探讨风力发电关于发电以及输电组合系统的一些可靠性评估小结- 看看

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风力发电发输电组合系统可靠性评估

ABSTRACT：With the increasing demand of energy and the exploitation of new energy ,wind

energy is regard as a renewsble clean energy and wind turbine generration is one of the most prospective new generation ways .However,wind generation has the characters of randomness and intermittence .The large-scale wind farm leads to some adverse effects to the safey and stabitity of generation and transmission power system while interconnecting to the power grid.In order to evaluate overall wind power values and make full use of wind generations,there is a need to study characteristics of the wind energy and assess its effect on power systems.A lot of reserches on wind power are performed at home and abord .This paper introduces the results and methods of the studies on operation and planning of wind power generation systems in the world.

KEY WORDS：wind power generation；generation and transmission systems；reliability analysis；

Mante Carlo method

摘要：随着能源需求的日益增长与新能源的不断开发和利用，风能作为可再生清洁能源越

来越受到人们的重视，风力发电是新能源中最有发展前景的一种发电方式。但风能具有随机性和间歇性的特点，大规模风力发电并网后会对电力系统的安全稳定运行带来一定的影响。为全面评价风电的作用，充分利用风电，国内外在研究风电的特性和评估其对电力系统的影响方面都做了大量的工作。本文综述了国内外目前在含风电厂的发输电组合系统可靠性评估方法中的研究成果

关键字：风力发电；发输电系统；可靠性分析；蒙特卡罗法

0 引言

随着环境资源问题的日趋严重，成本低廉和技术成熟的风力发电成为电力系统中相对增长较快的新能源发电技术。近几年，越来越多的并网型风电机组出现在电力系统中。但风力的随机性和间歇性会对电力系统稳定运行产生一定的影响，因此对于含有风电场的电力系统，需建立正确的可靠性模型并分析其可靠性。本文主要综述了国内外对含风电厂的发输电组合系统可靠性评估的一些方法。并重点介绍了采用蒙特卡罗序贯仿真方法来评估含风电场的发输电系统的可靠性。

1 发输电组合系统可靠性评估的研究现状

发输电组合系统是电力系统的重要组成部分，近年研究发现，在发电和输电系统分别发生故障时，发输电解耦系统并没有出现负荷损失，而在同样条件下，发输电组合系统则会导致负荷损失，并且其结果对整个电力系统的可靠性有着重要的影响。发输电组合系统可靠性具有以下特点，因此在这一领域有重要的理论价值。

1)系统规模大。对于发输电系统而言，系统通常数百台机组和数百条母线组成，而且评估中要进行潮流计算，状态分析，事故后的分析及补救等一系列的工

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作，这就使发输电系统的可靠性评估变得更加复杂和困难。

2)建模困难。可靠性评估的数学模型应该正确地反映系统中各个元件的内在联系，准确描述系统实际运行情况，这就要求在发输电系统的可靠性评估中，其模型不仅要考虑元件的故障模式，发电设备及输电线路的容量约束，还需要考虑元件间的相关性，负荷模型的选取。

3)计算困难。发输电系统规模大，模型所考虑的因素多。理论上，其可靠性评估是非线性、多约束和高维数，具有随机不确定性和模糊不确定性特征的数学求解问题，目前数学上没有现成的解法。因此，如何在精度与计算量之间适当地平衡，如何寻求快速有效的计算方法，都需要进一步研究。

2 发输电组合系统可靠性评估的蒙特卡罗模拟法

2.1 蒙特卡罗模拟法基本思想

蒙特卡罗方法是一种通过随机变量的数字模拟和统计分析求取数学物理、工程技术问题近似解的数值方法，利用这种方法求解问题的途径，可以归纳为三个基本步骤：

(1)建立所研究问题的概率模型或随机过程，再实现随机变量的抽样。按输入随机变量的已知概率分布进行随机抽样。

(2)样本反应求解。对每个抽取样本，按问题的性质采取确定性的控制数学、物理方程求取样本反应。

(3)计算反应量的统计量估计。对所有样本反应，按所求解的类型分别求取输出随机变量的均值、方差甚至概率分布。 2.2 蒙特卡罗算法特点

(1)收敛速度与问题的维数无关。这决定了蒙特卡罗法对多维问题的适用性。

(2)把电力系统状态的综合统计数据引进计算，故适合计算可靠性指标。 (3)算法和程序结构都很简单，易于模拟复杂的统计过程。尤其对于大系统，解析法显得十分复杂，不易建立数学模型；使用模拟法就较为便利。

