電接入比例較低的情況下比較準確，不適用于風電接入比例較大的情形。

（2）優(yōu)化法

有文獻提出了采用優(yōu)化模型計算風電容量可信度的方法，優(yōu)化模型的白變量為常規(guī)機組的規(guī)劃決策，約束條件為可靠性指標約束。該方法采用優(yōu)化模型求解系統(tǒng)去除風電后要達到原有的可靠性水平所需要的最少的機組常規(guī)機組容量，得到的優(yōu)化結果即為風電可信容量。

風電容量可信度不同方法的討論

上述各類計算方法中風電出力建模方式以及假設條件決定了其計算精度以及適用場合。基于可靠性的計算方法能夠精細化的考慮風電出力以及負荷的時序特性，同時能夠考慮可靠性計算中的多種因素，對于系統(tǒng)邊界條件變化時的魯棒性較好，因此適用于精細化計算的場合。但是基于可靠性的計算方法存在隨機采樣收斂效率較低的問題，一些避免隨機采樣的方法存在考慮因素不夠全面的問題，需要根據(jù)實際需要謹慎選擇。解析法以及峰荷容量因了法能夠十分直觀和快速的計算風電容量可信度，但其模型對于風電的建模比較粗糙，其假設條件往往過于理想，實際電力系統(tǒng)往往難以全部滿足其假設條件，因此該類方法僅適用于對于計算速度要求較高，對精度要求不高或風電及系統(tǒng)詳細數(shù)據(jù)難以獲取的場合。

國際能源署IEA在風電領域的重要研究項目IEATAST25中研究了風電容量可信度的問題。研究中采用可信容量ELCC定義，研究中分別采用了基于風電時序出力的卷積法以及不考慮風電時序的蒙特卡洛法計算風電可信容量。2008年IEEEPES General Meeting會議上，成立了“風電可信容量”專門研究小組，全面總結了國際上對風電可信容量的研究成果，經(jīng)過對多種計算方法的對比，推薦以ELCC作為風電容量可信度的定義，選擇基于風電時序出力的以及COPT的卷積法作為風電可信容量的推薦方法。

風電的接入可以提高系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)停電概率。然而，風電對系統(tǒng)可靠性的貢獻一般遠小于相同容量的常規(guī)機組，因此提出風電可信容量以及容量可信度的概念，風電可信容量指等可靠性前提下風電機組可以視為的常規(guī)機組的容量大小，風電容量可信度為其可信容量占其裝機容量的比例。兩個指標在現(xiàn)有文獻中均有使用，由于其均表示同一概念而僅在量綱上存在差異，因此本文的綜述中并不對這兩個指標進行嚴格的區(qū)分。

現(xiàn)有研究中對風電容量可信度的定義主要分為以下4類 ：

等效可靠容量的比例：該定義下，風電場容量可信度被定義為可以替代100%可靠的常規(guī)機組的容量比例，即實際系統(tǒng)去除風電場并加入一定容量的無停運率的虛擬常規(guī)機組后系統(tǒng)可靠性與實際系統(tǒng)可靠性相同，則此時虛擬常規(guī)機組容量占風電場裝機容量的比例定義為風電容量可信度。

等效常規(guī)機組容量的比例：該定義與等效可靠容量的比例相似，區(qū)別在于該定義中虛擬常規(guī)機組可以具有一定的隨機停運率，該隨機停運率常常以系統(tǒng)中現(xiàn)有常規(guī)機組隨機停運率作為基準。該定義下，風電容量可信度的計算結果受到虛擬機組隨機停運率的影響，基準隨機停運率越大，風電容量可信度越大。

帶負荷能力：該定義從負荷側出發(fā)，定義風電接入前后，系統(tǒng)在同一可靠性水平下能夠供應的負荷的差值占風電裝機的比例即為風電容量可信度。

一定置信度下的保證出力：定義系統(tǒng)發(fā)電側的保證出力為一定置信度下(例如95%)的發(fā)電側可用容量的大小，即在該置信度下系統(tǒng)可用發(fā)電容量不小于該保證出力。在此基礎上定義風電的容量可信度為加入風電后系統(tǒng)保證出力的增加量。

電力系統(tǒng)發(fā)電容量可信度的概念最早由Garver在1966年提出，其背景是衡量不同隨機停運率機組在可靠性意義上的帶負荷能力。并給出了基于兩狀態(tài)模型的機組可信容量的計算公式，Edward Kahn以及Haslett John 等人在20世紀70年代末首次將容量可信度的概念應用于風電的分析中。40多年的研究中，國內(nèi)外學者們提出了多種風電容量可信度的定義及其計算方法，各種定義及方法的總結與分類如圖1所示 。

