本發(fā)明涉及風(fēng)電場
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是一種風(fēng)電場集電系統(tǒng)可靠性計算方法。
背景技術(shù)：
：風(fēng)能具有分布廣泛、清潔可再生等特點，隨著化石能源的耗盡和環(huán)境問題的惡化，風(fēng)能得到了大規(guī)模發(fā)展。由于風(fēng)力發(fā)電成本持續(xù)下降及風(fēng)電技術(shù)的日益成熟，風(fēng)電裝機(jī)容量和風(fēng)電場規(guī)模逐漸擴(kuò)大，大規(guī)模并網(wǎng)是風(fēng)電發(fā)展的必然走向。風(fēng)電的出力取決于風(fēng)速，風(fēng)速具有波動性、間歇性等不可控特性，因此風(fēng)電出力具有間歇性和波動性，風(fēng)電并網(wǎng)將顯著降低電力系統(tǒng)的可靠性、安全性。影響風(fēng)電場可靠性的因素主要包括風(fēng)況、風(fēng)電型號、集電系統(tǒng)接線方式等。與傳統(tǒng)機(jī)組不同，為提高對風(fēng)力的利用，風(fēng)機(jī)間的距離相對較遠(yuǎn)，一般先將若干臺風(fēng)機(jī)通過風(fēng)電場集電系統(tǒng)連接在一條匯流母線上，再經(jīng)由匯流母線與變壓器相連。集電系統(tǒng)的接線方式對風(fēng)電場的可靠性會產(chǎn)生影響，因此，有必要建立精確、完善的風(fēng)電場可靠性評估模型，以便更準(zhǔn)確的衡量風(fēng)電場的可靠性，并為選擇風(fēng)電場集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供參考。目前對于風(fēng)電場的研究主要集中在風(fēng)電接入對電網(wǎng)造成的影響，對于風(fēng)電場自身的可靠性研究較少，尤其是對于風(fēng)電場集電系統(tǒng)的可靠性評估成果較少。從評估對象角度看，風(fēng)電場集電系統(tǒng)屬于發(fā)電系統(tǒng)，但從結(jié)構(gòu)上，風(fēng)電場集電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更接近于配電網(wǎng)，這是因為風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量較小，需要串狀連接后接于匯流母線。此外，風(fēng)電場集電系統(tǒng)包含元件眾多，接線方式靈活，因此，有必要對集電系統(tǒng)進(jìn)行研究，把風(fēng)電場作為單獨的整體進(jìn)行可靠性評估。前述的研究主要分析風(fēng)況、地形、機(jī)組故障等對風(fēng)電場可靠性的影響，針對不同集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的風(fēng)電場可靠性的研究較少，且已有研究普遍采用解析法進(jìn)行建模求解，但解析的集電系統(tǒng)模型無法結(jié)合風(fēng)速的時序自相關(guān)特點，在評估含儲能的風(fēng)電場可靠性時無法應(yīng)用。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的就是提供一種風(fēng)電場集電系統(tǒng)可靠性計算方法，提高了風(fēng)電場集電系統(tǒng)可靠性的準(zhǔn)確率，且可對含儲能的風(fēng)電場的可靠性進(jìn)行計算。本發(fā)明的是通過這樣的步驟實現(xiàn)的：S1、建立風(fēng)速和風(fēng)機(jī)出力模型；S2、建立等值風(fēng)電機(jī)組和集電系統(tǒng)的可靠性模型；S3、計算等值風(fēng)電機(jī)組的通路集合和隔離集合；S4、定義計及集電系統(tǒng)的風(fēng)電場可靠性指標(biāo)；S5、采用序貫蒙特卡洛法進(jìn)行集電系統(tǒng)風(fēng)電場的可靠性評估；進(jìn)一步，所述建立風(fēng)速和風(fēng)機(jī)出力模型包括建立風(fēng)速模型和建立風(fēng)機(jī)出力模型；建立風(fēng)速模型包括以下步驟：S1、通過對風(fēng)速歷史數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理得到標(biāo)準(zhǔn)化后的風(fēng)速序列模型，如(1)所示：Vt=Vt(0)-μvσv---(1)]]>式中，Vt(0)是原始風(fēng)速序列；μV和σV為歷史風(fēng)速每小時的