計及熱慣性和運行策略的綜合能源系統(tǒng)可靠性評估方法

呂佳煒, 張沈習(xí), 程浩忠

(電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室(上海交通大學(xué)), 上海市 200240)

0 引言

在傳統(tǒng)化石能源儲量有限和環(huán)境污染問題日益嚴重的雙重壓力下,粗放的能源利用模式與環(huán)境保護之間的體制機制性矛盾日益凸顯。在此背景下,得益于能源轉(zhuǎn)換技術(shù)的不斷發(fā)展,綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system,IES)應(yīng)運而生。IES是指在規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)和運行過程等過程中,通過對各類能源的產(chǎn)生、分配、轉(zhuǎn)換、消費、存儲等環(huán)節(jié)進行有機協(xié)調(diào)與優(yōu)化后,所形成的能源產(chǎn)供消一體化系統(tǒng)[1-2]。然而,IES設(shè)備種類繁雜,運行特性各異,同時伴隨著能量的雙向流動,使得其可靠性的評估更為復(fù)雜[3-4]。

當(dāng)前,針對IES可靠性評估問題,國內(nèi)外的研究主要集中在電—氣或冷—熱—電這兩類能源系統(tǒng)。文獻[5]建立了燃氣—電力互聯(lián)系統(tǒng)的可靠性模型,計算了聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠可提供的最大電量。文獻[6]以能源集線器模型為基礎(chǔ),提出了一種IES可靠性評估方法。文獻[7]利用馬爾可夫模型對建筑中冷—熱—電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性進行了量化分析,證明了冷—熱—電聯(lián)產(chǎn)對提升系統(tǒng)可靠性的積極作用。文獻[8]采用模塊化建模方法,對冷—熱—電系統(tǒng)進行仿真分析,證明了基于微型燃氣輪機的熱電聯(lián)產(chǎn)對提高系統(tǒng)可靠性的積極作用。文獻[9]將概率潮流思想用于IES概率能流分析中,分析了電力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)中不確定因素對IES運行的影響。文獻[10]提出了一種考慮負荷隨機性和能源品味差異的綜合能源系統(tǒng)可靠性評估方法。文獻[11]提出了計及可靠性的電—氣—熱能量樞紐配置模型,計算了能源樞紐最優(yōu)容量配置。上述研究表明,IES的可靠性評估已受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注,但仍然存在以下問題:①當(dāng)前研究大多從穩(wěn)態(tài)角度分析系統(tǒng)可靠性,對多時間尺度下的評估仍然不夠完善;②現(xiàn)有可靠性評估方法只考慮了元件故障情況,而在實際運行過程中,能源品味差異和系統(tǒng)運行策略等因素對可靠性也有較大影響。因此需要基于時間尺度差異、能源品味差異和系統(tǒng)運行策略,展開IES的可靠性評估。

本文首先分析了多能互濟機制,把IES等效為不同能流相互聯(lián)絡(luò)的互聯(lián)系統(tǒng),推導(dǎo)出能流互濟可靠性增益這一指標。其次,對熱慣性進行準穩(wěn)態(tài)建模,根據(jù)能源品味差異設(shè)置系統(tǒng)運行基本策略,通過基于馬爾可夫鏈的蒙特卡洛模擬方法計算IES的可靠性。最后,通過實際算例進行仿真分析,驗證本文所提模型、指標、方法的有效性。

1 能流互濟的可靠性增益

IES能流互濟的本質(zhì)是充分利用不同形式能源的互濟能力對各環(huán)節(jié)協(xié)同優(yōu)化,以提升系統(tǒng)可靠性?；诖?本節(jié)提出了能流互濟可靠性增益的概念及其計算方法。

1.1 能源集線器模型

為描述IES中不同能流的協(xié)同運行機制,文獻[12-13]引入了能源集線器模型以刻畫不同形式能源的耦合關(guān)系。在該模型下,IES被抽象為包含多種形式能源輸入、能源轉(zhuǎn)換設(shè)備集和多種形式能源輸出的雙端口網(wǎng)絡(luò)。

能源集線器模型可分為“配—轉(zhuǎn)—用”三部分,定義耦合矩陣C表示能流轉(zhuǎn)換過程以描述三者的關(guān)系。

L=CE

(1)

