CN104682381B - 大型风电场柔性直流输电***可靠性计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型风电场柔性直流输电***可靠性计算方法，首先根据直流输电***的结构特点和运行方式，将***划分为若干个子***，并确定直流输电***的可靠性结构框图；建立各子***的可靠性评估模块性，分别枚举各子***的运行状态，最后采用频率持续时间法计算各子***的可靠性指标，根据***的可靠性结构框图计算得出***的可靠性指标。本发明的显著效果是：将频率持续时间法与状态枚举法有机结合，计算量少，不仅能够在评估过程中考虑风电场间歇性出力和风机故障的影响，而且具有较好的通用性。

Description

大型风电场柔性直流输电***可靠性计算方法

技术领域

本发明涉及到直流输电***可靠性评估技术领域，具体地说，是一种大型风电场柔性直流输电***可靠性计算方法。

背景技术

风电是目前世界上发展速度最快、最具竞争力的可再生能源，与陆地相比，海上风能资源更为丰富、风速更大、湍流度更低，风向更稳定、对环境影响较小，且海上风电场往往靠近能源需求较大的沿海发达城市，具有海面可利用面积广阔，不占用土地等优势，已逐渐成为未来风电发展的趋势。

当采用柔性直流输电方式时，海上风电换流站内部电气***设计的科学性和合理性，关系到整个风电场建成后运行的稳定性、经济性和可靠性。在确保风电场安全运行的前提下，海上风电换流站换流器的主电路拓扑选型，以及换流站的优化布局，都可使得设备投资和运行成本降低。海上风电柔性直流输电需要铺设长距离的海底电缆，所以电能输送的经济性和可靠性，也是海上风电柔性直流输电设计的主要目标。

目前柔性直流输电***可靠性评估中使用到的主要方法有故障树法(FTA法)、频率持续时间法(FD法)以及状态枚举法等。

然而，上述方法存在如下缺点：故障树分析法计算量大，误差大；FD法虽然计算简单，但是无法将其计入某些可靠性指标的计算之中，如***能量可用率；状态枚举法的物理概念清楚，模型的精度高，但是它的计算量随***规模的增大而呈指数增长，而由于柔性直流输电***元件较多，如果采用全状态枚举势必会出现“维数灾”问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供大型风电场柔性直流输电***可靠性计算方法，该方法计算量少，不仅能够计算柔性直流输电***的各种可靠性指标，还能计算计及风电场出力随机性的柔性直流输电***的可靠性。

为达到上述目的，本发明表述一种大型风电场柔性直流输电***可靠性计算方法，其关键在于按照以下步骤进行：

步骤1：根据直流输电***的结构特点和运行方式，将直流输电***分为变电站与风电场子***、送端子***、直流输电线路子***以及受端子***，并确定直流输电***的可靠性结构框图；

