计及运行工况的风电机组停运模型

第41卷第24期2013年12月16日电力系统保护与控制POWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTROLVB141NO_24DEC162013计及运行工况的风电机组停运模型蒋程，张建华，刘先正，于坤山1华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，北京102206；2国网智能电网研究院，北京100052摘要根据风电机组停运的特点，把其分为电磁系统和机械系统。考虑电网运行工况对风机停运的影响建立了基于电网电压和频率的电磁系统的故障率模型；考虑天气对风机停运的影响建立了基于风速的机械系统的故障率模型，综合上述两方面，得到计及运行工况的风电机组故障率模型。在MATLAB中对某15MW风机进行仿真，给出了不同运行工况下风电机组的故障率。此模型能够反映电网运行条件和外界风速对风电机组故障率的影响，能够如实表征风电机组实时运行的安全可靠性水平。关键词风电机组；运行工况；停运模型WINDTURBINEOUTAGEMODELBASEDOUOPERATIONCONDITIONSJIANGCHENG，ZHANGJIANHUA，LIUXIANZHENG，YUKUNSHAN1STATEKEYLABORATORYOFALTERNATEELECTRICALPOWERSYSTEMWITHRENEWABLEENERGYSOURCES，NORTHCHINAELECTRICPOWERUNIVERSITY,BEIJING102206，CHINA；2STATEGRIDSMARTGRIDRESEARCHINSTITUTE，BEIJING100052，CHINAABSTRACTACCORDINGTOTHECHARACTERISTICSOFOUTAGE，THEWINDTURBINEISDIVIDEDINTOTWOPARTS，NAMELYTHEELECTROMAGNETICSYSTEMANDTHEMACHINERYSYSTEMTHEFAILURERATEMODELOFELECTROMAGNETICSYSTEMBASEDONTHEGRIDVOLTAGEANDFREQUENCYISESTABLISHEDCONSIDERINGTHEIMPACTOFTHEGRIDOPERATINGCONDITIONSONTHEWINDTURBINEOUTAGE，ANDTHEFAILURERATEMODELOFMACHINERYSYSTEMBASEDONTHEWINDSPEEDISESTABLISHEDCONSIDERINGTHEIMPACTOFTHEWEATHERONTHEWINDTURBINEOUTAGE，THENTHEWINDTURBINEOUTAGERATEMODELBASEDONOPERATINGCONDITIONSOFGRIDANDWEATHERCANBEOBTAINEDTHESIMULATIONOF15MWWINDTURBINEISCARRIEDOUTINMATLAB，ANDTHEOUTAGERATEOFWINDTURBINEUNDERDIFFIDENTOPERATIONCONDITIONSISGIVENTHEMODELCANREFLECTTHEEFFECTOFWINDTURBINEOUTAGERATEONTHEGRIDOPERATINGCONDITIONSANDEXTERNALWINDSPEEDANDCANACCURATELYCHARACTERIZETHELEVELOFSAFETYANDRELIABILITYOFTHEWINDTURBINEUNDERREALTIMEOPERATIONTHISWORKISSUPPORTEDBYNATIONALHIGHTECHNOLOGYRESEARCHANDDEVELOPMENTPROGRAMOFCHINA863PROGRAMNO2012AA050201。KEYWORDSWINDTURBINE；OPERATIONCONDITIONS；OUTAGERATEMODEL中图分类号TM743文献标识码A文章编号16743415201324O112050引言风力发电被公认为是一种最理想的可再生能源发电方式之一，大规模发展风电，不仅是能源开发的需要，也是环境保护的需要。但由于风电出力具有随机性、间歇性和波动性等特点，大规模风电并网将对电网电压、系统稳定性和调度产生深远的影响【JJ。