計及多因素的含風(fēng)能電力系統(tǒng)可靠性評估及優(yōu)化研究

【摘要】：隨著傳統(tǒng)能源資源的日益枯竭及其污染氣體的嚴重排放，人們正在積極尋找能夠滿足人類能源需求的可替代能源。風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，是最主要的可替代能源之一。世界上許多國家已出臺支持開發(fā)風(fēng)能資源的相應(yīng)政策，加之風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的日趨成熟，風(fēng)能的開發(fā)規(guī)模也越來越大。風(fēng)速的隨機性和間歇性使得風(fēng)力發(fā)電功率具有波動性和不可控性，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)將對電網(wǎng)的安全性和可靠性產(chǎn)生影響。因此，研究風(fēng)電系統(tǒng)可靠性評估模型、分析風(fēng)電場對電力系統(tǒng)可靠性的綜合影響等，對含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)設(shè)計、規(guī)劃和運行等具有重要的理論指導(dǎo)意義和實際應(yīng)用價值。 隨著風(fēng)電場規(guī)模的擴大、數(shù)目的增多、集電系統(tǒng)拓撲的擴展以及風(fēng)電機組密集度的增加，諸多因素，如：尾流效應(yīng)、單風(fēng)電場風(fēng)的條件相依性、多風(fēng)電場風(fēng)的多重相關(guān)性、集電系統(tǒng)故障、風(fēng)電場風(fēng)機布局等，對風(fēng)電場年發(fā)電量及可靠性的影響也更加凸顯?；诖?，本文結(jié)合國家自然科學(xué)基金“風(fēng)電場可靠性評估的概率模型及算法”（51077135）和重慶市杰出青年基金“大規(guī)模風(fēng)電系統(tǒng)可靠性評估及優(yōu)化配置研究”（CSTC2010BA3006）項目，對計及前述因素的風(fēng)速模型、風(fēng)電場可靠性評估、風(fēng)電場可靠性優(yōu)化等問題進行了深入研究。 風(fēng)的大小和方向是風(fēng)速尾流模型的關(guān)鍵影響因素，而尾流效應(yīng)對風(fēng)電場年發(fā)電量、可靠性等有很大影響。風(fēng)速與風(fēng)向并非完全獨立的隨機變量，它們之間蘊含有一定的條件相依性，因此，在建立風(fēng)速和風(fēng)向模型時需要計及它們之間的條件相依性，以提高風(fēng)電場可靠性評估的精確性?；诖?，本文基于風(fēng)向經(jīng)驗概率分布函數(shù)，建立風(fēng)向樣本生成模型；基于尾流效應(yīng)原理和風(fēng)速Weibull模型以及風(fēng)速與風(fēng)向之間的條件相依性，建立計及尾流效應(yīng)和風(fēng)向分布的風(fēng)速條件相依模型，進而生成具有條件相依性的風(fēng)速與風(fēng)向。實測風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)驗證了該模型的有效性和實用性。 多個風(fēng)電場的風(fēng)速、風(fēng)向間常存在多重多維相關(guān)性關(guān)系。當多個風(fēng)電場接入電網(wǎng)時，模擬具有多重多維相關(guān)性的風(fēng)速和風(fēng)向樣本是進行可靠性評估的先決條件。本文根據(jù)Copula理論分別建立風(fēng)電場風(fēng)速、風(fēng)向的正態(tài)Copula函數(shù)和Archimedean Copula函數(shù)，利用經(jīng)驗Copula函數(shù)對模型進行選擇。采用風(fēng)向經(jīng)驗分布和風(fēng)速Weibull分布模型及聚類、變換和插值方法建立風(fēng)速與風(fēng)向的條件相依模型，進而建立具有多重多維相關(guān)性的風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)生成模型。通過實際觀測風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)對所提方法和模型進行了驗證，結(jié)果表明模擬數(shù)據(jù)能夠保持與原始數(shù)據(jù)相同的相關(guān)性、條件相依性、數(shù)字特征和分布特性。 