風電容量可信度揭示了風電對系統(tǒng)充裕度的貢獻，回答了在等可靠性意義下風電能夠供應多少負荷的問題。風電容量可信度的影響因素是其研究中的一類重要問題，它不僅能夠指導電力規(guī)劃中通過優(yōu)化提高風電對系統(tǒng)充裕度的貢獻，同時還能夠揭示風電容量可信度計算中的建模誤差對容量可信度計算結果準確性的影響。風電容量可信度的影響因素可分為與風電場白身有關的影響因素以及與系統(tǒng)有關的影響因素兩類 ，如圖2所示。

（1）平均風速

風電場的平均風速很大程度上代表了風資源的優(yōu)劣，直接決定了風電場出力的容量因了。眾多研究表明:風電場平均風速越大，風電場的容量因了越大，其容量可信度也越大。多個風電容量可信度解析化模型中均包含風電容量因了這一項，也從另一個方面印證了這一點。

（2）風電出力與系統(tǒng)負荷的相關性

電力系統(tǒng)充裕度表示電力系統(tǒng)的發(fā)電能夠滿足負荷的能力。在負荷高峰時期，若風電高出力的可能性越大，則風電對系統(tǒng)充裕度的貢獻也越大，因此可知，風電出力和負荷的相關性越強，其容量可信度越大。風電與系統(tǒng)負荷的相關性主要由負荷以及風的季節(jié)性與日特性決定，例如在我國內(nèi)蒙及東北地區(qū)，負荷高峰期出現(xiàn)在冬天，風電在冬天的平均出力也較大，因此從全年時問維度上風電與負荷呈現(xiàn)正相關的統(tǒng)計特性。一些風電容量可信度計算方法往往無法考慮風電以及負荷的時序特性(即認為風電出力與負荷之問相互獨立)，用這類方法評價風電容量可信度時計算結果可能比實際情況偏低。

（3）多風電場出力之問的相關性

眾多研究表明，當評價多個風電場整體的容量可信度時，多個風電場出力相關性越低，其容量可信度越高。多風電場的平滑效應會降低風電的出力的問歇性，進而提高風電對系統(tǒng)充裕度的貢獻。這個效應在風電接入比例較高的情況下尤為明顯。反而言之，若計算中忽略多風電場之問的相關性，則會使容量可信度計算結果偏高。

（4）風電場的尾流效應

風電場的尾流效應將影響風向下游的風機的出力，研究表明，考慮尾流效應后相比不考慮尾流效應時風電的容量可信度下降。

（5）風電接入比例

眾多研究表明，風電容量可信度隨風電接入比例的增加而下降，部分文獻中也將風電接入比例稱為風電滲透率。有研究評估了歐美多個國家和地區(qū)的風電接入比例從0%提升至5 0%情形下的容量可信度，計算結果中所有國家和地區(qū)的風電可信容量均隨風電裝機比例的增加而下降，部分地區(qū)降幅達到60%以上(從35%降至10%)。風電容量可信度隨風電接入比例下降的根本原因在于地理位置相近的風電場的出力均或多或少存在一定的相關性，導致新增風電場對系統(tǒng)可靠性的貢獻產(chǎn)生飽和效應，若系統(tǒng)新增風電場與現(xiàn)有風電場出力均不相關，則風電場整體容量可信度不會大幅下降。

（6）風電場在系統(tǒng)的電氣位置

在考慮輸電可靠性的風電容量可信度評估研究中發(fā)現(xiàn)，風電場在電力系統(tǒng)中的接入位置也對其容量可信度有所影響。

（7）儲能設備

儲能設備能夠抑制風電出力的問歇性，通過對儲能系統(tǒng)的充放電控制，能夠在系統(tǒng)凈負荷較低、充裕度較大時儲存風電產(chǎn)生的電能，而在系統(tǒng)凈負荷較高，充裕度較低時釋放電能。從系統(tǒng)充裕度的角度而言，在谷荷充電時對系統(tǒng)充裕度的降低作用并不明顯，而在峰荷時放電對系統(tǒng)充裕度提升效應十分明顯。因此，考慮風儲設備聯(lián)合運行時，其容量可信度將比風電場單獨運行時明顯升高。這種效應在孤島系統(tǒng)中尤為明顯。

（8）互動負荷

與儲能設備的原理相同，引入能夠響應風電波動的互動負荷也能夠提高風電的容量可信度。

風電容量可信度不同季節(jié)與不同時段的風電容量可信度

當前對風電容量可信度的計算方法、影響因素以及變化規(guī)律的研究已經(jīng)比較透徹，但其仍存在應用范圍較窄、對實際生產(chǎn)指導作用有限的問題，為了使風電容量可信度能夠更有效的指導電力系統(tǒng)的規(guī)劃及運行，需要在如下幾個方面進行進一步的研究。