即

式中:α,β,,ω分別代表不同能源種類。E和L分別為能流輸入和輸出矩陣;C為耦合矩陣,包括能源轉(zhuǎn)化效率和優(yōu)化調(diào)度因子。用i和j表示能流轉(zhuǎn)換路徑,i,j∈{α,β,,ω}

1.2 能流互濟可靠性增益

相比獨立運行的傳統(tǒng)能源系統(tǒng),IES具有多能互濟的特征,即對于給定的用戶需求,其能源輸入可能并不唯一。從可靠性角度看,多能互濟的本質(zhì)就是不同形式的能源子系統(tǒng)通過能源轉(zhuǎn)換設(shè)備形成了互聯(lián)系統(tǒng),各子系統(tǒng)的可靠性較孤立運行時均有提升。計算不同子系統(tǒng)的可靠性指標,通過可靠性二維概率數(shù)組圖[14]可直觀表示能流互濟的可靠性增益,如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)可靠性二維概率數(shù)組圖Fig.1 Diagram of two dimensional probability for system reliability

圖1(a)為考慮能流互濟前系統(tǒng)可靠性的二維概率數(shù)組圖。Oα和Pα分別表示α子系統(tǒng)的停運容量和對應(yīng)概率,OO和PO分別表示其他子系統(tǒng)的停運容量和對應(yīng)概率,Lα和Rα分別表示α子系統(tǒng)的最大負荷和備用容量,Lothers和Rothers分別表示其他子系統(tǒng)的最大負荷和備用容量。圖中陰影部分W區(qū)域表示α子系統(tǒng)和其他子系統(tǒng)的停運容量均未超過各自備用容量,IES正常工作;X區(qū)域表示α子系統(tǒng)停運容量超出備用,其他子系統(tǒng)正常工作;Y區(qū)域表示其他子系統(tǒng)停運容量超出備用,α子系統(tǒng)正常工作;Z區(qū)域表示兩子系統(tǒng)停運容量均大于各自備用容量?？紤]能流互濟后,當(dāng)某一子系統(tǒng)供能不足,可通過能源轉(zhuǎn)換設(shè)備接受其他子系統(tǒng)的支援。假設(shè)能源轉(zhuǎn)換設(shè)備容量和相互支援容量無限制,則系統(tǒng)可靠性的二維概率數(shù)組圖如圖1(b)所示。

對比圖1(a)和(b)的陰影部分可知,IES正常工作的區(qū)域增加了X″和Y″部分,其中X″部分表明當(dāng)α子系統(tǒng)停運容量超出備用容量時,其余系統(tǒng)將通過能源轉(zhuǎn)換設(shè)備進行支援,提高α子系統(tǒng)可靠性。因此在考慮能流互濟后,不同子系統(tǒng)之間能夠相互支援,系統(tǒng)備用容量變大,IES可靠性得到了階梯形的增益。

在實際運行過程中,應(yīng)考慮支援容量的限制。支援容量受設(shè)備限制,定義最大轉(zhuǎn)換容量矩陣ξmax來表征能源轉(zhuǎn)換設(shè)備最大轉(zhuǎn)換容量。

(2)

式中:ξij,max表示將能流i轉(zhuǎn)換為j的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的最大轉(zhuǎn)換容量,其中i,j∈{α,β,,ω}。

考慮到不同運行策略下,各子系統(tǒng)的重要程度不同,支援優(yōu)先順序不同,各子系統(tǒng)可獲得的支援容量為:

(3)

式中:ξsup,α為系統(tǒng)α可獲得的支援容量;ρiα表示從能流i到α的轉(zhuǎn)換設(shè)備工作狀態(tài),ρinput,i為能流i輸入狀態(tài),ρiα,ρinput,i∈{0,k1,k2,,kn,1},0表示設(shè)備故障,kn為降額運行系數(shù),1表示設(shè)備正常工作;ξiα,max為最大轉(zhuǎn)換容量;Ei為能流i輸入容量;Li為能流i輸出容量;Siα為優(yōu)先等級高于α的子系統(tǒng)所需的支援容量,優(yōu)先級由運行策略決定;ηiα為能源轉(zhuǎn)換效率。

