一种考虑风电的配网供电可靠性评估方法与流程
本发明属于电网运行安全技术领域，更具体地涉及一种考虑风电的配网供电可靠性评估方法。
背景技术：
国家能源局指出到2020年底，风电累计并网装机容量确保达到2.1亿千瓦以上，风电年发电量确保达到4200亿千瓦时。国家政策的支持和目前国内风电装备技术推动了风电的快速发展，风电接入后将有效改善电网的供电可靠性，由于风电具有间歇性和随机性，一般采用蒙特卡洛方法进行含风电的可靠性评估。
目前的评估方法主要将风机考虑为一个整体，采用分布函数描述风速的不确定性，然后基于风速和输出功率数值关系描述风机输出功率的不确定性。这些方法忽略了风机本身结构的可靠性，如变速箱、电机和逆变器，无法准确描述风机输出功率的随机性，影响供电可靠性评估的精确性。
技术实现要素：
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提供一种考虑风电的配网供电可靠性评估方法，其目的是为了可以准确分析风电输出功率的不确定性，提高含风电供电可靠性的准确性，有助于合理量化风电的可靠性效益。
基于上述发明目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种考虑风电的配网供电可靠性评估方法，包括以下步骤：
步骤1.将采集的风速换算为风机获得的真实风速，并计算风速分布函数参数；根据计算所得风速分布函数参数随机生成风机风速序列；
步骤2.根据风机风速序列计算风机转子输出功率序列，并求出风机转子输出功率的威布尔分布函数，根据威布尔分布函数计算风机转子输出功率的可靠性；
步骤3.根据风机风速序列计算到达变速箱的风速序列，并求出达变速箱的风速的威布尔分布函数，根据威布尔分布函数计算风机变速箱功率的可靠性；
步骤4.计算风机发电机功率的可靠性；
步骤5.计算逆变器功率损耗和逆变器可靠性；
步骤6.计算单个风机可靠性；
步骤7.计算含风机的配电网的供电可靠性。
所述步骤4包括：计算发电机风速，根据发电机风速计算出到达变速箱的风速的威布尔分布函数；再根据威布尔分布函数计算风机发电机功率的可靠性。
所述步骤5包括：计算逆变器功率损耗，根据计算逆变器功率损耗计算温度变化；计算逆变器故障率，再根据风机风速序列计算对应的逆变器故障率序列，并求出逆变器故障率的威布尔分布函数，根据威布尔分布函数计算逆变器可靠性；
所述步骤1包括以下步骤：
1.1以15分钟为间隔，采集风速测量仪一年内测得的风速；
1.2根据公式(1)，将测量仪一年内测得的风速换算为风机获得的真实风速：
式中：hre表示风速测量仪高度；h表示风机轮毂高度；vre和v分别表示测量仪和风机轮毂处的风速；b为中间量；z为表面粗糙度；
1.3采用最小二乘法进行参数拟合，求出风机风速的威布尔分布函数f(v)：
式中：c为尺度参数；k为形状参数；
1.4根据所求的威布尔分布函数，随机生成n个风速数据，形成风速序列{v1,v2,…vi,…vn}；
其中，vi表示第i个风速数据。
所述步骤2包括：
2.1根据风速序列{v1,v2,…vi,…vn}和公式(4)计算风机转子输出功率序列。
式中：ps是风机额定功率；v是风速；vci是切入风速；vr是额定风速；vi是风速,vco是切出风速，a,b,c是常数，pri表示第i个风速对应的转子输出功率；
2.2采用最小二乘法进行参数拟合，求出风机转子输出功率的威布尔分布函数f(pr)：
式中：kr为f(pr)的形状参数；cr为f(pr)的尺度参数；pr为额定风机转子出输出功率；
2.3计算风机转子输出功率的可靠性rr；
式中：pci和pco分别表示在切入风速和切出风速时风机转子的输出功率,kr为f(pr)的形状参数。
所述步骤3包括：
3.1根据风机风速序列，计算到达变速箱的风速序列：
式中：λ表示叶尖速比；r表示涡轮半径；vgi表示第i个风速下到达变速箱的风速,vi表示风速；
3.2采用最小二乘法进行参数拟合，求出到达变速箱的风速的威布尔分布函数f(vg)：
式中：kg为f(vg)的形状参数；cg为f(pr)的尺度参数；
3.3计算变速箱的可靠性rg；
式中：vst和vma分别表示风机的启动风速和最大运行风速,kg为f(vg)的形状参数,cg为f(pr)的尺度参数。
