计及风电场的发输电可靠性评估.pdf

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计及风电场的发输电可靠性评估1 计及风电场的发输电可靠性评估2 计及风电场的发输电可靠性评估3 计及风电场的发输电可靠性评估4 计及风电场的发输电可靠性评估5 计及风电场的发输电可靠性评估6
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第38卷第22期2010年11月16目电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVbl_38NO.22Nov.16,2010计及风电场的发输电可靠性评估姜文,严正,杨建林(上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海200240)摘要:为了评估风电并网对发输电系统可靠性的影响,建立了基于序贯蒙特卡罗方法的风电场发输电可靠性模型。该模型充分考虑了机纽、线路、变压器以及风力发电机等设备元件的运行状态,同时采用了最优切负荷,给出具体的算法流程,并提—出可靠性指标BIEWG。算例采用IEEERTS测试系统,风电场是由100台V90-2MW的双馈异步风力发电机组成,风速数据取自东海风电场。仿真结果验证了所提算法的正确性,风电机组的接入对提高发输电组合系统的可靠性具有明显的作用。该算法可以被系统规划者用来有效地评估风电并网对系统可靠性的影响。关键词:序贯蒙特卡罗;可靠性;最优切负荷;双馈异步风力发电机ReliabilityassessmentofcompositegenerationandtransmissionsystemconsideringwindfarmsJIANGWen,YANZheng,YANGJian-lin(SchoolofElectronicInformationandElectricalEngineering,ShanghaiJiaoT0ngUniversity,Shanghai200240,China)Abstract:Inordertoevaluatetheeffectofgrid-connectedwindfarmsonthepowersystemreliability,awindfarmreliabilitymodelbasedonsequentialMonteCarloisestablished.Theoperationstateofconventionalgeneratingunits,transmissionlines,transformersandwindturbineareconsideredthoroughlyinthismode1.Meanwhile,anoptimallOadsheddingmodeliSusedandadetailedflowdiagramofthealgorithmisestablished.ThereliabilityindexBIEWG(thebenefitofinterruptedexpectationfromwindgeneration)isproposed.TheIEEE-RTStestsystemisadoptedinthealgorithm.Windfarmismadeupof100doublyfedwindturbineofV90-2MW.WindspeeddatacomefromDonghaiwindfarm.ThesimulationresultsverifytheCOITeCtnOSSofthealgorithm.andshowthatthewindpowerreliabilitycanbeimprovedafterthewindturbineisswitchedin.Theproposedalgorithmcanbeutilized—bypowersystemplannerstoeffectivelyevaluatetheeffectofgridconnectedwindfarmsonpowersystemreliability.Keywords:sequentialMonteCarlo;reliability;optimalloadshedding;doublyfedwindturbine中图分类号:TM732文献标识码:A—文章编号:16743415(2010)22-0126.050引言风力发电以其无污染和可再生性,日益受到世界各国的广泛重视,近年来得到了迅速的发展。然而,由于风能的随机性和间歇性特点,有效地评估风电并网对系统可靠性的影响已成为急需解决的关键问题之一【jJ。目前国内外学者关于风电并网对系统可靠性影响已做了大量的研究。