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差；Vtb為標(biāo)準(zhǔn)化后的風(fēng)速序列；S2、使用Vtb計算自回歸滑動平均模型ARMA(n,m),如(3)所示：式中，為自回歸參數(shù)；θi(i＝1,2,…n)為滑動平均參數(shù)；Vtb是模擬得到的風(fēng)速序列；當(dāng)模型合適時，{at}是一個平均值為0且方差σa2的正態(tài)白噪過程，即αt∈N(0,σa2)；S3、建立預(yù)測風(fēng)速模型；通過標(biāo)準(zhǔn)化的模擬風(fēng)速序列得到預(yù)測風(fēng)速序列，如(3)所示：Vwt＝Vtbσv+μv(3)式中，Vtb為模擬得到的風(fēng)速序列；μV和σV分別為歷史風(fēng)速每小時平均值和標(biāo)準(zhǔn)差；Vwt預(yù)測風(fēng)速序列；所述風(fēng)機(jī)出力模型如(4)所示：Pwt=00≤vt≤vciorvt≥vcoPrvt-vcivr-ccivci<vt≤vrPrvr<vt<vco---(4)]]>式中，vci、vr、vco分別為切入風(fēng)速、額定風(fēng)速和切出風(fēng)速；Pr為風(fēng)電機(jī)組額定輸出功率。進(jìn)一步，所述建立等值風(fēng)電機(jī)組和集電系統(tǒng)的可靠性模型包括建立等值風(fēng)電機(jī)組的可靠性模型和建立集電系統(tǒng)的可靠性模型；所述等值風(fēng)電機(jī)組包括三個元件，分別為風(fēng)力發(fā)電機(jī)、塔架電纜和集電變壓器且依次串聯(lián)；所述等值電機(jī)組通過斷路器與匯流母線連通；所述建立等值風(fēng)電機(jī)組的可靠性模型包括以下步驟：S1、計算等值風(fēng)電機(jī)組的故障率，一臺等值風(fēng)電機(jī)組的可靠度函數(shù)如(5)所示：λs=Σi=1nλi---(5)]]>式中，n為串聯(lián)后的元件的個數(shù)；λi表示第i個元件的故障率；S2、建立等值風(fēng)電機(jī)組的可靠性模型；所述等值風(fēng)電機(jī)組的可靠性采用等值風(fēng)電機(jī)組正常工作狀態(tài)和等值風(fēng)電機(jī)組故障狀態(tài)表示；所述等值風(fēng)電機(jī)組正常工作轉(zhuǎn)態(tài)的故障率用λd表示；所述等值風(fēng)電機(jī)組故障狀態(tài)的修復(fù)率用μd表示；所述等值風(fēng)電機(jī)組的可靠性如(6)所示：R(t)＝e-λdt(6)等值風(fēng)電機(jī)組正常工作持續(xù)時間τ1如式(7)所示：τ1=-1λdlnγ1=-MTTFlnγ1---(7)]]>式中，γ1是在[0,1]上均勻分布隨機(jī)數(shù)；MTTF是平均無故障持續(xù)工作時間。等值風(fēng)電機(jī)組故障修復(fù)時間τ2如式(8)：τ2=-1μdlnγ2=-MTTRlnγ2---(8)]]>式中，γ2是在[0,1]上均勻分布隨機(jī)數(shù)；MTTR是平均修復(fù)時間。所述集電系統(tǒng)模型分為輻射形、單邊環(huán)形、雙邊環(huán)形和星形；所述集電系統(tǒng)包括饋電線路、若干聯(lián)絡(luò)線、若干隔離開關(guān)、若干短路器，所述饋電線路包括匯流母線與若干饋線；所述集電系統(tǒng)的可靠性采用集電系統(tǒng)正常工作狀態(tài)和集電系統(tǒng)故障狀態(tài)表示；所述集電系統(tǒng)正常工作轉(zhuǎn)態(tài)的故障率用λj表示；所述集電系統(tǒng)故障狀態(tài)的修復(fù)率用μj表示；所述集電系統(tǒng)的可靠性如(9)所示：(此處也是這樣計算嗎)R(t)＝e-λdt(9)集電系統(tǒng)正常工作持續(xù)時間τ3式(10)示：τ3=-1λjlnγ1=-MTTFlnγ1---(10)]]>式中，γ3是在[0,1]上均勻分布隨機(jī)數(shù)；集電系統(tǒng)故障修復(fù)時間τ4式(11)：τ4=-1μjlnγ2=-MTTRlnγ2---(11)]]>式中，γ4是在[0,1]上均勻分布隨機(jī)數(shù)。進(jìn)一步，所述通路是指若干饋線組成的一條能將單個等值風(fēng)電機(jī)組與匯流母線連通的集合；所述通路集合是指單個等值風(fēng)電機(jī)組所有通路的集合，所述隔離是指導(dǎo)致單個等值風(fēng)電機(jī)組不能與匯流母線連通的某段饋線；所述隔離集合是指單個等值風(fēng)電機(jī)組所有隔離的集合；所述通路和隔離均采用深度優(yōu)先遍歷算法計算得到。