海岛孤立风电系统的可靠性分析研究

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摘 要：我国海岛众多且大多数海岛风力资源丰富。在海岛上采用风力发电进行供电，不仅有利于海岛的经济开发与建设，更有利于岛上的环境保护。由于风力资源本身所具有的不稳定性、随机性以及地域性，风力发电系统的可靠性就遭到质疑。对海岛孤立风电系统的可靠性分析评估就显得尤为重要。本论文，拟以大陈岛为例，通过对其岛上风电运行情况、岛上风速和岛上用户负荷等数据的分析，对此孤立海岛系统进行可靠性分析。

关键字：海岛；孤立系统；风力发电；可靠性分析

0引言

随着科技的发展，能源问题日益受到国际社会的重视。风力发电是解决当前突出的能源和环境问题的有效手段，是目前世界上增长速度最快的能源和最有发展前景的新能源技术[1]。目前，对风能的利用也已达到商用阶段[2]。在大电网难以达到的孤立地区，如海岛、牧区，以前都使用燃料昂贵的柴油发电机。而这些地区，却有着较丰富的风能资源，在这些地区推广风力发电已是新能源建设中的一项重要工作。

风能总体上是一种丰富的可再生资源，发展风力发电可以在一定程度上节约一次能源的消耗和减少环境污染，然而，风能资源的地域分布具有明显的差异性，并且在时间和空间上的分布具有很大的不均匀性[3]。由于风速经常处于变化的状态，从而造成风力发电机组出力的波动，且这种变化不受控制，进而难以预测。孤立风力发电系统中的风力发电机容量较小、输配电网络结构简单、用户负荷单一，这些特点使得孤立风力发电系统的可靠性对整个系统来说尤为重要。为了保证用户供电的安全、可靠、经济，以及对今后孤立电网的建设有更好的改进，提高供电质量，因此对孤立风力发电系统进行可靠性评估是必不可少的。本文拟以东南沿海的某海岛为研究对象，根据该岛用电负荷和风速等数据，依照中国电力企业联合所的2005--2010年全国电力可靠性指标，对其孤立风力发电系统的可靠性进行研究。

1 可靠性概念和分析方法

所谓电力系统可靠性，是指在电力系统按照可接受的质量标准和一定的用户需求的情况下，对其不间断地供应电能的能力所进行的度量[4]。由于电力系统的复杂性，对其整体进行可靠性的评估会有一定的困难。

通常，电力系统可靠性分析可以分为充裕度与安全性两个方面。其中，充裕度是从静态的角度出发，用于评价系统持续供应以满足用户电能需求的能力；安全性则是从暂态的角度出发，用于评价系统承受突然扰动后继续保持稳定的能力。电力系统规模庞大，为了更准确地进行可靠性分析评估，对电力系统进行可靠性分析时可将其划分成三个子系统。基于电力系统的组成结构，可将其划分为发电系统、输电系统和配电系统三部分来进行可靠性评估：1、发电系统可靠性，是指评估统一并网运行的全部发电机组，按可接受标准及期望数量来满足电力系统负荷电能需求的能力的度量。为确定电力系统能否保证电力供应所需的发电容量，因此衡量发电系统可靠性的指标是系统的充裕度，通常衡量系统充裕度的方法用概率方法。2、输电系统可靠性，其可靠性包括充裕度和安全性。充裕度指标分为负荷点指标和系统指标两类，两者均采用故障筛选技术。安全性指标为了评估系统对突发故障的经受能力，其主要通过因故障引起的负荷损失量来度量。3、配电系统可靠性，它的指标主要评估的是充裕度。其典型的分析方法是故障模式影响分析法和可靠度预测分析法。

随着科技的不断进步，我国电力系统已经进入了快速发展的时期，实现电网大区域互联、特高压交直流混合输电。由于系统规模的不断扩大和结构的日益复杂，从而使得停电可能会导致巨大的财产损失和人员伤亡。所以，对电力系统进行合理的可靠性评估有着十分重要的现实意义。

本文依据大陈海岛上的星星风电场一年的实际运行情况，针对风力发电机组的运行规律和其配电网自身的特点，建立的它们的可靠性数学模型，用发电系统可靠性分析方法对该海岛风力发电系统进行可靠性分析，证明该海岛风力发电系统能够满足电网稳定性指标，对负荷的电力供应可以达到安全、可靠的要求。

2 海岛孤立电力系统可靠性的特点

我国的海岛资源非常丰富，根据1996年第一次《全国海岛综合调查报告》的数据指出，我国面积在500m2以上的海岛共有6961个（港澳台及海南岛除外，海南岛本岛和台湾、香港、澳门所属有的410个海岛）其中有人居住的海岛为433个，人口达452.7万人。这些海岛大多拥有丰富的渔业资源、旅游资源以及风能资源，因此对海岛的开发将是今后国家建设中的一项重要工作。考虑到海岛的交通不便，距离大陆架较远，传统的柴油发电已经不能满足海岛的经济和环保发展需要，因此，海岛孤立风力发电系统是既利于环保又有利于海岛经济建设的项目。

在海岛孤立风力发电系统中，本文重点关注的是确定电力系统能否有充足的发电容量来满足用电负荷的需要。海岛孤立风力发电系统的可靠性指标是发电系统的充裕度。通过前一章可知，可靠性分析方法有确定性方法和概率方法。确定性方法，主要根据长期累计的发电系统可靠性资料、负荷预测资料和电源配置以及规划设计人员的经验来确定。概率方法，即电力不足概率法（loss of load probability，LOLP）、电力不足频率、持续时间法（frequency and duration，F&D）和模拟法。任何估计发电系统充裕度的概率方法的基本途径在原理上都相同，均由3部分组成，如图2.1所示：

图2.1 发电系统可靠性分析原理示意图

将发电系统模型和发电系统负荷模型相结合形成适当的风险模型后，即可计算出一系列的可靠性指标。这些指标通常不考虑输电网络的约束（惟一例外的是互联系统的联络线），也不反映任何特定用户负荷点的供电不足，但能衡量整个发电系统的充裕度[5]。

将发电系统充裕度表示为一个随机变量，由某一时刻系统中总的发电机组运行容量和负荷功率之差决定，如式2-1所示：

■……………………………………2-1

式中：X为系统的充裕度，Wi为发电机组的运行容量，Ls为系统负荷。得到出关于系统裕度的一系列数据后，可以计算电力不足概率和电量不足期望值这两个常用的指标，它们都与系统裕度的累积概率有关。系统裕度的累积概率为：