文献[2】建立了基于蒙特卡罗仿真的风力发电容量可信度的评估框架;文献【3]利用基于时间序列的仿真方法,计算系统的可靠性指标中断缺电量EENS和中断损失期望ECOST;文献.5]提出了风机可中断能量效益(thewindgeneration基金项目:国家863专项科研基金项目(2007AA05Z458)interruptedenergybenefit,WGIEB)、风机可中断代价效益(thewindgenerationinterruptioncostbenefit,WGICB)、等效传统发电机个数(theequivalentnumberofconventionalgenerators,ENCG)、等效传统发电机容量(theequivalentconventionalgeneratorcapacity,ECGC)等可靠性指标来评估加入风机之后对系统的可靠性的影响;文献【6】建立风电场的概率模型评估对系统可靠性的影响;文献【7】通过比较时序方法和概率方法,评估风电并网对系统可靠性的影响;文献[8】将传统常规机组和风电机组进行分组处理,采用解析法评估风电可靠性;文献【9】采用蚁群算法对风电可靠性进行评估;文献【l0]采用序贯蒙特卡罗方法对含有风电场的配电系统进行可靠性评估。然而目前所做的研究主要集中在风电并网对姜文,等计及风电场的发输电可靠性评估一127-发电系统以及配电系统可靠性的影响,在这些研究中不考虑系统线路和变压器的故障,认为它们是百分之百的可靠。本文研究了风电并网对发输电系统可靠性的影响。计及线路、变压器以及发电机的故障,利用最优切负荷算法,采用时序MonteCarlo方法进行系统仿真,并提出可靠性指标(thebenefitofinterruptedexpectationfromwindgeneration,BLEWG),通过计算LOLP、EENS、L0LE、BLEWG等可靠性指标来反映加入风电场对系统可靠性的影响。算例采用IEEE.RTS测试系统,风电场是由100—台V902MW的双馈异步风力发电机组成,风速数据取自东海风电场。仿真结果验证了所提算法的正确性,风电机组的接入对提高发输电组合系统的可靠性具有明显的作用。该算法可以被系统规划者用来有效地评估风电并网对系统可靠性的影响。1风电场仿真模型1.1风机出力模型风机出力与风速之间有个非线性关系式如式(1):l0≤0Vvcf呲={+V+prVei<-vV<-vVrVrcIsVsvc。【0V其中::——1-一【1,c(+1,r)一4(×≤vr)(),];f一二[4(Vci+Vr)((3Vei+Vr[2_4(;式中:为风力机组额定出力:为切入风速;vr为额定风速;为切出风速。1.2双馈异步/-…xt ̄发电机的数学模型双馈异步发电机的T型等效电路如图1所示。了图1双馈异步发电机T型等效电路Fig.1DFIGequivalentcircuitofTconnection‘其中:、分别是定子(电网)电压和折算后‘的转子电压相量;E、直是气隙磁场感应电势相量;、厶、t分别是定子电流、折算后转子电流‘和励磁电流相量;R1、忌、Rm分别表示定子电阻、’折算后的转子电阻和励磁电阻;、、表示定子漏感抗、折算后的转子漏抗和励磁电抗。当忽略电机损耗并取定子为发电机惯例而转子为电动机惯例时,发电机的定子输出功率等于转子输入功率与电机轴上输入机械功率Pm之和,即:=十尸m(2)根据感应电机的运行原理,转子绕组的电功率和电机轴上的机械功率可分别表示为:=se,(3)=(1一)(4)式中,S为转差率。由式(2)~(4)可知,当发电机在亚同步运行时,S>0,需要向转子绕组馈入电功率,由转子传递给定子的电磁功率为,风力机传递给定子的功率只有(1一)。当发电机在超同步运行时,<0,此时转子绕组向外供电,即定转子同时发电,此时风力机供给发电机的功率增至(1+)。双馈发电机在低于和高于同步速不同的运行方式下的输入输出功率关系如图2所示。(a】低于同步速运行统(b)高于同步速运行图2双馈风力发电机功率流向Fig.2Powerflowofdoublyfedwindturbine2最优切负荷发输电系统可靠性评估由三部分组成:系统状态选取、系统状态分析和系统可靠性指标的计算。一128-电力系统保护与控制系统状态分析包括对选中的系统状态进行潮流计算,以确定系统是否违背运行约束,如违反,则采取补救措施对系统运行状态进行调整。这些补救措施包括发电机出力调整、变压器档位调整、柔性交流输电元件的参数调整等。调整后,若系统仍不能恢复到安全状态,则系统状态是一个故障状态,最后需要进行负荷消减[】。为了尽可能减小切负荷量,本文采用专门的最优潮流模型,其模型的目标函数是负荷消减总量最小,最优解就是各负荷母线上的负荷消减量。由于基于直流潮流的最优潮流模型没有考虑电压和无功,因此本文采用基于交流的最优潮流模型。