计及多因素的含风能电力系统可靠性评估及优化研究

【摘要】：随着传统能源资源的日益枯竭及其污染气体的严重排放，人们正在积极寻找能够满足人类能源需求的可替代能源。风能作为一种清洁的可再生能源，是最主要的可替代能源之一。世界上许多国家已出台支持开发风能资源的相应政策，加之风力发电技术的日趋成熟，风能的开发规模也越来越大。风速的随机性和间歇性使得风力发电功率具有波动性和不可控性，大规模风电并网将对电网的安全性和可靠性产生影响。因此，研究风电系统可靠性评估模型、分析风电场对电力系统可靠性的综合影响等，对含风电场的电力系统设计、规划和运行等具有重要的理论指导意义和实际应用价值。 随着风电场规模的扩大、数目的增多、集电系统拓扑的扩展以及风电机组密集度的增加，诸多因素，如：尾流效应、单风电场风的条件相依性、多风电场风的多重相关性、集电系统故障、风电场风机布局等，对风电场年发电量及可靠性的影响也更加凸显。基于此，本文结合国家自然科学基金“风电场可靠性评估的概率模型及算法”（51077135）和重庆市杰出青年基金“大规模风电系统可靠性评估及优化配置研究”（CSTC2010BA3006）项目，对计及前述因素的风速模型、风电场可靠性评估、风电场可靠性优化等问题进行了深入研究。 风的大小和方向是风速尾流模型的关键影响因素，而尾流效应对风电场年发电量、可靠性等有很大影响。风速与风向并非完全独立的随机变量，它们之间蕴含有一定的条件相依性，因此，在建立风速和风向模型时需要计及它们之间的条件相依性，以提高风电场可靠性评估的精确性。基于此，本文基于风向经验概率分布函数，建立风向样本生成模型；基于尾流效应原理和风速Weibull模型以及风速与风向之间的条件相依性，建立计及尾流效应和风向分布的风速条件相依模型，进而生成具有条件相依性的风速与风向。实测风速和风向数据验证了该模型的有效性和实用性。 多个风电场的风速、风向间常存在多重多维相关性关系。当多个风电场接入电网时，模拟具有多重多维相关性的风速和风向样本是进行可靠性评估的先决条件。本文根据Copula理论分别建立风电场风速、风向的正态Copula函数和Archimedean Copula函数，利用经验Copula函数对模型进行选择。采用风向经验分布和风速Weibull分布模型及聚类、变换和插值方法建立风速与风向的条件相依模型，进而建立具有多重多维相关性的风速和风向数据生成模型。通过实际观测风速和风向数据对所提方法和模型进行了验证，结果表明模拟数据能够保持与原始数据相同的相关性、条件相依性、数字特征和分布特性。 风电场中除风电机组的故障影响风电场发电量外，其它因素，如：集电线路故障、开关设备的隔离和切换操作、集电系统拓扑结构等，均对风电场发电量有不同程度的影响，现有研究鲜有计及该类因素的综合影响评估风电系统可靠性。本文结合风电场集电系统的结构特点，提出集电系统分块概念和风电场集电系统可靠性的指标。计及集电系统元件的多重故障以及开关设备的故障隔离、切换及隔离范围等因素影响，利用分块枚举法和矩阵运算等建立风电场集电系统的多状态概率模型，进而得到风电场集电系统可靠性评估模型。分别对四种典型结构的风电场集电系统进行可靠性评估，算例验证了方法的可行性和有效性，结论表明该方法对风电场集电系统拓扑结构规划具有重要的参考价值。 由于尾流效应影响和风电场地形限制等因素，风电场中不同风机布局对应的风电场发电量不尽相同。在风电场规划阶段，为提高风电场年发电量和系统充裕性需要根据区域内风的分布特性和尾流原理优化风电场最优风机布局。本文根据几何学理论确定风电机组尾流区域和计算风电机组之间的水平距离和垂直距离；计及区域风速与风向的联合分布特性，以最大化风电场发电量为目标函数，利用带收缩因子和变异因子的改进粒子群优化算法优化风电场最优风机布局。将该优化模型应用到实际区域的风电场布局规划中，并将优化后的风电场接入到可靠性测试系统分析风电场布局优化的可靠性效益。算例表明优化后的风电场能有效降低尾流效应的影响，增加风电场的发电量，改善系统的可靠性。 风力发电与传统机组发电的主要差别是风电具有波动性和不可调度性。现有含风电场电力系统可靠性的研究能有效计及风电对电网的充裕性贡献，但鲜有能计及风电功率波动对电网可靠性的不利影响。电力系统在稳态运行中，系统既要实时满足负荷功率需求，还要在发电或负荷功率波动时做实时调整，基于电网稳态运行特性，本文计及电网的静态频率特性探讨了能够刻画风电功率波动因素的含风电场发电系统可靠性评估模型。采用负荷等值、机组状态模拟、系统静态频率调节等方法建立评估模型，并模拟系统稳态运行和负荷削减过程。将该模型应用于可靠性测试系统，算例表明该模型不仅能够反映风电功率对电力系统可靠性的功率贡献还能反映风电功率波动对电力系统可靠性的负面影响。 【关键词】：风速模型 多重相关性 风电场集电系统 风电场布局优化 可靠性评估
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM614;TM732
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-12
• 1 绪论12-28
• 1.1 研究背景和研究意义12-13
• 1.2 风力发电发展概述13-17
• 1.3 电力系统可靠性评估基础17-20
• 1.3.1 电力系统可靠性的基本概念17-18
• 1.3.2 电力系统可靠性评估方法18-20
• 1.3.3 电力系统可靠性评估指标20
• 1.4 风速模型20-23
• 1.4.1 风速风向模型21-22
• 1.4.2 风速相关性模型22-23
• 1.5 含风电场的发电系统可靠性评估23-25
• 1.5.1 风电场集电系统可靠性评估23-24