这迫切需要对风电场可靠性进行评估，而风电机组停运模型是进行评估的基础。在传统停运模型中，一般认为故障率是固定值，基于此方法，文献45考虑了风机的强迫停运基金项目国家高技术研究发展计划863计划资助项目2012AA0502O1建立风电机组的两状态模型，即停运和运行两个状态，这种建模方法在常规电力系统元件的建模中是适应的，但由于风机一般处于环境和气候比较恶劣的地方，其运行状态极易受到外界环境的影响，因此基于固定故障率的建模方法将会带来较大的误差。文献【67分析了线路潮流、母线电压、系统频率等实时运行条件对元件停运概率的影响，建立了基于实时运行条件的元件可靠性模型，仿真结果显示了该可靠性模型能反映系统实时运行的可靠性水平，但没有考虑气候和环境对元件故障率的影响文献810考虑气候条件，如风力载荷和冰力载荷的影响建立了元件的停运模型，但对运行工况的处理较简单，而且这两种方法仅是针对传统电力系统元蒋程，等计及运行工况的风电机组停运模型件，很少涉及风电机组。针对上述问题，本文首先简单分析引起风电机组停运的因素，在此基础上把其分成电磁系统和机械系统两部分；其次考虑电网运行工况对风机停运的影响建立了基于电网电压和系统频率的电磁系统的故障率模型；考虑风载荷的变化对风机停运的影响建立了基于风速的机械系统的故障率模型；最后综合风机的电磁系统故障和机械系统故障，得到计及气候条件和运行工况的风电机组故障率模型。在MATLAB中编写了相关仿真程序，通过分析不同风速和不同运行工况下风机故障率的变化情况，验证了所建停运模型的有效性。1风电机组停运因素分析风电机组主要由叶片、轮毂、齿轮箱、主轴、发电机、变频器和相应的控制系统组成。其中任何一个元件故障或多个元件同时故障都会导致风电机组停运，由于缺乏有效的统计样本，而且针对每个元件的历史故障数据较少，从而无法针对每个元件故障建立风机的详细停运模型LJ，因此，本文将风电机组分为机械系统和电磁系统两部分。实际运行中，导致电磁系统故障的因素可分为1元件本身的故障，例如制造缺陷、部件老化、设备发热、绝缘损坏等；2电网运行条件引起元件的故障，如电网电压越限、系统频率越限等。本文设定对应于上述两类因素的电磁系统故障率分别为、，其中表示第I个运行条件变量，可能是频率厂、电压、电流，等。机械系统是风电机组的关键部件，用来连接风轮与发电机。机械系统包括风轮主轴低速轴、增速齿轮箱、高速轴齿轮箱输出轴及机械刹车制动装置等部件。风轮主轴连接风轮和齿轮箱的输入轴，高速轴连接齿轮箱输出端与发电机，机械系统是风机中故障率较高的部件。实际运行中，导致机械系统故障的因素可分为1机械系统本身的故障；由腐蚀、超温引起的磨损、变形或破裂；2气候条件引起元件故障，如风载荷、雷击、地震等自然及气候原因。设定对应于上述两类因素的机械系统故障率分别为、，其中表示第I个运行条件变量，可能是风速、雷电和暴雨等。2基于运行工况的风电机组故障率模型21基于电网运行条件的风电机组故障率模型211基于电压的故障率模型该故障率是指由于电网电压偏离基准值时，电磁系统故障率的增量，其值设为，1，当机端电压为基准值时，U0。考虑到风机电磁系统正常运行时，电网电压一般位于095PU到105PU之间，在这个范围内，电压对电磁系统故障率的影响很小，因此假设，U0，095PUU105PU1当电压大于105PU而小于保护动作整定值时或小于095PU而大于保护动作整定值己，DZ时，电磁系统故障率与电压的大小有关，为了便于分析，假设其故障率跟电压呈线性关系】，即UUU95PU丑虹6_，0把点105，0和，、095，0和一，代入式2，可得，105，一1052一，一一一095H一一095一一一一095综合式1和式2，基于电压的电磁系统故障率可表示为UU105UD一105一105，105PUU212基于频率的故障率模型同理，可得基于频率的电磁系统故障率为FF一厂，SO10505一1唧万一一114一电力系统保护与控制其中，厂D一和分别为低频保护和高频保护的整定值。213基于电压、频率的故障率模型从长期稳态运行角度来看，考虑风机控制系统的调节作用并忽略其调节时间，本文所述2种引起电磁系统故障的因素互相不包含，因此考虑电网电压和系统频率的电磁系统故障率为，FUF5其中丑为电压和频率在基准值时电磁系统的故障率；己厂和1厂分别为电压和频率偏移基准值时故障率的增量。