电气工程论文论述电力系统旋转备用Word格式.docx
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针对风电接入电力系统后，如何可靠经济的配置旋转备用,对于风电的大规模接入和系统的稳定运行都具有重要意义.
1。
2电力系统旋转备用概述
2。
1备用的分类
备用容量起着调节系统频率,保持系统功率供需平衡的作用，对电力系统的稳定运行具有重要意义。
根据国内外的研究，一般可将备用容量做如下分类：
1、若按备用容量的响应时间分类可将备用容量分为旋转备用，非旋转备用,替代备用，黑启动备用，和自动发电控制等[12］.
对于旋转备用来说，其一般与电网保持同步,机组处于开机状态，且十分钟内就可成为可调度机组，功率调节能力较强；
非旋转备用并不与电网同步运行，但接受调度后其有能力在十分钟之内启动并提供功率;
替代备用指的是有能力在一小时内被调度的发电机组；
黑启动备用是指当整个电网系统遭遇故障瘫痪,需要重新启动时首先启动以提供功率使系统逐步恢复的机组[13].
2、若按备用容量的配置作用分类,则可将备用容量分为负荷备用、事故备用、检修备用和国民经济备用等［14］.
所谓负荷备用,是指为应对短时负荷波动并以及计划负荷增加而设置的备用；
事故备用是在电力系统发生偶然性事故时使其免于严重影响，维持正常供电而配置的备用；
检修备用是保证发电设备定期检修而设置的备用;
除满足当前负荷的需要设置的上述几种备用外,电力系统还包括计及负荷的超计划增长而设置的一定的备用,这种备用就称为国民经济备用［15］。
2.2旋转备用的定义
一般的，旋转备用是指运行正常的发电机维持额定转速，随时可以并网，或已并网但仅带一部分负荷，随时可以加出力至额定容量的发电机组。
旋转备用容量也可看作是发电设备可能发的最大功率与系统发电负荷之差，在机组组合问题中一般将旋转备用容量表达为：
（1—1）
式中为系统t时段的旋转备用容量，和分别为系统t时段机组i的机组出力及机组状态,N为机组数，为t时段的负荷值。
1.2。
3传统的旋转备用配置方法
传统的旋转备用配置方法主要有两种：
负荷百分比法和最大在线机组法。
负荷百分比法是要求系统的旋转备用容量必须高于各时段负荷的某个固定百分比；
而最大在线机组法则规定旋转备用容量必须高于最大在线机组的容量，以保证当系统中某一机组发生随机停运时系统有足够的备用容量来应对功率缺额，这种方法也被称为“N-1原则”.这两种方法前者侧重于负荷波动和预测误差,后者侧重于机组的随机停运，虽然侧重点不同，但是方法都比较简单，在实践中得到了非常广泛的应用。
1.3国内外研究现状
1.3.1备用的研究分类
旋转备用的配置与很多因素有关,如电网的结构、电网规模、负荷水平、负荷预测的精确性和机组及系统元件的可靠性水平等。
随着电力工业技术的不断改进,运行理念和运行体制的不断发展，旋转备用的配置方案也在不断变化.一般国内外针对旋转备用的研究可主要分为以下几类[16］：
1、采用确定性方法
确定性方法即传统的旋转备用配置方法，要求系统各时段旋转备用高于负荷的某一固定百分比或者最大在线机组的容量。
确定性方法简单易实现，可以保证系统的可靠性水平在一定标准,在实际中得到了广泛的应用.