(4)可靠性计算时间由需要检查的状态数决定的。

(5)与确定性方法相比，概率方法需要的样本容量大，对可靠性指标没有贡献的无效样本多，计算时间长，但可以搜索多重故障和连锁故障，模拟负荷水平及运行方式的变化，确定性方法几乎不可能详细模拟负荷的连续变化对系统安全性能的影响。 2.3 蒙特卡罗方法分类

在对电力系统进行可靠性评估时，根据是否考虑系统状态的时序性，将其分为序贯仿真、非序贯仿真。 （1）非序贯仿真

非序贯仿真又称状态抽样，它不考虑系统的时序性，并且一般也不考虑元件

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的修复情况，按抽样次数对可靠性指标进行统计。

非序贯仿真的计算速度较快，算法实现也较为简单；但因不考虑系统的时序性，所以计算结果中一般没有有关故障频率和持续时间的可靠性指标，这是一个很大的缺点。近年来，研究人员探讨在非序贯仿真中加入元件的修复功能，并通过严格的推导得到了计算频率变化区间的方法。由于采用简化措施和抽样次数有限，一般很难准确计算频率指标，仅具有一定的参考价值。 （2）序贯仿真

序贯仿真考虑了系统的时序性如负荷随时间变化情况和机组检修等，因此可以计算有关工作频率和持续时间的可靠性指标。由于真实地模拟了系统的动作顺序，序贯仿真可用于生产模拟，可以计算停电损失等经济指标，从而对系统规划和可靠性裕度的评价起指导作用。

序贯仿真的缺点计算量很大，对于大型组台电力系统的应用存在一定的困难。序贯仿真适用于时变电源和时变负荷，诸如受季节和梯级调度影响的水力发电、受风速影响的风力发电、受时间和天气影响的太阳能发电等时变电源，峰谷差异较大的负荷、节点间负荷变化不是完全线性相关情况。

3 风电场发电系统以及发输电组合系统可靠性评估的研究现状 可靠性问题研究有运行和规划两方面目的，这两类问题研究所需要的数学模型和计算方法是很不相同的。

一是为制定每天或每周运行计划而进行短期可靠性预测，用于电力系统调度中，根据短期预测来估计运行系统的运行方法和旋转备用；或应用合适的风险指标预测短期内系统承受突然变化冲击的能力。在含风电的电力系统的短期运行计划中，通过建立备用容量模型计算短期备用容量，这里要考虑负荷和风速预测误差、机组的强迫停运率、火电的爬坡速度等。

二是为电力系统的发展规划而进行中长期可靠性预测估计，通过随机生产模拟估算年风力发电量期望值、风力发电概率成本。电力系统是一个具有随机特性的大系统，负荷水平变化、元件故障等都具有不确定性，同时风电机组的一次能源风能具有很强的随机性，需要采用概率的方法。

风力发电有孤岛型和并网型两种方式，这里重点阐述并网式风力发电。风电并网后为研究其供电可靠性和生产成本，需要建立可靠性模型。通过对影响风电输出功率的因素加以分析，计算风电场输出功率的概率分布，并可在此基础上建立多个风电场的可靠性模型。一般要考虑到风能的随机性、机组的强迫停运率和功率输出曲线，有时根据具体需要，还应考虑风速的空间相关性以及尾流效应等对风电场可靠性的影响。建立了含风电的发电系统可靠性模型，充分考虑电源的故障率，并采用递归的方法实现系统仿真。建立经AC／DC／AC并网的大型风电场可靠性模型，使用解析法分析强迫停运率对风电场输出功率频率分布的影

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响。用概率性方法建立含风力发电的发电系统的可靠性评估模型，评估风电场对系统可靠性的影响。同一风带上各相关风电场风速具有一定的相关性，不能认为是独立的，采用条件概率原理建立两个相关风电场概率模型。主要从各项发电综合成本的角度出发，建立风力发电的基本生产成本模型，根据风速概率分布，分析每小时历史风速数据，并和负荷数据结合估计风力发电量，从而计算生产成本。

风电场往往安装在偏远地区，电网结构相对薄弱，含风力发电的发电系统可靠性评估时并末考虑输电网络的故障率，这会影响计算风电场可靠性指标的准确性。用蒙特卡罗法研究并网风电场的生产成本时，不仅考虑机组随机停运和风能随机性，还考虑输电网络的故障率，通过比较风电场和同容量常规机组，分析风电厂的效益成本。但文中未计及输电线路有功限制，由于风速随机性造成风电功率波动较大，尤其在电网故障情况下，可能出现线路过载，影响计算的准确性。应用随机模拟法建立风电场模型，充分考虑了输电系统的运行约束，按照在满足系统安全约束条件的前提下充分利用风电的原则，对系统进行经济调度，评估并网风电场的可靠性和经济成本，并计算能描述风能经济性的指标。

