含多个风电场的电力系统可靠性评估[1].pdf

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1、第 2 6卷第 1期 Z 0 1 1 年 3月 电 力 科 学 与 技 术 学 报 J oURNAL OF EI EC TRI C POW ER S CI ENCE AND TE CHNOLOGY Vo 1 2 6 NO 1 M a r 2 0 1 l 含 多个风 电场 的电力 系统可靠性评估 李 玉敦，谢开 贵(重庆 大学 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆4 0 0 0 4 4)摘 要：风能的大规模利用对传统电力系统可靠性带来一定影响 如何衡量风电场的可靠性效益是电力系统规划 和风 电场评估所必须解决 的关键 问题之 一 根据风速 的分布模 型和时序模 型，建立 计及相 关性

2、的多 元模 拟模型 基 于此，建立 基于蒙特卡罗仿真的多风电系统可靠性评估框架 以 R B T S标 准测 试系统作为算 铡，采 用 2种模型 对含 多个风 电场接入 的电力系统进行可靠性分析，分析不 同风速相关程度 下系统可靠性 变化规律 结果 表明：风 能的接 人 具有很大的可靠性效益，风速相关性 对风电系统可靠性产生 消极影 响 关 键 词：可靠性评估；风电场；风速；蒙特卡罗仿真 中 图分类号：T M 6 1 4 文 献标 识码：A 文 章编 号：1 6 7 3 9 1 4 0(2 0 1 1)0 1 0 0 7 3 0 4 Re l i a b i l i t y a s s e s

3、s me nt o f po we r s y s t e ms c o n t a i n i ng mu l t i pl e wi nd f a r ms LI Yu du n，XI E Ka i g ui (St a t e Ke y La b o r a t o r y o f P owe r Tr a n s mi s s i o n Eq u i p me n t S y s t e m S e c u r i t y a n d Ne w Te c h n o l o g y，Ch o n gq i n g 4 0 0 0 4 4，Ch i n a)Abs t r a c t：

4、W i de u s e of wi nd e ne r gy b r i ng s s i gn i f i c a nt i mpa c t s on t he r e l i ab i l i t y of t r a d i t i o n a l p o we r s y s t e m s Th e r e l i a b i l i t y be n e f i t s a s s e s s me n t i s a ke y p r ob l e m f o r t he pl a nn i ng a nd o pe r a t i o n o f po we r s ys

5、t e ms c on t a i n i ng wi nd f a r m s Ba s e d o n t he m o d e l s o f wi n d s pe e d t i m e s e r i e s a n d i t s d i s t r i bu t i o n，t wo m ul t i v a r i a t e m od e l s c o ns i de r i n g t h e c or r e l a t i on be t we e n m u l t i pl e wi nd f a r m s a r e pr o p os e d Th e y

6、 a r e u s e d i n t he r e l i a bi l i t y e v a l u a t i on o f po we r s y s t e m s c on t a i n i ng wi n d e n e r g y b a s e d o n t he M o nt e Ca r l o s i m ul a t i o nThe c a s e s t ud i e s o f RBTS a r e u s e d t o i l l us t r a t e t he r e l i a bi l i t y e f f e c t s a n d i

7、 t s v a r i a t i o n a t d i f f e r e n t c o r r e l a t i o n l e v e l s Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e r e i s s t r o n g r e l i a b i l i t y b e n e f i t s a s s o c i at e d wi t h wi n d e n e r gy u t i l i z a t i o n，a nd t he c o r r e l a t i o n be t we e n wi nd f a r

8、ms h a s a n e g a t i v e i mp a c t o n t h e s y s t e m r e l i a b i l i t y Ke y wo r ds：r e l i a b i l i t y a s s e s s m e n t；wi n d f a r m；wi nd s pe e d；M o nt e Ca r l o s i m ul at i on 近年 来，受石 油价 格上 涨 和 全 球 气 候 变 化 的 影 响，风能 的开 发利用 日益受 到 国际社会 的重视，越 来 越 多 的并 网型 风力 发 电机 组 出现 在 电 力 系统 中

9、 截 止 到 2 0 0 9年底，全 世界 风力 发 电机 组 的装 机 容量 已 收稿 日期：2 0 l 1 0 2 2 5 基金项 目：国家 自然 科 学 基 金(5 0 7 7 7 0 6 7，5 1 0 7 7 1 3 5)；重 庆 大 学 输 配 电装 备 及 系 统 安 全 与 新 技 术 国 家 重 点 实 验 室 自主研 究 项 目 (2 0 0 7 DA1 0 5 1 2 7 0 9 1 0 3)；重庆市杰 出青年基金(C S T C2 0 1 0 B A3 0 0 6)通讯作者：谢 开贵(1 9 7 2)，男，博 士，教 授，博 士生 导 师，主 要从 事 电力 系统规 划

