風電容量可信度

風電容量可信度是指在等可靠性前提下風電機組可以替代的常規機組的容量占風電場總容量的比例。風電容量可信度使具有問歇性的風電與常規機組裝機容量之問可以在同一水平上進行相互比較。通過容量可信度這一個關鍵參數概括了風電對電力系統容量充裕度的影響，使不可控的、帶有波動性與隨機性風電參與傳統的電力規劃分析與計算成為可能，其對電力規劃中電力平衡、電力備用率計算、容量市場定價等具有重要意義。

基本介紹

• 中文名：風電容量可信度
• 外文名：Reliability of wind power capacity
• 學科：電氣工程
• 領域：能源利用
• 套用：風力發電可靠性評估 
• 優點：提高系統運行可靠性

風電容量可信度研究概覽

電力系統發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。並給出了基於兩狀態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套用於風電的分析中。40多年的研究中，國內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右圖所示。

風電容量可信度定義及計算方法分類

風電容量可信度的定義

風電的接入可以提高系統的可靠性，降低系統停電機率。然而，風電對系統可靠性的貢獻一般遠小於相同容量的常規機組，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。兩個指標在現有文獻中均有使用，由於其均表示同一概念而僅在量綱上存在差異，因此本文的綜述中並不對這兩個指標進行嚴格的區分。

現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%可靠的常規機組的容量比例，即實際系統去除風電場並加入一定容量的無停運率的虛擬常規機組後系統可靠性與實際系統可靠性相同，則此時虛擬常規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。

等效常規機組容量的比例：該定義與等效可靠容量的比例相似，區別在於該定義中虛擬常規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中現有常規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，定義風電接入前後，系統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：定義系統發電側的保證出力為一定置信度下(例如95%)的發電側可用容量的大小，即在該置信度下系統可用發電容量不小於該保證出力。在此基礎上定義風電的容量可信度為加入風電後系統保證出力的增加量。

風電容量可信度的計算方法

根據定義，風電容量可信度的核心在於電力系統可靠性(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最佳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。

基於可靠性評估的方法

基於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可靠性指標，並引入一等效系統，在等效系統中添加虛擬機組或降低負荷後評估等效系統的可靠性，對比實際系統與等效系統的可靠性並調整等效系統的設定，通過不斷的疊代使等效系統可靠性與實際系統相同，進而得到風電容量可信度。基於可靠性的風電容量可信度計算主要包含風電場出力的建模、系統可靠性的計算、可靠性基準選擇以及可信容量的搜尋4個環節，下面將分別綜述這4個環節中不同的方法與模型，現有的基於可靠性的風電容量可信度計算方法均可歸納為這4個環節中方法的不同組合。

（1）風電場出力的建模方法

風電容量可信度評估中採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至其裝機容量範圍內均有可能出現，因此風電可靠性模型建模中無法採用常規機組的經典兩狀態模型。現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。前者可分為多狀態機組等效模型以及風電出力機率密度模型，後者主要包括採用風電歷史出力曲線和採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上與傳統系統可靠性計算方法相同，因此現有的可靠性計算方法均可用於考慮風電接入的可靠性計算。風電容量可信度計算中，大多數僅考慮發電側系統可靠性，即系統充裕度評估，少數文獻考慮了發輸電系統可靠性。由於風電容量可信度評估涉及到等效系統的可靠性評估問題(將風電等效為虛擬常規機組)，發輸電系統可靠性評估中存在虛擬機組連線節點選擇的問題，不同連線節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式法及智慧型算法。

（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機組或帶負荷的能力。其中等可靠性這一準則依賴於可靠性指標的選取。絕大多數可信容量計算中選取系統電力不足功率或EENS作為原系統與等效系統的可靠性的比較標準。

