含风能的电力系统发电充裕度评估

含风能的电力系统发电充裕度评估

李玉敦杨超张婉婕

（国网山东省电力公司电力科学研究院济南山东250002）

摘要：风是一种易变能源，其表现形式与常规能源有明显区别。本文使用非序贯蒙特卡洛模拟法，给出了一种含风能电力系统发电充裕度评估的方法。采用IEEE-RTS测试系统对含风能的电力系统发电充裕度水平进行分析计算，结果表明，风能接入对系统具有明显的可靠性效益，使用所提出方法可以量化这些效益。

关键词：风速模型；风电场；风力发电；可靠性评估

0引言

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。但风能是一种非常易变的能源，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，这对传统的电力系统的可靠性带来一定影响。因此，有必要研究含风电场的电力系统可靠性评估模型，量化评价风电场可靠性效益。

国内外对含风能的电力系统可靠性问题进行了广泛的研究[1-10]。文献错误！未找到引用源。提出了一种基于时序MonteCarlo的含风电场发电系统可靠性评估模型。文献错误！未找到引用源。利用该方法对风电场接入后系统可靠性指标的分布规律进行了研究。文献错误！未找到引用源。采用时序MonteCarlo法研究含一个风场和多个风场的电力系统发电充裕度水平，考虑并阐述了影响可靠性贡献的关键参数。文献错误！未找到引用源。建立了一种基于MonteCarlo仿真的含风电场发输电系统可靠性分析模型，该模型考虑了风速的随机性、风电机组强迫停运率及其与气候的相关性，而且计及了输电网络故障率和输电线路有功功率限制。文献错误！未找到引用源。建立了计及输电线路故障和输电线路有功限制、风向、尾流效应以及地形因素影响的含风电场发输电系统充裕度评估模型。

本文对含风能的电力系统可靠性问题进行研究，给出了一种含风能电力系统发电充裕度评估的方法，分析了风电场接入后电力系统可靠性变化情况。

1风电场可靠性模型

风电场模型是风电场功率期望输出概率模型。影响风电场功率输出的因素主要有风速、机组停运情况以及风电转化特性，风电场模型包括各类影响因素的模型。

1.1风速模型

风速是影响风电场功率输出的关键因素，一个地区拥有良好的风况，通常具有较高的风能资源。用于描述风速模型较多，应用较多的是两参数威布尔模型，其表达式如下：

式中，c为Weibull分布的尺度参数，反映风电场的平均风速；k为形状参数，反映威布尔分布的偏斜度。根据历史测量数据，通过参数估计可以求出和c。常用的估计方法有最大似然估计和矩量法，本文采用最大似然估计计算模型参数，具体计算方法可参考文献[7]。

1.2风电机组停运模型

风电机组结构简单，从设备角度来看，风电机组与传统发电机组本质上是相同的，因此传统机组的可靠性模型也可用于风电机组，通常采用两状态Markov模型，即正常运行状态和故障停运状态[1]。对于含多台机组的风电场，其每台机组的停运是相互独立的，因此其停运台数服从二项分布，如下式所示：

其中，p为机组的不可用率。

在进行抽样时候可根据二项分布特性模拟产生运行机组台数。

1.3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。当风速小于切入风速Vci或高于切除风速Vco时，机组出力为0；当风速从Vci到额定风速Vr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Pr不变。

风电机组的输出功率和风速间的数量关系如下所示（常量A、B、C的计算见为文献[8]）：

（3）

2可靠性评估方法

电力系统可靠性评估方法状态枚举法和MonteCarlo模拟法[9]，其中MonteCarlo模拟法方法可分为非时序MonteCarlo法和时序MonteCarlo法。本文采用非时序MonteCarlo方法进行可靠性评估。

每个元件的概率特性可用一个处于[0，1]之间的均匀分布来描述，假设系统由m个元件组成，每个元件只有故障和运行两种状态，令Uk代表元件k的不可用率，抽取一个取值区间为[0，1]的均匀分布随机数Rk，则有：

抽取m个随机数（R1，...，Rk，...，Rm），运用式（4）则能确定一个系统状态S=（S1，...，Sk，...，Sm），重复上述过程NS次，则能得到一个包含NS个系统状态样本的集合S'=（S1，S2，...，SNS）。

假设每一个系统状态都有概率P（x）和可靠性指标函数F（x），那么系统指标的期望值即为：

式中，G表示系统状态空间。

用系统状态x的抽样频率代替它的概率P（x），上式可写为：

3含风能的电力系统发电充裕度评估模型

风电场可靠性模型可由第一节介绍得到，常规机组模型可表示为两状态停运模型，负荷模型可表示为多状态模型表示，对三种模型采用非序贯MonteCarlo方法进行抽样可得到可靠性评价指标。

对含风能的电力系统进行可靠性评估，其基本步骤包括以下五个方面：

1）根据风速模型和风电机组停运模型，采用MonteCarlo技术抽样产生风速数值和运行机组数；

2）根据风速数值和运行机组数由风电转换模型得到风电场组输出功率

3）采用MonteCarlo技术抽样产生常规机组输出功率；

4）由常规机组输出功率和风电场组输出功率累积产生系统总容量

3）与当前负荷水平，判断其是否是失效状态；

4）计算失效状态的可靠性指标；

5）更新可靠性指标。

4算例分析

将本文模型应用到IEEE-RTS[10]系统。该系统有32台发电机组，总装机容量为3405MW，系统峰荷2850MW。在IEEE-RTS系统中加入一个风电场，风电场机组数在50和250间不等，Pr=2MW，切入风速、额定风速和切除风速分别是12、38和80km/h，单台机组的强迫停运率（FOR）为0.04。

5结论

提出一种用于含风能电力系统发电容量充裕度评估仿真方法。使用威布尔模型仿真风速分布特性；通过应用WTG功率输出和风速之间的关系得到可用风功率。采用IEEE-RTS验证本文评估模型，算例表明；使用本文描述的方法可以量化评估系统充裕度。

参考文献：

[1]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，2008，28（1）：100-105．

[2]吴义纯，丁明．基于蒙特卡罗仿真的风力发电系统可靠性评价[J]．电力系统自动化设备．2004，24（12）：70-73．

作者简介：

李玉敦（1985-），男，山东济南，博士研究生，工程师，电力系统稳定控制、继电保护等技术研究。