计及天气因素的风电并网系统可用输电能力评估

第41卷第1期2013年1月1U电力系统保护与控制POWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTROLV0141NO1JAN1，2013计及天气因素的风电并网系统可用输电能力评估梁海峰，郭然，高亚静1新能源电力系统国家重点实验室华北电力大学，河北保定0710032天津大学电气与自动化工程学院，天津300072摘要随着我国新能源产业的发展，风力发电并网规模不断扩大，风电并网系统的可用输电能力ATC评估成为一个关键问题。首先建立了基于WEIBU11分布的风电场模型，在分析了风电并网和恶劣天气对可用输电能力影响的基础上，建立了计及天气因素的电力系统设备模型，然后采用非序贯蒙特卡罗仿真的方法对风电并网系统的ATC进行概率评估；在每个系统状态下，采用内点法求取风电并网系统的ATC。采用含风电场的改进IEEERTS79节点系统进行了仿真和验证，结果表明，所提出的评估方法可以有效地评估天气因素和风电场容量及接入位置的不同给ATC带来的影响。关键词可用输电能力；天气；风电场；非序贯蒙特卡罗仿真；概率评估ASSESSMENTONATCOFWINDFARMINCORPORATEDSYSTEMCONSIDERINGWEATHERLIANGHAIFANG一，GUORAN，GAOYAWING1STATEKEYLABORATORYOFALTERNATEELECTRICALPOWERSYSTEMWITHRENEWABLEENERGYSOURCESNORTHCHINAELECTRICPOWERUNIVERSITY，BAODING071003，CHINA；2SCHOOLOFELECTRICALENGINEERINGANDAUTOMATION，TIANJINUNIVERSITY，TIANJIN300072，CHINAABSTRACTALONGWITHTHEUNCEASINGEXPANSIONOFTHESCALEOFWINDFARMGRIDINTEGRATIONINCHINA，ASSESSMENTONATCOFWINDFARMSINCORPORATEDSYSTEMBECOMESTHECRUXTOBERESEARCHEDINTHISFIELDTHISPAPERSTUDIESTHEIMPACTOFWINDFARMGRIDINTEGRATIONANDADVERSEWEATHERONATCFIRSTLY，THEPOWERSYSTEMFACILITIESMODELSCONSIDERINGWEATHERAREILLUSTRATEDTHENTHROUGHUSINGTHEWEIBULLMODELOFWINDSPEEDANDWINDFARMSPOWEROUTPUT，ATCINCORPORATEDWITHWINDFARMISEVALUEDONNONSEQUENTIALMONTECARLOSIMULATIONATCDETERMINATIONOFEVERYSYSTEMSTATEISCALCULATEDBYINTERIORPOINTMETHODBYUSEOFTHEMODIFIEDIEEERTS79SYSTEMINVOLVINGWINDFARM，THEIMPACTSOFWEATHERANDTHECAPACITYANDLOCATIONOFWINDFARMONATCAREASSESSEDEFFECTIVELYTHISWORKISSUPPORTEDBYTHEFUNDAMENTALRESEARCHFUNDSFORTHECENTRALUNIVERSITIESOFCHINAYO10MG04KEYWORDSATC；WEATHER；WINDFARM；NONSEQUENTIALMONTECARLO；PROBABILITYASSESSMENT中分类弓TM619文献标识码A文章编号167434152013010164050引言目前，我国风电正处于高速发展时期，预计2015年和2020年我国风电并网规模将分别达到9000万千瓦和15亿千瓦LJJ。这些“大电源”产生的电力无法完全就地消费，必须并网送出，甚至是远距离输送，由此带来了大量迫切需要研究的理论和技术问题，其中考虑大规模风电并网的电网输电能力研究就是其中的一个关键问题。在含大型风电场的发输电系统中，风电机组和输电线路在户外环境中运行容易受到天气变化的影基金项目中央高校基本科研业务费专项资金资助10MG04响。在恶劣天气下，线路故障机率增大，风机振动及由此引发的机械受损、电气系统和控制元件受损等现象频繁出现L2J。随着全球气候的恶化和风电场大规模并网，必须要计及天气和风电并网的影响才能全面地、准确地评估实际电网的可用输电能力AVAILABLETRANSFERCAPABILITY，ATC。