大型风电场柔性直流输电系统可靠性计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及到直流输电系统可靠性评估技术领域，具体地说，是一种大型风电场 柔性直流输电系统可靠性计算方法。
【背景技术】
[0002] 风电是目前世界上发展速度最快、最具竞争力的可再生能源，与陆地相比，海上风 能资源更为丰富、风速更大、湍流度更低，风向更稳定、对环境影响较小，且海上风电场往往 靠近能源需求较大的沿海发达城市，具有海面可利用面积广阔，不占用土地等优势，已逐渐 成为未来风电发展的趋势。
[0003] 当采用柔性直流输电方式时，海上风电换流站内部电气系统设计的科学性和合理 性，关系到整个风电场建成后运行的稳定性、经济性和可靠性。在确保风电场安全运行的前 提下，海上风电换流站换流器的主电路拓扑选型，以及换流站的优化布局，都可使得设备投 资和运行成本降低。海上风电柔性直流输电需要铺设长距离的海底电缆，所以电能输送的 经济性和可靠性，也是海上风电柔性直流输电设计的主要目标。
[0004] 目前柔性直流输电系统可靠性评估中使用到的主要方法有故障树法（FTA法）、频 率持续时间法（FD法）以及状态枚举法等。
[0005] 然而，上述方法存在如下缺点：故障树分析法计算量大，误差大；FD法虽然计算简 单，但是无法将其计入某些可靠性指标的计算之中，如系统能量可用率；状态枚举法的物理 概念清楚，模型的精度高，但是它的计算量随系统规模的增大而呈指数增长，而由于柔性直 流输电系统元件较多，如果采用全状态枚举势必会出现"维数灾"问题。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的不足，本发明的目的是提供大型风电场柔性直流输电系统可靠性 计算方法，该方法计算量少，不仅能够计算柔性直流输电系统的各种可靠性指标，还能计算 计及风电场出力随机性的柔性直流输电系统的可靠性。
[0007] 为达到上述目的，本发明表述一种大型风电场柔性直流输电系统可靠性计算方 法，其关键在于按照以下步骤进行：
[0008] 步骤1 :根据直流输电系统的结构特点和运行方式，将系统分为变电站与风电场 子系统、送端子系统、直流输电子系统以及受端子系统，并确定直流输电系统的可靠性结构 框图；
[0009] 步骤2 :建立变电站与风电场子系统可靠性评估模型；
[0010] 步骤3 :采用频率持续时间法建立送端、受端子系统中各元件的状态空间图并获 得相应的等效模型，通过组合各等效模型建立整个子系统的可靠性评估模型；
[0011] 步骤4 :建立直流输电线路子系统的可靠性评估模型；
[0012] 步骤5 :采用枚举算法分别枚举各子系统的运行状态，采用频率持续时间法计算 各子系统的可靠性指标；
[0013] 步骤6 :根据系统的可靠性结构框图计算得出系统的可靠性指标。
[0014] 更进一步的，步骤2中建立变电站与风电场子系统可靠性评估模型的具体步骤 为：
[0015] 步骤2-1:根据变电站结构，对变电站内部主要元件建立可靠性评估模型；
[0016] 步骤2-2 :建立风电场可靠性评估模型，具体步骤如下：
[0017] 步骤2-2-a):根据风机的切入、额定、切出风速及风机的额定功率建立单个风电 机组的多状态模型；
[0018] 步骤2-2-b):计入风机的等效强迫停运率，建立计及风电机组强迫停运率的多状 态模型，记为PTMC W，
【主权项】