2、采用概率性方法
确定性方法没有考虑机组停运或负荷波动的概率特性，因此有学者提出在对发电系统做概率分析的基础配置备用，保证系统各时段维持一定的可靠性水平.在实际中应用最广泛的发电系统可靠性指标主要有两个：
电力不足概率LOLP和电量不足期望值EENS。
3、采用成本效益分析的方法
在电力市场环境下,电力系统运营应坚持社会效益最大化的原则,平衡各方风险和利益.因此电力市场环境下一般通过成本效益分析来配置备用，其中成本为发电商的备用报价或其为了维持备用容量而放弃的机会成本，效益则以用户的期望停电损失表示。
4、采用随机优化方法
电力系统规模不断扩大，运行环境日益复杂,诸如机组停运、元件故障和线路过载等因素造成的事故日益增多，采用随机优化方法配置备用就是研究各类随机因素对未来运行状态造成的影响，以未来运行状态发生概率的权重来配置备用。
3.2考虑风电的备用容量研究
风电是一种清洁的可再生能源，与常规火电机组相比其在发电过程中并不需要任何燃料成本，而且不产生排放，长远来看可以给电力系统带来很多经济上和环境上的收益。
随着风力发电技术的不断进步、风电规模的逐年扩大，为了能充分利用风能，保证风电接入后电网的稳定运行，必须配备额外的旋转备用容量。
旋转备用容量的配置方案是一个可靠性与经济型综合整体决策的问题，高备用意味着高可靠性和高成本,低备用意味着低成本和较低的可靠性,在实际中单一的追求可靠性或经济性很简单，但若要将其综合协调考虑时则往往面临困难。
而且风电接入后不仅使系统变得更为复杂，需要考虑风电场这一增加的扰动源，而且以往基于负荷可知的调度和发电计划的制定也需重新考虑。
在这种情况下，针对风电接入后如何合理、可靠和经济的配置旋转备用容量,国内外学者做了大量的研究工作。
文献［17]指出风电功率预测的较大误差使风电机组不像常规机组一样可靠，随着风电规模的扩大，为了抵消风电带来的功率波动，系统需维持与风电场容量相当的旋转备用。
文献[18]研究了风力发电功率波动的概率分布及其波动的范围，并以此为依据配置了不同响应时间及不同置信水平下的备用。
文献[19]根据风电功率预测的水平，把风电场功率分为可靠功率和不可靠功率。
其中可靠功率作为正常机组出力，不可靠功率则配置备用来抵消其不确定性。
文献[20］使用机会约束的方法，基于风电预测误差的概率密度函数建立了旋转备用容量的获取模型.通过设置约束条件，该模型反映了旋转备用充裕水平对系统经济性的影响。
文献［21]考虑了风电场功率预测偏差和机组停运等因素对旋转备用的影响，采用成本分析方法,将用户停电损失并入到机组组合问题中,构建了以发电成本和用户停电损失最小为目标函数的备用容量获取模型。
模型中没有设定旋转备用约束，而是通过发电成本和用户停电损失的自动平衡来设置备用容量。
文献[22］考虑了负荷及风电功率预测偏差，对并入风电前后系统的备用情况差异性进行分析，为电力系统安全稳定运行提供了一定参考意见。
文献［23]提出了能够应对负荷预测误差、风电预测误差和机组随机停运的系统最优旋转备用容量确定方法,然后采用蒙特卡洛模拟将提出的方法与原有备用配置方法进行了比较。
文献[24］利用风电预测误差等影响备用容量的不确定因素建立了备用容量和可靠性之间的函数关系。
但是其缺陷在于确定的函数关系太过复杂，在机组组合中难以求解。
1.4本文所做的工作
大规模风电接入电网后，原有的旋转备用容量确定方法已经不能满足电网稳定运行的要求，系统需要额外安排旋转备用来应对风电带来的不确定性。
在参开国内外已有研究成果的基础上,针对风电接入后如何合理、可靠和经济的配置旋转备用,本文做了以下研究工作：
1、研究了风力发电预测误差、负荷预测误差和机组随机停运的概率特性，并将其统一带入到停运容量概率表中以计算风电接入后发电系统的可靠性指标；
2、研究了电力系统可靠性指标与旋转备用容量之间的关系，并据此设置系统的旋转备用容量，使得系统各时段的电力不足概率始终低于一定水平；
3、针对风电波动性大的特点，根据已有的风电功率波动范围的研究，设置一定的下调旋转备用，以保证当风力发电大大多于预测值或出现极端波动情况时系统不至于切风机；
4、采用拉格朗日松弛法对机组组合模型进行求解以比较不同备用配置方案的可靠性和经济性,并编制了基于Matlab语言的机组组合程序。
同时对算法和程序进行部分修改,使其能够处理带有下调备用的机组组合问题。
5、对不同的备用配置方案进行比较分析，分析了本文可靠性指标方法与传统旋转备用配置方案的可靠性与经济性，并讨论了下调备用容量的设置对机组出力及生产成本的影响。