文献3通过将异步风力发电机模型的功率输出作为风电场注入功率引入潮流计算的方法，分析了风速概率分布参数对最大输电能力的影响；文献45通过建立基于序贯蒙特卡罗仿真的包含风电场的ATC计算和概率评估模型，分析了风电场容量和并网位置对ATC的影响；文献6在两态天气模型下评估了交直流混合系统的ATC。目前，计及天气梁海峰，等计及天气因素的风电并网系统可用输电能力评估因素的风电并网系统的ATC还有待深入研究。本文考虑了恶劣天气因素，建立计及天气因素的电力系统设备模型，采用WLEIBUI1法建立风电场的风速和输出功率的模型，利用非序贯蒙特卡罗仿真，综合考虑风速、天气、负荷和设备故障等不确定性因素对系统状态进行抽样并计算相应的ATC，对风电场并网后给ATC带来的影响进行分析，为风电场的规划提供了参考依据。1风电场模型本文采用两参数WEIBUL1分布来预测风速，并采用分段线性化的方式模拟风速与风电功率的函数关系引，如式1所示。尸VPRVVCN一VCVV1VRNVRVVC。式中1，。表示切入风速；VR表示额定风速；YC。表示切出风速；尸R表示每台风机的额定功率。假设风电场有台机组正常工作，则风电场的输出功率PFA丌N为PVN2因为风电场中风机一般采用最大功率跟踪控制，所以风电场并网节点可视为PQ节点。考虑到尾流效应对风电场输出功率的影响，风电场的实际输出功率取为09P。2计及天气因素的电力系统设备模型从近些年的天气变化情况来看，灾害性天气发生的概率日益SDII。在这种趋势下有必要考虑恶劣天气因素对ATC的影响，因此本文将天气环境分为正常天气、坏天气和恶劣天气三类。在处理天气因素时，通常仅能得到某类设备的平均故障率，怎样求得第，类天气下的某类设备故障率，成为一个关键。由文献1O中公式推导可得VF，3式中为某类设备在第，类天气发生的故障占总故障次数的百分比；B，为第，类天气出现的概率。21计及天气因素的输电线路模型在远距离输电系统中，输电网络或是某一输电线路在同一时刻可能处在不同天气条件下。从逻辑关系上看，跨越多种天气条件的输电线路可等效为是由多个不同故障概率元件串联而成L】。如图1所示。H二斗_1图1输电线路分段模型FIG1THEPIECEWISESIMULATIONOFTRANSMISSIONLINE由式3可得第类天气下的输电线路故障率。设是各分段占线路总长的百分数，为第类天气下的输电线路修复率，每一分段的不可用度为，且UIXJXJ4由于UJ运行状态XFT“。61一L0，0R故障状态33常规发电机组的状态抽样常规发电机组一般在室内运行，受天气影响较小，故本文不考虑天气对常规发电机组的影响。令X代表常规发电机组K的状态，表示其故障率，通过产生个在0，1之间均匀分布的随机数R咖使F1，R运行状态一0，O故障状态T系统负荷的随机性采用服从正态分布的负荷波动来模拟，该正态分布的数学期望为负荷的预测值，其均方差表示实际负荷偏离预测值的大小。4ATC评估41ATC评估指标为研究天气和风电并网对ATC的影响，采用下列ATC评估指标L16L来定量分析电网的ATC。1ATC的期望值1NEA寺XI8VI1式中C为第I次仿真状态下的ATC值；而为第I次仿真状态；为仿真次数。2ATC的方差1寺XI一9VI13ATC的变异系数CTC104ATC的最大值MAXFATC，FN115ATC的最小值MTLCNMINFATC，IEN126ATC等于零的概率AFZMATCON13式中MATC0为ATC值等于零的仿真次数。7ATC不足概率尸PANSMATCCN14式中C为特定值；MATCC为ATC值小于特定值C的仿真次数。42基于内点法的ATC计算模型针对每一确定的系统状态，采用优化模型来计算其ATC值。目标函数为JMAX1一一15IEAE式中A为选定的送电区域；E为选定的受电区域；P为从节点I到节点的线路传输的有功功率；上标0为基态；K。为容量效益裕度系数，这里取经验值5。等式约束条件为一U，GIJCOS0IISINI016QI一U，GIISIN0JCOS0，I式中P和Q分别为节点I的注入有功和无功功率；和OI分别为节点I的电压幅值和相角；GUBU为节点导纳阵中的元素；Q为无功补偿装置。不等式约束条件为PTM“MUI“FQLFQ；MQSFO0OOO0OO0一2，456789梁海峰，等计及天气因素的风电并网系统可用输电能力评估一167式中尺G为选定送电区域的发电机集合，I，为选定受电区域的负荷集合；N为系统中所有节点构成的集合；为系统中装有无功补偿装置的节点集合；PGJ和QGF分别为送电区域发电机I的输出有功和输出无功；PL和分别为受电区域负荷I的有功功率和无功功率；JP，为线路传输的有功功率；MIN和MAX分别表示下限和上限。43ATG评估算法的流程计及天气因素的风电并网ATC评估算法的流程如下1输入系统中各设备的数据以及风电场的参数，形成系统的基本信息。2确定抽样次数。