步骤2：建立变电站与风电场子***可靠性评估模型；

步骤3：采用频率持续时间法建立送端、受端子***中各元件的状态空间图并获得相应的等效模型，通过组合各等效模型建立直流输电***的可靠性评估模型；

步骤4：建立直流输电线路子***的可靠性评估模型；

步骤5：采用枚举算法分别枚举各子***的运行状态，采用频率持续时间法计算各子***的可靠性指标；

步骤6：根据直流输电***的可靠性结构框图计算得出直流输电***的可靠性指标。

更进一步的，步骤2中建立变电站与风电场子***可靠性评估模型的具体步骤为：

步骤2-1：根据变电站结构，对变电站内部主要元件建立可靠性评估模型；

步骤2-2：建立风电场可靠性评估模型，具体步骤如下：

步骤2-2-a)：根据风机的切入、额定、切出风速及风机的额定功率建立单个风电机组的多状态模型；

步骤2-2-b)：计入风机的等效强迫停运率，建立计及风电机组强迫停运率的多状态模型，记为PTMC_W，

其中，N_{ts_w}为PTMC_W的总状态数；Cwi为PTMCw中第i个状态的风电机组输出功率，p(C_wi)为第i个状态对应的概率；

步骤2-2-c)：运用聚类分析法，将风电场进行聚类分析得到风电场在指定阶数下的多状态模型。

更进一步的，步骤2-2-a)中所述单个风电机组的多状态模型包括风力发电模型、风速模型、风电机组停运模型以及风电机组风电转换模型，其中，

风力发电模型：

式中，P_T为风轮输出功率；C_p为风轮的功率系数；A为风轮扫掠面积，A＝πR²，R为风轮半径；ρ为空气密度；v为风速；

风速模型：v_t＝c(-lnx_t)^1/k，

式中，v_t是第t小时的模拟风速，x_t是第t小时生成的(0，1)均匀分布的随机变量，k、c分别为Weibull模型的形状系数和尺度系数；

风电机组风电转换模型：

式中，P(v)为风电机实际输出功率，P_R为风电机组的额定功率，v_ci为切入风速，v_R为额定风速，v_co为切除风速，A、B、C为风电机组的功率特性曲线参数，计算公式为：

更进一步的，步骤4中所述频率持续时间法的计算公式为：

状态i发生的概率为：

其中，u为修复率，λ为故障率；

状态i发生的频率为：

其中，P_i是状态i的概率；P_j是与状态i直接联系的状态的概率；λ_k是故障转移率，λ_j是修复转移率；M_d是离开状态i的转移数；M_e是进入状态i的转移数；

两状态间的转移频率：f_ij＝P_iλ_i-j，

其中，λ_i-j是从状态i向状态j转移的转移率。

本发明根据直流输电***的结构特点和运行方式，将***分为若干个子***，并确定直流输电***的可靠性结构框图；建立各个子***的可靠性模型，并分别枚举各子***的运行状态，采用频率持续时间法计算各子***的可靠性指标，然后基于直流输电***的可靠性结构框图，采用串并联数学模型，最终可以建立整个直流输电***的容量模型，再运用频率持续时间法即FD法，计算得出相应可靠性指标。

本发明的显著效果是：将频率持续时间法与状态枚举法有机结合，计算量少，不仅能够在评估过程中考虑风电场间歇性出力和风机故障的影响，更为接近工程实际，而且具有较好的通用性，可以有效的处理柔性直流输电***的可靠性。

附图说明

图1是实施例中所述柔性直流输电工程拓扑结构图；

图2是本发明的方法流程图；

图3是图1所示直流输电工程的子***划分示意图；

图4是柔性直流输电***可靠性框图；

图5是风电机组功率输出曲线；

图6是换流站可靠性框图；

图7是***单个枚举事件容量状态的确定图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。

如图1所示，本实施例中所述大型风电场柔性直流输电***采用图中的南澳岛柔性直流输电工程。

如图2所示，一种大型风电场柔性直流输电***可靠性计算方法，按照以下步骤进行：

步骤1：根据直流输电***的结构特点和运行方式，将图1所示直流输电***分为变电站与风电场子***、送端子***、直流输电线路子***以及受端子***，如图3所示，具体互粉结果为：变电站与风电场子***为青澳变电站及风电场、牛头岭和云澳变电站及风电场；送端子***为金牛换流站，手段子***与直流输电线路子***为青澳换流站及直流输电线路、塑城换流站及直流输电线路，然后确定出直流输电***的可靠性结构框图，如图4所示；

步骤2：建立变电站与风电场子***可靠性评估模型，具体步骤如下：

步骤2-1：根据变电站的结构，建立变电站内部各个元件可靠性评估模型；

步骤2-2：建立风电场可靠性评估模型，具体步骤如下：

步骤2-2-a)：根据风机的切入、额定、切出风速及风机的额定功率求出单个风电机组的多状态模型，具体包括风力发电模型、风速模型、风电机组停运模型以及风电机组风电转换模型，

由于风能的大小取决于气流通过的面积、空气密度和气流速度，他们之间的关系可表示为：

式中，E为风能，单位为W；ρ为空气密度，单位为kg/m3；v为风速，单位为m/s；A为面积，单位为m2。

由上式可以看出，影响风能最重要的因素是风速，风速变化一倍，则风能变化八倍。在估算风能大小和风能潜力时，通常采用风能密度作为评价指标，其计算公式为：

风能密度即为气流在单位时间内垂直通过单位截面积的风能。由于风速具有很强的随机性，因此必须通过长时间的观测才能准确确定其平均水平。一个地区的平均风能密度可直接利用观测数据加权求和获得，也可利用风速的概率分布积分计算求取。

