考慮風(fēng)電并入的電力系統(tǒng)充裕性評估

1、LOGO Adequacy Assessment Considerations in Wind Integrated Power Systems 考慮風(fēng)電并入的電力系統(tǒng)充裕性評估考慮風(fēng)電并入的電力系統(tǒng)充裕性評估 IEEE TRANSACTIONS ON POWER SYSTEMS, VOL. 27, NO. 4, NOVEMBER 2012 重慶大學(xué)重慶大學(xué) 李龍云李龍云 LOGO Company Name l 研究目的 這篇文章主要研究風(fēng)電并入發(fā)電系統(tǒng)和大電力系統(tǒng)后對系統(tǒng)可靠性指標(biāo) 的影響。 l 研究內(nèi)容 本文提出三種風(fēng)速模型，并用時序模擬法和狀態(tài)空間模擬法兩種方法對 發(fā)電系統(tǒng)和大電力系統(tǒng)進

2、行可靠性評估； 其中在討論時序模擬法時，在發(fā)電系統(tǒng)中并入一個或者多個風(fēng)電場中考 慮了風(fēng)速相關(guān)性對可靠性評估的影響；還拓展延伸了并入風(fēng)電場后對大電力 系統(tǒng)健康度指標(biāo)的影響等。 其后在討論狀態(tài)空間模擬法時，采用的是模特卡羅狀態(tài)抽樣法，并給出 分別考慮FOR為0和不為0時的風(fēng)機停運容量概率模型；分析了RTS系統(tǒng)中加入 風(fēng)機后，不同風(fēng)速相關(guān)系數(shù)下的期望缺供電量（EENS）的變化情況。 文章概述文章概述 LOGO Company Name 發(fā)電系 統(tǒng)充裕 性評估 大系統(tǒng) 充裕性 評估 健康度 分析 大系統(tǒng) 充裕性 評估 Mob模型 時序 模擬分析 狀態(tài)空間 模擬分析 ARMA模型Ob模型 發(fā)電系 統(tǒng)充裕

3、 性評估 l研究思路 LOGO Company Name l 創(chuàng)新點 由于本文是一片綜述類文章，創(chuàng)新點不是太多，值得一提的是本文利用 了三種不同的風(fēng)速模型，具體的量化了一些顯而易見但比較容易被忽略的結(jié) 論如區(qū)域風(fēng)況對風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)對系統(tǒng)可靠性貢獻度的影響，還考慮了風(fēng)速相 關(guān)性，并與不考慮相關(guān)性時進行了具體的量化比較。 l 不足 文章涉及面較廣，沒有對某一問題進行比較深入研究，僅僅只是對現(xiàn)有 方法的所模擬出來的結(jié)果進行了比較和總結(jié)。 文章概述文章概述 LOGO Company Name 1.引言 2.時序模擬分析 3.狀態(tài)空間模擬分析 4.結(jié)論 文章結(jié)構(gòu)文章結(jié)構(gòu) LOGO Company Name

4、 1.引言 充裕性評估方法： 可靠性分為充裕性和安全性，一般情況下指充裕度評估； 在進行可靠性分析時，現(xiàn)有的方法大部分可以歸結(jié)為解析法或者是蒙特 卡洛模擬法，也有部分是將兩種方法結(jié)合，本文使用的兩種方法均為模擬法； 風(fēng)機與常規(guī)機組： 風(fēng)電并入發(fā)電系統(tǒng)或者大電力系統(tǒng)時有很多需要考慮的因素，因為風(fēng)能 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（WECS）相比于常規(guī)機組，其最大的區(qū)別就是風(fēng)力的固有特性：時 變性，波動性和間歇性； 能量儲存： 由于風(fēng)的間歇性對充裕性評估有影響，當(dāng)出力高于負(fù)荷時把能量儲存起 來會有效的降低這種影響，當(dāng)負(fù)荷較高，出力不足時能將儲存的能量利用起 來，本文提出抽水蓄能是一個可行的方法。 LOGO Compan

5、y Name 小時觀測風(fēng)速模型（Ob） 平均小時觀測風(fēng)速模型（Mob） ARMA模型 每個小時的實測風(fēng)速. . 幾年內(nèi)每小時的實測風(fēng)速的平均值. . 利用ARMA模型計算出的風(fēng)速. . 1.引言 LOGO Company Name 1.引言 下面給出的是加拿大薩斯喀徹溫省斯威夫特卡倫特市的一個模型，參數(shù)計算源于 1996至2003的風(fēng)速數(shù)據(jù)： 定義 為t時刻的模擬風(fēng)速，可以由下公式計算得到 t SW t時刻平均小時觀測風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)偏差由上述ARMA模型求得 LOGO Company Name 1.引言 圖1-1 風(fēng)機出力-風(fēng)速關(guān)系 出力-風(fēng)速為非線性關(guān)系 將風(fēng)速分布圖與風(fēng)機功率曲線結(jié)合起來可以得到