10、 与可靠 性计 算、电力 系统分 析计 算等 的 研究；E ma i l：k a i gu i x i e y a h o o c o rn c n 7 4 电 力 科 学 与 技 术 学 报 2 0 1 1年 3月 经达 到 1 5 8 1 0 Mw，而 到 2 0 2 0年，全世界 风力发 电机组总装机容量将达到 1 1 O Mw 由于风力 发 电存 在着 一定 的间 歇性，其 表 现形 式与传统能源有明显的不 同 风速的波动性和间歇 性导致风力发电机功率输 出具有随机性，这对传统 电力系统的可靠性带来一定影响 要评估这种影响 首先 需要建立 准确 的 风速 模 型 已有 的 风速 模 型

11、 可 分为分布模型和时序模型 文献 1 提出应用威布尔 分布(we i b u l 1)描述风速分布，并利用该分布模型研 究了风电接 入 的影响 文献 2 在认 为风速 服从 We i b u l 1 分布的假设下，研究有 风电接入 的电网规 划问题，提出含风电电源的电网规戈 模 型；文献E 3 3 在假设 风速服从 瑞 利条 件，建立 了 2种 多风 电场 风 速模拟模型，解决了电场间风速存在的相关性的问 题 分 布模型 虽然构 造 简单 但 是没 有 计 及风 速 的 动 态变化特性，对此，文献 4 提 出了一种 自回归模型 以模 拟风速 的统 计 特征，建立 风速 的时间序 列模 型；文

12、献 5 利用 AR MA模型分析风能大规模利用对 电力系统可靠性的影响；文献E 6 提出了一种基于马 尔科夫链蒙特卡洛方法的时序模拟模型；文献 7 基 于 时序平移 思想建 立一种 计及风 速相关性 的多元 时 序风速模拟模型 时序模型虽然能够计及风速的波 动性和间歇性，但是该模型构造复杂，而且计算要耗 费较 多时间 笔 者对 风 速 分 布模 型 和 风 速 时 序模 型 进行 研 究，给 出计及 相关性 的多 风电场风 速模拟模 型，利 用 该模型 研究多个 风 电场接入后 系统 可靠性水 平 以及 在不同风速相关程度下可靠性水平变化情况 1 风速模型 1 1 风 速分 布模型 风速分布模

13、 型是基 于一定概率密度假设，利用 历史测量数据对风速进行 函数拟合 该类模型体现 了风速 在一段 时期 内的整 体 统计 特性 常用 来 描 述 风速 的分布主 要有 We i b u l l，R a y l e i g h和 C h i 2分 布 笔者采 用 We i b u l 1 分 布来拟合 风速 设某 风 电 场 的 风 速 序 列 样 本 为(，7 3 z，)，在 We b u l I 模 型下，风速 的概 率 密 度 和 累计 概 率分布分别为(，忌)一 睾 f 孚 1 一e x p 一()，(1)F(，志)一1 一 e x p()(2)式(1)、(2)中 为风速 变量值；是为

14、形 状参 数；为 尺 度参 数。根据历史测量数据，通过参数估计可以求 出 k 和 常用的估计方法嘲有最大似然估计(ML E)和 矩 量法(MO M)1 2 风速 时序模型 风 速序列 是一 组 按 时间顺 序 记 录 的数 据，它 蕴 含 了风速及其变化的信息，因此，可采用时间序列分 析 法对 风速序 列进 行 分析 常 用 的时 间序 列模 型 主 要 有 AR，MA，AR MA 以 及 AR I MA 模 型【9 笔 者 利用 AR MA模 型进行 风速模 拟 4 设 )为一 风速 时 间序 列，则 可 按 如下 过 程 对 该风 速序列 进行 AR MA建模 1)对 原始风 速序列 进行

15、变换：，一 (3)O t 2)对 变 换 后 的风 速 数 据 建 立 AR MA(P，q)模 型：zf 一 1 1+2 z 2+9 2 p+e 一卢 l e 1 一 e 2 一 一 e q (4)式(3)、(4)中，O t 分别 表示 风 速序 列 t时刻 风速 的均值和方差；(i=1，2，)，(一1，2，q)分别为 自回归和滑动平均参数 是均值为 0、方 差 为。的高斯 白噪声，即 (O，。)由 以上 建模过 程 可 以看 出，时 序 风速 模 型并 非 直接对 风速 序列进 行 分 析，而 是 对 变换 后 的风 速序 列进行建模分析 利 用式(4)可 以建立 随机 项 的 AR MA模

