一种海上风电场并网的可靠性指标值计算方法及装置与流程

1.本发明涉及计算海上风电场可靠性指标的技术领域，尤其涉及一种海上风电场并网的可靠性指标值计算方法及装置。


背景技术：

2.随着世界对清洁绿色能源的关注度日益提升，越来越多的绿色能源事业开始逐渐发展，其中一种就是海上风电事业。为了能综合管理与统筹各个海上风电场系统，需要将各个海上风电场系统进行并网，使各个海上风电场系统产生的电力与陆上发电系统的电力能共同使用。
3.为了确定并网后的电力系统是否稳定工作，需要对稳定性和可靠性进行评估。目前常用的可靠性评估方法是获取各个海上风电场系统传输至陆上的电力，分别计算传输电力的大小、功率以及传输时长对应的指标，结合各个指标计算各个海上风电场系统与陆上电力系统并网的可靠性指标，再基于该指标评估可靠性。
4.但目前常用的可靠性指标的计算方法有如下技术问题：各个海上风电场系统容易受到风力的影响，可能会出现间歇发电或者大幅度波动等情况，而且各个海上风电场系统产生的电力也需要通过电缆传输至陆上，传输过程中也可能受到电缆的状态影响，仅仅基于电力大小、功率或传输时间计算可靠性指标，难以反映各个海上风电场系统的实际发电情况以及电缆的状态，计算的可靠性指标与实际情况误差较大，准确率较低。


技术实现要素：

5.本发明提出一种海上风电场并网的可靠性指标值计算方法及装置，所述方法可以预先统计海上风电场的风机在不同情况下的发电出力概率值，基于发电出力概率值计算电缆在不同运行状态下的可用出力值，结合不同运行状态下的可用出力值计算并网的可靠性指标，从而减少计算误差，提高计算的准确率。
6.本发明实施例的第一方面提供了一种海上风电场并网的可靠性指标值计算方法，所述方法包括：
7.统计风机的出力概率参数，所述出力概率参数包括风机在故障状态下的若干个出力概率值，以及风机在非故障状态下的若干个出力概率值，每个所述出力概率值对应风机的一组出力区间段；
8.基于所述出力概率参数，分别计算电缆在若干个不同运行状态下对应的可用出力值，得到若干个可用出力值；
9.采用若干个所述可用出力值计算风机的年平均可用出力值，采用所述年平均可用出力值计算得到可靠性指标值。
10.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述运行状态包括正常状态、停运状态和降额状态；
11.所述基于所述出力概率参数，分别计算电缆在若干个不同运行状态下对应的可用
出力值，包括：
12.分别计算所述正常状态、所述停运状态和所述降额状态对应的状态概率，得到正常状态概率值、停运状态概率值和降额状态概率值；
13.采用所述出力概率参数计算所述正常状态对应的可用出力值，得到正常可用出力值；
14.采用所述停运状态概率值和所述出力概率参数计算所述停运状态对应的可用出力值，得到停运可用出力值；
15.采用所述降额状态概率值和所述出力概率参数计算所述降额状态对应的可用出力值，得到降额可用出力值。
16.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述分别计算所述正常状态、所述停运状态和所述降额状态对应的状态概率，得到正常状态概率值、停运状态概率值和降额状态概率值，包括：
17.分别确定所述降额状态对应的降额转移率和降额修复率，以及分别确定停运状态的停运转移率和停运修复率；
18.采用所述降额转移率、所述降额修复率、所述停运转移率和所述停运修复率，分别计算正常状态概率值、停运状态概率值和降额状态概率值。
19.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述采用所述年平均可用出力值计算得到可靠性指标值，包括：
20.获取海上风电场的可用度参数，所述可用度参数包括：关于海上风电场集电器件的集电可用度，关于海上风电场换流站的海上可用度和陆上可用度，以及关于海上风电场无功组件的海上无功补偿可用度和陆上无功补偿可用度；
21.基于所述可用度参数和所述年平均可用出力值计算得到可靠性指标值。
