,,,健美,,,江林(.國網(wǎng)四川省電力公司技能培訓(xùn)中心,四川 成都 633;.成都信息工程大學(xué)控制工程學(xué)院,四川 成都 605)
中國“十二五”規(guī)劃以來,風(fēng)力發(fā)電技術(shù)迅猛發(fā)展,裝機(jī)容量大幅增加,已成為可再生能源中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的發(fā)電技術(shù)之一。由于風(fēng)電具有間歇性、波動性和隨機(jī)性等特點,使得大規(guī)模風(fēng)電接入電力系統(tǒng)后帶來了不確定的因素,因此如何準(zhǔn)確評估風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性顯得非常重要[1-2]。
國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性評估進(jìn)行了大量的研究工作。文獻(xiàn)[3]從風(fēng)電接入電網(wǎng)后對系統(tǒng)備用容量的需求入手,分析了風(fēng)電并網(wǎng)后的系統(tǒng)可靠性問題。文獻(xiàn)[4]建立了計及尾流效應(yīng)的風(fēng)電場可靠性模型,為研究風(fēng)電場對電力系統(tǒng)可靠性的影響以及確定風(fēng)電場可信度打下基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[5-6]用超拉丁概率抽樣方法模擬實際風(fēng)速分布,以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率概率分布,得到基于超拉丁采樣的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)蒙特卡羅可靠性評估法。
以上文獻(xiàn)均未考慮風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點及元件狀態(tài)。下面首先分析了風(fēng)速與風(fēng)電機(jī)組輸出功率的關(guān)系、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點;其次提出了期望故障受阻電能相等的方法,根據(jù)風(fēng)資源情況和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)元件狀態(tài)對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可靠性狀態(tài)進(jìn)行劃分,并建立相應(yīng)的可靠性指標(biāo)體系;最后結(jié)合實際風(fēng)電場歷史運(yùn)行數(shù)據(jù),對可靠性評估指標(biāo)體系進(jìn)行統(tǒng)計,從而完成對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評估。
由于風(fēng)速具有隨機(jī)性、波動性和間歇性等特點會導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動性變大,同時風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點和元件的可靠性也決定了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率。
風(fēng)機(jī)由于其能量轉(zhuǎn)換原理限制,其輸出功率主要受季節(jié)氣候和風(fēng)速的影響。
1)季節(jié)與時間的影響
中國“三北”地區(qū)風(fēng)資源較為豐富。一般來說,一年中春季和冬季風(fēng)資源較豐富,夏季風(fēng)資源較貧乏;在一天中來說,白天風(fēng)資源較貧乏,而夜晚風(fēng)資源較豐富[7]。
2)風(fēng)速大小的影響
風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和輸出功率都與風(fēng)速息息相關(guān)。圖1給出了風(fēng)電機(jī)組輸出功率與風(fēng)速的曲線[8]。
圖1 風(fēng)電機(jī)組輸出功率曲線
從圖中可以看出,曲線分為4段:當(dāng)風(fēng)速小于切入風(fēng)速時,風(fēng)機(jī)輸出功率幾乎為0;當(dāng)風(fēng)速處于切入風(fēng)速和額定風(fēng)速區(qū)域內(nèi)時,風(fēng)機(jī)輸出功率與風(fēng)速近似為線性關(guān)系;當(dāng)風(fēng)速位于額定風(fēng)速和切除風(fēng)速區(qū)域內(nèi)時,風(fēng)機(jī)輸出功率為額定功率;當(dāng)風(fēng)速大于切除風(fēng)速時,風(fēng)機(jī)輸出功率為0。因此,將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)狀態(tài)按照風(fēng)資源的充裕度進(jìn)行劃分:資源停運(yùn)、資源限制減額運(yùn)行和全額運(yùn)行狀態(tài)。
實際風(fēng)電場中采用輻射狀的連接方式,通過電纜將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組依次連接起來,并匯集到變壓器,如圖2所示。圖中n臺風(fēng)電機(jī)組連接成1“串”,同時m串機(jī)組并聯(lián)匯入1臺變壓器,多臺變壓器并聯(lián)接入母線。在同一可靠性標(biāo)準(zhǔn)下,用1臺相同容量的發(fā)電機(jī)組等效替代風(fēng)電機(jī)組“串”。
圖2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本構(gòu)架