風(fēng)電場中除風(fēng)電機組的故障影響風(fēng)電場發(fā)電量外，其它因素，如：集電線路故障、開關(guān)設(shè)備的隔離和切換操作、集電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)等，均對風(fēng)電場發(fā)電量有不同程度的影響，現(xiàn)有研究鮮有計及該類因素的綜合影響評估風(fēng)電系統(tǒng)可靠性。本文結(jié)合風(fēng)電場集電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，提出集電系統(tǒng)分塊概念和風(fēng)電場集電系統(tǒng)可靠性的指標。計及集電系統(tǒng)元件的多重故障以及開關(guān)設(shè)備的故障隔離、切換及隔離范圍等因素影響，利用分塊枚舉法和矩陣運算等建立風(fēng)電場集電系統(tǒng)的多狀態(tài)概率模型，進而得到風(fēng)電場集電系統(tǒng)可靠性評估模型。分別對四種典型結(jié)構(gòu)的風(fēng)電場集電系統(tǒng)進行可靠性評估，算例驗證了方法的可行性和有效性，結(jié)論表明該方法對風(fēng)電場集電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)規(guī)劃具有重要的參考價值。 由于尾流效應(yīng)影響和風(fēng)電場地形限制等因素，風(fēng)電場中不同風(fēng)機布局對應(yīng)的風(fēng)電場發(fā)電量不盡相同。在風(fēng)電場規(guī)劃階段，為提高風(fēng)電場年發(fā)電量和系統(tǒng)充裕性需要根據(jù)區(qū)域內(nèi)風(fēng)的分布特性和尾流原理優(yōu)化風(fēng)電場最優(yōu)風(fēng)機布局。本文根據(jù)幾何學(xué)理論確定風(fēng)電機組尾流區(qū)域和計算風(fēng)電機組之間的水平距離和垂直距離；計及區(qū)域風(fēng)速與風(fēng)向的聯(lián)合分布特性，以最大化風(fēng)電場發(fā)電量為目標函數(shù)，利用帶收縮因子和變異因子的改進粒子群優(yōu)化算法優(yōu)化風(fēng)電場最優(yōu)風(fēng)機布局。將該優(yōu)化模型應(yīng)用到實際區(qū)域的風(fēng)電場布局規(guī)劃中，并將優(yōu)化后的風(fēng)電場接入到可靠性測試系統(tǒng)分析風(fēng)電場布局優(yōu)化的可靠性效益。算例表明優(yōu)化后的風(fēng)電場能有效降低尾流效應(yīng)的影響，增加風(fēng)電場的發(fā)電量，改善系統(tǒng)的可靠性。 風(fēng)力發(fā)電與傳統(tǒng)機組發(fā)電的主要差別是風(fēng)電具有波動性和不可調(diào)度性?，F(xiàn)有含風(fēng)電場電力系統(tǒng)可靠性的研究能有效計及風(fēng)電對電網(wǎng)的充裕性貢獻，但鮮有能計及風(fēng)電功率波動對電網(wǎng)可靠性的不利影響。電力系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行中，系統(tǒng)既要實時滿足負荷功率需求，還要在發(fā)電或負荷功率波動時做實時調(diào)整，基于電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行特性，本文計及電網(wǎng)的靜態(tài)頻率特性探討了能夠刻畫風(fēng)電功率波動因素的含風(fēng)電場發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估模型。采用負荷等值、機組狀態(tài)模擬、系統(tǒng)靜態(tài)頻率調(diào)節(jié)等方法建立評估模型，并模擬系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行和負荷削減過程。將該模型應(yīng)用于可靠性測試系統(tǒng)，算例表明該模型不僅能夠反映風(fēng)電功率對電力系統(tǒng)可靠性的功率貢獻還能反映風(fēng)電功率波動對電力系統(tǒng)可靠性的負面影響。 【關(guān)鍵詞】：風(fēng)速模型 多重相關(guān)性 風(fēng)電場集電系統(tǒng) 風(fēng)電場布局優(yōu)化 可靠性評估
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM614;TM732