第2章发电系统可靠性评估
电力系统的安全可靠运行是保障连续稳定供电的前提,关系到经济发展和社会稳定的大局。
近些年随着我国电网规模的不断扩大，电力系统的可靠性问题也显得尤为重要。
二十世纪六十年代，欧洲、日本、美国等国家陆续遭遇电力系统故障，导致大面积停电，从此学者们开始专注于电力系统可靠性的研究。
1981年，北美电力可靠性委员会（NERC）在美国成立，日本和欧洲等当时的电力工业发达国家也开展了电力系统可靠性方面的工作。
2000年至2001年的美国加州电力危机和2003年北美东部史上发生的最大规模的电力系统停电事故再次激起了人们对电力系统可靠性的研究热情。
在我国,中国电机工程学会可靠性专业委员会于1983年成立,同年成立了的还有电力可靠性管理中心，这些机构开展了我国早期的电力系统的可靠性统计和研究工作。
进入上世纪90年代，随着电力工业的发展，电力技术的进步，我国的电力系统可靠性研究和应用又有了新的发展。
1发电系统可靠性概述
电力系统可靠性（powersystemreliability）是指电力系统按一定的质量要求和所需要的数量，安全稳定的向电力用户供电,以满足其电力以及电能量需求的能力的度量。
充裕度和安全性是电力系统可靠性的两个方面。
充裕度是电力系统满足电力用户电力及电能量需求的能力。
充裕度又被称静态可靠性,指的是静态条件下电力系统满足电力用户电力及电能量需求的能力.安全性主要是指电力系统能够承受突然发生的破坏系统稳定运行状态的扰动的能力。
相对于充裕度,电力系统的安全性也被称为动态可靠性，即动态条件下电力系统能够承受突然扰动，并且安全稳定的满足电力用户电力以及电能量需求的能力[25］。
电力系统的规模非常庞大,因此在研究上一般将电力系统可靠性分解为若干部分，包括发电系统可靠性、发输电系统可靠性、输电系统可靠性、配电系统可靠性以及发电厂变电所电气主接线可靠性等。
电力系统的可靠性是用可靠性指标来度量的不同的子系统根据各自特点有各自专门的可靠性指标。
发电系统可靠性（generatingsystemreliability）是对统一并网后的全部发电机组按可接受的一定标准及期望数量，满足电力系统负荷电力和电能量需求的能力的度量.确定电力系统为满足用户的电力及电能需求而所需的发电容量是研究发电系统可靠性的主要目的。
电力系统所需的发电容量可以分为静态容量和运行容量。
静态容量指的是对于整个系统所需发电容量的长期估计,一般可以考虑为装机容量。
静态容量必须满足的包括发电机组计划检修、非计划检修、非预计的负荷增长和季节性的降低出力等要求。
运行容量则是对能够满足一定负荷水平而所需的实际发电容量的短期估计。
静态容量和运行容量的判别首先是二者考虑的时间期限不同，而且静态容量待确定的量是电力系统的合理装机备用；
而运行备用需要确定的量则是在短时间内系统所需要的运行备用（包括旋转备用、快速启动机组及互联系统的相互支援等）.在电力系统规划阶段必须对上述两方面都进行核算才能评价不同的电源发展方案。
在做出决策后，短期容量的需求就成为电力系统运行时的重中之重。
充裕度是发电系统可靠性的重要指标.发电系统充裕度,是扣除由于机组计划和非计划停运造成的出力降低后，发电机组在额定值和电压水平的限度内满足用户电力及电能量需求的能力.传统上用来衡量系统装机容量充裕度方法有两个，即按最大在线机组容量安排备用或按负荷的固定百分比来安排备用，或采用将此二者结合起来的方法.这些都属于确定型的方法，应用起来比较简单，主要的依据是长期以来积累的负荷预测资料、发电系统可靠性资料以及规划设计人员的经验等。
若考虑机组间可靠性水平的差异，使用确定型的方法，难以保证系统在不同的机组组合状态或不同时段里维持一致的可靠性水平。
为此，有学者考虑从了机组的强迫停运及其他不确定因素的概率特性，提出了以概率分析为基础的概率型方法，即电力不足概率法（lossofloadprobability,LOLP）及电力不足频率和持续时间法（frequencyandduration，F＆D）。
任何发电系统充裕度估计的概率方法的基本原理与途径上都大致相同，它主要由3部分构成，如图2。
1所示。
图2-1发电系统可靠性分析原理示意图
分别得到发电系统模型及可靠性负荷模型并将其结合形成适当的风险模型后，遍可计算出一系列电力系统可靠性指标.这些可靠性指标通常不考虑输电网络的约束，也并不反映某一特定用户负荷节点的电力不足情况，但是能衡量作为一个整体的发电系统的充裕度.