所述步骤4包括：
4.1根据公式(5)计算发电机风速；
4.2采用最小二乘法进行参数拟合，求出到达变速箱的风速的威布尔分布函数f(po)：
式中：ko为f(po)的形状参数；co为f(po)的尺度参数；vo是切除风速；
4.3计算风机发电机输出功率的可靠性ro
式中：pci和pco分别表示在切入风速和切出风速时风机转子的输出功率，ko为f(po)的形状参数，co为f(po)的尺度参数。
所述步骤5包括：
5.1计算逆变器功率损耗pl；
式中：n表示半导体个数；m表示调制指数；
5.2根据逆变器功率损耗计算温度变化δt；
式中：ta表示环境温度，ra表示结电阻；pl表示负荷损失；
5.3计算逆变器故障率τ；
式中：lo表示定量正常寿命常数；ea表示活化能量；k表示波尔兹曼常数；δt表示温度变化；
5.4根据风速序列计算对应的逆变器故障率序列，采用最小二乘法进行参数拟合，求出逆变器故障率的威布尔分布函数f(τ)：
式中：kτ为f(τ)的形状参数；cτ为f(τ)的尺度参数；τ为故障率；
5.5计算逆变器的可靠性rτ；
式中：τci和τco分别表示在切入风速和切出风速时逆变器的故障率，kτ为f(τ)的形状参数，cτ为f(τ)的尺度参数。
所述步骤6包括：
6.1风机转子可靠性计算；
单个风机的可靠性rwt为：
rwt＝rr×rg×ro×rτ
式中：rr为风机转子输出功率的可靠性，rg为变速箱的可靠性，ro为风机发电机输出功率的可靠性，rτ为逆变器的可靠性；
6.2风机变速箱可靠性计算；
由nc×nr个风机组成风电场，整个风电场的可靠性rwp为：
式中：nc为风电场风机列数，nr为风电场每行风机个数。
所述步骤7包括：计算含风机的配电网的供电可靠性：
r＝1-(1-rwp)(1-rx)
式中：rx表示配电网中其他期间的可靠性，rwp表示整个风电场的可靠性。
本发明具有以下优点及有益效果：
本发明可以准确分析风电输出功率的不确定性，提高含风电供电可靠性的准确性，有助于合理量化风电的可靠性效益。
本发明分别考虑了风机转子、变速箱、发电机、逆变器的可靠性，能够更加准确计算风机整体的可靠性
本发明通过单个风机可靠性求出整个风电厂的可靠性，有利于实现风电场可靠性的评估计算
附图说明
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
图1是本发明方法流程示意图；
图2是本发明风机转子可靠性计算示意图；
图3是本发明风机变速箱可靠性计算示意图；
图4是本发明风机发电机可靠性计算示意图；
图5是本发明风机逆变器可靠性计算示意图；
图6是本发明单个风机可靠性示意图；
图7是本发明风电场可靠性示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明是一种考虑风电的配网供电可靠性评估方法，如图1所示，图1是本发明方法流程示意图，包括以下步骤：
步骤1.将采集的风速换算为风机获得的真实风速，并计算风速分布函数参数；根据计算所得风速分布函数参数随机生成风机风速序列；
步骤2.根据风机风速序列计算风机转子输出功率序列，并求出风机转子输出功率的威布尔分布函数，根据威布尔分布函数计算风机转子输出功率的可靠性；
步骤3.根据风机风速序列计算到达变速箱的风速序列，并求出达变速箱的风速的威布尔分布函数，根据威布尔分布函数，计算风机变速箱功率的可靠性；
步骤4.计算发电机风速，根据发电机风速计算出到达变速箱的风速的威布尔分布函数；再根据威布尔分布函数计算风机发电机功率的可靠性；
步骤5.计算逆变器功率损耗，根据计算逆变器功率损耗计算温度变化；计算逆变器故障率，再根据风机风速序列计算对应的逆变器故障率序列，并求出逆变器故障率的威布尔分布函数，根据威布尔分布函数计算逆变器可靠性；
步骤6.计算单个风机可靠性；
步骤7.计算含风机的配电网的供电可靠性。
实施例1：
如图1-图7所示，一种考虑风电的配网供电可靠性评估方法，包括以下步骤：
1.对采集到的风速进行风速分布函数参数计算。
1.1以15分钟为间隔，采集风速测量仪一年内测得的风速。