1. 一种大型风电场柔性直流输电系统可靠性计算方法，其特征在于按照以下步骤进 行： 步骤1 :根据直流输电系统的结构特点和运行方式，将系统分为变电站与风电场子系 统、送端子系统、直流输电子系统以及受端子系统，并确定直流输电系统的可靠性结构框 图； 步骤2 :建立变电站与风电场子系统可靠性评估模型； 步骤3 :采用频率持续时间法建立送端、受端子系统中各元件的状态空间图并获得相 应的等效模型，通过组合各等效模型建立整个子系统的可靠性评估模型； 步骤4 :建立直流输电线路子系统的可靠性评估模型； 步骤5 :采用枚举算法分别枚举各子系统的运行状态，采用频率持续时间法计算各子 系统的可靠性指标； 步骤6 :根据系统的可靠性结构框图计算得出系统的可靠性指标。
2. 根据权利要求1所述的大型风电场柔性直流输电系统可靠性计算方法，其特征在 于：步骤2中建立变电站与风电场子系统可靠性评估模型的具体步骤为： 步骤2-1 :根据变电站结构，建立变电站内部各个元件的可靠性评估模型； 步骤2-2 :建立风电场可靠性评估模型，具体步骤如下： 步骤2-2-a):根据风机的切入、额定、切出风速及风机的额定功率建立单个风电机组 的多状态模型； 步骤2-2-b):计入风机的等效强迫停运率，建立计及风电机组强迫停运率的多状态模 型，记为PTMCW，
其中，Nts w为PTMC w的总状态数；C wiPTMCw中第i个状态的风电机组输出功率，p (C wi)为 第i个状态对应的概率； 步骤2-2-c):运用聚类分析法，将风电场进行聚类分析得到风电场在指定阶数下的多 状态模型。
3. 根据权利要求2所述的大型风电场柔性直流输电系统可靠性计算方法，其特征在 于：步骤2-2-a)中所述单个风电机组的多状态模型包括风力发电模型、风速模型、风电机 组停运模型以及风电机组风电转换模型，其中， 风力发电模型
式中，Pt为风轮输出功率；C p为风轮的功率系数；A为风轮扫掠面积，A = π R2, R为风 轮半径；P为空气密度；V为风速； 风速模型：Vt= C (-Inxt)1/k， 式中，vt是第t小时的模拟风速，x t是第t小时生成的（0,1)均匀分布的随机变量，k、 c分别为Weibull模型的形状系数和尺度系数； 风电机组风电转换模型：
式中，Pk为风电机组的额定功率，V d为切入风速，V κ为额定风速，V。。为切除风速，A、B、 C为风电机组的功率特性曲线参数，计算公式为：
4.根据权利要求1所述的大型风电场柔性直流输电系统可靠性计算方法，其特征在 于：步骤4中所述频率持续时间法的计算公式为： 状态i发生的概率为
其中，u为修复率，λ为故障率； 状态i发生的频率为：
其中，Pi是状态i的概率；P ^是与状态i直接联系的状态的概率；λ ,或λ ^是转移率； Md是离开状态i的转移数；M e是进入状态i的转移数； 两状态间的转移频率Aj = P i λ ^ 其中，λ η是从状态i向状态j转移的转移率。
【专利摘要】本发明公开了一种大型风电场柔性直流输电系统可靠性计算方法，首先根据直流输电系统的结构特点和运行方式，将系统划分为若干个子系统，并确定直流输电系统的可靠性结构框图；建立各子系统的可靠性评估模块性，分别枚举各子系统的运行状态，最后采用频率持续时间法计算各子系统的可靠性指标，根据系统的可靠性结构框图计算得出系统的可靠性指标。本发明的显著效果是：将频率持续时间法与状态枚举法有机结合，计算量少，不仅能够在评估过程中考虑风电场间歇性出力和风机故障的影响，而且具有较好的通用性。
【IPC分类】H02J3-00, H02J3-36
【公开号】CN104682381
【申请号】CN201510038544
【发明人】李凌飞, 黄莹, 邱伟, 黎小林, 谢开贵, 胡博, 董吉哲, 李昌林, 王蔓莉
【申请人】南方电网科学研究院有限责任公司, 重庆大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年1月26日