現(xiàn)有的風電容量可信度的研究往往采用一整年的風電及負荷數(shù)據(jù)，因此計算的結果表征全年風電對系統(tǒng)電力充裕度的綜合貢獻。然而，部分地區(qū)，特別是內(nèi)陸地區(qū)的風電具有較強的季節(jié)性與日特性，例如酒泉地區(qū)的風電機組具有白天出力小、晚上出力大、冬夏季出力小、春秋季出力大的特點。與此同時，電力規(guī)劃中，電力平衡的計算是按月進行，取每個月典型日的峰荷作為盈萬控制時段確定電力充裕度。因此，有必要研究不同季節(jié)以及日內(nèi)不同時段風電容量可信度，在更短的時問維度上精細化的考慮風資源特性以及負荷特性對風電容量可信度的影響，以期對電力平衡提供更好的支撐作用。

風電容量可信度接入點對風電容量可信度的影響

現(xiàn)有風電容量可信度研究中往往不考慮線路容量限制以及線路故障的影響。目前僅有少量文獻中在可靠性計算環(huán)節(jié)考慮電網(wǎng)可靠性，同時研究結果表明，線路可靠性對于風電容量可信度也有顯著的影響，換而言之，風電在電網(wǎng)中不同地點接入其容量可信度也可能會有不同。通過不同接入點下風電容量可信度的比較，能夠對風電場的接入規(guī)劃進行輔助決策。此外，在考慮電網(wǎng)可靠性的風電容量可信度計算中要考慮等效機組接入的位置，等效機組可選擇與風電場相同的節(jié)點接入系統(tǒng)，也可以選擇直接接入負荷節(jié)點，兩種接入位置下容量可信度的物理意義有所不同。

風電容量可信度運行視角下的風電容量可信度

現(xiàn)有風電容量可信度是定義在系統(tǒng)中長期可靠性評估的框架下的，因此屬于系統(tǒng)規(guī)劃分析的范疇。實質(zhì)上，在電力系統(tǒng)運行中，往往也需要一個確定性的指標表征具有不確定性的風電對于系統(tǒng)電力平衡的貢獻。由于風電的不確定性較大，目前我國調(diào)度系統(tǒng)中往往在日前計劃中往往對風電的出力考慮的比較保守，這有可能導致過多的開機進而影響風電的消納。因此可以類比電力規(guī)劃中風電容量可信度的定義，結合風電預測，在系統(tǒng)運行可靠性不變的前提下定義風電各時刻的運行容量可信度，系統(tǒng)日前發(fā)電計劃中風電的出力可按其容量可信度考慮，進而更加合理的安排常規(guī)機組的發(fā)電計劃。2100433B

水電站水輪發(fā)電機組銘牌容量的總和。是水電站最重要的特征值之一，水電站在運行中處于工作、備用和檢修狀態(tài)的容量分別稱為工作容量、備用容量和檢修容量。三者之和稱為必需容量。有時，在必需容量之外，加大水電站裝機容量，其作用為在汛期多發(fā)季節(jié)性電量，替代火電電量，減少系統(tǒng)的燃料消耗，但不能減少電力系統(tǒng)的裝機容量。這部分容量稱為重復容量。在不同水文年、不同季節(jié)中，隨著水電站運行狀態(tài)以及電力系統(tǒng)對水電站的要求不同，這些容量是不同的，而且在一定的條件下，它們之間是可以相互轉化的。工作容量即水電站為擔負電力系統(tǒng)負荷機時發(fā)出的有功功率，水電站日最大工作容量與日平均出力、系統(tǒng)負荷和能否進行日調(diào)節(jié)有關。豐水期和負荷大時，工作容量大，相應備用容量可小些;枯水期和系統(tǒng)負荷小時，工作容量較小，備用容量可大些。水電站機組檢修，一般安排在枯水期，故枯水期檢修容量大。在電力系統(tǒng)運行過程中，由于負荷的變化，有時會出現(xiàn)一部分容量未被利用的情況，處于空閑狀態(tài)。這部分容量稱為空閑容量。當水電站工作水頭小于機組額定水頭時，裝機容量中有一部分不能承擔必需容量，稱為受阻容量(見水電站額定水頭)。

水電站裝機容量的大小決定于電力系統(tǒng)的負荷及其特性、水電站的能量指標、水庫調(diào)節(jié)性能、水電站在系統(tǒng)中的地位和作用及其技術經(jīng)濟特性。