基于交流潮流的发输电系统风险评估最优潮流模型可描述如下:∑min(5)‘_一∈fND约束条件:∈(,+P一尸+=0fND(6)(,+Q一∈=0fND(7)JF'GIm(,“∈PGfmfNG(8)QG(,QGfm∈NG(9)0∈尸lDffND(10)≤“∈(,?kL(11)“≤“∈N(12)式中:,分别是母线f的注入有功和注入无功;JF',Q分别是母线注入的风机出力的有功和无功,本文对双馈风机采用恒功率因数控制模式;和分别是母线电压的幅值和相角矢量;是的元素;和QD,分别是母线f上的有功和无功负荷;是母线的负荷消减变量;JF)G_m、JF)、QGJm和Q分别是发电母线上注入有功和注入无功的下限和上限;是线路k上的潮流;“是线路k上的额定容量;v/和分别是母线f上电压幅值的下限和上限;Ⅳ、G、Ⅳ和分别是系统中负荷母线、发电母线、所有支路和所有母线的集合;、和分别有以下表达式:∑P/(V,=Vj(G ̄cos6,j+sin60)(13).÷f∑(,=(sin8//j一岛cos4)(14)式中:f表不是与母线直接连接的母线;和分别表示母线导纳矩阵第f行第J列元素的实部和虚部;是相角差,即,=一,。(,=max{ ̄(,,(,)式中:(,和(,分别是线路k两端的潮流;m和n分别表示线路k两端的母线号。从母线m到n的潮流计算如下:√(V,=(,+Q(,(15)尸m(,)=V2(g。+g)一(6砌sin+gm.COS)(16)Qlmn(,)=一(bmo+)+,,,、(6mnCOS一g舳sin)其中:g和6mn分别是线路k的支路导纳的实部和虚部;g。和6m。分别是母线m对地支路的等值导纳的实部和虚部。3风电系统可靠性仿真流程发输电可靠性评估的目标是获得发输电系统图3含风电场的发输电可靠性评估流程Fig_3Theflowdiagramofthealgorithm姜文,等计及风电场的发输电可靠性评估各种出现的状态概率和切负荷情况,然后统计可靠性指标。本文首先根据风速数据、风机参数数据,利用风机出力模型,计算出双馈异步风力发电机的机械功率尸m,然后依照双馈风机的数学模型,计算出不考虑风机故障时的出力,接下来对各风电机组、常规机组、线路进行MonteCarlo抽样,随后对系统进行判断、统计,最后计算出可靠性指标。具体流程如图3所示。4算例及结果分析本文采用IEEE.RTS测试系统验证所提算法的正确性。测试系统的具体参数参考文献[141。风电场是由100台2Mw的双馈异步风机组成,风速数据取自东海风电场。风机参数见文献[151,设风机的强迫停运率为0.04。为了比较风电场从不同节点接入电网和从单一节点接入电网对系统可靠性的影响,本文首先分两种情况进行仿真分析。一是:在18号节点接入由100台机组组成的风电场;另一种是:在1号节点和18号节点分别接入50台相同参数的风机组成的风电场。之所以选择18号节点和1号节点,是因为18号节点只有一台400MW的发电机,它的故障率在所有的机组中是最高的,故其对系统的影响比较大,而1号节点在系统中被选作平衡节点。其仿真结果如图4所示。集中接入和分散接入时,系统的LOLE分别是7.13h/年、6.25h/年,下降了12.34%,系统的EENS分别从2482.49MW/年下降,U23l0.38MW/年,减少了6.9%。很明显,第二种情况的可靠性要比第一种情况的好很多。为了反映风力发电的分散性,本文后面的仿真都是基于第二种情况。抽样时间,年图4集中和分散加入风电场所对应系统的停电期望’Fig.4ThesystemSLOLEforcentralizedanddispersiblecases图5描述系统可靠性随风机台数的变化,从中可以明显地看出,系统可靠性随着风机台数的增加而增强。开始加入风机时,对系统的可靠性影响比较大,随着风机台数的增加,影响逐渐趋于饱和。风机fi-数图5系统停电期望随风机台数的变化’Fig.5ThesystemSLOLEwiththenumberofwindturbines定义可靠性指标BIEWG(thebenefitofinterruptedexpectationfromwindgeneration)为:BIEWG:二墨IncrementalWfGcapacity其中:LOLE...是加入风电场之前的系统停电期望;E是加入风电场之后的系统停电期望。从此定义可以明显地看出,指标BIEWG可以很好地反映并网风电容量对系统可靠性的影响。从图6可知系统的BIEWG是7.705le一006,BIEWG越大,表明加入相同的风电功率对系统的可靠性贡献越大。从图6可以明显地看出,在原系统加入风电场后,系统的停电期望从12.8324下降到5.9397,下降了53.71%,利用相同容量的风电场代替原系统中的常规机组后,系统的停电期望从12.8324上升到19.8859,上升了54.97%。