2停运容量概率模型的建立
2.2.1安装容量
构成发电系统的各个元件是发电机组.系统内所有发电机组额定容量的总和称为发电系统的安装容量（installedcapacity）.安装容量仅与机组的额定容量有关而与机组状态无关，表示为:
（1-1）
式中，为发电系统的安装容量，单位为MW，为机组的额定容量，单位也为MW。
2.2.2可用发电容量
发电系统的可用发电容量（availablegenerationcapacity）是指系统中所有机组处于正常可用的状态,并能连续带满负荷的容量。
发电系统的可用发电容量与机组的状态有关。
对一台机组来讲，有如下关系：
（2-2）
2.3停运容量
当一台机组处于停运状态时，将其不能连续带负荷的容量定义为该机组的停运容量（outagecapacity），对一台机组来说，有如下关系：
（2-3）
根据上述定义，可知对于系统中某一台机组有如下关系：
ICi（安装容量）=ACi（可用容量）+OCi（停运容量）（2-4）
对于一个系统有如下关系:
ICs（安装容量）=ACs（可用容量）+OCs（停运容量）（2-5）
若发电厂采用的是单母线系统,那么系统的可用容量为
（2-6）
系统的停运容量OCs为
（2-7）
2.4采用递推公式建立模型
1.确切状态概率公式
某发电系统新增一台机组后，其停运容量为X的概率可按下式计算：
（2-8）
式中，C为新增加机组的容量,单位MW；
r为新增机组的强迫停运率，可以根据统计资料等获得;
为系统新增机组后停运容量为的概率；
为原系统停运容量为的概率.
对第一台机组，，当X<
C时，。
式（2-8）推导如下:
记系统增加一台机组后停运容量为的事件为A事件，A事件的子事件是A1A2；
记系统增加机组前停运容量为的事件为B1事件，增加一台机组前系统停运容量为的事件为B2事件；
新增机组的停运容量为0时记为事件C0，新增机组停运容量为C时记为事件C1.则有
。
事件A，B,C有如下关系:
即。
2.积累状态概率公式
若系统原有若干机组，后又新增加一台机组,则新增机组后系统停运容量为的积累概率状态为
（2—9）
本式所用符号r，C与上式相同.
3负荷模型
负荷模型是发电系统可靠性估计中的基本模型之一，既可用不同阶段的负荷曲线表示,也可以用每月、每天、每小时的负荷分别表示。
负荷是通过负荷预测得到的，而负荷预测不能保证完全准确，存在一定的误差,因此负荷尚存在一定的不确定性。
有两种方法可以处理负荷的不确定性：
一种是按负荷预测结果中的尖峰负荷计算可靠性指标,再用尖峰负荷出现的概率对可靠性指标进行加权平均处理；
另一种方法则是把预测负荷看成服从某一概率分布的随机变量,求出它的数学期望和方差。
这样处理后,求得的可靠性指标也是随机变量,其数学期望值和方差也可根据停运容量概率模型和预测负荷模型求出.
发电系统的可靠性估计中，可以采用两种方法：
一是采用积累负荷模型和确切停运容量模型;
或者采用确切的负荷模型和积累停运容量模型。
后者计算较为简便，并且计算公式与停运容量模型的计算公式非常相似.
4发电系统可靠性指标
评价发电系统的重要依据是可靠性指标，下面列举了使用最为广泛的几个可靠性指标。
这些可靠性指标被许多国家应用来评价其发电系统可靠性,具有很强的代表性。
（1）电力不足概率（LossofLoadProbability）
电力不足概率简称LOLP,是指系统有效发电容量不能满足负荷需要的时间概率。
即：
（2—10）
其中为停运容量，为系统的备用容量.
工程上应用的通常是电力不足期望值（LOLE）而不是电力不足概率指标（LOLP），但两个指标在本质上是一样的，在大多数文献中对其并没有做严格区分。
电力不足期望值的具体表达式为：
（2-11）
若负荷模型采用的是日最大负荷作为年持续负荷曲线，那么式（2-11）中的T为365天，电力不足期望值的单位为天/年；
如果负荷模型采用的是日负荷曲线，那么式（2—11）中的T为8760小时，此时电力不足期望值的单位则为小时/年。
当采用的负荷模型为日负荷曲线时，电力不足期望值对系统具体情况如系统内水火电比例和系统大小等等并十分不敏感。
LOLP实际上是指电力不足的期望时间,也称为电力不足风险,LOLP能判断系统装机容量不能够满足负荷需要时间的概率。
LOLP概念清楚，计算简单，在考虑了负荷曲线特点、可靠性要求及区域差异后,有关研究指出我国LOLP标准可以设定为12小时/年.
