计及气候条件含风力发电电力系统可靠性分析

李 晶，王素华

（1.沈阳工程学院电气工程系，沈阳 110136；2.河南省电力公司商丘供电公司，商丘 476000）

随着能源危机的到来以及人类对环境保护意识的加强，人类对可再生资源的开发和利用越来越广泛，特别是风能和太阳能。随着风力发电技术的不断发展，发电成本大幅降低，风力发电已经成为水电和火电的有力补充。截止到2005年底，全世界风电机组的装机容量已经达到59 000MW，预计到2013年全世界风电机组总装机容量将超过120 000MW，我国也具有丰富的风能资源，到1998年底 已经建成19个并网风电场，装机容量达到203MW，在未来的十几年时间内 我国计划新增风电装机容量2 000MW以上，并且会出现400～500MW的特大型风电场。

国内外分析较多集中于单纯计及气候影响对电力系统可靠性算法的改进和研究，并通常假定保护装置完全可靠，同时忽略了保护装置瞬时动作时间和断路器跳闸时间。对于增加了风电场并网的电力系统，由于风电场对气候的敏感度相当高，直接关系到风力发电机的输出功率、风机的切入和切出，有可能改变网络运行的结构。因此本文将气候条件因素的影响引入带有风力发电电源的电力系统可靠性。

1 不同的气候条件对元件可靠性的影响

电力系统都是处在不同的气候条件下运行的。经验表明，随着所处气候条件的变化，元件的故障率在大多数情况下也会发生变化。在某些气候条件下，元件的故障率可能会很大。这种引起故障率增大的气候条件并不会经常出现，而是限定在一年中的某一段时间内。因此，元件的故障率在全年的分布不是随机的，而是存在着积聚效应。但积聚效应的存在，并不意味着元件之间彼此是不独立的。不独立的仅仅是共同的环境，这种环境使独立元件出现了故障率增大的情况，故在计及气候条件的评价方法中，对重叠停运的故障过程仍然假定元件的故障是独立的。

1.1 计及气候条件影响的元件故障率

元件故障率是气候的连续函数，但是由于系统模拟、数据收集和数据处理等方面存在的困难，很难用连续函数或者许多个离散状态对它加以描述。为了能够充分地表示故障的积聚效应，在大多数情况下，将气候条件分为正常天气和恶劣天气两种状态，并用随机的持续时间期望值来描述。

图1 天气对故障率影响的持续时间分布Fig.1 Impact of weather on fault probability

图1为天气对故障率影响的持续时间分布图。图中，λ′为元件在恶劣天气时的故障率，N为正常天气的期望持续时间，S为恶劣天气的期望持续时间，λav为考虑了气候因素的平均故障率。由此可得

式（1）仅适用于串联系统，不适用于并联系统。

设F为坏天气下发生故障的比率，0≤F≤1，则由式（1）可得

式（2）和式（3）即为元件两状态气候模型的故障率。

对于n个元件串联的系统，若第k个元件的正常天气故障率为λk（次／a），恶劣天气故障率为λ′k（次／a），则系统的正常的等效正常天气故障率λe（次／a）和恶劣天气故障率λ′e（次／a）分别为

对于两个并联元件构成的系统，若考虑正常天气和恶劣天气，其系统等效故障率λp停运时间rp的计算式推导过程十分复杂，在此仅 列出假定恶劣天气时不进行修理的计算式如下。

令

则

1.2 受气候条件因素影响的线路可靠性模型

在所有受气候条件因素影响的元件中，暴露于户外的线路是对气候条件最为敏感的元件。恶劣气候条件下线路的故障率明显高于正常气候条件下的故障率。在计及气候条件因素的电力系统可靠性的评估中，提出了多种气候条件下的线路可靠性模型。前述给出了考虑气候因素后的元件故障率，当然可以用上述公式处理线路的可靠性参数，但式（4）、式（5）只适用于串联系统。

