，，，健美，，，江林(.國網(wǎng)四川省電力公司技能培訓中心，四川 成都 633；.成都信息工程大學控制工程學院，四川 成都 605)

0 引 言

中國“十二五”規(guī)劃以來，風力發(fā)電技術迅猛發(fā)展，裝機容量大幅增加，已成為可再生能源中技術最成熟、應用最廣泛的發(fā)電技術之一。由于風電具有間歇性、波動性和隨機性等特點,使得大規(guī)模風電接入電力系統(tǒng)后帶來了不確定的因素,因此如何準確評估風力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性顯得非常重要[1-2]。

國內(nèi)外相關學者對風力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性評估進行了大量的研究工作。文獻[3]從風電接入電網(wǎng)后對系統(tǒng)備用容量的需求入手，分析了風電并網(wǎng)后的系統(tǒng)可靠性問題。文獻[4]建立了計及尾流效應的風電場可靠性模型，為研究風電場對電力系統(tǒng)可靠性的影響以及確定風電場可信度打下基礎。文獻[5-6]用超拉丁概率抽樣方法模擬實際風速分布，以及風力發(fā)電機的輸出功率概率分布，得到基于超拉丁采樣的風力發(fā)電系統(tǒng)蒙特卡羅可靠性評估法。

以上文獻均未考慮風力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構特點及元件狀態(tài)。下面首先分析了風速與風電機組輸出功率的關系、風力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構特點；其次提出了期望故障受阻電能相等的方法，根據(jù)風資源情況和風力發(fā)電系統(tǒng)元件狀態(tài)對風力發(fā)電系統(tǒng)可靠性狀態(tài)進行劃分，并建立相應的可靠性指標體系；最后結(jié)合實際風電場歷史運行數(shù)據(jù)，對可靠性評估指標體系進行統(tǒng)計，從而完成對風力發(fā)電系統(tǒng)進行可靠性評估。

1 風力發(fā)電系統(tǒng)的特點

由于風速具有隨機性、波動性和間歇性等特點會導致風電機組輸出功率的波動性變大，同時風力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構特點和元件的可靠性也決定了風力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率。

1.1 風機輸出功率影響因素分析

風機由于其能量轉(zhuǎn)換原理限制，其輸出功率主要受季節(jié)氣候和風速的影響。

1)季節(jié)與時間的影響

中國“三北”地區(qū)風資源較為豐富。一般來說，一年中春季和冬季風資源較豐富，夏季風資源較貧乏；在一天中來說，白天風資源較貧乏，而夜晚風資源較豐富[7]。

2)風速大小的影響

風電機組的運行狀態(tài)和輸出功率都與風速息息相關。圖1給出了風電機組輸出功率與風速的曲線[8]。

圖1 風電機組輸出功率曲線

從圖中可以看出，曲線分為4段：當風速小于切入風速時，風機輸出功率幾乎為0；當風速處于切入風速和額定風速區(qū)域內(nèi)時，風機輸出功率與風速近似為線性關系；當風速位于額定風速和切除風速區(qū)域內(nèi)時，風機輸出功率為額定功率；當風速大于切除風速時，風機輸出功率為0。因此，將風力發(fā)電系統(tǒng)狀態(tài)按照風資源的充裕度進行劃分：資源停運、資源限制減額運行和全額運行狀態(tài)。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構特點分析

實際風電場中采用輻射狀的連接方式，通過電纜將風力發(fā)電機組依次連接起來，并匯集到變壓器，如圖2所示。圖中n臺風電機組連接成1“串”，同時m串機組并聯(lián)匯入1臺變壓器，多臺變壓器并聯(lián)接入母線。在同一可靠性標準下，用1臺相同容量的發(fā)電機組等效替代風電機組“串”。

圖2 風力發(fā)電系統(tǒng)基本構架

根據(jù)這些結(jié)構特點，可知單臺風電機組故障時，會導致所在風電機組“串”輸出功率降低，可以認為機組“串”處于部分停運狀態(tài)；如果變壓器出現(xiàn)故障，將會導致與變壓器相連的所有風電機組停運。因此按照元件狀態(tài)對風力發(fā)電系統(tǒng)運行狀態(tài)可劃分為：故障停運、故障減額運行和全額運行狀態(tài)。下面針對風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構進行詳細分析。