16、 型，进 而 实现 z 的模 拟，将 模 拟得 到 的 随机 项通 过公 式 可得 到模拟 风速，即 7 ：x +W (5)1 3相关 性风速 模型 同一地 区可 能存 在 多 个风 电 场接 入 系 统，而不 同风电场之间的风速存在一定相关性，在对含多个 风电场接入的电力系统进行可靠性评估时，应考虑 风速之间的内在相关性 不同风速模型，相关性问题 的解 决方法 不 同 对 于风 速分布 模 型，同一 地 区 2个 不 同风 电场 的风速可按如下算法进行相关性处理 3 ：1)由各 自边缘 分布 产生 风速 变量 序列(-，2)；第 2 6卷第 1期 李玉敦，等：含多 个风 电场 的电力系统可靠

17、性评估 7 5 2)对 风速 变量 序列进 行 变换，一()；3)对两地区风速的协方差矩阵Q进行分解，使 得 QL L ，得 到矩 阵 L；4)利 用 矩阵 L对(口。，：)进行 变换，w=L +，W即为所求的相关性风速序列 上述算法产生的风速数据保持了历史数据的均 值 和线性 相关 特 性 对 于时序 风 速模 型，序列 之 间 的 相关 特 性 与 各 序列 随机 种 子(高 斯 白噪声)问 的相 关 特 性 保 持 一 致，因此，可通 过对 随机 种子 的调 整实现 相关 风速 序 列 的模拟 1。设 2个风 电场的时序风速模 型分别为 AR MA (户 ，q )和 AR MA。(p。，

18、q )，则 可 按 如下 方 法产 生 t 时刻 的相 关性 风 速：1)产生 3个 服 从(O，1)分布 的随 机 数(“。，“：，甜 3)；2)对 随机数进行选取，取 一 若 地fD(1D 为变 量 的线性 相关 系数)，则 X。一“；否则 z z 一。；3)对(。，。)进 行 正 态逆 变换，得 到序 列 的 随 机 种 子 一-1(z)；4)结 合 各 自时 序 风 速 模 型，产 生 相 关 性 时 序 风 速 2 风 电转换模型 风力 发 电机 组(WTG)的 功率输 出取 决 于风 速，风 电机组 的 出力 和 风 速 之 间 具 有 明显 的非 线 性 关 系 当风速 小 于切

19、入 风 速。i 或 高于切 除 风速。时，机 组 出力 为 0；当风速 从 i 到额定 风速 逐 渐增 大 时机 组 出力 逐 步增 大；当达 到 和超 过 额定 风 速 时 功 率 保持 为额 定 功率 P 不 变 风 电机 组 的输 出功率 和风 速 间的数 量关 系为 f P (A+B +c )，V i V ；P 一 P，V V。；【0，其他 (6)式中A，B，C均为风机功率特性曲线参数，计算方 法见文献 1 1 3 含 风电场 的电力系统可靠性 评估 算法 根 据 风速模 型 和 风 电转换 模 型，可 实现 含 风 电 场的电力系统可靠性评估 评估算法：1)根 据 第 1 3节 的

20、介 绍，产 生 相 关 性 风 速 样本；-2)由风 电转换 模 型将 风速 样本 转换 为 功率 输 出；3)产 生常规 机组 容量 状态；4)组合 风 电机 组容 量状 态 和 常 规 机组 容 量 状 态，获得 系统 功率 水平；5)将 系统功 率水 平 与负荷 水 平 进行 比较，形 成 可靠 性指 标 4 算例分析 采 用 R B T S可靠 性 测 试 系 统 作 为算 例 进 行 分 析，R B T S系 统 有 l 1台 发 电 机 组，总 装 机 容 量 为 2 4 0 Mw，系统峰荷 1 8 5 Mw，发电机额定功率和可 靠性参数见文献 1 2 在该 系 统 中加入 2个

21、风 电场，每 个 风 电场含 有 2 0台风 电机 组，装 机 容 量 为 2 O MW，切 入 风 速、额 定 风速 和切 除风 速分别 是 1 2，3 8和 8 0 k m h 采用 加 拿大 S a s k a t c h e wa n省 S wi f t C u r r e n t 和 R e g i n a 2个 地 区的风 速 数 据 作 为 样 本，风 速样 本 的 基本 统计 量 如表 1所示 表 1 2个不 同地 区的 风 速 统 计 量 Ta bl e 1 W i n d s p e e d s t a t i s t i c s a t t he t wo di f f

