計及氣候條件含風力發(fā)電電力系統可靠性分析

李 晶，王素華

（1.沈陽工程學院電氣工程系，沈陽 110136；2.河南省電力公司商丘供電公司，商丘 476000）

隨著能源危機的到來以及人類對環(huán)境保護意識的加強，人類對可再生資源的開發(fā)和利用越來越廣泛，特別是風能和太陽能。隨著風力發(fā)電技術的不斷發(fā)展，發(fā)電成本大幅降低，風力發(fā)電已經成為水電和火電的有力補充。截止到2005年底，全世界風電機組的裝機容量已經達到59 000MW，預計到2013年全世界風電機組總裝機容量將超過120 000MW，我國也具有豐富的風能資源，到1998年底 已經建成19個并網風電場，裝機容量達到203MW，在未來的十幾年時間內 我國計劃新增風電裝機容量2 000MW以上，并且會出現400～500MW的特大型風電場。

國內外分析較多集中于單純計及氣候影響對電力系統可靠性算法的改進和研究，并通常假定保護裝置完全可靠，同時忽略了保護裝置瞬時動作時間和斷路器跳閘時間。對于增加了風電場并網的電力系統，由于風電場對氣候的敏感度相當高，直接關系到風力發(fā)電機的輸出功率、風機的切入和切出，有可能改變網絡運行的結構。因此本文將氣候條件因素的影響引入帶有風力發(fā)電電源的電力系統可靠性。

1 不同的氣候條件對元件可靠性的影響

電力系統都是處在不同的氣候條件下運行的。經驗表明，隨著所處氣候條件的變化，元件的故障率在大多數情況下也會發(fā)生變化。在某些氣候條件下，元件的故障率可能會很大。這種引起故障率增大的氣候條件并不會經常出現，而是限定在一年中的某一段時間內。因此，元件的故障率在全年的分布不是隨機的，而是存在著積聚效應。但積聚效應的存在，并不意味著元件之間彼此是不獨立的。不獨立的僅僅是共同的環(huán)境，這種環(huán)境使獨立元件出現了故障率增大的情況，故在計及氣候條件的評價方法中，對重疊停運的故障過程仍然假定元件的故障是獨立的。

1.1 計及氣候條件影響的元件故障率

元件故障率是氣候的連續(xù)函數，但是由于系統模擬、數據收集和數據處理等方面存在的困難，很難用連續(xù)函數或者許多個離散狀態(tài)對它加以描述。為了能夠充分地表示故障的積聚效應，在大多數情況下，將氣候條件分為正常天氣和惡劣天氣兩種狀態(tài)，并用隨機的持續(xù)時間期望值來描述。

圖1 天氣對故障率影響的持續(xù)時間分布Fig.1 Impact of weather on fault probability

圖1為天氣對故障率影響的持續(xù)時間分布圖。圖中，λ′為元件在惡劣天氣時的故障率，N為正常天氣的期望持續(xù)時間，S為惡劣天氣的期望持續(xù)時間，λav為考慮了氣候因素的平均故障率。由此可得

式（1）僅適用于串聯系統，不適用于并聯系統。

設F為壞天氣下發(fā)生故障的比率，0≤F≤1，則由式（1）可得

式（2）和式（3）即為元件兩狀態(tài)氣候模型的故障率。

對于n個元件串聯的系統，若第k個元件的正常天氣故障率為λk（次／a），惡劣天氣故障率為λ′k（次／a），則系統的正常的等效正常天氣故障率λe（次／a）和惡劣天氣故障率λ′e（次／a）分別為

對于兩個并聯元件構成的系統，若考慮正常天氣和惡劣天氣，其系統等效故障率λp停運時間rp的計算式推導過程十分復雜，在此僅 列出假定惡劣天氣時不進行修理的計算式如下。

令

則

1.2 受氣候條件因素影響的線路可靠性模型

在所有受氣候條件因素影響的元件中，暴露于戶外的線路是對氣候條件最為敏感的元件。惡劣氣候條件下線路的故障率明顯高于正常氣候條件下的故障率。在計及氣候條件因素的電力系統可靠性的評估中，提出了多種氣候條件下的線路可靠性模型。前述給出了考慮氣候因素后的元件故障率，當然可以用上述公式處理線路的可靠性參數，但式（4）、式（5）只適用于串聯系統。