3先按天气区域进行抽样，得到设备所在区域的天气分布；再按设备进行抽样，判断设备是否故障，确定系统状态。4对抽样得到系统状态进行评估，若系统出现不能满足安全稳定约束，则认为该系统状态下ATC为0，返回步骤3。若系统正常运行，则继续步骤5。5确定所要评估的送电区域和受电区域，并用内点法求解抽样状态下的ATC。循环步骤35，直至达到抽样次数。6统计得到ATC的概率评估指标。5算例分析以修改后的IEEERTS79系统为例，研究计及天气的风电并网对ATC的影响。IEEERTS79系统由32台常规机组组成，总装机容量为3405MW，峰荷为2850MW，接线图及系统元件参数见文献171。设定抽样次数为10000，系统的基准值取100MW，选取230KV区域为送电区域，138KV区域为受电区域。选取节点13为平衡节点，负荷波动规律服从O002的正态分布，计算尸PANS时C取150MW。以2个大型风电场为例，假设每个风电场均包含70台风电机组，风机的型号均相同，额定风速、切入风速、切出风速分别为10MS、3MS、25MS，额定功率为2MW。风电机组强迫停运率取005。假设发生在正常天气、坏天气和恶劣天气三种天气类型下的故障次数占总故障次数的百分比分别为03、03和04，三种天气类型的发生概率由表1可以获得。假设风电场的机组在同一时刻处于同一类天气条件下，输电线路所在地区跨越两个天气区域，该地区的各种天气状态发生概率如表1所示。本文假设坏天气和恶劣天气条件下的修复率分别是正常天气时的23和13。为了全面分析风电并网和天气对ATC的影响，本文分别在不计及天气和计及天气两种情况下计算三种不同方案下ATC评估指标，方案的设置如下方案一无风电场并网。方案二在原系统总装机容量不变的条件下在送电区域节点21，L2分别接入一个风电场。方案三在原系统总装机容量不变的条件下在受电区域节点1，2分别接入一个风电场。在不同情况下的对比结果如表2所示。表2ATC指标的对比评估指标方案一方案二方案三EATCMW233293033934665VATC261013043240644不计O6925O5750O5816及天MWO0O气因IFTLACXMW397375310264816素PPAEZ015050104100949PPANS032030237502168EATCMW220352879233054TC266943096841823计口0741406084O6187及天MW。O0气因素MW030。PPAEZ018290122701136PPANSO3604O2588O2427由表2结果可以看出1计及天气影响与否对ATC指标有着明显的影响，不考虑天气影响时的ATC计算实际是对ATC指标较乐观的估计，因此在ATC评估中考虑天气因素是必要的。在考虑天气因素后，EAT明显减小，C、尸PAFZ和PPANS增大，这是由于恶劣天气条件下系统设备的故障率很高，在模拟系统状态时，系统不能正常运行的概率会增大，系统出现不稳定的概率会增大。2在原有系统中并入风电场，EATC和明显增大，PPAEZ和尸PANS减小，说明风电场能够提高系统的ATC。但是C明显增大，说明风速的随机性对ATC的影响不能忽略。3风电并网位置的不同对ATC的影响也不同。与在送电区域并网相比，在受电区域并网ATC充裕度指标变化较大，由此可见风电场在受电区域并网对ATC影响较大。4同时考虑风电并网和天气影响时，电网输电能力受到双重影响，ATC指标介于单独考虑风电并网和天气因素之间，更符合电网实际运行的ATC。一168电力系统保护与控制6结论为研究天气因素和风电并网对ATC的影响，本文考虑了包含恶劣天气因素的三种天气类型，建立了计及天气因素的电力系统设备模型，从而构建了基于非序贯蒙特卡罗仿真的含风电场ATC计算和概率评估模型。通过对比不同情况下的ATC评估指标，分析了天气和风电并网对ATC的影响，对风电并网系统的规划和运行具有一定的指导意义。参考文献1施鹏飞2008年国内外风电持续快速发展J】可再生能源，200927F21610SHIPENGFEIUNCEASINGANDRAPIDDEVELOPMENTOFWINDPOWERINTHEWORLDIN2008JRENEWABLEENERGYRESOURCES，2009，2726102张礼达，任腊春恶劣气候条件对风电机组的影响分R【JJ水力发电，2007，331O6769ZHANGLIDA，RENLACHUNANALYSISOFTHEINFLUENCEOFPOORWEATHERCONDITIONSONWINDPOWERGENERATINGUNITJWATERPOWER，2007，331067693王成山，王兴刚，孙玮含大型风电场的电力系统概率最大输电能力快速计算J中国电机_【程学报，2008281015662WANGCHENGSHANWANGXINGGANGSUNWEIFASTCALCULATIONANDANALYSISOFPROBABILISTICTOTALTRANSFERCAPABILITYINPOWERSYSTEMINCLUDINGLARGESCALEWINDFARMSJ1PROCEEDINGSOFTHECSEE，2008，281056624周明，冉瑞江，李庚银风电并网系统可用输电能力的评估LJ1中国电机工程学报，2010，30221421ZH0UMINGRANRUIJIANGLIGENGYINASSESSMENTONAVAILABLETRANSFERCAPABILITYOFWINDFARMINCORPORATEDSYSTEMJPROCEEDINGSOFTHECSEE，2010，3022L42115IGAOYAIINGZHANGLINLIANGHAIFENGAVAILABLETRANSFERCAPABILITYASSESSMENTWITHLARGEWINDFARMSCONNECTEDBYVSCHVDCC】ELECTRICUTILITYDEREGULATIONANDRESTRUCTURINGANDPOWERTECHNOLOGIESDRPT2011CONFERENCE，WEIHAI，SHANDONG，CHINA，69JULY，20116卢锦玲，蔡红艳，周明交直流混合系统可用输电能力评估J电网技术，2011，3542934LUJIN1INGCAIHONGYANZHOUMINGAVAILABLETRANSFERCAPABILITYEVALUATIONFORACDCHYBRIDSYSTEMJPOWERSYSTEMTECHNOLOGY,2011，35429347SURESHHJ，GURUPRASADARVOPTIMUMSITTINGOFWINDTURBINEGENERATORSJIEEETRANSONENERGYCONSERVATION，2001，16F48138黄杰鹏，李宇红，倪维斗并网风电场可避免费用的计算J1电网技术，2006，30165053HUANGJIEPENGLIYUHONGNIWEIDOUAVOIDABLECOSTOFWINDFARMINTERCONNECTEDTOPOWERGRIDJPOWERSYSTEMTECHNOLOGY,2006301650539吴义纯，丁明，李生虎风电场对发输电系统可靠性影响的评估【J】电工技术学报，2004，19117276WUYICHUN，DINGMING，LISHENGHURELIABILITYASSESSMENTOFWINDPOWERGENERATIONSYSTEMBASEDONMONTECARLOSIMULATIONJ1ELECTRICPOWERAUTOMATIONEQUIPMENT，2004，241272761O王新花，唐巍考虑元件可靠性参数修正的配电网可靠性研究J电网技术，2008，32196265，ANGXINHUARANGWLEIEVALUATIONOFDISTRIBUTIONNETWORKRELIABILITYCONSIDERINGMODIFICATIONOFCOMPONENTRELIABILITYPARAMETERSJPOWERSYSTEMTECHNOLOGY，2008，3219626511韩卫恒，刘俊勇，张建明，等冰冻灾害下计入地形及冰厚影响的分时段电网可靠性分析FJ电力系统保护与控制，2010，38158186HANWEIHENG，LIUJUNYONG，ZHANGJIANMINGETA1POWERSYSTEMTIMESECTIONRELIABILITYASSESSMENTANALYSISCONSIDERINGTOPOGRAPHYANDICINGUNDERFREEZINGDISASTERWEATHERJPOWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTROL，2010，38R151818612R明，戴仁昶，洪梅，等影响输电网可靠性的气候条件模拟J电力系统自动化，1997，2111820DINGMINGDAIRENCHANGHONGMEIETA1SIMULATIONTOTHEWEATHERCONDTIONAFFECTINGTHERELIABILITYOFTRANSMISSIONNETWORKJAUTOMATIONOFELECTRICPOWERSYSTEMS，1997，2111182013马振宇电网可靠性的蒙特卡洛仿真研究J电力系统保护与控制，2009，37145558MAZHENYURESEARCHOFMONTECARLOSIMULATIONFORPOWERSYSTEMRELIABILITYASSESSMENTJ1POWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTROL。2009，37141555814千晶，王防，潘杰