22、e r e nt r e gi o ns 地 区 均值(k m h)标准差(k m h)线性 相关系数 p 4 1风速 模型 表 2给 出了 2 个 地 区的风 速 W e i b u l 1 分 布模 型 参 数，其 时序 风 速模 型分别 为 Swi f t Cu r r e nt：五 一 1 1 7 7 2 x 1+0 i 0 0 l x 2 0 3 5 7 2 x 3+0 0 3 7 9 4+e 一 0 5 0 3 0 t-1 0 2 9 2 4 e 2+0 1 3 1 7 3，e NI D(O，0 5 2 4 7 )(7)Re g i na：一 0 9 3 3 6 x,-1+0 45

23、 0 6 2 0 5 54 5 xH+0 1 l 1 O z 4 十 一 0 2 0 3 3 s H 一 0 46 8 4 t-z+0 2 3 0 1 e 3，NI D(O，0 4 0 9 4。)(8)7 6 电 力 科 学 与 技 术 学 报 2 0 1 1年 3月 表 2 2 个不 同地区的 We i b u l l 模型参数 Ta b l e 2 W e i b u U mo d e l p a r a me t e r s f o r t wo d i f f e r e n t r e g i o u s 4 2 可靠性 评估 分别采用风速的分布模型和时序模型对 R B TS 测试系

24、统进行可靠性评估，计算结果如表 3 所示 表 3 增加 2个风电场前后 R B T S可靠性计算结果 Ta b l e 3 Re s u l t o f r e l i a b i l i t y a c c o u n t i n g f o r t h e RB TS be f or e a nd a f t e r a dd i ng t wo wi nd f a r m s 由表 3 可 以看 出，接 人 风 电场 后 系统 的可靠 性 水平得到明显改善；分布模型得到的计算结果高于 时序模型得到的计算值，这是 由于时序模型计 及了 系统负荷 曲线的变化特性 4 3相关程度 影响分 析

25、当 2个地 区的 风速 相 关 程度 不 同 时，系 统 可靠 性 水平将 发生 变化，图 1给 出 了采 用 分布 模 型得 到 的在不 同风速相关 程度 下系统 的可靠性 水平 0 8 一 蔓 0 6 吕 0 4 目 宝 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 相关程 度 相关程度(b)L O E E指标 图 l 不 同相 关程度 下 R B T S可靠性指标 F i g u r e l RB TS r e l i a b i l i t y i n d i c e s a t di f f e r e nt c or r e l a t i on l e v e l s 由图 1可看

26、 出，随着风 速相关 程度 的增加，系统 可靠性水平开始下降 这表明对于使用非常规能源 的电力系统，风电场风速 的独立性 可以产生积极的 可靠性影响 在对风电场进行布置时，分布于相互独 立地点 的 WT G具 有相 当大的益处 5 结语 笔者介绍了 目前常用的 2类风速模 型，建立 了 计及相关性的多元风速模 拟模型；给 出了基于蒙特 卡洛模拟的含 多风 电场的电力 系统 可靠性评估框 架；以 R B T S测试系统 为算例，分别采用分布模型 和时序模 型研 究 了系统 的 可靠 性 水平，结 果表 明风 电场 的接入对 系统 可靠 性有 较大改 善 研究了不同相关 程度下多个 风场 的可靠性

27、效 益 结果 表 明，风速相关 性对 风电场 效益产 生 消极影 响，即在不 同地点具 有 相对 独 立 风况 的风 能产 生 较 大 的可靠 性效 益 参考 文献：1 Ab o u z a h r I，R a ma k u ma r R An a p p r o a c h t o a s s e s s t h e p e r f o r ma n c e o f u t i l i t y-i n t e r a c t i v e wi n d e l e c t r i c c o n v e r s i o n s y s t e ms J I E E E T r a n s a

28、c t i o n s E n e r g y C o n v e r s i o n，1 9 9 1，6(4)：6 2 7 6 3 8 2 高赐威，何 叶 考虑 风力发 电接入 的电网规划 J 电力 科学与技术学报，2 0 0 9，2 4(4)：2 0 2 4 GAO C i we i HE Ye Re s e a r c h o f e l e c t r i c n e t wo r k p l a n n i n g w i t h wi n d p o w e r i n t e g r a t i o n c o n s i d e r e d J J o u r n a l o