由此表明风电场出力的不确定性,相同容量的常规机组要比风电机组对系统的可靠性贡献大。抽样时间/年图6三种不同状态LOLE指标曲线图’Fig.6ThesystemSLOLEforthethreecases从图7可知,在原系统加入风电场后,系统的年停电量有显著的减小,EENS从3755.4MW/年减小到2363.6Mw/年,减小了37.06%,同时可以看到利用风电场代替原系统中相同容量的常规机组,系统的年停电量比原系统有明显增加,EENS从3755.4MW/年增加到6ll5.7MW/年,增加了62.85%。可靠性指标WGIEB(the、^,indGeneration.13O.电力系统保护与控制≥\删崔抽样时f司/年图7三种不同状态EENS指标曲线图’Fig.7ThesystemSEENSforthethreecasesInterruptedEnergyBenefit)被定义为:脚:竺二竺IncrementalWTGcapacity其中:EENS是加入风电场之前的系统停电量;EENS…是加入风电场之后的系统停电量。从图7可得加入a风电场之后是0.0016。为了分析风电机组对常规机组的等效替代容量,本文采用二分—法进行模拟,其结果是100台V902Mw的双馈异步风力发电机与78.35Mw的常规机组具有相同的可靠性指标,由此可知风电机组的等效替代容量率是39.13%。5结语本文建立了基于序贯蒙特卡罗方法的风电场发输电可靠性模型,该模型充分考虑了机组、线路、变压器以及风力发电机等设备元件的运行状态,同时采用了最优切负荷,给出具体的算法流程,并提出可靠性指标BIEWG。算例采用IEEE.RTS测试系统,风电场是由100台V90.2Mw的双馈异步风力发电机组成,风速数据取自东海风电场。仿真结果验证了所提算法的正确性,同时验证了风电出力的不确定性,以及风电场分散接入要比集中接入对系统可靠性贡献大。该算法可以被系统规划者用来有效地评估风电并网对系统可靠性的影响。参考文献[1]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].电力自动化设备,2004,24(12):70-73.—WUYichun,DINGMing.ReliabilityassessmentofwindpowergenerationsystembasedonMonte-Carlosimulation[J].ElectricPowerAutomationEquipment,2004。24(12):70.73.[2]王海超,鲁宗相,周双喜.风电场发电容量可信度研…—究.中国电机工程学报,2005,25(10):103106.——WANGHaichao,LUZongxiang,ZHOUShuang-xi.Reliabilityofthecapacitycreditofwindenergyresources[J].ProceedingsoftheCSEE,2005,25(10):103.106.[3]WangP,BillintonR.Time-sequentialsimulationtechniqueforruraldistributionsystemreliabilitycost/worthevaluationincludingwindgenerationasalternativesupply[J].1iEProc-Gener,Transm,andDistrib,2001,148(4):355-360.[4]BillintonR,GanL.WindpowermodelingandapplicationⅣingeneratingadequacyassessment[C】.价ESCANEX93.Communications,ComputersandPowerintheModemEnvironment.ConferenceProceedings,IEEE.Canada:1993:100.106.[5]WangPeng,BillintonRoy.Reliabilitybenefi 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̄cn/cn/core-business/product/-v90-2.0mw.asDx.收稿日期:2009-11-12;—修回日期:201O303作者简介:姜文(1983一),男,博士研究生,主要研究方向为新能源、电力系统可靠性分析;E-mail:clintonjiang@sjtu.edu.ca严正(1964-),男,教授,博士生导师,主要研究方向为电力市场、电力系统稳定分析;杨建林(1980一),男,博士研究生,主要研究方向为电力市场、电力系统稳定分析。
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