綜上,各子系統(tǒng)的能流互濟可靠性增益為:

ΔPα=P(L>min{ρinput(Lα+Rα),ρααξαα,max})-

P(L>min{ρinput(Lα+Rα),ρααξαα,max}+ξsup,α)

(4)

式中:ΔPα為能流互濟可靠性增益；ξαα,max為同種能流轉(zhuǎn)換設(shè)備的最大轉(zhuǎn)換容量；L為子系統(tǒng)實際負荷。

2 熱慣性模型

IES中不同能源的傳輸特性和時間尺度不同。例如電能傳輸可在瞬時完成,其狀態(tài)變化處于同一時間斷面;而熱能傳輸速度慢,能量的傳輸和變換橫跨多個時間斷面,因此,不同能源中斷供應(yīng)后對用戶造成的后果也將不同。當(dāng)各子系統(tǒng)獨立運行時,電能供應(yīng)中斷將立刻導(dǎo)致用電設(shè)備停運,不能滿足用戶需求;冷、熱等慣性較大的負荷,其用能本質(zhì)是在一段時間內(nèi)獲得或保持一定溫度,即允許溫度在一定范圍內(nèi)波動[15],因此,用戶對于供能中斷的反饋具有滯后性。

圖2描述了能流輸入充足的情況下,當(dāng)加熱元件狀態(tài)變化時,介質(zhì)溫度的變化趨勢。圖中加熱元件工作狀態(tài)為隨機變量,Tmax和Tmin分別表示用戶可接受的最高溫度和最低溫度。當(dāng)加熱元件正常工作時,加熱功率大于散熱功率,熱容器中介質(zhì)溫度由初始溫度逐步上升,當(dāng)上升到可接受最高溫度Tmax時,調(diào)整輸入容量,使得加熱功率等于散熱功率,保證介質(zhì)溫度不再變化;當(dāng)加熱元件故障時,熱容器不斷與周圍環(huán)境交換熱量,介質(zhì)溫度逐步降低,直到加熱元件再次正常工作,介質(zhì)溫度才會上升。分別基于元件狀態(tài)和介質(zhì)溫度評估供熱系統(tǒng)工作狀態(tài),如圖2所示,圖中陰影表示正常狀態(tài),空白表示故障狀態(tài)?；诩訜嵩顟B(tài)評估系統(tǒng)可靠性時,若加熱元件故障,則判定系統(tǒng)故障;基于介質(zhì)溫度評估系統(tǒng)可靠性時,若加熱元件故障,介質(zhì)溫度將逐步下降而非突變,只要溫度處于用戶可接受范圍內(nèi),則判定系統(tǒng)正常。二者的區(qū)別在于加熱元件狀態(tài)為0-1變量,元件由正常變?yōu)楣收蠒r其狀態(tài)會發(fā)生突變,而介質(zhì)溫度則是連續(xù)變量,不會發(fā)生突變。因此,基于介質(zhì)溫度的熱網(wǎng)可靠性評估模型更為精確。

圖2 熱慣性示意圖Fig.2 Diagram of thermal intertia

為了描述溫度變化的慣性過程,采用線性能量平衡法[16-18],對熱慣性過程進行建模。假設(shè)任意時刻熱水罐內(nèi)熱水溫度均勻且只有一個加熱元件,則任意時刻的溫度變化趨勢為:

ceq(t)(Td-Tin)+Pth(t)

(5)

式中:C為熱容量;R為容器熱阻;T(t)和Ta(t)分別為t時刻熱水溫度和環(huán)境溫度;ce為水的比熱容;q(t)為t時刻用水速率;Td為熱水期望溫度;Tin為進入系統(tǒng)的冷水溫度;Pth(t)為t時刻加熱功率。

熱平衡方程描述了熱水溫度與環(huán)境溫度、加熱功率間的慣性關(guān)系。為簡化計算,可對熱慣性模型進行準穩(wěn)態(tài)處理。首先,將一個典型日平均分為D個時段,時段序號為i,則可根據(jù)各時段熱負荷及其余參數(shù)計算每個時刻的熱水使用量為:

(6)