6、風(fēng)速出力分布，風(fēng)速出 力分布能夠用于時序蒙特卡洛法的分析，也可在解析法中創(chuàng)建離散容量模型 或在蒙特卡洛狀態(tài)抽樣法中得以應(yīng)用。 LOGO Company Name 2.時序模擬分析 1）發(fā)電系統(tǒng)充裕性評估 初始條件： 20MW風(fēng)機并入RBTS，并入后稱新系 統(tǒng)為WRBTS； 原RBTS有240MW的常規(guī)出力和185MW 的峰值負(fù)荷； 假定風(fēng)機100%可靠（For=0）； 切入，額定，切出風(fēng)速給定為 14.4,36和80km/h； 樣本時間足夠長（50000年）；表2-1 兩個城市風(fēng)速參數(shù) 下表所示為加拿大兩個城市 （簡稱B市和S市）的平均小 時觀測風(fēng)速風(fēng)速（Mob）和 標(biāo)準(zhǔn)偏差風(fēng)速。 可以看出：

7、 SB MobMob LOGO Company Name 2.時序模擬分析 表2-2 不同風(fēng)速模型下B市LOLE表2-3 不同風(fēng)速模型下S市LOLE Ob模型所獲得的可靠性指標(biāo)非常依賴當(dāng)年的風(fēng)況，特別是年數(shù)較少所提供 的數(shù)據(jù)極其有限時，而且并不能完整的反應(yīng)年與年之間的風(fēng)速變化情況； b. Mob模型所獲得的指標(biāo)只有在風(fēng)速接近額定風(fēng)速時才會很小，當(dāng)該地區(qū)風(fēng) 況較好時，指標(biāo)差異就會更明顯； c. ARMA模型是通過實測風(fēng)速數(shù)據(jù)和年風(fēng)速變化率結(jié)合起來，所獲得的指標(biāo)依 賴于所提供的風(fēng)速參數(shù)，原始數(shù)據(jù)規(guī)模較小時，ARMA模型所獲得的指標(biāo)會更 加接近于原始數(shù)據(jù)很多時所獲得的參數(shù)；而且ARMA模型相對Ob模

8、型更能全面 的表現(xiàn)風(fēng)速的變化情況，更適合時序模擬法。 LOGO Company Name 2.時序模擬分析 考慮風(fēng)速相關(guān)性： 表2-4 RBTS風(fēng)能置信度 表2-5 RTS風(fēng)能置信度 在一個系統(tǒng)中并入多個風(fēng)電場時， 必須得考慮風(fēng)電場之間的關(guān)系， 當(dāng)風(fēng)電場之間距離足夠遠時，可 以理想的認(rèn)為風(fēng)電場之間是相互 獨立的，如果風(fēng)電場之間距離較 近，則風(fēng)電場之間就會具有相關(guān) 性。 如表格所示，當(dāng)風(fēng)電場之間具有 相關(guān)性時，每增加一個新的風(fēng)電 場或者擴建一個風(fēng)電場都會使置 信度大幅下降，但是當(dāng)風(fēng)電場之 間都是相互獨立時，置信度的變 化就非常小。 LOGO Company Name CC：容量置信度是指以保證系

9、統(tǒng)可靠性水平不變?yōu)榍疤幔贸Ｒ?guī)機組來 替代風(fēng)力發(fā)電機的一個容量比值。 這個表格提供了一個可靠性指標(biāo)的上下界，在考慮風(fēng)電場之間完全相關(guān) 和完全獨立時是理想狀況，實際上系統(tǒng)的可靠性水平會介于上述兩種狀態(tài)之 間。 針對RBTS和RTS系統(tǒng)，并入的多個風(fēng)電場之間如果是完全相關(guān)的，則其 置信度會隨著并入風(fēng)電場數(shù)量的增加而降低，反之，如果風(fēng)電場之間是完全 獨立的，這個指標(biāo)的變化就會非常??；同理在一個風(fēng)電場中增加具有完全相 關(guān)特性的風(fēng)電容量或完全獨立的風(fēng)點容量其置信度都會具有類似變化。 可以看出，在系統(tǒng)中并入風(fēng)電場，首先必須得考慮相關(guān)性，如果不考慮 相關(guān)性則會對評估造成比實際情況更加樂觀的估計，并且隨著并入

10、風(fēng)電場數(shù) 量的增加，可靠性指標(biāo)會隨之降低。 2.時序模擬分析 LOGO Company Name 2.時序模擬分析 2）大電力系統(tǒng)充裕性評估 MRTS：將原可靠性測試系統(tǒng)增加發(fā)電量和負(fù)荷，保持原輸電系統(tǒng)不變， 稱之為修正可靠性測試系統(tǒng)； 原系統(tǒng)RTS的削負(fù)荷時間期望值（EDLC）為35.26h/yr，修正RTS的削負(fù) 荷時間期望值為13.55h/yr；現(xiàn)分別在上述兩種系統(tǒng)的節(jié)點1,8,13,18中增加 容量為120MW和240MW的風(fēng)電場，得到新系統(tǒng)的削負(fù)荷時間期望值如表格2-5所 示。 LOGO Company Name 2.時序模擬分析 表2-6 RTS和MRTS系統(tǒng)并入風(fēng)機后的EDLC