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-12
• 1 緒論12-28
• 1.1 研究背景和研究意義12-13
• 1.2 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展概述13-17
• 1.3 電力系統(tǒng)可靠性評估基礎(chǔ)17-20
• 1.3.1 電力系統(tǒng)可靠性的基本概念17-18
• 1.3.2 電力系統(tǒng)可靠性評估方法18-20
• 1.3.3 電力系統(tǒng)可靠性評估指標20
• 1.4 風(fēng)速模型20-23
• 1.4.1 風(fēng)速風(fēng)向模型21-22
• 1.4.2 風(fēng)速相關(guān)性模型22-23
• 1.5 含風(fēng)電場的發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估23-25
• 1.5.1 風(fēng)電場集電系統(tǒng)可靠性評估23-24
• 1.5.2 含風(fēng)電場的發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估24-25
• 1.6 風(fēng)電場布局優(yōu)化模型及其在可靠性中的應(yīng)用25-26
• 1.7 本文的主要研究內(nèi)容26-28
• 2 計及尾流效應(yīng)和風(fēng)向概率分布的風(fēng)速條件相依模型28-46
• 2.1 引言28-29
• 2.2 風(fēng)速和風(fēng)向相依性的初步分析29
• 2.3 風(fēng)速條件相依模型29-32
• 2.3.1 風(fēng)速和風(fēng)向的概率分布模型29-30
• 2.3.2 基于風(fēng)向分布的風(fēng)速條件相依模型30-31
• 2.3.3 條件相依性的風(fēng)速風(fēng)向生成算法31-32
• 2.4 平坦地形和復(fù)雜地形的尾流效應(yīng)模型32-35
• 2.5 計及尾流和條件相依性的發(fā)電系統(tǒng)評估算法及指標35-38
• 2.5.1 含風(fēng)能的發(fā)電系統(tǒng)可靠性影響和效益指標36-37
• 2.5.2 計及尾流和條件相依性的發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估算法37-38
• 2.6 算例分析38-44
• 2.6.1 風(fēng)速條件相依模型的驗證38-41
• 2.6.2 風(fēng)速條件相依模型在發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估中的應(yīng)用41-44
• 2.7 本章小結(jié)44-46
• 3 基于 Copula 理論的風(fēng)電場多重風(fēng)速風(fēng)向相關(guān)性模型46-60
• 3.1 引言46-47
• 3.2 風(fēng)電場多重相關(guān)性的初步分析47-48
• 3.3 風(fēng)電場多重風(fēng)速風(fēng)向相關(guān)性模型48-52
• 3.3.1 Copula 理論及相關(guān)性模型48-50
• 3.3.2 多重相關(guān)性的風(fēng)速與風(fēng)向生成模型50-52
• 3.4 計及多重風(fēng)速風(fēng)向相關(guān)性的發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估52-53
• 3.5 算例分析53-58
• 3.5.1 多重風(fēng)速風(fēng)向相關(guān)性模型的驗證53-56
• 3.5.2 多重風(fēng)速風(fēng)向相關(guān)性模型在可靠性評估中的應(yīng)用56-58
• 3.6 本章小結(jié)58-60
• 4 基于分塊枚舉法的風(fēng)電場集電系統(tǒng)可靠性評估算法60-78
• 4.1 引言60
• 4.2 風(fēng)電場集電系統(tǒng)典型拓撲結(jié)構(gòu)60-62
• 4.3 風(fēng)電機組的等效模型和多狀態(tài)容量概率表62-63
• 4.3.1 風(fēng)電機組可靠性等效模型62-63
• 4.3.2 風(fēng)電機組多狀態(tài)容量概率表63
• 4.4 單個分塊的機組運行臺數(shù)概率表63-67
• 4.4.1 集電系統(tǒng)單元件可靠性模型63-64
• 4.4.2 分塊的定義及形成算法64-65