根據(jù)這些結(jié)構(gòu)特點,可知單臺風(fēng)電機(jī)組故障時,會導(dǎo)致所在風(fēng)電機(jī)組“串”輸出功率降低,可以認(rèn)為機(jī)組“串”處于部分停運(yùn)狀態(tài);如果變壓器出現(xiàn)故障,將會導(dǎo)致與變壓器相連的所有風(fēng)電機(jī)組停運(yùn)。因此按照元件狀態(tài)對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)可劃分為:故障停運(yùn)、故障減額運(yùn)行和全額運(yùn)行狀態(tài)。下面針對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析。
1—風(fēng)力發(fā)電機(jī);2—接觸器;3—塔筒內(nèi)電纜;4—風(fēng)機(jī)出口箱式變壓器;5—中壓斷路器;6—隔離開關(guān)圖3 單臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)如圖3所示,當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、接觸器、箱式變壓器、中壓斷路器中任何一個元件故障時,這個風(fēng)電機(jī)組將停運(yùn)。由于中壓斷路器具有隔離作用,單臺風(fēng)電機(jī)組故障停運(yùn)后,不會影響到同一電纜連接的其他機(jī)組正常運(yùn)行。因此單臺風(fēng)電機(jī)組的綜合故障停運(yùn)率為
(1)
與此同時,隔離開關(guān)的故障也會引起風(fēng)電機(jī)組的停運(yùn)。當(dāng)隔離開關(guān)的數(shù)量大于1時,隔離開關(guān)故障時會導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組停運(yùn)范圍擴(kuò)大。隔離開關(guān)對可靠性的影響主要有2種情況:
1)當(dāng)風(fēng)機(jī)位于“串”的末端時,即中壓斷路器通過隔離開關(guān)直接與電纜相連,此時中壓斷路器、隔離開關(guān)、電纜L的故障將造成末端風(fēng)電機(jī)組的停運(yùn),如圖4所示。其停運(yùn)率為
(2)
式中:Q1為末端風(fēng)機(jī)的故障停運(yùn)率;qL為電纜L的故障率;q1~q6為圖4中元件1~6的故障停運(yùn)率。
圖4 末端風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)
2)當(dāng)風(fēng)電機(jī)組位于“串”的中部時,2臺隔離開關(guān)分別連接前后2臺風(fēng)機(jī),其連接如圖5所示。導(dǎo)致風(fēng)機(jī)停運(yùn)的主要原因有:中壓斷路器B、隔離開關(guān)S1、S2或電纜L故障。根據(jù)期望故障受阻電能不變的原則[9],對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行劃分,將系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)的概率乘以該狀態(tài)下系統(tǒng)的輸出功率,并進(jìn)行累加,再除以機(jī)組裝機(jī)容量得到等效故障停運(yùn)率,即
(3)
式中:Qn為n臺風(fēng)電機(jī)組經(jīng)串聯(lián)連接后的等效故障停運(yùn)率,采用層次迭代法得到;Qn-1為n-1臺風(fēng)電機(jī)組經(jīng)串聯(lián)連接后的等效故障停運(yùn)率;Q1可以由式(2)計算得到。
圖5 中部風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)
根據(jù)電力系統(tǒng)串并聯(lián)方式后的可靠性計算公式[10],“m串”風(fēng)電機(jī)組并聯(lián)后的停運(yùn)率Qp為
(4)
并聯(lián)后的風(fēng)電機(jī)組“串”再與變壓器串聯(lián)后,得到風(fēng)電-變壓器組的停運(yùn)率QPI為
QPI=QP+Q1
(5)
根據(jù)上述分析,將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障分為系統(tǒng)完全故障和系統(tǒng)部分故障兩類:
1)K組風(fēng)機(jī)-變壓器組并聯(lián)發(fā)電系統(tǒng)完全故障概率QC為
(6)
2)在實際過程中,由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)-變壓器組較多,所以發(fā)生完全故障的概率并不大,更多時候是由于風(fēng)電機(jī)組或變壓器引起的系統(tǒng)部分故障。
當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組串發(fā)生故障,由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組“串”間相互獨(dú)立,且系統(tǒng)停運(yùn)概率服從二項分布,風(fēng)電機(jī)組“串”停運(yùn)率Q1P可按式(7)計算。
(7)
當(dāng)變壓器故障,采用類似的分析方法,得到部分變壓器停運(yùn)率Q2P為
(8)
由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組“串”和變壓器的故障相對獨(dú)立,所以得到系統(tǒng)部分停運(yùn)率QP為
QP=Q1P+Q2P
(9)