水電站的能量指標 能量指標包括保證出力和多年平均年發(fā)電量，是決定其裝機容量的基礎。水電站以其能量參加電力系統(tǒng)電力電量平衡，以核定其容量和電量的效益。水電站在系統(tǒng)中的地位和作用 其地位和作用決定于水電站能量在年內(nèi)的分配、負荷特性、電源組成、水電站在系統(tǒng)日負荷圖上的工作位置及擔負系統(tǒng)備用容量的大小。當能量一定時，水電站分配在系統(tǒng)負荷大月份(容量平衡控制月份)的能量愈多，其裝機容量愈大;水電站在日負荷圖上的工作位置愈靠近尖峰，即水電站在一天內(nèi)的工作小時數(shù)愈少，擔負調(diào)峰任務愈多，其裝機容量愈大，但水電站在一天內(nèi)的工作小時數(shù)，決定于電力系統(tǒng)尖峰的歷時;水電站擔負系統(tǒng)的備用容量愈多，其裝機容量愈大。所以水電站的裝機容量遠大于保證出力，裝機容量與保證出力的比值往往達到2～5，甚至更大。

水電站在系統(tǒng)中的地位和作用，受其調(diào)節(jié)能力的制約。具有季(年)調(diào)節(jié)能力以上的水電站，才有可能將其能量較多地分配到負荷大的月份，并能擔負事故備用。具有日調(diào)節(jié)以上調(diào)節(jié)能力的水電站，才能擔負系統(tǒng)日負荷的尖峰負荷和負荷備用。具有不完全日調(diào)節(jié)能力、無調(diào)節(jié)或下游有航運基荷要求的水電站，只能分別擔負系統(tǒng)日負荷的腰荷或基荷，裝機容量相應受限制。

水電站技術經(jīng)濟特性 與火電廠相比，水電站起停快、運行靈活，適宜于調(diào)峰和擔負系統(tǒng)備用容量的技術特性;且當壩高已定時，增加容量的費用低于火電廠(約為火電廠的1/2)，增加容量可相應增加發(fā)電量，從而節(jié)約火電燃料。故在一定的條件下，增加水電站的容量比火電廠經(jīng)濟。故水電站的裝機容量年利用小時數(shù)(即多年平均年發(fā)電量與裝機容量的比值)或電站年負荷因數(shù)(裝機容量年利用小時數(shù)除以8760)，一般比火電廠小。調(diào)節(jié)性能較好的水電站，且系統(tǒng)水電比重又不大時，其裝機容量年利用小時數(shù)可至2000或更小。調(diào)節(jié)性能較差，且電力系統(tǒng)水電比重較大時，水電站的年利用小時數(shù)可在5000以上。

裝機容量選擇 常規(guī)方法是擬定水電站不同的裝機容量和裝機程序方案，進行技術經(jīng)濟比較，選擇中應包括與裝機容量有關的輸電線路及輸電損失。當規(guī)劃期內(nèi)將有若干個電站投產(chǎn)時，可進行水電站群的裝機容量選擇。常規(guī)方法是，先進行水電站群的綜合裝機容量的選擇，然后再進行水電站間裝機容量的分配。影響水電站群裝機容量分配的技術經(jīng)濟因素為：①輸電距離長的電站裝機容量宜小些。②長引水道的電站調(diào)峰性能較差，且增加容量費用較大，裝機容量不宜過大。③有綜合利用限制(如航運基荷要求)的電站，裝機容量將受限制。④增加容量所增加的發(fā)電量大的電站，裝機容量宜適當大些。⑤地面廠房電站增加容量比地下廠房增加容量有利。⑥梯級電站的裝機容量分配，要照顧到容量的協(xié)調(diào)及運行的需要。⑦為了補償調(diào)節(jié)的需要，某些電站的裝機容量宜適當加大。

優(yōu)化方法是應用優(yōu)化模型，進行規(guī)劃期水火電站裝機容量優(yōu)化，含裝機容量及逐年的裝機程序。模型可用動態(tài)規(guī)劃或(和)線性規(guī)劃構造。由于電力系統(tǒng)負荷不斷加大，電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，一些調(diào)節(jié)性能好的水電站，在電力系統(tǒng)中的作用和地位發(fā)生變化，由原建設以發(fā)電量為主，到以容量效益為主，系統(tǒng)內(nèi)火電大機組和核電機組不斷增多，以及水電站的能量指標隨著梯級調(diào)節(jié)和跨流域補償調(diào)節(jié)的實現(xiàn)可能有較大改善等原因，水電站合理裝機容量應隨時間推移而加大。世界上有不少水電站都采用分期建設的方案，或在完建若干年后進行擴建以擴大裝機容量。中國也有一些調(diào)節(jié)性能較好的水電站，在建成若干年之后，進行擴機或正在研究擴大裝機的可行性。2100433B