• 4.4.3 單個分塊的機組運行臺數(shù)概率表65-67
• 4.5 風(fēng)電場集電系統(tǒng)多狀態(tài)容量概率表67-69
• 4.5.1 風(fēng)電場機組運行臺數(shù)概率表67-68
• 4.5.2 風(fēng)電場集電系統(tǒng)多狀態(tài)容量概率表68-69
• 4.6 風(fēng)電場集電系統(tǒng)可靠性評估指標69-70
• 4.7 風(fēng)電場集電系統(tǒng)可靠性評估的分塊枚舉算法70-71
• 4.8 算例分析71-77
• 4.8.1 單臺風(fēng)電機組多狀態(tài)容量概率表72
• 4.8.2 單個分塊的機組運行臺數(shù)概率表72-73
• 4.8.3 風(fēng)電場集電系統(tǒng)機組運行臺數(shù)概率表73-74
• 4.8.4 風(fēng)電場集電系統(tǒng)可靠性評估74-76
• 4.8.5 風(fēng)電場饋線故障率對可靠性的影響76-77
• 4.9 本章小結(jié)77-78
• 5 基于幾何學(xué)和粒子群算法的風(fēng)電場布局優(yōu)化方法78-102
• 5.1 引言78-79
• 5.2 粒子群優(yōu)化算法79-81
• 5.2.1 粒子群優(yōu)化算法理論79-81
• 5.2.2 帶變異因子的粒子群算法81
• 5.3 基于幾何學(xué)和粒子群算法的風(fēng)電場布局優(yōu)化方法81-88
• 5.3.1 風(fēng)機上游區(qū)域的搜索方法81-84
• 5.3.2 風(fēng)機間距離的計算方法84
• 5.3.3 風(fēng)電場布局優(yōu)化模型84-86
• 5.3.4 風(fēng)電場布局優(yōu)化算法86-88
• 5.4 計及綜合因素的含風(fēng)電場發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估算法88-90
• 5.5 算例分析：風(fēng)電場布局優(yōu)化算例90-96
• 5.5.1 基于幾何學(xué)和粒子群算法的風(fēng)電場布局優(yōu)化90-95
• 5.5.2 風(fēng)電場布局優(yōu)化算法在發(fā)電系統(tǒng)可靠性中的應(yīng)用95-96
• 5.6 算例分析：考慮綜合因素的含風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估算例96-100
• 5.7 本章小結(jié)100-102
• 6 計及靜態(tài)頻率特性的含風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估方法探討102-118
• 6.1 引言102-103
• 6.2 等值負荷模型103
• 6.3 電力系統(tǒng)靜態(tài)頻率特性模型103-106
• 6.3.1 電力系統(tǒng)靜態(tài)頻率特性103-105
• 6.3.2 傳統(tǒng)機組爬坡率和備用容量105-106
• 6.3.3 參數(shù)約束106
• 6.4 計及靜態(tài)頻率特性的電力系統(tǒng)可靠性評估106-111
• 6.4.1 含風(fēng)電場的發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估模型107-108
• 6.4.2 確定允許負荷變化量108-109
• 6.4.3 負荷削減、頻率恢復(fù)和負荷恢復(fù)過程109-111
• 6.5 計及靜態(tài)頻率特性的發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估指標111-112
• 6.6 計及靜態(tài)頻率特性的發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估算法112-113
• 6.7 算例分析113-117
• 6.7.1 計及靜態(tài)頻率特性的系統(tǒng)可靠性評估114-115
• 6.7.2 系統(tǒng)參數(shù)變化對系統(tǒng)可靠性的影響115-117
• 6.8 本章小結(jié)和展望117-118
• 7 結(jié)論118-120
• 致謝120-122
• 參考文獻122-132
• 附錄132-133
• A. 作者在攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文132-133
• B. 作者在攻讀學(xué)位期間參與的科研項目及成果133