綜上,風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性取決于風(fēng)資源和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。通過計及風(fēng)資源和系統(tǒng)架構(gòu)的特點,建立多狀態(tài)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可靠性模型。
可以根據(jù)風(fēng)資源和元件狀態(tài)將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性狀態(tài)劃分為以下幾種情況:
1)全額運(yùn)行狀態(tài):當(dāng)風(fēng)速較快時,即風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率能夠達(dá)到總裝機(jī)容量的70%以上。
2)資源限制減額運(yùn)行狀態(tài):當(dāng)風(fēng)速較慢時,即風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率低于總裝機(jī)容量的70%。
3)故障減額運(yùn)行狀態(tài):風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)部分元件故障導(dǎo)致輸出功率減少的狀態(tài)。
4)故障停運(yùn)狀態(tài):風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)全部停運(yùn)的狀態(tài)。
5)無風(fēng)或風(fēng)速過快停運(yùn)狀態(tài):當(dāng)風(fēng)速處于無風(fēng)或者風(fēng)速過快狀態(tài)時,風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于風(fēng)資源停運(yùn)的狀態(tài)。
針對第2節(jié)中的可靠性狀態(tài),下面從時間、出力、系統(tǒng)等方面建立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可靠性指標(biāo)體系,該體系可以反映出風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各狀態(tài)的特性。
將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)時間指標(biāo)體系按照圖6所示方式進(jìn)行劃分。
圖6 時間指標(biāo)體系
結(jié)合系統(tǒng)狀態(tài),狀態(tài)時間指標(biāo)如下:
1)全額運(yùn)行時間FRH(full run hour):風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)處于全額運(yùn)行狀態(tài)(即輸出功率達(dá)到總裝機(jī)容量70%)的累計運(yùn)行時間。
2)資源限制減額運(yùn)行時間RDH(resource deduction hour):風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于風(fēng)速的限制,輸出功率小于總裝機(jī)容量的70%的累積運(yùn)行時間。
3)故障減額運(yùn)行時間FDH(fault deduction hour):風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中部分元件故障,導(dǎo)致輸出功率減小的累積運(yùn)行時間。
4)故障停運(yùn)時間FOH(fault outage hour):風(fēng)力系統(tǒng)由于元件故障發(fā)生全站停運(yùn)的累計時間。由FOH=PH·QC計算。
5)無風(fēng)或風(fēng)速過快停運(yùn)時間NH(not use hour):系統(tǒng)處于無風(fēng)或風(fēng)速過快狀態(tài)下的累計時間。
6)年利用小時數(shù)UH(utilization hours):風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的年發(fā)電量除以系統(tǒng)總裝機(jī)容量折算的發(fā)電小時數(shù)。
7)減額運(yùn)行時間DH(deduction hour):風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于元件故障或者風(fēng)資源限制,輸出功率小于70%額定功率的運(yùn)行時間,DH=FDH+RDH。
8)運(yùn)行時間RH(run hour):風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)的累計時間,RH=FRH+DH。
9)停運(yùn)時間OH(outage hour):風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)處于完全停運(yùn)的累計時間,OH=FOH+NH。
10)周期時間PH(period hour):年統(tǒng)計時間8 760 h。
1)全額等效出力FEP(full equivalent power):風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在全額運(yùn)行狀態(tài)下的等效輸出功率。
2)資源限制下減額等效出力RDEP(resource deduction equivalent power):風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于風(fēng)速降低導(dǎo)致減額運(yùn)行狀態(tài)下的等效輸出功率。