1—風力發(fā)電機；2—接觸器；3—塔筒內(nèi)電纜；4—風機出口箱式變壓器；5—中壓斷路器；6—隔離開關圖3 單臺風力發(fā)電機組結(jié)構

風力發(fā)電機組的結(jié)構如圖3所示，當風力發(fā)電機、接觸器、箱式變壓器、中壓斷路器中任何一個元件故障時，這個風電機組將停運。由于中壓斷路器具有隔離作用，單臺風電機組故障停運后，不會影響到同一電纜連接的其他機組正常運行。因此單臺風電機組的綜合故障停運率為

(1)

與此同時,隔離開關的故障也會引起風電機組的停運。當隔離開關的數(shù)量大于1時，隔離開關故障時會導致風電機組停運范圍擴大。隔離開關對可靠性的影響主要有2種情況：

1)當風機位于“串”的末端時，即中壓斷路器通過隔離開關直接與電纜相連，此時中壓斷路器、隔離開關、電纜L的故障將造成末端風電機組的停運，如圖4所示。其停運率為

(2)

式中：Q1為末端風機的故障停運率；qL為電纜L的故障率；q1～q6為圖4中元件1～6的故障停運率。

圖4 末端風電機組結(jié)構

2)當風電機組位于“串”的中部時，2臺隔離開關分別連接前后2臺風機，其連接如圖5所示。導致風機停運的主要原因有：中壓斷路器B、隔離開關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)運行狀態(tài)進行劃分，將系統(tǒng)運行狀態(tài)出現(xiàn)的概率乘以該狀態(tài)下系統(tǒng)的輸出功率，并進行累加，再除以機組裝機容量得到等效故障停運率，即

(3)

式中：Qn為n臺風電機組經(jīng)串聯(lián)連接后的等效故障停運率，采用層次迭代法得到；Qn-1為n-1臺風電機組經(jīng)串聯(lián)連接后的等效故障停運率；Q1可以由式(2)計算得到。

圖5 中部風電機組結(jié)構

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”風電機組并聯(lián)后的停運率Qp為

(4)

并聯(lián)后的風電機組“串”再與變壓器串聯(lián)后，得到風電-變壓器組的停運率QPI為

QPI=QP+Q1

(5)

根據(jù)上述分析，將風力發(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組風機-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，由于風力發(fā)電系統(tǒng)中風機-變壓器組較多，所以發(fā)生完全故障的概率并不大，更多時候是由于風電機組或變壓器引起的系統(tǒng)部分故障。

當風力發(fā)電機組串發(fā)生故障,由于風力發(fā)電機組“串”間相互獨立，且系統(tǒng)停運概率服從二項分布，風電機組“串”停運率Q1P可按式(7)計算。

(7)

當變壓器故障，采用類似的分析方法，得到部分變壓器停運率Q2P為

(8)

由于風力發(fā)電機組“串”和變壓器的故障相對獨立，所以得到系統(tǒng)部分停運率QP為

QP=Q1P+Q2P

(9)

綜上，風力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性取決于風資源和風力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構。通過計及風資源和系統(tǒng)架構的特點，建立多狀態(tài)風力發(fā)電系統(tǒng)可靠性模型。

2 可靠性狀態(tài)的劃分

可以根據(jù)風資源和元件狀態(tài)將風力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性狀態(tài)劃分為以下幾種情況：

1)全額運行狀態(tài)：當風速較快時，即風力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率能夠達到總裝機容量的70%以上。

2)資源限制減額運行狀態(tài)：當風速較慢時，即風力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率低于總裝機容量的70%。

3)故障減額運行狀態(tài)：風力發(fā)電系統(tǒng)部分元件故障導致輸出功率減少的狀態(tài)。

4)故障停運狀態(tài)：風力發(fā)電系統(tǒng)全部停運的狀態(tài)。

5)無風或風速過快停運狀態(tài)：當風速處于無風或者風速過快狀態(tài)時，風力發(fā)電系統(tǒng)由于風資源停運的狀態(tài)。

3 可靠性指標體系

針對第2節(jié)中的可靠性狀態(tài)，下面從時間、出力、系統(tǒng)等方面建立風力發(fā)電系統(tǒng)可靠性指標體系，該體系可以反映出風力發(fā)電系統(tǒng)各狀態(tài)的特性。