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風(fēng)電場選址與風(fēng)機優(yōu)化排布實用技術(shù)探討    趙偉然;徐青山;祁建華;周琦;

風(fēng)電場輸出功率的概率分布及其應(yīng)用    張義斌,王偉勝

基于故障擴散的復(fù)雜中壓配電系統(tǒng)可靠性評估算法    謝開貴,周平,周家啟,孫渝江,龍小平

與風(fēng)電并網(wǎng)相關(guān)的研究課題    雷亞洲

加強電力系統(tǒng)可靠性的研究和應(yīng)用——北美東部大停電的思考    郭永基

分布式發(fā)電對配電網(wǎng)電壓分布的影響    王志群,朱守真,周雙喜,黃仁樂,王連貴

非參數(shù)統(tǒng)計理論在洪水頻率分析中的應(yīng)用研究    董潔

含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)可靠性與規(guī)劃問題的研究    吳義純

違約損失率分布特征與量化方法研究    林潔

計及風(fēng)電場容量可信度的電力系統(tǒng)可靠性研究    張碩

大型海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)優(yōu)化研究    陳寧

計及分布式電源的配電網(wǎng)供電可靠性評估    劉傳銓

考慮分布式發(fā)電的配電系統(tǒng)可靠性評估    陳云云

風(fēng)資源評估中風(fēng)速分布方法研究    張健

航天產(chǎn)品系統(tǒng)可靠性評估方法及軟件研究    徐艷麗,沈懷榮

信息融合技術(shù)在可靠性評估中的應(yīng)用    李執(zhí)力;李宇寰;許屹輝;

導(dǎo)彈武器系統(tǒng)可靠性評估的Bayes方法    周濤,胡昌華,葉雪梅

大電力系統(tǒng)可靠性評估的軟計算模型    鐘波,周家啟,趙淵

Weibull分布串并聯(lián)系統(tǒng)的Bayes可靠性評估    李榮,王慧頻,蔡洪

分布式發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估及管理研究    鄭琳;

系統(tǒng)可靠性的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)評估方法    尹曉偉;錢文學(xué);謝里陽;

協(xié)同制造系統(tǒng)的可靠性分析    胡仲翔;賈志成;陶俐言;

航空電源系統(tǒng)可靠性的Bayes分析    沈政;師義民;姜祥周;

基于云模型的輸電系統(tǒng)可靠性評估    王磊;趙書強;

貓?zhí)恿饔蛩樽詣訙y報系統(tǒng)可靠性評估    尹鎖柱;敖發(fā)良;

軍事信息網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)可靠性評估技術(shù)研究    劉偉;張勝;楊帥;

基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的綜合原子時系統(tǒng)可靠性評估    孫海燕;謝彥民;邱震;白銳鋒;

火箭彈射座椅可靠性評估方法研究    雷華金;

特定系統(tǒng)可靠性評估的方法    孫松成;李樹勇;龐文峰;吳政憲;

系統(tǒng)可靠性的修正極大似然法    蒲仁璧;

一種基于馬爾可夫鏈的容錯系統(tǒng)可靠性評估方法    劉璧怡;吳智博;景維鵬;

正態(tài)多因素聯(lián)合系統(tǒng)可靠性的置信下限    白林生;王奎;王正良;

計及可中斷負荷的發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性評估    葉俊;周明;李庚銀;

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性建模及綜合評估軟件    王玉明;金碧輝;

計及多因素的含風(fēng)能電力系統(tǒng)可靠性評估及優(yōu)化研究    楊賀鈞

風(fēng)電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可靠性評估及其薄弱環(huán)節(jié)辨識    蔣澤甫

大電力系統(tǒng)可靠性評估的靈敏度分析及其校正措施模型研究    趙淵

基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的機械系統(tǒng)可靠性評估    尹曉偉

智能變電站通信系統(tǒng)的實時性和可靠性研究    趙建利

城市軌道交通能饋式牽引供電系統(tǒng)可靠性、疲勞損傷評估及維護維修方法研究    盧西偉

考慮不確定性的輸電系統(tǒng)可靠性評估    王磊

地鐵供電系統(tǒng)可靠性評估與安全評價方法的研究    沈麗莉

權(quán)重表決系統(tǒng)可靠性評估模型研究    許鵬飛

系統(tǒng)可靠性評估中的信息融合方法及應(yīng)用    柴建

繼電保護系統(tǒng)可靠性評估的研究    王方

非能動安全系統(tǒng)可靠性評估方法初步研究    黃昌蕃

繼電保護系統(tǒng)可靠性評估的研究    鄭紫堯

基于Markov過程的繼電保護系統(tǒng)可靠性評估    閆奇

CRH3型動車組電氣系統(tǒng)可靠性研究    崔秀國

高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的RAMS評估    賈曉楠