進(jìn)一步，所述定義計及集電系統(tǒng)的風(fēng)電場可靠性指標(biāo)；所述可靠性指標(biāo)包括等值風(fēng)電機(jī)組停運指標(biāo)和風(fēng)電場年期望發(fā)電量指標(biāo)；所述可靠性指標(biāo)包括等值風(fēng)電機(jī)組停運指標(biāo)包括所述等值風(fēng)機(jī)停運分為等值風(fēng)電機(jī)組自身故障和不能有效與匯流母線連接兩種情況；等值風(fēng)電機(jī)組自身故障概率如式(12)所示：Pfail=TgenfailTtotal---(12)]]>式中Tgenfail為第i臺等值風(fēng)電機(jī)組自身故障時間，Ttotal為模擬時間，Pfail為等值風(fēng)電機(jī)組自身故障概率；等值風(fēng)電機(jī)組不能有效與匯流母線連接概率如式(13)所示：Pdiscon=TdisconTtotal---(13)]]>式中Tdiscon為等值風(fēng)電機(jī)組受累停運時間，Ttota為l模擬時間，Pdison為等值風(fēng)電機(jī)組受累停運概率；等值風(fēng)電機(jī)組總停運概率如式(14)所示：Pfault=TfaultTtotal---(14)]]>式中Tfault為第i臺等值風(fēng)電機(jī)組無法有效出力時間，Ttotal為模擬時間，Pfault為等值風(fēng)電機(jī)組總停運概率；集電系統(tǒng)對于等值風(fēng)電機(jī)組無法出力的影響概率如式(15)所示：Q=pdisconpfault---(15)]]>設(shè)模擬時間Ttotal內(nèi)，風(fēng)電場中有i臺等值風(fēng)電機(jī)組有效出力的時間為Ti，則有i臺等值風(fēng)電機(jī)組有效運行的概率如式(16)所示：Pi=TiTtotal---(16)]]>所述風(fēng)電場年期望發(fā)電量是指反應(yīng)風(fēng)電場提供電能的平均水平；所述風(fēng)電場年期望發(fā)電量指標(biāo)包括AEPCW、AEPW、LOEEC、LOEEw；所述AEPCW是指考慮風(fēng)速不確定性、時序自相關(guān)性、等值風(fēng)電機(jī)組、饋線故障的年期望發(fā)電量；所述AEPW是指僅考慮風(fēng)速不確定性和自相關(guān)性的年期望發(fā)電量；所述LOEEC是指因饋線和等值風(fēng)電機(jī)組故障而減少的年期望發(fā)電量；所述LOEEw是指因風(fēng)速不確定性減少的年期望發(fā)電量。AEPCW=Σt=1TtotalΣj=1mSj×PsingleTtotal/8760---(17)]]>AEPW=Σt=1Ttotalm×PsingleTtotal/8760---(18)]]>LOEEC＝AEPCW-AEPW(19)LOEEW=Σt=1TtotalΣj=1mPsingle-AEPW---(20)]]>(17)至(20)式中，Ttotal為模擬進(jìn)行的總時間；m為等值風(fēng)電機(jī)組臺數(shù)；Sj為等值風(fēng)電機(jī)組是否停運的標(biāo)示，0代表停運，1代表不停運；Psingle為單臺等值風(fēng)電機(jī)組出力；風(fēng)電場的效率如下列式子：ηacw=AEPCWΣt=1TtotalΣj=1mPsingle---(21)]]>ηw=LOEEWΣt=1TtotalΣj=1mPsingle---(23)]]>ηc=LOEECΣt=1TtotalΣj=1mPsingle---(23)]]>ηcw=LOEECAEPCW---(24)]]>(21)至(24)式中，Pr為等值風(fēng)電機(jī)組的額定功率；m為等值風(fēng)電機(jī)組臺數(shù)；ηacw是風(fēng)電場發(fā)電效率表示風(fēng)電場在模擬過程中實際發(fā)電量占滿發(fā)發(fā)電量的百分比；ηw為風(fēng)速不確定性造成的風(fēng)電損失占滿發(fā)發(fā)電量的百分比；ηc為饋線和等值風(fēng)電機(jī)組故障引起的風(fēng)電損失占滿發(fā)發(fā)電量的百分比；ηcw為饋線和等值風(fēng)電機(jī)組故障引起的風(fēng)電損失占實際發(fā)電量的百分比。