目前，风力发电已成为风能最广泛和最有效的开发方式。风力发电是一种利用风电机组将风能转换为电能的能源利用方式。它首先通过风力机将风能转换为机械能，然后通过风力发电机将机械能转换为电能，分别涉及到风电机组的风力机和发电机两部分。风力发电机的基本工作原理与常规发电机组没有本质区别，从能量转换全过程看，影响风力发电的最主要环节为风力机能量转换效率。风力机从风中吸收的功率可以用下式表示，即：

风力发电模型：

式中，P_T为风轮输出功率；C_p为风轮的功率系数；A为风轮扫掠面积，A＝πR²，R为风轮半径；ρ为空气密度；v为风速；

如果流经风轮的风能全部被转动的风轮叶片吸收，则风轮的功率系数为1。然而，实际中这种理想状况不可能存在，研究表明：风力机的最大功率系数为贝兹极限，此时C_p＝59％。

目前，已有很多学者提出了不同的风速预测模型，风速预测精度直接影响含风电的电力***调度和可靠性规划。对大部分地区的实测历史风速数据进行统计，可以发现风速分布具有一定的规律。其中两参数Weibull分布是目前应用最广泛的风速预测模拟模型之一。

风速的两参数Weibull分布函数为：

式中，v为实际风速，c为尺度系数，k为形状系数，f(v)为风速的概率密度函数。

对上式进行积分，可得风速Weibull分布的概率密度累积函数为：

运用逆变换法，便得模拟风速的时间序列值，即

风速模型：v_t＝c(-lnx_t)^1/k，

式中，v_t是第t小时的模拟风速，x_t是第t小时生成的(0，1)均匀分布的随机变量，k、c分别为Weibull模型的形状系数和尺度系数；

在标准空气密度条件下，风电机组的出力与风速的关系曲线称为风电机组的标准功率特性曲线。在不同的安装地点，风电机组出力与风速的关系曲线称为风电机组的实际输出功率特性曲线，如图5所示。

因此，风电机组风电转换模型为：

式中，P(v)为风电机实际输出功率，P_R为风电机组的额定功率，v_ci为切入风速，v_R为额定风速，v_co为切除风速，A、B、C为风电机组的功率特性曲线参数，计算公式为：

风电机组停运模型：

风电机组结构相对简单，计划检修时间较短，而且计划检修可安排在低风速或无风时段进行，因而在进行可靠性分析时可不予考虑。传统发电机机组的停运模型一般都采用两状态模型，即工作状态和故障停运状态。但在计及出力间歇性的风电机组上，风力发电机组存在部分停运，即机组不是100％地故障停运，而是可用发电容量只能达到额定容量的某一个百分数。如果完全不考虑部分停运当作完全停运处理，则得到的可靠性指标可能过于冒进；如果把部分停运当作是完全停运，那么得到的可靠性指标是保守的。本例中采用的方法是把部分停运折合成完全停运来考虑。

风电场可靠性模型是评价风电场对电网可靠性贡献的基础。风电场可靠性模型是一种反映风电场功率输出特性的概率模型。因此，功率水平(容量状态)及其对应的概率是风电场可靠性模型的两个要素。在风电场可靠性建模时，要准确反映其功率水平，则需全面的、尽可能接近实际的模拟影响其功率水平的因素。

进入步骤2-2-b)：计入风机的等效强迫停运率，得出计及风电机组强迫停运率的多状态模型，具体为：根据风能转换模型计算风电机组输出功率，即可建立风电机组多状态容量概率表，记为PTMC_W(Probability table of multistate capacity for a WTG)。本例中还通过状态合并和状态削减技术减小状态数目，以减小运算量。

步骤2-2-c)：运用反比例分摊处理方式的聚类分析法，将此风电场进行聚类分析得到风电场在指定阶数下的多状态模型；

步骤3：由于送端子***和受端子***都由换流站组成，因此结合子***划分思想及主要子***可靠性评估模型和各柔性直流设备故障影响后果，可以建立换流站可靠性框图，如图6所示，具体为：

采用频率持续时间法建立送端、受端子***中各元件的状态空间图并获得相应的等效模型，通过组合各等效模型建立大型风电场柔性直流输电***的可靠性评估模型；在建立状态空间图及对各元件等效模型进行组合的过程中，可以考虑实际子***中各种复杂的技术条件；其中，所述频率持续时间法的计算公式为：