设线路所在地有m种不同气候条件，该线路对应有m个故障率λi

式中：Di为气候出现的概率；Ci为该气候下出现的故障占总故障次数的比例。

1.3 对计及气候影响的双回路重叠停运故障模式的评估

考虑气候影响时，双回路重叠停运故障模式的可靠性分析评估是一个更为复杂的问题，在此仅提供几个分析要点，不做算式推导及数值运算。

（1）气候对于重叠停运模式有关的可靠性指标的影响。可通过考虑以下4种情况来确定：

①初始故障发生在正常天气，第二次故障也发生在正常天气；

②初始故障发生在正常天气，第二次故障发生在恶劣天气；

③初始故障发生在恶劣天气，第二次故障发生在正常天气；

④初始故障发生在恶劣天气，第二次故障也发生在恶劣天气。

（2）对强迫停运与检修停运重叠的评估。对此还应另外加上以下3个约束条件。

①在恶劣天气时有可能出现时不允许检修；

②在恶劣天气时可继续检修；

③在恶劣天气时不能继续检修。

2 风机并网后对系统可靠性的影响

所有的风机都是通过变压器接入网络的，由于变压器的故障修复时间相对比较长，在风机接入系统以后，对系统可靠性指标的影响较大，所以即将计及变压器的故障。

由于风能的随机性和波动性，当风力发电作为电力系统的电源使用时，风机的切入和切出将直接导致负荷转移，在无备用电源的情况下，将会导致整个网络瘫痪。即便风机在网络的分支馈线的某个点接入，它的切入和切出亦将改变整个系统的网架结构，进而影响最后的可靠性指标。

3 算例及分析

下面将以图2IEEE－RBTS Bus6为算例，计及气候条件因素的影响，计算系统的可靠性指标，取馈线F4所连接的负荷点31－40进行计算。

（1）未接入风力发电机时的可靠性指标计算，对线路参数应用式（9）进行处理，其结果如表1和表2所示。

表1 未接入风力发电机系统可靠性指标Tab.1 Reliability index of the system without wind generators

表2 未接入风力发电机负荷可靠性指标Tab.2 Reliability index of the load without wind generators

图2 IEEE－RBTS Bus6Fig.2 IEEE－RBTS Bus6

（2）在图2的分支线49的始端位置接入风力发电机，计算结果如表3和表4所示。

表3 接入风力发电机系统可靠性指标Tab.3 Reliability index of the system containing wind generators

计及气候条件因素后，系统可靠性指标与IEEE－RBTS的标准测试结果相比有所降低。此外，当风力发电机在网络的不同位置接入时，对系统可靠性的影响相差很大，当替代传统交流电源接入网络，而系统没有其他备用电源时，系统供电可靠率有大幅的下降。而在网络的主干线或分支馈线上接入时，对系统的影响只是可靠性指标略有下降。

算例对线路参数和风机接入的情况分别进行了处理。事实上，线路参数受气候条件影响的同时，风机的输入输出也遭遇到气候变化的影响，两者的可靠性模型应当是以气候条件为共同变量的复杂模型。

因此，从系统可靠性综合评估的角度考虑，适当投入风电机组可以显著提高电力系统可靠性。

表4 接入风力发电机负荷可靠性指标Tab.4 Reliability index of the load containing wind generators

4 结语

在对系统元件可靠性的分析中引入了气候条件的影响。电力系统在引入风力发电机组之后，对气候条件的变化更为敏感，因而在可靠性指标的计算过程中，同时考虑了风力发电接入网络时用以升压的变压器的故障率。此外线路参数的变化以及风力发电机的运行状况都与天气的变化密切相关，分析不同的气候条件下的元件参数和风机的运行状况，进而得到含风力发电机的电力系统的可靠性参数。最后通过IEEE－RBTS Bus6算例，计算了风机在电力系统不同位置接入时负荷可靠性指标及系统可靠性指标的变化。

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