3.1 時間指標

將風力發(fā)電系統(tǒng)時間指標體系按照圖6所示方式進行劃分。

圖6 時間指標體系

結(jié)合系統(tǒng)狀態(tài)，狀態(tài)時間指標如下：

1)全額運行時間FRH(full run hour)：風力發(fā)電系統(tǒng)處于全額運行狀態(tài)(即輸出功率達到總裝機容量70%)的累計運行時間。

2)資源限制減額運行時間RDH(resource deduction hour):風力發(fā)電系統(tǒng)由于風速的限制，輸出功率小于總裝機容量的70%的累積運行時間。

3)故障減額運行時間FDH(fault deduction hour)：風力發(fā)電系統(tǒng)中部分元件故障，導致輸出功率減小的累積運行時間。

4)故障停運時間FOH(fault outage hour)：風力系統(tǒng)由于元件故障發(fā)生全站停運的累計時間。由FOH=PH·QC計算。

5)無風或風速過快停運時間NH(not use hour)：系統(tǒng)處于無風或風速過快狀態(tài)下的累計時間。

6)年利用小時數(shù)UH(utilization hours)：風力發(fā)電系統(tǒng)的年發(fā)電量除以系統(tǒng)總裝機容量折算的發(fā)電小時數(shù)。

7)減額運行時間DH(deduction hour)：風力發(fā)電系統(tǒng)由于元件故障或者風資源限制，輸出功率小于70%額定功率的運行時間，DH=FDH+RDH。

8)運行時間RH(run hour)：風力發(fā)電系統(tǒng)處于運行狀態(tài)的累計時間，RH=FRH+DH。

9)停運時間OH(outage hour)：風力發(fā)電系統(tǒng)處于完全停運的累計時間，OH=FOH+NH。

10)周期時間PH(period hour):年統(tǒng)計時間8 760 h。

3.2 出力狀態(tài)指標

1)全額等效出力FEP(full equivalent power)：風力發(fā)電系統(tǒng)在全額運行狀態(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)：風力發(fā)電系統(tǒng)由于風速降低導致減額運行狀態(tài)下的等效輸出功率。

3)故障減額等效出力FDEP(fault deduction equivalent power)：風力發(fā)電系統(tǒng)由于部分元件故障導致系統(tǒng)減額運行的等效輸出功率。

4)減額等效出力EDP(equivalent deduction power)：風力發(fā)電系統(tǒng)由于風速降低或者部分元件故障導致系統(tǒng)減額運行的等效輸出功率。

5)等效出力EP(equivalent power)：風力發(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。

3.3 系統(tǒng)總體指標

為反映風力發(fā)電系統(tǒng)總體情況，其系統(tǒng)指標如下：

1)設計可用率DU(design usability)：根據(jù)風力發(fā)電系統(tǒng)停運概率和修復時間得到系統(tǒng)可用率設計值，DU=1-QC。

2)運行系數(shù)OF(operating factor)：風力發(fā)電系統(tǒng)實際運行狀態(tài)的概率，OF=RH/PH。

3)年發(fā)電設備利用率EUR(the annual power generation equipment utilization rate)：風力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電設備利用的概率，EUR=UH/PH。

4)全額運行率FRR (full run rate)：風力發(fā)電系統(tǒng)處于全額運行狀態(tài)的概率，F(xiàn)RR=FRH/PH。

5)資源限制減額運行率RDR(resource deduction rate of operation)：風力發(fā)電系統(tǒng)實際中由于風速限制導致系統(tǒng)處于減額運行狀態(tài)的概率, RDR=RDH/PH。

6)設備故障減額運行率EFDR(equipment fault deduction rate of operation)：風力發(fā)電系統(tǒng)由于部分元件故障，導致系統(tǒng)處于減額運行狀態(tài)的概率, EFDR=FDH/PH。