設線路所在地有m種不同氣候條件，該線路對應有m個故障率λi

式中：Di為氣候出現的概率；Ci為該氣候下出現的故障占總故障次數的比例。

1.3 對計及氣候影響的雙回路重疊停運故障模式的評估

考慮氣候影響時，雙回路重疊停運故障模式的可靠性分析評估是一個更為復雜的問題，在此僅提供幾個分析要點，不做算式推導及數值運算。

（1）氣候對于重疊停運模式有關的可靠性指標的影響。可通過考慮以下4種情況來確定：

①初始故障發(fā)生在正常天氣，第二次故障也發(fā)生在正常天氣；

②初始故障發(fā)生在正常天氣，第二次故障發(fā)生在惡劣天氣；

③初始故障發(fā)生在惡劣天氣，第二次故障發(fā)生在正常天氣；

④初始故障發(fā)生在惡劣天氣，第二次故障也發(fā)生在惡劣天氣。

（2）對強迫停運與檢修停運重疊的評估。對此還應另外加上以下3個約束條件。

①在惡劣天氣時有可能出現時不允許檢修；

②在惡劣天氣時可繼續(xù)檢修；

③在惡劣天氣時不能繼續(xù)檢修。

2 風機并網后對系統可靠性的影響

所有的風機都是通過變壓器接入網絡的，由于變壓器的故障修復時間相對比較長，在風機接入系統以后，對系統可靠性指標的影響較大，所以即將計及變壓器的故障。

由于風能的隨機性和波動性，當風力發(fā)電作為電力系統的電源使用時，風機的切入和切出將直接導致負荷轉移，在無備用電源的情況下，將會導致整個網絡癱瘓。即便風機在網絡的分支饋線的某個點接入，它的切入和切出亦將改變整個系統的網架結構，進而影響最后的可靠性指標。

3 算例及分析

下面將以圖2IEEE－RBTS Bus6為算例，計及氣候條件因素的影響，計算系統的可靠性指標，取饋線F4所連接的負荷點31－40進行計算。

（1）未接入風力發(fā)電機時的可靠性指標計算，對線路參數應用式（9）進行處理，其結果如表1和表2所示。

表1 未接入風力發(fā)電機系統可靠性指標Tab.1 Reliability index of the system without wind generators

表2 未接入風力發(fā)電機負荷可靠性指標Tab.2 Reliability index of the load without wind generators

圖2 IEEE－RBTS Bus6Fig.2 IEEE－RBTS Bus6

（2）在圖2的分支線49的始端位置接入風力發(fā)電機，計算結果如表3和表4所示。

表3 接入風力發(fā)電機系統可靠性指標Tab.3 Reliability index of the system containing wind generators

計及氣候條件因素后，系統可靠性指標與IEEE－RBTS的標準測試結果相比有所降低。此外，當風力發(fā)電機在網絡的不同位置接入時，對系統可靠性的影響相差很大，當替代傳統交流電源接入網絡，而系統沒有其他備用電源時，系統供電可靠率有大幅的下降。而在網絡的主干線或分支饋線上接入時，對系統的影響只是可靠性指標略有下降。

算例對線路參數和風機接入的情況分別進行了處理。事實上，線路參數受氣候條件影響的同時，風機的輸入輸出也遭遇到氣候變化的影響，兩者的可靠性模型應當是以氣候條件為共同變量的復雜模型。

因此，從系統可靠性綜合評估的角度考慮，適當投入風電機組可以顯著提高電力系統可靠性。

表4 接入風力發(fā)電機負荷可靠性指標Tab.4 Reliability index of the load containing wind generators

4 結語

在對系統元件可靠性的分析中引入了氣候條件的影響。電力系統在引入風力發(fā)電機組之后，對氣候條件的變化更為敏感，因而在可靠性指標的計算過程中，同時考慮了風力發(fā)電接入網絡時用以升壓的變壓器的故障率。此外線路參數的變化以及風力發(fā)電機的運行狀況都與天氣的變化密切相關，分析不同的氣候條件下的元件參數和風機的運行狀況，進而得到含風力發(fā)電機的電力系統的可靠性參數。最后通過IEEE－RBTS Bus6算例，計算了風機在電力系統不同位置接入時負荷可靠性指標及系統可靠性指標的變化。

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