進(jìn)一步，所述采用序貫蒙特卡洛法進(jìn)行集電系統(tǒng)風(fēng)電場的可靠性評估包括以下步驟；S1：數(shù)據(jù)初始化，計算集電系統(tǒng)和等值風(fēng)電機(jī)組的可靠性參數(shù)、輸入風(fēng)速歷史數(shù)據(jù)，設(shè)置初始模擬時間為1，設(shè)置模擬結(jié)束時間為Ttotal；S2：根據(jù)集電系統(tǒng)模型分別求得m臺等值風(fēng)電機(jī)組與匯流母線的通路集合Li，其中i＝1,2,…,m；S3：根據(jù)風(fēng)速歷史數(shù)據(jù)得到ARMA模型；S4：對n條饋線和m臺等值風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行抽樣，產(chǎn)生m+n個在[0,1]上均勻分布的隨機(jī)數(shù)，計算最短的狀態(tài)持續(xù)時間Dmin和下一時刻將發(fā)生狀態(tài)改變的組件p；所述狀態(tài)包括等值風(fēng)電機(jī)組故障狀態(tài)、等值風(fēng)電機(jī)組正常工作狀態(tài)、集電系統(tǒng)正常工作轉(zhuǎn)態(tài)、集電系統(tǒng)故障轉(zhuǎn)態(tài)；根據(jù)集電系統(tǒng)模型分別求得m臺等值風(fēng)電機(jī)組與匯流母線的隔離Gi，其中i＝1,2,…,m；所述組件包括等值風(fēng)電機(jī)組和饋線；S5：使用ARMA模型得到Dmin個預(yù)測風(fēng)速序列數(shù)據(jù)，根據(jù)風(fēng)機(jī)出力模型得到單臺等值風(fēng)電機(jī)組在Dmin時間內(nèi)的時序出力值；S6：根據(jù)每臺等值風(fēng)電機(jī)組的聯(lián)通標(biāo)示和可用標(biāo)示計算可有效出力的等值風(fēng)電機(jī)組臺數(shù)num；S7、計算風(fēng)電場出力并統(tǒng)計可靠性數(shù)據(jù)，所述可靠性數(shù)據(jù)包括等值風(fēng)電機(jī)組的故障時間、不聯(lián)通時間、有效出力時間、運行臺數(shù)指標(biāo)；S8：若元件p為等值風(fēng)電機(jī)組，則改變等值風(fēng)電機(jī)組的可用標(biāo)示，并轉(zhuǎn)至S9；若元件p為饋線，則轉(zhuǎn)至S8；S9：計算饋線p狀態(tài)改變后對每臺等值風(fēng)電機(jī)組聯(lián)通性的影響，更新每臺等值風(fēng)電機(jī)組的隔離集合Gi，改變等值風(fēng)電機(jī)組的聯(lián)通標(biāo)示；S10：更新可有效出力的等值風(fēng)電機(jī)組臺數(shù)；S11：如果模擬時間小于Ttotal，則返回至S3，否則結(jié)束。由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點：此方法把對不同集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和自相關(guān)性的時序風(fēng)速模型做為計算依據(jù)，提高了風(fēng)電場集電系統(tǒng)的可靠性的準(zhǔn)確率，且可對含儲能的風(fēng)電場的可靠性進(jìn)行計算。使用序貫蒙特卡洛方法對不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的風(fēng)電場進(jìn)行可靠性評估，可為集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇提供參考；進(jìn)行可靠性評估時，除了考慮等值風(fēng)電機(jī)組故障外，還考慮了集電線路的多重故障和開關(guān)的隔離、切換操作等，與實際情況更為符合，具有實用性。本發(fā)明的其他優(yōu)點、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進(jìn)行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標(biāo)和其他優(yōu)點可以通過下面的說明書和權(quán)利要求書來實現(xiàn)和獲得。附圖說明本發(fā)明的附圖說明如下。圖1為本發(fā)明流程圖；圖2為本發(fā)明的詳細(xì)計算過程圖；圖3為本發(fā)明的實施例中輻射形和單邊環(huán)形風(fēng)機(jī)總停運概率圖；圖4為本發(fā)明的實施例中四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的風(fēng)機(jī)總停運概率圖；圖5為本發(fā)明的實施例中四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的運行臺數(shù)概率圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。