22.在第一方面的一种可能的实现方式中，在所述用所述年平均可用出力值计算得到可靠性指标值的步骤后，所述方法还包括：
23.采用所述可靠性指标值分别计算年平均电力冗余期望值和容量因子；
24.基于所述年平均电力冗余期望值和所述容量因子确定海上风电场并网的稳定性。
25.本发明实施例的第二方面提供了一种海上风电场并网的可靠性指标值计算装置，所述装置包括：
26.统计模块，用于统计风机的出力概率参数，所述出力概率参数包括风机在故障状态下的若干个出力概率值，以及风机在非故障状态下的若干个出力概率值，每个所述出力概率值对应风机的一组出力区间段；
27.计算可用出力值模块，用于基于所述出力概率参数，分别计算电缆在若干个不同运行状态下对应的可用出力值，得到若干个可用出力值；
28.计算指标模块，用于采用若干个所述可用出力值计算风机的年平均可用出力值，采用所述年平均可用出力值计算得到可靠性指标值。
29.在第二方面的一种可能的实现方式中，所述运行状态包括正常状态、停运状态和降额状态；
30.所述计算可用出力值模块，还用于：
31.分别计算所述正常状态、所述停运状态和所述降额状态对应的状态概率，得到正
常状态概率值、停运状态概率值和降额状态概率值；
32.采用所述出力概率参数计算所述正常状态对应的可用出力值，得到正常可用出力值；
33.采用所述停运状态概率值和所述出力概率参数计算所述停运状态对应的可用出力值，得到停运可用出力值；
34.采用所述降额状态概率值和所述出力概率参数计算所述降额状态对应的可用出力值，得到降额可用出力值。
35.在第二方面的一种可能的实现方式中，所述计算可用出力值模块，还用于：
36.分别确定所述降额状态对应的降额转移率和降额修复率，以及分别确定停运状态的停运转移率和停运修复率；
37.采用所述降额转移率、所述降额修复率、所述停运转移率和所述停运修复率，分别计算正常状态概率值、停运状态概率值和降额状态概率值。
38.在第二方面的一种可能的实现方式中，所述计算指标模块，还用于：
39.获取海上风电场的可用度参数，所述可用度参数包括：关于海上风电场集电器件的集电可用度，关于海上风电场换流站的海上可用度和陆上可用度，以及关于海上风电场无功组件的海上无功补偿可用度和陆上无功补偿可用度；
40.基于所述可用度参数和所述年平均可用出力值计算得到可靠性指标值。
41.在第二方面的一种可能的实现方式中，所述装置还包括：
42.计算期望值和容量因子模块，用于采用所述可靠性指标值分别计算年平均电力冗余期望值和容量因子；
43.确定模块，用于基于所述年平均电力冗余期望值和所述容量因子确定海上风电场并网的稳定性。
44.相比于现有技术，本发明实施例提供的一种海上风电场并网的可靠性指标值计算方法及装置，其有益效果在于：本发明可以预先统计海上风电场的风机在不同情况下的发电出力概率值，基于发电出力概率值计算电缆在不同运行状态下的可用出力值，结合不同运行状态下的可用出力值计算并网的可靠性指标，从而减少计算误差，提高计算的准确率。
附图说明
45.图1是本发明一实施例提供的一种海上风电场并网的可靠性指标值计算方法的流程示意图；
46.图2是本发明一实施例提供的超导电缆三状态转移模型；
47.图3是本发明一实施例提供的海上风电场应用超导直流电缆并网的结构示意图；
48.图4是本发明一实施例提供的一种海上风电场并网的可靠性指标值计算装置的结构示意图。
具体实施方式
49.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。
50.随着世界对清洁绿色能源的关注度日益提升，越来越多的绿色能源事业开始逐渐发展，其中一种就是海上风电事业。为了能综合管理与统筹各个海上风电场系统，需要将各个海上风电场系统进行并网，使各个海上风电场系统产生的电力与陆上发电系统的电力能共同使用。
51.为了确定并网后的电力系统是否稳定工作，需要对稳定性和可靠性进行评估。目前常用的可靠性评估方法是获取各个海上风电场系统传输至陆上的电力，分别计算传输电力的大小、功率以及传输时长对应的指标，结合各个指标计算各个海上风电场系统与陆上电力系统并网的可靠性指标，再基于该指标评估可靠性。