1.2根据公式(1)，将测量仪一年内测得的风速换算为风机获得的真实风速：
式中：hre表示风速测量仪高度；h表示风机轮毂高度；vre和v分别表示测量仪和风机轮毂处的风速；b为中间量；z为表面粗糙度。
1.3采用最小二乘法进行参数拟合，求出风机风速的威布尔分布函数f(v)：
式中：c为尺度参数；k为形状参数。
1.4根据所求的威布尔分布函数，随机生成n个风速数据，形成风速序列{v1,v2,…vi,…vn}；
其中，vi表示第i个风速数据。
2.计算风机转子功率可靠性。
2.1根据风速序列{v1,v2,…vi,…vn}和公式(4)计算风机转子输出功率序列。
式中：ps是风机额定功率；v是风速；vci是切入风速；vr是额定风速；vi是风速,vco是切出风速，a,b,c是常数，pri表示第i个风速对应的转子输出功率。
2.2采用最小二乘法进行参数拟合，求出风机转子输出功率的威布尔分布函数f(pr)：
式中：kr为f(pr)的形状参数；cr为f(pr)的尺度参数；pr为额定风机转子出输出功率。
2.3计算风机转子输出功率的可靠性rr。
式中：pci和pco分别表示在切入风速和切出风速时风机转子的输出功率,kr为f(pr)的形状参数。
3.计算风机变速箱功率可靠性。
3.1根据风机风速序列，计算到达变速箱的风速序列：
式中：λ表示叶尖速比；r表示涡轮半径；vgi表示第i个风速下到达变速箱的风速,vi表示风速。
3.2采用最小二乘法进行参数拟合，求出到达变速箱的风速的威布尔分布函数f(vg)：
式中：kg为f(vg)的形状参数；cg为f(pr)的尺度参数。
3.3计算变速箱的可靠性rg。
式中：vst和vma分别表示风机的启动风速和最大运行风速,kg为f(vg)的形状参数,cg为f(pr)的尺度参数。
4.计算风机发电机功率可靠性。
4.1根据公式(5)计算发电机风速。
4.2采用最小二乘法进行参数拟合，求出到达变速箱的风速的威布尔分布函数f(po)：
式中：ko为f(po)的形状参数；co为f(po)的尺度参数；vo是切除风速。
4.3计算风机发电机输出功率的可靠性ro
式中：pci和pco分别表示在切入风速和切出风速时风机转子的输出功率，ko为f(po)的形状参数，co为f(po)的尺度参数；
5.计算逆变器功率可靠性。
5.1计算逆变器功率损耗pl。
式中：n表示半导体个数；m表示调制指数；
5.2根据逆变器功率损耗计算温度变化δt。
式中：ta表示环境温度，ra表示结电阻；pl表示负荷损失。
5.3计算逆变器故障率τ。
式中：lo表示定量正常寿命常数；ea表示活化能量；k表示波尔兹曼常数；δt表示温度变化。
5.4根据风速序列计算对应的逆变器故障率序列，采用最小二乘法进行参数拟合，求出逆变器故障率的威布尔分布函数f(τ)：
式中：kτ为f(τ)的形状参数；cτ为f(τ)的尺度参数；τ为故障率。
5.5计算逆变器的可靠性rτ。
式中：τci和τco分别表示在切入风速和切出风速时逆变器的故障率，kτ为f(τ)的形状参数，cτ为f(τ)的尺度参数。
6.计算单个风机的可靠性。
6.1如图2所示，图2是本发明风机转子可靠性计算示意图。
单个风机可靠性由转子、变速箱、发电机和逆变器决定，单个风机的可靠性rwt为：
rwt＝rr×rg×ro×rτ
式中：rr为风机转子输出功率的可靠性，rg为变速箱的可靠性，ro为风机发电机输出功率的可靠性，rτ为逆变器的可靠性。
6.2如图3所示，图3是本发明风机变速箱可靠性计算示意图。
通常由nc×nr个风机组成风电场，整个风电场的可靠性rwp为：
式中：nc为风电场风机列数，nr为风电场每行风机个数。
7.计算含风机的配电网的供电可靠性。
r＝1-(1-rwp)(1-rx)
式中：rx表示配电网中其他期间的可靠性，rwp表示整个风电场的可靠性。
本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围，包括权利要求，被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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