（2）电量不足期望值（ExpectedEnergyNotSupplied）
电量不足期望值即EENS，指的是由于机组强迫停运等原因导致系统的可用容量不足而无法满足用户电能需求量的期望值，是电量不足概率法的另一种表示方式,用公式可以描述为：
（2—12）
式中为裕度的概率，可将上式变为：
（2-13）
式中为研究周期,单位为。
EENS是使用户损失的用电量,所以用来计算停电损失.
（3）电量不足概率（LossofEnergyProbability）
电量不足概率即LOEP。
电量不足概率法考虑的是由于预测尖峰负荷超过系统可用发电容量而使用户无法得到供给的电量。
电量不足概率法的可靠性指标记为LOEP,是由于预测尖峰负荷超过系统可用发电容量而导致系统无法供给负荷的电量与需要系统供给负荷的总电量的比值.
（4）频率及持续时间（FrequencyandDuration）
有些行业的电力用花如化工、冶金等对停电事故的频次很敏感。
因此在70年代中期有关学者提出同样应采用停电事故的频率及持续时间作为发电系统可靠性指标。
频率和持续时间法，简称F&
D，相比之前介绍的几种方法，其所用的停运容量模型和负荷模型一般要考虑日负荷曲线的变化，因此更为精确。
频率主要是指系统不能满足用户电力需求的事件在某一单位事件内重复出现次数的期望值。
而持续时间则是指系统有效容量不能满足负荷需求状态的期望时间。
系统停电累积频率可以表示为:
（2-14）
停电持续时间D定义为:
（2-15）
此方法的缺点在于要求的数据太多，而且计算复杂，因此其在工程上没有其他几个指标应用普遍。
2.5电力不足概率的计算
目前，电力不足概率法是发电系统可靠性评估中被最广泛采用的方法。
本文研究的是计及风力发电的旋转备用容量问题，采用的负荷模型是每小时的预测负荷,因此采用LOLP的可靠性指标更加合理.
得到机组容量停运表后，电力系统可靠性指标LOLP可由下式计算得到:
（2—16）
式中为停运容量，为旋转备用容量。
6可靠性指标与备用容量的关系
确保电力供应的可靠性关系到经济发展和社会稳定的大局，是至关重要的问题.近年来，我国经济持续快速增长，但电力系统装机容量却出现了相对不足的情况，许多省份电力供不应求，甚至需要拉闸限电,制约了经济的发展。
在电力系统中配置备用的目的主要是为了提高系统运行的可靠性、减少停电事故，因此备用对电力系统的安全可靠运行起着重要的作用.电力系统备用容量与其可靠性水平之间紧密相关，对系统可靠性水平的评估可以作为调整备用容量的依据。
上述的各种指标各有其特点，虽然分别有各自的优势和局限性，但却分别从不同的角度反映了系统的可靠性情况。
在实践中，往往是通过多个指标来描述一个系统可靠性的各个方面，使这些可靠性指标之间可以相互弥补。
目前，电力不足概率法是评估发电系统可靠性最普遍采用的方法.本文在对发电系统进行评估时采用的是基于负荷预测的每小时的负荷曲线,因而采用电力不足概率评估更为合适。
根据图2—2可以看出，电力不足概率LOLP随着旋转备用容量的增加而减小，当旋转备用容量较小时，电力不足概率LOLP较大，表明系统可靠性很低。
随着旋转备用容量的增多,电力不足概率LOLP逐渐减小并趋近于0,表明电力系统可靠性较高，但此时系统备用所对应的成本也会相应增加。
图2-2旋转备用容量与电力不足概率关系
小结
研究发电系统可靠性的主要是为了确定电力系统所需的发电容量，使其能够满足负荷电力和电能的需求。
评估发电系统可靠性需建立机组容量概率模型和负荷模型，两者的综合即可求出可靠性指标.发电系统可靠性广泛应用于犀利系统的中长期电源规划和运行规划。
备用的配置主要是为了提高系统的可靠性、减少停电
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