52.但目前常用的可靠性指标的计算方法有如下技术问题：各个海上风电场系统容易受到风力的影响，可能会出现间歇发电或者大幅度波动等情况，而且各个海上风电场系统产生的电力也需要通过电缆传输至陆上，传输过程中也可能受到电缆的状态影响，仅仅基于电力大小、功率或传输时间计算可靠性指标，难以反映各个海上风电场系统的实际发电情况以及电缆的状态，计算的可靠性指标与实际情况误差较大，准确率较低。
53.为了解决上述问题，下面将通过以下具体的实施例对本技术实施例提供的一种海上风电场并网的可靠性指标值计算方法进行详细介绍和说明。
54.参照图1，示出了本发明一实施例提供的一种海上风电场并网的可靠性指标值计算方法的流程示意图。
55.其中，作为示例的，所述海上风电场并网的可靠性指标值计算方法，可以包括：
56.s11、统计风机的出力概率参数，所述出力概率参数包括风机在故障状态下的若干个出力概率值，以及风机在非故障状态下的若干个出力概率值，每个所述出力概率值对应风机的一组出力区间段。
57.由于海上风电场出力受气象条件影响较大，具有明显的随机性和波动性，因此在可靠性分析中需要考虑海上风电场的出力特性。
58.在一实现方式中，可以通过记录海上风电场的风速变化曲线，可知风电场的风速基本在切出风速与零风速之间波动，对应的风电机组出力也在额定容量及零出力之间波动。
59.例如，可以将风电机组出力大小等分为若干个区间(如10个)，可以统计各出力区间的出现概率，具体可以由历史统计数据得到或者按频次计算近似得到。以20xx年某并网风电场为例，其出力区间及概率分布表如下表所示：
60.表1-不考虑风机故障的风电机组出力概率表
61.[0062][0063]
考虑风力发电机(包括发电机、隔离开关、断路器、联接变压器及内部电缆等组件，可按串联电路等效为一个可靠性元件)的故障情况，风电机组的平均实际出力应小于上表所述数据。
[0064]
本项目主要考虑超导电缆接入后对系统可靠性的影响，因此计算中忽略风力发电机由于风速过高引起的的限额运行状态，只考虑风力发电机的两状态可靠性模型，单台风机的可用率用af表示，其中，可用率用af如下式所示：
[0065][0066]
上式中，其中μf为风力发电机的修复率，λf为风力发电机的故障率。
[0067]
可用度af表示风力发电机处在正常工作状态的概率。对单台发电机来说，其在某出力区间的实际可用出力需乘以可用度af。
[0068]
若不计台风等可能会造成海上风电机组全停的极端恶劣天气(这种事件的发生与是否接入超导电缆没有必然联系，为保证不同并网方式下可靠性计算的可比性，暂不考虑该因素的影响)，假设任意两台风电机的故障和维修彼此独立，且风电机组的数量较多，正常气候条件下发生大规模风电机组停运的概率极小。
[0069]
综上所述，考虑海上风电场出力波动特性及风力发电机自身可用度的海上风电场出力区间如下表所示：
[0070]
表2-考虑风机故障的风电机组出力概率表
[0071]
出力区间ai/％概率bi/％(0，10)*af34.8(10，20)*af23.3(20，30)*af13.7(30，40)*af9.1(40，50)*af6.8(50，60)*af5.2
(60，70)*af4.5(70，80)*af2.5(80，90)*af0.1(90，100)*a
f0[0072]
此时对上表中出力区间加权求和即可得到仅考虑风电机组自身的风电场年平均出力p
out1
，具体如下式所示：
[0073][0074]
上式中，pf为风电机组总装机容量，ω为风电机组所有出力区间的集合。
[0075]
s12、基于所述出力概率参数，分别计算电缆在若干个不同运行状态下对应的可用出力值，得到若干个可用出力值。
[0076]
在获取如表1与表2的出力概率参数后，可以基于上述参数计算电缆在不同运行状态的可用出力值，进而能通过各个不同运行状态对应的可用出力值计算系统并网的可用出力值，以该数值为可靠性指标，评估并网的稳定性与可靠性。
[0077]