式中:Pthe(i)為i時段的熱負荷;kw為熱水負荷比例系數(shù)。

假設(shè)各時段溫度變化率恒定,則熱水溫度滿足:

(7)

ceq(i)(Td-Tin)+Pactual(i)]

(8)

式中:Δt為各時段持續(xù)時間;Pactual(i)為i時段的實際加熱功率。

3 IES基本運行策略

IES的運行策略涉及能流調(diào)度,其本質(zhì)是一個尋優(yōu)過程。在進行IES可靠性評估時,也應(yīng)考慮其運行策略。根據(jù)各子系統(tǒng)能否獨立滿足用能需求,將IES工作狀態(tài)劃分為正常狀態(tài)和危險狀態(tài)。基于現(xiàn)有運行策略[10]和不同能源品味差異,本文設(shè)置IES基本運行策略如下。

1)同種能源之間相互供應(yīng)的優(yōu)先程度最高

能源的轉(zhuǎn)換必然伴隨著損耗和延遲,因此在能流輸入能夠滿足負荷需求的情況下,優(yōu)先使用同種能源。

2)依據(jù)能源品味等要素確定各子系統(tǒng)重要程度為電力>天然氣>熱

為實現(xiàn)IES中不同能流間的科學(xué)比較,采用分析法計算各子系統(tǒng)能流的值。是系統(tǒng)或物質(zhì)流、能量流達到與參考環(huán)境平衡時所產(chǎn)生的最大功[19]。它反映了能量轉(zhuǎn)換的不可逆損失和能量傳遞的方向性,揭示能量利用過程的本質(zhì),描述了能流“質(zhì)”的差異。

在IES中,電能可將全部能量用于做功,因此電能值等于其能量值,即

ex,e=ee

(9)

式中:ex,e為電能值;ee為電能的比能量值。

天然氣能量的本質(zhì)是燃燒產(chǎn)生的化學(xué),可通過系數(shù)[20-22]計算得到:

ex,c=ecσ

(10)

式中:ex,c為天然氣值;ec為燃料的比能量值;σ為系數(shù),常見能源的系數(shù)見附錄A表A1。

熱水計算方法為:

(11)

式中:ex,th為熱水值;T0為基準溫度;Th為熱水溫度;Δq為單位質(zhì)量熱水所含熱量。

綜上,電能、天然氣相對熱能,單位值更高,易于轉(zhuǎn)化利用,應(yīng)當(dāng)具有較高的優(yōu)先級。

對電能和天然氣進行進一步的比較。從安全性、經(jīng)濟性、環(huán)保性、便捷性這4個一級指標和用能傷亡人數(shù)、故障率、修復(fù)率、單位能量購買成本、二氧化碳排放量、污染物排放量、供能半徑、用能半徑8個二級指標進行評估,其中修復(fù)率、供能半徑、用能半徑為正指標,其余為負指標,評價體系表如附錄A表A2所示。對各指標賦分后可得電能和天然氣對應(yīng)的能源特征雷達圖,如附錄B圖B1所示。經(jīng)比較可知,電能的經(jīng)濟性稍差于天然氣,但其安全性、環(huán)保性和便捷性更優(yōu),是更好的終端能源形式。因此,當(dāng)系統(tǒng)處于危險狀態(tài)時應(yīng)優(yōu)先保障電力子系統(tǒng)安全。

3)在正常狀態(tài)下,各子系統(tǒng)的能流輸入均能獨立滿足負荷需求,超出部分作為備用或支援容量

4)在危險狀態(tài)下,能流輸入不足的子系統(tǒng)接受其他子系統(tǒng)的支援以滿足負荷需求,支援容量受設(shè)備轉(zhuǎn)換容量和工作狀態(tài)限制

5)連續(xù)穩(wěn)定的運行方式不是保證熱能供應(yīng)的唯一方式。根據(jù)式(5)至式(8)可計算得出某一確定流量和熱水期望溫度所對應(yīng)的最小加熱功率,從而可計算得出熱力子系統(tǒng)可停供容量基于上述運行策略的供能流程圖如圖3所示。