11、RTS中在Bus13處增加120MW風(fēng)機削負(fù)荷時間期望值最高，效 果最差，但是這并不代表Bus13是最差的風(fēng)電接入點，因為在此處 接入480MW風(fēng)機時效果是四個中最好的。 這說明，在系統(tǒng)并入風(fēng)機的最佳地點是與風(fēng)機容量還有該系統(tǒng)自 身有關(guān)的，如系統(tǒng)線路的容量限制等。 LOGO Company Name 2.時序仿真分析 3）風(fēng)電并入系統(tǒng)健康度分析 健康度 滿足N-1法則 任何一個元件故障后仍能保持系統(tǒng)的正常運行 冗余度（邊界度） 系統(tǒng)仍然正常運行，但是一旦波動則會崩潰 風(fēng)險度 系統(tǒng)不能正常運行，即所謂可靠性指標(biāo) 圖2-2 系統(tǒng)健康度分析模型 LOGO Company Name 2.時序仿真分析

12、表2-7 RTS和WRTS健康度指標(biāo) 隨著風(fēng)能的并入，系統(tǒng)的可靠性水平不會發(fā)生變化，但是系統(tǒng)的健康度 概率會隨之降低，邊界度概率會增加；每個狀態(tài)的頻率也會隨之增加。 顯然，風(fēng)能作為可再生能源越來越受到國家的重視，但是由于風(fēng)能的波 動性和間歇性，其對系統(tǒng)可靠性的不良影響也是難免的。 LOGO Company Name 3.狀態(tài)空間模擬分析 1）發(fā)電系統(tǒng)充裕性評估 目前對風(fēng)電并入電力系統(tǒng)可靠性評估最常用的方法是時序法，但也有必 要用其他方法來研究如狀態(tài)抽樣法。所謂狀態(tài)抽樣法，是指對系統(tǒng)每個元件 抽樣，組合得到系統(tǒng)狀態(tài)，即使多狀態(tài)元件的計算量也不會太大。 基本步驟： 1.由ARMA模型得到風(fēng)速序列；

13、 2.由風(fēng)機功率特性得到對應(yīng)風(fēng)速出力； 3.將得到的輸出功率分級，分段； （本文以額定功率的5%作為間隔，并以中 點處的值作為該段的功率值） 4.累積各個功率值在各段出現(xiàn)的次數(shù)，即 可得到右圖風(fēng)力機組停運概率分布； 5.由概率分布得到表3-1所示11狀態(tài)停運概率表； 6.各停運容量由概率加權(quán)即可得到降額調(diào)整的強迫停運率DAFOR （該FOR的形成與常規(guī)機組的FOR類似，這樣就可以把風(fēng)機當(dāng)常規(guī)機組處理） 圖3-1 風(fēng)機故障容量水平 LOGO Company Name 3.狀態(tài)空間模擬分析 表3-1 風(fēng)機11狀態(tài)停運概率表 表3-1所示是不考慮風(fēng)機故障的停運容量概率表，表3-2所示是當(dāng)風(fēng)機故障率

14、為4%時的停運容量概率表。 研究表明，一個風(fēng)電場用一個5狀態(tài)表示時就已經(jīng)有足夠的精確度了，用這種 方法可以用狀態(tài)抽樣法分析考慮風(fēng)電并入的大電力系統(tǒng)，同時不需要過多的計 算時間。 表3-2 11狀態(tài)風(fēng)機容量停運概率表（FOR=4%） LOGO Company Name 3.狀態(tài)空間模擬分析 2）大電力系統(tǒng)充裕性評估 表3-3 RTS中不同地點并入風(fēng)機的EENS指標(biāo) 圖3-2 RTS系統(tǒng)并入400MW風(fēng)電場的EENS 原RTS系統(tǒng)的期望供電不足為1674.799MW,case1為在節(jié)點1和3處加入風(fēng)電 場，Case2為在節(jié)點1和4處加入風(fēng)電場，case3為在節(jié)點1和6處加入風(fēng)電場。 在并入風(fēng)電場后

15、，EENS會明顯下降，隨著風(fēng)速相關(guān)系數(shù)Rxy的增大，EENS 會有所上升，在不同節(jié)點增加風(fēng)電場對EENS指標(biāo)的影響差異并不是很大；上 下兩圖的對比說明并入的風(fēng)電場容量越大，可靠性越高。 圖3-2是上述結(jié)論的一個驗證，在RTS系統(tǒng)的節(jié)點9,15,19加入400MW風(fēng)電場 后系統(tǒng)EENS會有所下降，可靠性得到提高。 LOGO Company Name 4.結(jié)論 本文提出的充裕性評估有幾個很重要考慮因素，一是所選取的風(fēng) 速數(shù)據(jù)，二是決定一個詳細的建模方法，三是理解對一個發(fā)電系統(tǒng)或 大電力系統(tǒng)提供實際充分性評估相應(yīng)的假設(shè)和近似。 在發(fā)電系統(tǒng)充裕性評估范圍內(nèi)，有相當(dāng)一系列成熟的計及間歇式 風(fēng)力發(fā)電的可行方法。這些方法