在一可选的实施例中，所述运行状态包括正常状态、停运状态和降额状态；其中，作为示例的，步骤s12可以包括以下子步骤：
[0078]
s121、分别计算所述正常状态、所述停运状态和所述降额状态对应的状态概率，得到正常状态概率值、停运状态概率值和降额状态概率值。
[0079]
假设海上风电场的超导直流并网系统采用双极运行方式，额定容量为p
hts
。超导电缆存在三种运行状态：正常、停运和降额三种运行状态。为简化分析，提出以下三点假设：
[0080]
(1)假设双极运行两条hts电缆相对独立，采用两套制冷系统分别制冷，两条电缆同时停运或降额运行的概率极低。
[0081]
(2)不考虑可能造成两条hts电缆同时发生故障的极端灾害情况。
[0082]
(3)超导电缆额定容量应大于海上风电场的总装机容量。
[0083]
对应的，超导直流并网电缆也存在三种运行状态：正常运行、一条hts电缆故障和一条hts电缆降额运行三种状态，其状态概率值分别为：p
正常
、p
停运
、p
降额
。
[0084]
参照图2，示出了本发明一实施例提供的超导电缆三状态转移模型。
[0085]
在一实施例中，步骤s121可以包括以下子步骤：
[0086]
s1211、分别确定所述降额状态对应的降额转移率和降额修复率，以及分别确定停运状态的停运转移率和停运修复率。
[0087]
s1212、采用所述降额转移率、所述降额修复率、所述停运转移率和所述停运修复率，分别计算正常状态概率值、停运状态概率值和降额状态概率值。
[0088]
具体地，超导电缆的降额运行状态的降额转移率和降额修复率分别为λf与μf，停运状态的停运转移率和停运修复率分别为λd与μd。
[0089]
需要说明的是，降额转移率可以与前文的风力发电机的故障率相同，降额修复率也可以与前文的风力发电机的修复率相同。
[0090]
利用状态空间法求取超导电缆正常运行概率值pz、停运概率值p
t
和降额运行概率值pj。计算如下式所示：
[0091][0092]
对上述进行求解，求得三个概率值分别为：
[0093][0094][0095][0096]
由此可得本章超导直流并网电缆系统三状态概率分别为：p
正常
＝p
z*
pz；p
停运
＝2*p
t
；p
降额
＝2*pj。
[0097]
对应地，三种状态下的传输功率分别为：
[0098]
p
正常
＝p
hts
；
[0099][0100][0101]
s122、采用所述出力概率参数计算所述正常状态对应的可用出力值，得到正常可用出力值。
[0102]
s123、采用所述停运状态概率值和所述出力概率参数计算所述停运状态对应的可用出力值，得到停运可用出力值。
[0103]
s124、采用所述降额状态概率值和所述出力概率参数计算所述降额状态对应的可用出力值，得到降额可用出力值。
[0104]
在计算三种不同状态下的概率值后，可以利用其概率值分别计算三种状态所对应的可用出力值。
[0105]
具体地，正常可用出力值p1的计算如下式所示：
[0106][0107]
停运可用出力值p2的计算如下式所示：
[0108]
其中，p2为停运可用出力值，g为风电机
组出力小于等于p
t
的出力区间集合，c
ω
g为g的补集。
[0109]
考虑风电机组及并网电缆的年平均可用出力。此时并网电缆的传输容量可能会低于风电机组的实际出力，需将p
t
＝p
hts
*0.5与风电机组容量模型(表2)进行比较，选取其中风电机组出力小于或等于p
t
的部分进行加权求和，同时风电机组出力大于或等于p
t
的部分可通过切除部分风机使得风电机组出力等于p
t
，将两部分求和即为p2。
[0110]
降额可用出力值p3的计算如下式所示：
[0111][0112]
上式中，j为风电机组出力小于等于pj的出力区间集合，c
ω
j为j的补集。
[0113]
降额可用出力值p3为超导电缆处于一条hts电缆降额运行状态时，考虑风电机组及并网电缆的年平均可用出力。与停运状态类似，只需将pj＝(0.5 η)*p
hts