22基于实时风速的机械系统故障率模型为了区别电磁系统故障，把风机由于振动过大、叶片受力过大、塔筒振幅越限等非电磁系统故障而引起风机停运的故障称为机械系统故障。实践证明机械系统故障率与实时风速有关，而且随着风速的增加，其呈现增加的趋势。由于直接研究机械系统故障率与风速的关系较复杂，因此引入风载荷的概念，垂直于风机表面主要指机舱和叶片上的风载荷的标准值可表示为IJ1WKLLSOVK6其中W为实际风载荷；V为风速；为风振系数；为风压高度变化系数；为体形系数；P为空气密度。作用于风机的载荷越大，风机的振动加强，叶片的受力加大，塔筒的摆动幅度加大，最后导致停机。目前，关于元件故障率与所受载荷的关系还没有统一的定论，为了便于数学推导，假设风机机械系统的故障率与风载荷成线性关系，其可表示为【WKKFBF7把式6代入式7，可得LLPVKBF8由式8可以看出，机械系统的故障率与风速成2次方关系。当风速大于切除风速或者小于切入风速时，风机的出力为0，所以，当风速大于切除风速或小于切入风速时，故障率不考虑。把点I，I和V。，代入式8，整理可得KFPI。一IJ锗其中I为切入风速时对应的故障率，为切除风速时对应的故障率。23基于运行工况的风电机组故障率模型由于电磁系统和机械系统在结构上属于串联关系，其中任何一个系统故障均能引起风机的停运，且电磁系统故障和机械系统故障相互不影响，因此整个风电机组的故障率为这两个系统故障率之和，如式9所示。U，FVK9式中，U，、V分别为电磁系统和机械系统的故障率。3算例分析31算例描述以某风电场15MW的风电机组为例，并假定其切入风速、额定风速和切除风速分别为3MS、11MS和25MS，电磁系统最小故障率为4OCCY，最大故障率为15OCCY，风载荷参数、分别取1、05、06；电压保护和低频保护整定值分别为13PU和485HZ，其对应的电磁系统故障率分别为14OCCY和15OCCY。32电磁系统故障率在分析不同电网运行工况下电磁系统故障率时，假设风机运行在较小的风速下，且风速均相等，电磁系统的固有故障率设为2OCCY。从表1可以看出，电磁系统的故障率在本文所述方法中是随运行工况的不同而变化。表1不同电网运行条件下的电磁系统故障率TABLE1ELECTROMAGNETICSYSTEMFAILURERATEINDIFFERENTGRIDOPERATINGCONDITIONS33机械系统故障率在分析风速对机械系统故障率的影响时，假设电网运行在正常范围内，即电网电压和平率均为基准值。表2为不同风整速下机械系统的故障率。从表2可以看出，当风速增大时，机械系统的故障率增大，反映了机械系统故障率受风速的影响。6”黜I21J222蒋程，等计及运行工况的风电机组停运模型34基于运行工况的风电机组故障率根据式9，在得到电磁系统和机械系统时变故障率的基础上，可以得到基于运行条件的风电机组故障率，如表3所示。表2不同风速条件下的机械系统故障率TABLE2DRIVELINESYSTEMFAILURERATEINDIFFERENTWINDSPEEDCONDITIONS表3不同运行工况下的风电机组故障率TABLE3WINDTURBINEOUTAGERATEINDIFFERENTOPERATINGCONDITIONS从表3可以看出，不同状态下的风电机组故障率是不同的，并且随着风速以及电网频率、电压的变化而变化。由此可见，在本文所述模型中风电机组的故障率是与运行条件实时相关的。4结论建立了基于电压、频率的电磁系统故障率模型，基于实时风载荷的机械系统故障率模型，最终得到了基于运行工况的风电机组故障率模型，此模型能够反映电网运行条件和外界风速对风电机组故障率的影响，能够如实表征风电机组实时运行的安全可靠性水平。应用此模型进行含风电的电力系统可靠性分析，得出的结果精确度和可信性更高。参考文献1黄学良，刘志仁，祝瑞金，等大容量变速恒频风电机组接入对电网运行的影响分析【J电工技术学报，2010，254142149HUANGXUELIANG，LIUZHIREN，ZHURUIJIN，ETA1IMPACTOFPOWERSYSTEMINTEGRATEDWITHLARGECAPACITYOFVARIABLESPEEDCONSTANTFREQUENCYWINDTURBINESJTRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETY,2010，25F411421492何世恩，姚旭，徐善飞大规模风电接入对继电保护的影响与对策【