3)故障減額等效出力FDEP(fault deduction equivalent power):風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于部分元件故障導(dǎo)致系統(tǒng)減額運(yùn)行的等效輸出功率。
4)減額等效出力EDP(equivalent deduction power):風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于風(fēng)速降低或者部分元件故障導(dǎo)致系統(tǒng)減額運(yùn)行的等效輸出功率。
5)等效出力EP(equivalent power):風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在年統(tǒng)計時間內(nèi)等效恒定輸出功率。
6)等效出力系數(shù)ECF(equivalent coefficient factor):風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等效輸出功率與額定輸出功率RP(rated power)的比值,ECF=EP/RP。
7)最大出力MP(maximum power):風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實際發(fā)電中的最大輸出功率。
8)最大出力系數(shù)MPF(maximum power factor):風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實際發(fā)電中最大輸出功率與額定功率的比值,MPF=MP/RP。
為反映風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)總體情況,其系統(tǒng)指標(biāo)如下:
1)設(shè)計可用率DU(design usability):根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)停運(yùn)概率和修復(fù)時間得到系統(tǒng)可用率設(shè)計值,DU=1-QC。
2)運(yùn)行系數(shù)OF(operating factor):風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實際運(yùn)行狀態(tài)的概率,OF=RH/PH。
3)年發(fā)電設(shè)備利用率EUR(the annual power generation equipment utilization rate):風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電設(shè)備利用的概率,EUR=UH/PH。
4)全額運(yùn)行率FRR (full run rate):風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)處于全額運(yùn)行狀態(tài)的概率,F(xiàn)RR=FRH/PH。
5)資源限制減額運(yùn)行率RDR(resource deduction rate of operation):風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實際中由于風(fēng)速限制導(dǎo)致系統(tǒng)處于減額運(yùn)行狀態(tài)的概率, RDR=RDH/PH。
6)設(shè)備故障減額運(yùn)行率EFDR(equipment fault deduction rate of operation):風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于部分元件故障,導(dǎo)致系統(tǒng)處于減額運(yùn)行狀態(tài)的概率, EFDR=FDH/PH。
7)暴露率EXR(exposure rate):風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)利用風(fēng)能的效率,等于年利用小時數(shù)與系統(tǒng)運(yùn)行時間的比值,EXR=UH/RH。
采用實際風(fēng)電場作為算例,驗證所提出的可靠性模型與指標(biāo)體系的準(zhǔn)確性與可行性。實際風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)總裝機(jī)容量為30 MW,相鄰風(fēng)電機(jī)組間的距離為500 m,5臺風(fēng)電機(jī)組組成1“串”,3組風(fēng)力發(fā)電機(jī)組串并聯(lián)接入變壓器。
采用文獻(xiàn)[12-14]的統(tǒng)計數(shù)據(jù)作為實際算例的系統(tǒng)元件參數(shù),如表1所示。實際輸出功率曲線為張家口某風(fēng)電場實測數(shù)據(jù)(2015年9月1日至2016年8月31日),如圖7所示。
表1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各元件可靠性參數(shù)
圖7 8 760 h輸出功率曲線
分析系統(tǒng)故障情況,n=5,m=1,k=3,根據(jù)式(1)得:
qWTG=0.086 3
當(dāng)負(fù)荷開關(guān)數(shù)為1時,其等效故障概率為
Q1=0.087 1
由5臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成的“串”的等效故障概率為
Q5=0.089 8
風(fēng)電-逆變器組的故障概率為
QPI=QP+Q1=0.171 3
若統(tǒng)計時間PH取8 760 h, 由式可得故障停運(yùn)時間為
FOH=PH·QC≈44 h