4 計及熱慣性和運行策略的IES可靠性評估

4.1 IES狀態(tài)空間圖

在兩狀態(tài)模型下,n個元件將產(chǎn)生2n個狀態(tài)。假設(shè)同一時刻最多只有一個元件的狀態(tài)發(fā)生變化,根據(jù)各元件的故障率和修復(fù)率參數(shù),可建立IES狀態(tài)空間圖及狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。

圖3 基于基本運行策略的供能流程圖Fig.3 Flow chart of energy supply based on basic operation strategy

若當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)為i,則在t時刻,從狀態(tài)i到狀態(tài)j的轉(zhuǎn)移滿足如下分布:

fsi→sj(t)=λije-λijt

(12)

式中:λij為從狀態(tài)i到狀態(tài)j的轉(zhuǎn)移率。

當(dāng)時間間隔很短時,轉(zhuǎn)移概率可以近似計算為:

Psi→sj(Δt)≈λijΔt

(13)

(14)

式中:N為狀態(tài)數(shù),滿足N=2n。

轉(zhuǎn)移概率矩陣為:

(15)

累計轉(zhuǎn)移概率為:

(16)

4.2 可靠性模型求解方法

采用基于馬爾可夫鏈的蒙特卡洛方法對計及熱慣性和運行策略的IES進行可靠性評估,總體思想是:首先模擬較長一段時間內(nèi)系統(tǒng)狀態(tài)的變化得到系統(tǒng)狀態(tài)的樣本,然后通過故障模式影響分析遍歷各時間斷面元件運行情況對系統(tǒng)負荷的影響,從而評估系統(tǒng)的可靠性指標。具體步驟如下。

步驟1:建立馬爾可夫狀態(tài)空間。

步驟2:計算狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率Psi→sj和轉(zhuǎn)移累計概率Psum,ij。

步驟3:生成馬爾可夫鏈,設(shè)置馬爾可夫鏈初始狀態(tài),產(chǎn)生滿足[0,1]均勻分布的隨機數(shù)r并與累計概率相比較。若滿足Psum,i,j-1

步驟4:判斷新狀態(tài)下工作模式。

步驟5:設(shè)置初始溫度,計算新狀態(tài)下每個時間斷面內(nèi)保持溫度不低于Tmin的熱功率。

步驟6:計算各能源轉(zhuǎn)換設(shè)備出力和各子系統(tǒng)可獲得的支援容量ξsup,α,模擬熱負荷的溫度變化情況。

步驟7:重復(fù)步驟3至步驟6,計算得到IES的可靠性。

5 算例分析

5.1 算例說明

為驗證本文所提方法的有效性,本節(jié)對文獻[15]中德國某用戶級IES進行仿真分析。該用戶級IES系統(tǒng)包括電力、天然氣和熱力子系統(tǒng),其物理結(jié)構(gòu)與設(shè)備構(gòu)成如圖4所示。圖中,P2G表示可再生能源發(fā)電技術(shù)。

圖4 用戶級IES結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of user-level in IES

在能源供給方面,由上級供能網(wǎng)絡(luò)為用戶供能,

電能輸入為26 kW,天然氣輸入為8 kW。當(dāng)各子系統(tǒng)獨立運行時,電力和天然氣子系統(tǒng)分別通過變壓器和天然氣管道直接供能,熱力子系統(tǒng)則由電鍋爐供能,且上級配電網(wǎng)輸入容量將平均分配給電力子系統(tǒng)和熱力子系統(tǒng)。

在能源轉(zhuǎn)換方面,當(dāng)互濟運行時,各能源轉(zhuǎn)換設(shè)備都可參與供能,能源轉(zhuǎn)換設(shè)備參數(shù)包括能源轉(zhuǎn)換設(shè)備最大容量矩陣ξmax;故障率矩陣W;修復(fù)率矩陣F;具體參數(shù)如下:

(17)

(18)

(19)

式中:下標e,c,t分別表示電力子系統(tǒng)、天然氣子系統(tǒng)、熱力子系統(tǒng);λij和μij分別表示將能流i轉(zhuǎn)換為j的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的故障率和修復(fù)率，其中i,j∈{e,c,t}。

在負荷需求方面,共有電、熱、氣三類負荷,其中電負荷和熱負荷隨時間變化較大,典型日負荷曲線如附錄B圖B2所示。熱負荷共包括10個規(guī)格相同的熱容器,總?cè)萘繛? m3,罐壁熱導(dǎo)為0.903 5 J/(s·℃),正常運行時的溫度范圍為55～75 ℃。典型日各時刻環(huán)境溫度見附錄B圖B3所示。