与风电机组容量模型(表2)进行比较，选取其中风电机组出力小于或等于pj的部分进行加权求和，同时风电机组出力大于或等于pj的部分可通过切除部分风机使得风电机组出力等于pj，将两部分求和即为p3。
[0114]
s13、采用若干个所述可用出力值计算风机的年平均可用出力值，采用所述年平均可用出力值计算得到可靠性指标值。
[0115]
在一实施例中，年平均可用出力值p
out2
的计算如下式所示：
[0116]
p
out2
＝pz*p1 p
t
*p2 pj*p3；
[0117]
参照图3，示出了本发明一实施例提供的海上风电场应用超导直流电缆并网的结构示意图。
[0118]
在具体实现时，海上风电场系统除了风电机组本身与超导直流电缆外，还包括集电系统模块、换流站模块及无功补偿模块等器件，为了能结合上述各个器件进行计算与评估，以提高评估的准确率，在其中一种的实施例中，步骤s13可以包括以下子步骤：
[0119]
s131、获取海上风电场的可用度参数，所述可用度参数包括：关于海上风电场集电器件的集电可用度，关于海上风电场换流站的海上可用度和陆上可用度，以及关于海上风电场无功组件的海上无功补偿可用度和陆上无功补偿可用度。
[0120]
s132、基于所述可用度参数和所述年平均可用出力值计算得到可靠性指标值。
[0121]
具体地，集电系统模块主要包括连接电缆、断路器和隔离开关，其组成元件之间为串联结构，可通过计算对应的等值故障率λj和等值修复率μj，将其等效为一个可靠性元件，其集电可用度aj计算如下式所示：
[0122][0123]
换流站模块主要包括交流开关、变压器、电抗器、换流阀、平波电抗器，级控等，其组成元件之间为串联结构，可通过计算对应的等值故障率λh和等值修复率μj，将其等效为一个可靠性元件，其可用度ah计算公式为：
[0124]
[0125]
参照图3可知，由于换流站分别设置在海上和陆上，在一实施例中，为了区分海上和陆上两个换流站，其中风电场侧海上换流平台可用度表示为a
sh
，电网侧陆上换流站可用度表示为a
lh
。
[0126]
无功补偿模块主要包括交流侧的换流电抗器及交流滤波器等，其组成元件之间为串联结构，可通过计算等值故障率λw和等值修复率μw，将其等效为一个可靠性元件，其可用度aw计算公式为：
[0127][0128]
参照图3可知，无功补偿模块在海上和陆上均设有，为了区分两者，其中风电场侧海上无功补偿装置可用度表示为a
sw
，电网侧陆上无功补偿装置可用度表示为a
lw
。
[0129]
在获取各个可用度参数后，结合各个可用度参数和年平均可用出力值可以计算得到可靠性指标值p
out
，其计算具体如下述所示：
[0130]
p
out
＝p
out2
*aj*a
sh
*a
lh
*a
sw
*a
lw
；
[0131]
在一实施例中，海上风电场经由并网系统接入电网，由于风电出力的波动特性及系统故障因素的影响，海上风电场接入电网的平均功率往往小于预期。考虑海上风电场的出力特性及超导直流并网方式与常规并网方式可靠性的区别，为对比海上风电场采用超导直流电缆并网及采用常规输电方式并网可靠性的差异，可以选择海上风电场(含并网系统)的可用出力p
out
为可靠性指标值，以该指标值进行评估海上风电场的供给能力。
[0132]
具体地，若可靠性指标值越高，说明并网系统可靠性越高；反之，若可靠性指标值越低，则说明并网系统可靠性越低。
[0133]
为了进一步确定海上风电场并网的稳定性，在一实施例中，所述方法还可以包括：
[0134]
s14、采用所述可靠性指标值分别计算年平均电力冗余期望值和容量因子。
[0135]
s15、基于所述年平均电力冗余期望值和所述容量因子确定海上风电场并网的稳定性。
[0136]
由p
out
可进一步计算年平均电力冗余期望值p
edns
，容量因子s
factor
等指标，其计算具体如下式所示：
[0137]
p
edns
＝p
install-p
out
；
[0138][0139]
可以结合年平均电力冗余期望值和容量因子等指标值，对系统进行进一步的评估。
[0140]