當(dāng)系統(tǒng)部分元件故障時,由于同一變壓器有3“串”風(fēng)電機(jī)組接入,故將系統(tǒng)的部分元件故障分為單 “串”風(fēng)電機(jī)組故障和兩“串”風(fēng)電機(jī)組故障,其停運(yùn)概率計算過程分別為
則可得系統(tǒng)部分故障參數(shù)如下:
QP=QP1+QP2=0.425 9
由FDH=PH·QP得到由于部分元件故障導(dǎo)致系統(tǒng)減額運(yùn)行的時間大約是3 731 h。
根據(jù)以上分析還可以計算風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于故障減額下的輸出功率與系統(tǒng)正常狀態(tài)下輸出功率的比值KP:
將圖7中的實際風(fēng)電場輸出功率數(shù)據(jù)按照第3節(jié)中的指標(biāo)體系進(jìn)行統(tǒng)計,對該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可靠性進(jìn)行評估,結(jié)果如圖8至圖10所示。
圖8 時間指標(biāo)結(jié)果
從圖8可以看出,風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于元件故障導(dǎo)致系統(tǒng)全站停運(yùn)時間最少;風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)停運(yùn)時間約為1 200 h,占全年的13.7%;運(yùn)行時間遠(yuǎn)超過停運(yùn)時間,說明風(fēng)電場所處環(huán)境和運(yùn)行狀態(tài)較好;系統(tǒng)全額運(yùn)行時間只占整個運(yùn)行時間的13%,由于風(fēng)速降低導(dǎo)致系統(tǒng)減額運(yùn)行時間占運(yùn)行時間的比例達(dá)87%,說明本地的風(fēng)速波動性較大;年利用小時數(shù)僅為1 882 h,反映了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)資源利用效率偏低。
從圖9可以看出:風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)全額等效輸出功率約占總裝機(jī)容量的68.8%,由于風(fēng)速降低導(dǎo)致系統(tǒng)減額等效輸出功率占11%;由于元件故障導(dǎo)致系統(tǒng)減額等效輸出功率占41.9%,說明風(fēng)資源的充裕度對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率影響較大。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等效輸出功率僅占總裝機(jī)容量的21.5%,系統(tǒng)統(tǒng)計時間內(nèi)最大輸出功率為24.485 MW,占總裝機(jī)容量的81.6%。
圖9 出力狀態(tài)指標(biāo)結(jié)果
圖10 系統(tǒng)總體指標(biāo)結(jié)果
從圖10可以看出:風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可用率設(shè)計值達(dá)到99.5%,運(yùn)行系數(shù)達(dá)到86.3%,說明風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的可用率較高;元件故障減額運(yùn)行率達(dá)到42.59%,這反映了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的停運(yùn)概率偏高,符合風(fēng)電場實際運(yùn)行情況。因此,通過提高元件的可靠性是實現(xiàn)降低風(fēng)電場故障減額運(yùn)行概率的主要方式之一。年發(fā)電設(shè)備利用率為21.48%,暴露率為24.89%,反映了風(fēng)能資源的限制造成系統(tǒng)利用能源的效率降低,如果采用變轉(zhuǎn)速風(fēng)力機(jī)組或采用主動式風(fēng)流動智能控制系統(tǒng),則可以有效提高風(fēng)電場暴露率,進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性[15]。
隨著風(fēng)電技術(shù)的快速提升,發(fā)電成本大幅降低,風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)性將不斷顯現(xiàn)出來,作為重要的新能源之一,裝機(jī)容量將不斷提高。前面從風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)入手,深入研究了基于元件故障和風(fēng)資源充裕度對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可靠性的影響。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點,按照期望故障受阻電能相等的方法,用相同容量的發(fā)電機(jī)來等效替代風(fēng)電機(jī)組“串”,并建立了考慮元件狀態(tài)和資源約束的系統(tǒng)狀態(tài)。從時間、出力、系統(tǒng)3個方面建立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估指標(biāo)體系,并對其進(jìn)行可靠性評估。算例分析表明,基于元件狀態(tài)和風(fēng)資源限制的可靠性模型,可以真實反映實際系統(tǒng)的可靠性。
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