状态i发生的概率为：

其中，u为修复率，λ为故障率；

状态i发生的频率为：

其中，P_i是状态i的概率；P_j是与状态i直接联系的状态j的概率；λ_k是故障转移率，λ_j是修复转移率；M_d是离开状态i的转移数；M_e是进入状态i的转移数；

两状态间的转移频率：f_ij＝P_iλ_i-j，

其中，λ_i-j是从状态i向状态j转移的转移率。

输入根据换流站主要元件的可靠性参数(如表1所示)，并根据换流站可靠性框图，计算出送端换流站的可靠性结果，如表2所示。

表1为送端换流站主要元件的可靠性参数：

元件或子***	故障率(次/年)	修复时间(小时)
			联接变压器	0.0675	462.00
阀组	0.0116	27.54
			断路器	0.0010	24.00
直流架空输电线	0.14/100km	4.11
			直流电缆线路	0.05/100km	11.00
相电抗器	0.0047	7.02
			平波电抗器	0.0035	5.13
极控	0.00053	3.12
			站控	0.000061	2.00

表2 送端换流站的可靠性结果

故障率(次/年)	修复时间(小时)	故障概率	频率(次/年)
				0.372221	86.256171	0.003652	0.370861

步骤4：将两条直流输电线路看作一个子***，建立直流输电线路子***的可靠性评估模型，具体为：

直流输电线路子***含有两个元件(正极输电线路、负极输电线路)，由于柔性直流工程的运行状态为正常双极运行和故障停运两种状态，任一极输电线路故障，则***处于故障停运状态，因此该子***分为两种状态：双极线路正常状态和故障状态，据此建立直流输电线路子***的正常双极运行与故障停运可靠性评估模型，评估方法为：

双极正常状态：

概率频率f₁＝P₁(λ₁+λ₂)，

故障状态：

概率P₄＝1-P₁，频率f₄＝f₁，

上式中：λ₁——正极线路的故障率，μ₁——正极线路的修复率；

λ₂——负极线路的故障率，μ₂——负极线路的修复率；

步骤5：基于枚举算法，根据单个枚举事件容量状态的确定图，如图7所示，分别枚举各子***的运行状态，并采用频率持续时间法计算各子***的可靠性指标，所述枚举算法具体为：按各子***的可靠性指标，一一列举出***运行中所有可能的运行状态，并在逐一列举的过程中，检验每个可能运行状态是否是问题的真正解。

步骤6：根据步骤5获得的各个子***的多状态容量停运表以及子***之间的逻辑关系，即直流输电***的可靠性结构框图，计算得出大型风电场柔性直流输电***的可靠性指标，计算结果如下：

其中，南澳柔性直流输电工程可靠性评估结果如表3所示：

表3 南澳柔性直流输电工程可靠性基本指标

名称	指标
		能量可用率	99.27％

各换流站停运指标如表4所示：

表4 南澳柔性直流输电工程各换流站停运指标

名称	指标
		青澳换流站强迫停运率	0.297次/年
金牛换流站强迫停运率	0.262次/年
		塑城换流站强迫停运率	0.155次/年

各个容量状态及其对应的概率和频率指标计算结果如表5所示：

表5 各容量状态及其对应的概率和频率指标计算结果

可用容量	概率	频率
			1.00	0.9891	0.403
0.67	0.0036	0.144
			0.33	0.0036	0.109
0	0.0037	0.155

可用容量分布在计及风电出力间歇性时与其对应的概率和频率指标计算结果如表6所示：

表6 可用容量分布在计及风电出力间歇性时概率和频率指标计算结果

备注：能量可用率分别为99.28％(不计及风电)和99.92％(计及风电)

考虑机组故障的能量可用率分布如表7所示：

表7 考虑机组故障的能量可用率分布

从上述结果可知，运用本方法评估柔性直流输电***可靠性时，可以在评估过程中考虑风电场间歇性出力和风机故障的影响，更为接近工程实际；这种方法具有较好的通用性，可以有效的处理柔性直流输电***的可靠性。

Claims (4)

1.一种大型风电场柔性直流输电***可靠性计算方法，其特征在于按照以下步骤进行：

步骤1：根据直流输电***的结构特点和运行方式，将直流输电***分为变电站与风电场子***、送端子***、直流输电线路子***以及受端子***，并确定直流输电***的可靠性结构框图；