• 1.5.2 含风电场的发电系统可靠性评估24-25
• 1.6 风电场布局优化模型及其在可靠性中的应用25-26
• 1.7 本文的主要研究内容26-28
• 2 计及尾流效应和风向概率分布的风速条件相依模型28-46
• 2.1 引言28-29
• 2.2 风速和风向相依性的初步分析29
• 2.3 风速条件相依模型29-32
• 2.3.1 风速和风向的概率分布模型29-30
• 2.3.2 基于风向分布的风速条件相依模型30-31
• 2.3.3 条件相依性的风速风向生成算法31-32
• 2.4 平坦地形和复杂地形的尾流效应模型32-35
• 2.5 计及尾流和条件相依性的发电系统评估算法及指标35-38
• 2.5.1 含风能的发电系统可靠性影响和效益指标36-37
• 2.5.2 计及尾流和条件相依性的发电系统可靠性评估算法37-38
• 2.6 算例分析38-44
• 2.6.1 风速条件相依模型的验证38-41
• 2.6.2 风速条件相依模型在发电系统可靠性评估中的应用41-44
• 2.7 本章小结44-46
• 3 基于 Copula 理论的风电场多重风速风向相关性模型46-60
• 3.1 引言46-47
• 3.2 风电场多重相关性的初步分析47-48
• 3.3 风电场多重风速风向相关性模型48-52
• 3.3.1 Copula 理论及相关性模型48-50
• 3.3.2 多重相关性的风速与风向生成模型50-52
• 3.4 计及多重风速风向相关性的发电系统可靠性评估52-53
• 3.5 算例分析53-58
• 3.5.1 多重风速风向相关性模型的验证53-56
• 3.5.2 多重风速风向相关性模型在可靠性评估中的应用56-58
• 3.6 本章小结58-60
• 4 基于分块枚举法的风电场集电系统可靠性评估算法60-78
• 4.1 引言60
• 4.2 风电场集电系统典型拓扑结构60-62
• 4.3 风电机组的等效模型和多状态容量概率表62-63
• 4.3.1 风电机组可靠性等效模型62-63
• 4.3.2 风电机组多状态容量概率表63
• 4.4 单个分块的机组运行台数概率表63-67
• 4.4.1 集电系统单元件可靠性模型63-64
• 4.4.2 分块的定义及形成算法64-65
• 4.4.3 单个分块的机组运行台数概率表65-67
• 4.5 风电场集电系统多状态容量概率表67-69
• 4.5.1 风电场机组运行台数概率表67-68
• 4.5.2 风电场集电系统多状态容量概率表68-69
• 4.6 风电场集电系统可靠性评估指标69-70
• 4.7 风电场集电系统可靠性评估的分块枚举算法70-71
• 4.8 算例分析71-77
• 4.8.1 单台风电机组多状态容量概率表72
• 4.8.2 单个分块的机组运行台数概率表72-73
• 4.8.3 风电场集电系统机组运行台数概率表73-74
• 4.8.4 风电场集电系统可靠性评估74-76
• 4.8.5 风电场馈线故障率对可靠性的影响76-77
• 4.9 本章小结77-78
• 5 基于几何学和粒子群算法的风电场布局优化方法78-102
• 5.1 引言78-79
• 5.2 粒子群优化算法79-81
• 5.2.1 粒子群优化算法理论79-81
• 5.2.2 带变异因子的粒子群算法81
• 5.3 基于几何学和粒子群算法的风电场布局优化方法81-88
• 5.3.1 风机上游区域的搜索方法81-84
• 5.3.2 风机间距离的计算方法84
• 5.3.3 风电场布局优化模型84-86
• 5.3.4 风电场布局优化算法86-88
• 5.4 计及综合因素的含风电场发电系统可靠性评估算法88-90
• 5.5 算例分析：风电场布局优化算例90-96
• 5.5.1 基于几何学和粒子群算法的风电场布局优化90-95
• 5.5.2 风电场布局优化算法在发电系统可靠性中的应用95-96
• 5.6 算例分析：考虑综合因素的含风能发电系统可靠性评估算例96-100
• 5.7 本章小结100-102
• 6 计及静态频率特性的含风能发电系统可靠性评估方法探讨102-118
• 6.1 引言102-103
• 6.2 等值负荷模型103
• 6.3 电力系统静态频率特性模型103-106
• 6.3.1 电力系统静态频率特性103-105
• 6.3.2 传统机组爬坡率和备用容量105-106
• 6.3.3 参数约束106
• 6.4 计及静态频率特性的电力系统可靠性评估106-111
• 6.4.1 含风电场的发电系统可靠性评估模型107-108
• 6.4.2 确定允许负荷变化量108-109
• 6.4.3 负荷削减、频率恢复和负荷恢复过程109-111
• 6.5 计及静态频率特性的发电系统可靠性评估指标111-112
• 6.6 计及静态频率特性的发电系统可靠性评估算法112-113
• 6.7 算例分析113-117
• 6.7.1 计及静态频率特性的系统可靠性评估114-115
• 6.7.2 系统参数变化对系统可靠性的影响115-117
• 6.8 本章小结和展望117-118
• 7 结论118-120
• 致谢120-122
• 参考文献122-132
• 附录132-133
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文132-133
• B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目及成果133

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