虽然风电因其间歇性、随机性影响其供电可靠性，但风电接入电网后，尤其是边远农村配电网，仍能有效提高周边地区供电可靠性和降低线路损耗。为此，人们在评价风电的可靠性时，往往将风电场与常规机组相比较，用等值容量比指标表示。用容量可信度来评价风电的发电容量，即在保证系统可靠性不变的前提下，风电能够代替的常规机组容量与风电场容量之比．应用序贯蒙特卡罗法评估含风电场的配电网可靠性，计算风电场对电量不足期望值贡献系数等直接反映风电可靠性贡献的指标，并在保持年停运容量不变的情况下，计算风电机组与其能替代的常规机组容量之比。风电系统承载峰荷能力对于电源发展规划有着重要的参考价值，由于系统承载峰荷能力与风险水平是非线性的函数关系，不便于直接通过解析法求解，在采用随机模拟法分析含风电的发电系统的可靠性基础上，应用二分法来求解。并在提供同样承载峰荷能力时，计算风电机组与其能替代的常规机组容量之比。

含风电发电的系统可靠性的未来研究方向

风力发电作为可再生能源发电的一个前沿研究领域，其研究的重点是风力发电对系统可靠性的影响。有鉴于此，本文从以下几个方面对含风电场的系统可靠性今后的研究方向做了阐述：

（1）现有风力发电技术的完善和新型技术，新材料的研发，如开发新的风机模型，提高风能利用率。

（2）采用新的算法建立风力发电的可靠性模型，从而提高含风电场的系统可靠性！并确定风机在发输电网中的最优安装位置、安装容量，以保证系统的经济性和安全性综合最优。

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（3）基于全球定位系统（GPS）技术、通讯技术、数字信号处理（DSP）技术以及电力系统的动态测量和在线监测技术实现含有风力发电的发输电组合系统的动态监测灵活跟踪和调度控制。

（4）研究各种联合运行情况下风电厂对电网稳定性和可靠性的影响及相应的控制策略;研究改进和提高系统承受随机电能能力的方法;研究能量存储系统在风力发电中的应用，即如何提高系统的储能容量及保证储能系统能够安全及时的吸收和释放电能，以保证系统的安全稳定性和经济性。

5 结论

风能是当前技术和经济上最具商业性规模开发条件的新能源，大规模风电并网后会对电力系统的安全稳定运行带来一定的影响。本文综述了国内外对含风电场的发输电组合系统可靠性的研究成果，并叙述了未来的一些研究方向.总的来说，随着风电技术的发展，风力发电作为一种具有竞争力的发电方式必将在现代电力系统中占有越来越重要的地位.

参考文献

[1] 郭永基.电力系统可靠性原理和应用[M].北京：清华大学出版社，1986.

[2] 杨莳百，戴景宸，孙启宏.电力系统可靠性分析基础及应用[M].北京：水利电力出版社，

1986.

[3] 别朝红，王锡凡.蒙特卡罗法在评估电力系统可靠性中的应用[J].电力系统自动化，1997,21（6）：68-75.

[4] 丁明，张瑞华.发输电组合系统可靠性评估的蒙特卡罗模拟[J].电网技术，2000,24（3）： [5] 迟永宁，刘燕华，王伟胜.风电接入对电力系统的影响[J].电网技术，2007,31（3）：77-81 [6] 杨叔子，吴雅等.时间序列分析的工程应用[M].华中科技大学出版社，1991. [7] 王锡凡，方万良，杜正春. 现代电力系统分析[M].科学出版社，2003. [8] 张伯明.高等电力网络分析[M].清华大学出版社，1996. [9] 何仰赞，温增根.电力系统分析[M].华中科技大学出版社，2002.

[10] 蔺红，晁勤.风力发电系统简单建模及稳定性分析[J]新疆大学学报，2001,18(1):60-64.

[11] 汤宏，吴俊玲，周双喜。包含风电场电力系统的小干扰稳定分析建模和仿真[J].电网

技术，2004，28（1）：38-41.

[12] 王伟胜，申洪.电力系统潮流计算中风电场节点的考虑方法[J].华北电力大学学报，

2002,29（增刊）：150-153.

[13] 吴学光，张学成，印永华等. 异步风力发电系统动态稳定性分析的数学模型及其应用

[J].电网技术，1998,22（6）68-72

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