其评估方式可以确定年平均电力冗余期望值和容量因子是否大于其对应的阈值，若是，则说明海上风电场并网的稳定性高，反之，则说明海上风电场并网的稳定性较低。
[0141]
在本实施例中，本发明实施例提供了一种海上风电场并网的可靠性指标值计算方法，其有益效果在于：本发明可以预先统计海上风电场的风机在不同情况下的发电出力概率值，基于发电出力概率值计算电缆在不同运行状态下的可用出力值，结合不同运行状态下的可用出力值计算并网的可靠性指标，从而减少计算误差，提高计算的准确率。
[0142]
本发明实施例还提供了一种海上风电场并网的可靠性指标值计算装置，参见图4，
示出了本发明一实施例提供的一种海上风电场并网的可靠性指标值计算装置的结构示意图。
[0143]
其中，作为示例的，所述海上风电场并网的可靠性指标值计算装置可以包括：
[0144]
统计模块401，用于统计风机的出力概率参数，所述出力概率参数包括风机在故障状态下的若干个出力概率值，以及风机在非故障状态下的若干个出力概率值，每个所述出力概率值对应风机的一组出力区间段；
[0145]
计算可用出力值模块402，用于基于所述出力概率参数，分别计算电缆在若干个不同运行状态下对应的可用出力值，得到若干个可用出力值；
[0146]
计算指标模块403，用于采用若干个所述可用出力值计算风机的年平均可用出力值，采用所述年平均可用出力值计算得到可靠性指标值。
[0147]
可选地，所述运行状态包括正常状态、停运状态和降额状态；
[0148]
所述计算可用出力值模块，还用于：
[0149]
分别计算所述正常状态、所述停运状态和所述降额状态对应的状态概率，得到正常状态概率值、停运状态概率值和降额状态概率值；
[0150]
采用所述出力概率参数计算所述正常状态对应的可用出力值，得到正常可用出力值；
[0151]
采用所述停运状态概率值和所述出力概率参数计算所述停运状态对应的可用出力值，得到停运可用出力值；
[0152]
采用所述降额状态概率值和所述出力概率参数计算所述降额状态对应的可用出力值，得到降额可用出力值。
[0153]
可选地，所述计算可用出力值模块，还用于：
[0154]
分别确定所述降额状态对应的降额转移率和降额修复率，以及分别确定停运状态的停运转移率和停运修复率；
[0155]
采用所述降额转移率、所述降额修复率、所述停运转移率和所述停运修复率，分别计算正常状态概率值、停运状态概率值和降额状态概率值。
[0156]
可选地，所述计算指标模块，还用于：
[0157]
获取海上风电场的可用度参数，所述可用度参数包括：关于海上风电场集电器件的集电可用度，关于海上风电场换流站的海上可用度和陆上可用度，以及关于海上风电场无功组件的海上无功补偿可用度和陆上无功补偿可用度；
[0158]
基于所述可用度参数和所述年平均可用出力值计算得到可靠性指标值。
[0159]
可选地，所述装置还包括：
[0160]
计算期望值和容量因子模块，用于采用所述可靠性指标值分别计算年平均电力冗余期望值和容量因子；
[0161]
确定模块，用于基于所述年平均电力冗余期望值和所述容量因子确定海上风电场并网的稳定性。
[0162]
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为方便的描述和简洁，上述描述的装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0163]
进一步的，本技术实施例还提供了一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述实施
例所述的海上风电场并网的可靠性指标值计算方法。
[0164]
进一步的，本技术实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行程序，所述计算机可执行程序用于使计算机执行如上述实施例所述的海上风电场并网的可靠性指标值计算方法。
[0165]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。