5.2 結(jié)果分析

取熱水期望溫度和熱容器中熱水初始溫度為65 ℃,可接受最低溫度為55 ℃?；诿商乜宸椒▽δ芰骰昂蟾髯酉到y(tǒng)可靠性指標進行計算,模擬次數(shù)為100 000次,結(jié)果如表1所示。

表1 IES可靠性指標Table 1 Reliability indices of IES

由表1可知,當(dāng)各子系統(tǒng)獨立運行時,可靠性取決于輸入能流與負荷需求的大小關(guān)系和設(shè)備可用度。算例中天然氣輸入能夠支持典型日96個時刻用能需求,電力和熱力輸入分別能夠支持93個時刻和92個時刻的用能需求,因此天然氣子系統(tǒng)可靠性略高于電力和熱力子系統(tǒng)。在考慮熱慣性后,電力和天然氣子系統(tǒng)獨立運行的可靠性保持不變,熱力子系統(tǒng)獨立運行的可靠性上升為99.925 1%。這是由于熱力子系統(tǒng)的用能本質(zhì)是獲得可接受的溫度,當(dāng)能流輸入不足或加熱元件故障時,熱水溫度將緩慢下降而不是突變,在一段時間內(nèi)仍然能夠滿足用戶需求。經(jīng)計算可知,在用水量為0.002 L/s、加熱功率為0的情況下,熱容器中熱水溫度平均每小時下降4.5 ℃,在溫度降低到55 ℃之前,熱力子系統(tǒng)仍表現(xiàn)為正常狀態(tài),即當(dāng)加熱元件故障時,仍然能夠繼續(xù)使用133 min,因此現(xiàn)有的可靠性評估方法較為保守。同時,當(dāng)熱容器參數(shù)發(fā)生變化,現(xiàn)有方法的評估結(jié)果并不能體現(xiàn)參數(shù)變化后實際熱量交換過程。

當(dāng)互濟運行時,在輸入相同的情況下,電力、天然氣和熱力子系統(tǒng)的停供時間相比獨立運行時分別減少為原來的3%,10%和2%,說明互濟運行將帶來較為明顯的可靠性增益,尤其是能流輸入不足的子系統(tǒng)其供能可靠性有較大提升。在考慮熱慣性和多能互濟的運行策略后,熱力子系統(tǒng)可靠性接近于1,各子系統(tǒng)的可靠性進一步提升,這是由于考慮熱慣性后,熱力子系統(tǒng)能夠在不影響自身可靠性的基礎(chǔ)上減供或停供以支援危險系統(tǒng),其可支援容量進一步提升,等價于系統(tǒng)備用容量的提升。

為探究熱力子系統(tǒng)的熱慣性行為,保持加熱功率不變,取可接受最低溫度比期望溫度低5 ℃,計算不同熱水期望溫度和罐壁熱導(dǎo)對應(yīng)的熱力子系統(tǒng)可靠性,如圖5所示。

圖5 熱力子系統(tǒng)可靠性Fig.5 Reliability of thermal sub-system

由圖5可知,罐壁熱導(dǎo)越大、熱水期望溫度越高,熱力子系統(tǒng)可靠性越低。當(dāng)罐壁熱導(dǎo)較小且期望溫度較低時,此時熱容器保溫性能好,輸入功率主要用來加熱補充進入容器的冷水,加熱后能夠達到最低期望溫度,可靠性較高。若不斷提高期望溫度,即使在熱量損失較小的情況下,輸入功率仍不足以將水加熱到最低期望溫度,因此可靠性反而降低。當(dāng)罐壁熱導(dǎo)為0、期望溫度為77 ℃時,可靠性將降低到0。若不斷增大罐壁熱導(dǎo),熱容器散熱功率逐步增大,輸入功率中用于加熱冷水的比重不斷降低,即使在期望溫度較低的情況下,可靠性也較低。當(dāng)罐壁熱導(dǎo)為3.6 J/(s·℃)、期望溫度為60 ℃時,可靠性將降低到0。