步骤2：建立变电站与风电场子***可靠性评估模型；

步骤3：采用频率持续时间法建立送端、受端子***中各元件的状态空间图并获得相应的等效模型，通过组合各等效模型建立直流输电***的可靠性评估模型；

步骤4：建立直流输电线路子***的可靠性评估模型；

步骤5：采用枚举算法分别枚举各子***的运行状态，采用频率持续时间法计算各子***的可靠性指标；

步骤6：根据直流输电***的可靠性结构框图计算得出直流输电***的可靠性指标。

2.根据权利要求1所述的大型风电场柔性直流输电***可靠性计算方法，其特征在于：步骤2中建立变电站与风电场子***可靠性评估模型的具体步骤为：

步骤2-1：根据变电站结构，建立变电站内部各个元件的可靠性评估模型；

步骤2-2：建立风电场可靠性评估模型，具体步骤如下：

步骤2-2-a)：根据风机的切入、额定、切出风速及风机的额定功率建立单个风电机组的多状态模型；

步骤2-2-b)：计入风机的等效强迫停运率，建立计及风电机组强迫停运率的多状态模型，记为PTMC_W，

${\mathrm{PTMC}}_w=\left[\begin{array}{cc}{C}_{w1}& p\left(C_{w1}\right)\\ C_{w2}& p\left(C_{w2}\right)\\ .& .\\ .& .\\ .& .\\ C_{wi}& p\left(C_{wi}\right)\\ .& .\\ .& .\\ .& .\\ C_{{\mathrm{wN}}_{ts\_w}}& p\left(C_{{\mathrm{wN}}_{ts\_w}}\right)\end{array}\right]$

其中，N_{ts_w}为PTMC_W的总状态数；Cwi为PTMCw中第i个状态的风电机组输出功率，p(C_wi)为第i个状态对应的概率；

步骤2-2-c)：运用聚类分析法，将风电场进行聚类分析得到风电场在指定阶数下的多状态模型。

3.根据权利要求2所述的大型风电场柔性直流输电***可靠性计算方法，其特征在于：步骤2-2-a)中所述单个风电机组的多状态模型包括风力发电模型、风速模型、风电机组停运模型以及风电机组风电转换模型，其中，

风力发电模型：

式中，P_T为风轮输出功率；C_p为风轮的功率系数；A为风轮扫掠面积，A＝πR²，R为风轮半径；ρ为空气密度；v为风速；

风速模型：v_t＝c(-lnx_t)^1/k，

式中，v_t是第t小时的模拟风速，x_t是第t小时生成的(0，1)均匀分布的随机变量，k、c分别为Weibull模型的形状系数和尺度系数；

风电机组风电转换模型：

$P\left(v\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& 0\&le;v<v_{ci}\\ P_R(A+B\&times;v+C\&times;v^2)& v_{ci}\&le;v<v_R\\ P_R& v_R\&le;v\&le;v_{co}\\ 0& v>v_{co}\end{array}\right.$

式中，P(v)为风电机实际输出功率，P_R为风电机组的额定功率，v_ci为切入风速，v_R为额定风速，v_co为切除风速，A、B、C为风电机组的功率特性曲线参数，计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}A=\frac{1}{{(v_{ci}-v_R)}^2}\{v_{ci}(v_{ci}+v_R)-4v_{ci}{v}_R{\&lsqb;\frac{v_{ci}+v_R}{2v_R}\&rsqb;}^3\}\\ B=\frac{1}{{(v_{ci}-v_R)}^2}\{4(v_{ci}+v_R){\&lsqb;\frac{v_{ci}+v_R}{2v_R}\&rsqb;}^3-(3v_{ci}+v_R)\}\\ C=\frac{1}{{(v_{ci}-v_R)}^2}\left\{2-4{\&lsqb;\frac{v_{ci}+v_R}{2v_R}\&rsqb;}^3\right\}\end{array}\right..$

4.根据权利要求1所述的大型风电场柔性直流输电***可靠性计算方法，其特征在于：步骤4中所述频率持续时间法的计算公式为：

状态i发生的概率为：

其中，u为修复率，λ为故障率；

状态i发生的频率为：

其中，P_i是状态i的概率；P_j是与状态i直接联系的状态的概率；λ_k是故障转移率，λ_j是修复转移率；M_d是离开状态i的转移数；M_e是进入状态i的转移数；

两状态间的转移频率：f_ij＝P_iλ_i-j，

其中，λ_i-j是从状态i向状态j转移的转移率。