（4）容量可信度搜尋方法

基於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中添加虛擬機組容量(或降低負荷)並反覆試探確定的。隨著系統中虛擬機組容量的提高(或負荷的降低)，系統可靠性單調上升，可信容量計算的目標是找到與原系統可靠性相等的等效系統。容量可信度搜尋方法實質上是一維搜尋的過程，主要方法包括二分法和截弦法。

解析法

在基於可靠性的計算方法之外，部分研究另闢蹊徑，希望從風電可信容量的定義出發推導其解析表達式，以期降低風電容量可信度的計算量並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統計量法、可靠性函式法以及經驗公式法。

其他方法

（1）峰荷負荷率法

眾多研究表明，系統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。由於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，不適用於風電接入比例較大的情形。

（2）最佳化法

有文獻提出了採用最佳化模型計算風電容量可信度的方法，最佳化模型的白變數為常規機組的規劃決策，約束條件為可靠性指標約束。該方法採用最佳化模型求解系統去除風電後要達到原有的可靠性水平所需要的最少的機組常規機組容量，得到的最佳化結果即為風電可信容量。

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。基於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，對於系統邊界條件變化時的魯棒性較好，因此適用於精細化計算的場合。但是基於可靠性的計算方法存在隨機採樣收斂效率較低的問題，一些避免隨機採樣的方法存在考慮因素不夠全面的問題，需要根據實際需要謹慎選擇。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，但其模型對於風電的建模比較粗糙，其假設條件往往過於理想，實際電力系統往往難以全部滿足其假設條件，因此該類方法僅適用於對於計算速度要求較高，對精度要求不高或風電及系統詳細數據難以獲取的場合。

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。研究中採用可信容量ELCC定義，研究中分別採用了基於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，選擇基於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。

風電容量可信度的影響因素

風電容量可信度揭示了風電對系統充裕度的貢獻，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劃中通過最佳化提高風電對系統充裕度的貢獻，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有關的影響因素兩類，如右圖所示。

風電容量可信度的影響因素

（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）風電出力與系統負荷的相關性

電力系統充裕度表示電力系統的發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。風電與系統負荷的相關性主要由負荷以及風的季節性與日特性決定，例如在我國內蒙及東北地區，負荷高峰期出現在冬天，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正相關的統計特性。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，考慮尾流效應後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於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可靠性的貢獻產生飽和效應，若系統新增風電場與現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現，風電場在電力系統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，通過對儲能系統的充放電控制，能夠在系統淨負荷較低、充裕度較大時儲存風電產生的電能，而在系統淨負荷較高，充裕度較低時釋放電能。從系統充裕度的角度而言，在谷荷充電時對系統充裕度的降低作用並不明顯，而在峰荷時放電對系統充裕度提升效應十分明顯。因此，考慮風儲設備聯合運行時，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中尤為明顯。

（8）互動負荷

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

研究展望

不同季節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律的研究已經比較透徹，但其仍存在套用範圍較窄、對實際生產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的規劃及運行，需要在如下幾個方面進行進一步的研究。

現有的風電容量可信度的研究往往採用一整年的風電及負荷數據，因此計算的結果表征全年風電對系統電力充裕度的綜合貢獻。然而，部分地區，特別是內陸地區的風電具有較強的季節性與日特性，例如酒泉地區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以及日內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。

接入點對風電容量可信度的影響

現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節考慮電網可靠性，同時研究結果表明，線路可靠性對於風電容量可信度也有顯著的影響，換而言之，風電在電網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划進行輔助決策。此外，在考慮電網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點接入系統，也可以選擇直接接入負荷節點，兩種接入位置下容量可信度的物理意義有所不同。

運行視角下的風電容量可信度

現有風電容量可信度是定義在系統中長期可靠性評估的框架下的，因此屬於系統規劃分析的範疇。實質上，在電力系統運行中，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於系統電力平衡的貢獻。由於風電的不確定性較大，目前我國調度系統中往往在日前計畫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劃中風電容量可信度的定義，結合風電預測，在系統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，系統日前發電計畫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機組的發電計畫。