J电力系统保护与控制，2013，4112127HESHIEN，YAOXU，XUSHANFEIIMPACTSOFLARGESCALEWINDPOWERINTEGRATIONONRELAYPROTECTIONANDCOUNTERMEASURESJPOWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTROL，2013，41121273刘文霞，蒋程，张建华一种用于序贯蒙特卡罗仿真的风电机组多状态可靠性模型J电力系统保护与控制，2013，4187380LIUWENXIA，JIANGCHENG，ZHANGJIANHUAAMULTISTAGERELIABILITYMODELOFWINDTURBINESFORSEQUENTIALMONTECARLOSIMULATIONJPOWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTROL，2013，41873804栗文义，王银莎，郭鑫，等基于WEL1BEING模型的风力发电系统可靠性评估J华东电力，2011，39710621065LIWENYI，WANGYINSHA，GUOXIN，ETA1RELIABILITYEVALUATIONOFWINDPOWERSYSTEMBASEDONWELLBEINGMODELJEASTCHINAELECTRICPOWER,2011，397106210655周明，冉瑞江，李庚银，等风电并网系统可用输电能一116一电力系统保护与控制力的评估J中国电机工程学报，2010，30221421ZHOUMING，RANRUIJIANG，LIGENGYIN，ETA1ASSESSMENTONAVAILABLETRANSFERCAPABILITYOFWINDFARMINCORPORATEDSYSTEMJPROCEEDINGSOFTHECSEE，2010，302214216孙元章，程林，刘海涛基于实时运行状态的电力系统运行可靠性评估【J电网技术，2005，2915612SUNYUANZHANG，CHENGLIN，LIUHAITAOPOWERSYSTEMOPERATIONALRELIABILITYEVALUATIONBASEDONREALTIMEOPERATINGSTATEJPOWERSYSTEMTECHNOLOGY,2005，29156127汪兴强，丁明，韩平平互联电力系统可靠性评估的改进等效模型【J】电工技术学报，2011，269201207WANGXINGQIANG，DINGMING，HANPINGPINGANIMPROVEDEQUIVALENTMODELFORRELIABILITYEVALUATIONININTERCONNECTEDPOWERSYSTEMJTRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETY,2011，2692012078孙荣富，程林，孙元章，等基于恶劣气候条件的故障率建模及电网充裕度评估J】电力系统自动化，2009，3313、712SUNRONGFU，CHENGLIN，SUNYUANZHANG，ETA1ANOUTAGERATEMODELANDSYSTEMADEQUACYASSESSMENTBASEDONADVERSEWEATHERCONDITIONSJAUTOMATIONOFELECTRICPOWERSYSTEMS，2009，33137129余民，杨曼宸，蒋传文，等风电并网后电力系统可靠性评估和备用优化研究【JJ电力系统保护与控制，2O12，4012100104，135YUMIN，YANGMINCHEN，JIANGCHUANWEN，ETA1STUDYONPOWERSYSTEMRELIABILITYANDRESERVEOPTIMIZATIONWITHWINDPOWERINTEGRATIONJPOWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTROL，2012，40121O0104，L351O魏震波，刘俊勇，朱圉俊，等基十可靠性加权拓扑模型下的电网脆弱性评估模型J电工技术学报，2010，258131一L37WEIZHENBO，LIUJUNYONG，ZHUGUOUN，ETA1VULNERABILITYEVALUATIONMODELTOPOWERGRIDBASEDONRELIABILI