為探究支援設(shè)備的故障率對電力子系統(tǒng)停供時間的靈敏度,分別計算支援設(shè)備不同故障率下電力子系統(tǒng)的停供時間增益,電轉(zhuǎn)熱裝置通過備用容量和可減供容量支援,氣轉(zhuǎn)電裝置通過備用容量支援,計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 支援設(shè)備故障率靈敏度曲線Fig.6 Sensitivity curves of failure rate for support devices

由圖6可知,隨著故障率的變化,電轉(zhuǎn)熱裝置對停供時間增益的影響明顯大于氣轉(zhuǎn)電裝置,這是由可支援容量與負荷需求之間的大小關(guān)系決定的。結(jié)合典型日負荷曲線可知,當(dāng)電力子系統(tǒng)輸入為0時,電轉(zhuǎn)熱裝置的支援容量能夠滿足全部時刻的負荷需求,而氣轉(zhuǎn)電裝置不能獨立支持負荷。同時,即使電轉(zhuǎn)熱裝置的故障率上升到52次/a,即一周故障一次,系統(tǒng)仍能獲得約12 830 min的停供時間增益,再次說明了能流互濟的可靠性增益。

為探究輸入容量與可靠性的關(guān)系,分別計算不同輸入容量下各子系統(tǒng)的可靠性指標,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知,從運行模式來看,互濟運行的可靠性始終高于獨立運行的可靠性,且不考慮熱慣性的可靠性評估結(jié)果略為保守。從輸入容量來看,當(dāng)各子系統(tǒng)輸入容量小于最小負荷需求,獨立運行可靠性均為0,而互濟運行時,其他子系統(tǒng)的支援使得各子系統(tǒng)仍具有一定可靠性。隨著輸入容量不斷增大,各子系統(tǒng)可靠性不斷提升,但獨立運行時與互濟運行時的可靠性差異較大。當(dāng)輸入容量大于最大負荷需求,各子系統(tǒng)可靠性均提升至99.9%以上,此時增加單位容量能流輸入所對應(yīng)的可靠性增益逐步遞減,且獨立運行和互濟運行的可靠性差別較小。進一步分析電力子系統(tǒng)可知,當(dāng)電力輸入為13 kW且獨立運行時,供電可靠性為96.742 4%,當(dāng)互濟運行時,僅需要11 kW左右的電能輸入就能達到這一可靠性水平,相當(dāng)于節(jié)約了15%的容量,說明能流互濟的運行機制不僅能夠提升可靠性,也具有潛在的經(jīng)濟效益。

圖7 各子系統(tǒng)輸入容量靈敏度曲線Fig.7 Sensitivity curves of input capacity for different systems

6 結(jié)語

本文計及IES多時間尺度,考慮熱力子系統(tǒng)的熱慣性和多能互濟的基本運行策略,提出IES可靠性評估方法。通過對比各子系統(tǒng)獨立運行和考慮熱慣性及運行策略的互濟運行,得出以下結(jié)論。

1)IES的多能互濟機制能夠有效提升各子系統(tǒng)的可靠性,尤其是當(dāng)子系統(tǒng)能流輸入不足時,受援后可靠性增益明顯。但可靠性增益與負荷需求、最大支援容量有關(guān)。

2)當(dāng)前不考慮能源時間尺度差異性的可靠性評估方法較為保守,尤其是對熱慣性較大的子系統(tǒng),持續(xù)供能并不是滿足供能質(zhì)量的唯一方式,個別元件故障并不影響系統(tǒng)的正常工作,因此需要從用戶體驗角度進行熱力子系統(tǒng)的可靠性評估。

3)在考慮熱慣性的基礎(chǔ)上,根據(jù)能流特征制定合理的IES運行策略能夠進一步增強系統(tǒng)的可靠性,一定程度上延緩了IES投資,具有較大的潛在經(jīng)濟效益。

在未來的研究中,將根據(jù)不同能流的時間尺度差異進一步精細化建模,刻畫故障后IES中各子系統(tǒng)的動態(tài)變化過程,研究不同能源輸入和不同運行策略對IES可靠性的影響,從而進一步完善綜合能源系統(tǒng)的可靠性評估方法。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。