29、f El e c t r i c Po we r a n d Te c h n o l o g y，2 0 0 9，2 4(4)：2 0 2 4 3 F e i j 6 o A E，C i d r h s J，D o r n e l a s J L G Wi n d s p e e d s i re u l a t i o n i n wi n d f a r m s f o r e s t a y-s t a t e s e c u r i t y a s s e s s m e n t o f e l e c t r i c a l p o w e r s y s t e m J I E

30、E E T r a n s a c t i o n s E n e r g Y C o n v e r s i o n，1 9 9 9，1 4(4)：1 5 8 2 一 l 5 8 8 4 B i l l i n t o n R，C h e n H，G h a j a r R Ti me-s e r i e s mo d e l s f o r r e l i a b i l i t y e v a l u a t i o n o f p o we r s y s t e ms i n c l u d i n g wi n d e n e r g y J Mi e r o e l e c t

31、r o n R e l i a b，1 9 9 6，3 6(9)：1 2 5 3 1 26 1 5 栗文义，张保 会，巴根 风能大规模 利用对 电力 系统可靠 性 的影响 J 中 国 电机 工 程 学 报，2 0 0 8，2 8(1)：i 0 0 1 O 5 LI W e n-y i，Z HANG B a o-h u i，1 3 a g e n Re l ia b i l i t y i mp a c t s o f l a r g e s c a l e u t i l i z a t i o n o f wi n d e n e r g y o n e l e c t r i c p o

32、we r s y s t e ms J P r o c e e d i n g s o f t h e C S E E，2 0 0 8，2 8(1)：1 0 0 1 0 5 (下转 第 1 0 3页Co n t i n u e d o n p a g e 1 0 3)第 2 6卷第 1期 杨道武，等：基 于改进 P S O B P混合算法的 电力变压器故障诊断 l O 3 (上接 第 7 6页 Co n t i n u e d f r o m p a g e 7 6)6 1 P a p a e f t h y mi o u G，K1 6 c k l B MC MC f o r w i n d

33、p o we r s i mu l a t i o n J I E E E T r a n s a c t i o n s E n e r g y C o n v e r s i o n，2 0 0 8，2 3(1)：2 3 4 2 4 0 7 X i e K，B i l l i t o n R C o n s i d e r i n g wi n d s p e e d c o r r e l a t i o n o f W E CS i n r e l i a b i l i t y e v a l u a t i o n u s i n g t h e t i m e-s h i f t

34、 i n g 8 t e c h n i q u e J E l e c t r i c P o we r S y s t e m R e s e a r c h，2 0 0 9，7 9：68 7 69 3 丁明，吴义纯，张立军 风电场风速概率分布参数计算方 法 的研究 E J 中 国 电机 工 程学 报，2 0 0 5，2 5(1 0)：1 0 7 1 1 O DI NG Mi n g，WU Yi c h u n，Z HANG Li i u n S t u d y o n t h e a l g o r i t h m t O t h e p r o b a b i l i s t i c

35、d i s t r i b u t i o n p a r a me t e r s o f wi n d s p e e d i n w i n d f a r ms J P r o c e e d i n g s o f t h e C S E E，20 05，2 5(i O)：1 07 1 l 0 9 杨叔 子，吴 雅，王治 藩，等 时 间 序列 分 析 的工 程 应 用 M 武汉：华 中科技大学 出版社，1 9 9 1 1 0 1 Wa n g d e e W，B i l l i t o n R C o n s i d e r i n g l o a d c a r r y i n g

36、 c a p a b i l i t y a n d wi n d s p e e d c o r r e l a t i o n o f W ECS i n g e n e r a t i o n a d e q u a c y a s s e s s me n t J I E E E Tr a n s a c t i o n s P o we r S y s t e m，2 0 0 6，2 1(3)：7 3 4-7 4 1 1 1 Gi o r s e t t o P，Ut s u r o g i K F D e v e l o p me n t o f a n e w p r o c e

37、 d u r e f o r r e l i a b i l i t y m o d e l i n g o f wi n d t u r b i n e g e n e r a t o r s J I E E E Tr a n s a c t i o n s P o w e r Ap p a r a t u s S y s t e m，1 9 8 3，1 0 2(1)：1 3 4 1 4 3 1 2 B i l l i n t o n R，Ku ma r S A r e l i a b i l i t y t e s t s y s t e m f o r e d u c a t i o n a l p u r p 6 s e s b a s i c d a t a J I E E E T r a n s a c t i o n s Po we r S y s t e m，l 9 8 9，4(3)：1 2 3 8 1 2 4 4