7)暴露率EXR(exposure rate)：風力發(fā)電系統(tǒng)利用風能的效率，等于年利用小時數(shù)與系統(tǒng)運行時間的比值，EXR=UH/RH。

4 算 例

采用實際風電場作為算例，驗證所提出的可靠性模型與指標體系的準確性與可行性。實際風力發(fā)電系統(tǒng)總裝機容量為30 MW，相鄰風電機組間的距離為500 m，5臺風電機組組成1“串”，3組風力發(fā)電機組串并聯(lián)接入變壓器。

采用文獻[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

4.1 系統(tǒng)故障分析

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

當負荷開關數(shù)為1時，其等效故障概率為

Q1=0.087 1

由5臺風力發(fā)電機組成的“串”的等效故障概率為

Q5=0.089 8

風電-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, 由式可得故障停運時間為

FOH=PH·QC≈44 h

當系統(tǒng)部分元件故障時，由于同一變壓器有3“串”風電機組接入，故將系統(tǒng)的部分元件故障分為單 “串”風電機組故障和兩“串”風電機組故障，其停運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致系統(tǒng)減額運行的時間大約是3 731 h。

根據(jù)以上分析還可以計算風力發(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：

4.2 指標統(tǒng)計與計算

將圖7中的實際風電場輸出功率數(shù)據(jù)按照第3節(jié)中的指標體系進行統(tǒng)計，對該風力發(fā)電系統(tǒng)可靠性進行評估，結(jié)果如圖8至圖10所示。

圖8 時間指標結(jié)果

從圖8可以看出，風力發(fā)電系統(tǒng)由于元件故障導致系統(tǒng)全站停運時間最少；風力發(fā)電系統(tǒng)停運時間約為1 200 h，占全年的13.7%；運行時間遠超過停運時間，說明風電場所處環(huán)境和運行狀態(tài)較好；系統(tǒng)全額運行時間只占整個運行時間的13%，由于風速降低導致系統(tǒng)減額運行時間占運行時間的比例達87%，說明本地的風速波動性較大；年利用小時數(shù)僅為1 882 h，反映了風力發(fā)電系統(tǒng)資源利用效率偏低。

從圖9可以看出：風力發(fā)電系統(tǒng)全額等效輸出功率約占總裝機容量的68.8%，由于風速降低導致系統(tǒng)減額等效輸出功率占11%；由于元件故障導致系統(tǒng)減額等效輸出功率占41.9%，說明風資源的充裕度對風力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率影響較大。風力發(fā)電系統(tǒng)等效輸出功率僅占總裝機容量的21.5%，系統(tǒng)統(tǒng)計時間內(nèi)最大輸出功率為24.485 MW，占總裝機容量的81.6%。

圖9 出力狀態(tài)指標結(jié)果

圖10 系統(tǒng)總體指標結(jié)果

從圖10可以看出：風力發(fā)電系統(tǒng)可用率設計值達到99.5%，運行系數(shù)達到86.3%，說明風力發(fā)電系統(tǒng)的可用率較高；元件故障減額運行率達到42.59%，這反映了風力發(fā)電機組的停運概率偏高，符合風電場實際運行情況。因此，通過提高元件的可靠性是實現(xiàn)降低風電場故障減額運行概率的主要方式之一。年發(fā)電設備利用率為21.48%，暴露率為24.89%，反映了風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)速風力機組或采用主動式風流動智能控制系統(tǒng)，則可以有效提高風電場暴露率，進一步提高系統(tǒng)可靠性[15]。

5 結(jié) 語

隨著風電技術的快速提升，發(fā)電成本大幅降低，風力發(fā)電的技術優(yōu)勢和經(jīng)濟性將不斷顯現(xiàn)出來，作為重要的新能源之一，裝機容量將不斷提高。前面從風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構入手，深入研究了基于元件故障和風資源充裕度對風力發(fā)電系統(tǒng)可靠性的影響。根據(jù)風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構特點，按照期望故障受阻電能相等的方法，用相同容量的發(fā)電機來等效替代風電機組“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個方面建立風力發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估指標體系，并對其進行可靠性評估。算例分析表明，基于元件狀態(tài)和風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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