實施例：如下圖1、圖2所示，風(fēng)電場集電系統(tǒng)可靠性計算如下：風(fēng)電場共有70臺風(fēng)機(jī)，每列饋線設(shè)置7臺風(fēng)機(jī)，排成10列。風(fēng)機(jī)的切入、額定、切出風(fēng)速分別為4、15、25m/s，額定功率為2MW。相鄰風(fēng)機(jī)間的距離為500米，相鄰線路的距離為900米，隔離、切換時間均設(shè)置為1小時。風(fēng)電場等值風(fēng)電機(jī)組元件的可靠性參數(shù)如表1所示。表1等值風(fēng)電機(jī)組元件可靠性參數(shù)元件故障率(次/年)修復(fù)時間(小時/次)風(fēng)電機(jī)組1.5600塔架電纜0.015/km240集電變壓器0.0131240輸入饋電線路的可靠性參數(shù)和計算等值風(fēng)機(jī)組的可靠性參數(shù)，結(jié)果如表2所示。表2等值風(fēng)機(jī)和饋電線路可靠性參數(shù)組件故障率(次/年)修復(fù)時間(小時/次)等值風(fēng)機(jī)1.5149597饋電線路0.015/km1440計算集電系統(tǒng)為輻射形結(jié)構(gòu)時其停運概率，選取編號1～7的風(fēng)機(jī)，結(jié)果如表3所示。表3輻射形結(jié)構(gòu)的等值風(fēng)電機(jī)組停運概率表如圖3所示對比了單邊環(huán)形和輻射形結(jié)構(gòu)的風(fēng)電場的等值風(fēng)電機(jī)組總停運概率。從圖3可以看到，輻射形結(jié)構(gòu)的風(fēng)機(jī)總停運概率隨風(fēng)機(jī)編號的增大而增大，單邊環(huán)形的風(fēng)機(jī)總停運概率與編號基本無關(guān)，因此單邊環(huán)形風(fēng)電場風(fēng)機(jī)的總停運概率低于輻射形風(fēng)電場風(fēng)機(jī)。圖4給出了四種結(jié)構(gòu)下風(fēng)機(jī)的總停運概率。從圖中可以看出：單邊環(huán)形和雙邊環(huán)形有相近的可靠性，經(jīng)濟(jì)性上單邊環(huán)形優(yōu)于雙邊環(huán)形；輻射形的風(fēng)機(jī)的總停運概率與風(fēng)機(jī)編號，也就是與匯流母線的距離成正比。星形結(jié)構(gòu)的風(fēng)機(jī)總停運概率介于輻射形和單邊環(huán)形之間。圖5給出四種典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的風(fēng)機(jī)運行臺數(shù)概率分布情況。從圖中可以看出，四種情況下風(fēng)機(jī)的運行臺數(shù)分布較為類似，在63、64、65處的概率最高，單邊環(huán)形和雙邊環(huán)形的運行臺數(shù)分布接近一致。表4給出四種結(jié)構(gòu)的風(fēng)電場發(fā)電量指標(biāo)。從年期望發(fā)電量AEPCW可以看出：單邊環(huán)形集電系統(tǒng)可靠性最高，略高于雙邊環(huán)形，其次是放射形，星形的可靠性最差。從LOEEw和ηw可以看出：造成風(fēng)電場發(fā)電量遠(yuǎn)小于其裝機(jī)容量的因素是風(fēng)速的不確定性，其比例達(dá)到69％，風(fēng)電場集電系統(tǒng)元件故障的影響遠(yuǎn)低于該值。根據(jù)ηcw指標(biāo)可以看出：四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的風(fēng)電場饋電線路和風(fēng)機(jī)故障對風(fēng)電場年發(fā)電量的影響已達(dá)到10.78％、10.32％、10.36％、11.03％，因此，需要在可靠性評估中計及風(fēng)電場饋電線路和風(fēng)機(jī)故障的影響。表4四種結(jié)構(gòu)的風(fēng)電場發(fā)電量指標(biāo)從上述結(jié)果可知，運用本方法評估風(fēng)電場集電系統(tǒng)的可靠性，可以考慮風(fēng)電機(jī)組、集電線路的多重故障，計及集電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和饋線故障導(dǎo)致的開關(guān)隔離、切換等操作。該方法可應(yīng)用于具有不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的集電系統(tǒng)的風(fēng)電場可靠性評估中。最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。當(dāng)前第1頁1 2 3