电力系统规划与可靠性结课论文

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任课教师签字：

华北电力大学研究生结课作业

学年学期：2016-2017学年2学期

课程名称：电力系统规划与可靠性

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提交时间：2017年6月23日

含风电电力系统黑启动的可靠性研究

韩思聪

（华北电力大学电力工程系，河北保定，071003）

摘要：首先从发电系统和输电系统两方面介绍可靠性理论在黑启动领域的应用，将风电场引入黑启动方案作为辅助启动电源取代等容量的常规机组，对网架重构阶段任一线路任一时刻可能发生的单相瞬时接地短路故障，在风电波动的情况下求取故障后系统的最大频压偏移，反映风电接入对含风电系统恢复可靠性的影响；最后以风机保护性切机造成的失电量（ENS）为指标求取各恢复时步可并网风电容量上限，得到了含风电系统在恢复各时步的可靠性。

关键词：风电；黑启动；网架重构；失电量；可靠性

0 引言

随着电网互联水平的提高，电力系统发生大规模故障的可能性正在减小，然而由于某些偶然和必然因素的存在，大停电事故一旦发生则损失巨大，因此依然是现在电力系统必须面对的严重威胁[1-2]。大停电后的网架重构是系统恢复的重要阶段[3]，因该阶段系统网架脆弱，对二次故障承受能力较弱，因此对已恢复网络进行可靠性评估显得尤为重要。此外，随着化石能源的枯竭和新能源技术的日趋成熟，风电作为其中代表，其巨大储量和独有优点使其作为黑启动电源成为可能[4-5]；目前在黑启动可靠性和风电并网可靠性方面已有相关研究，但鲜有风电参与黑启动对系统可靠性的系统性研究。

本文针对黑启动初期系统网架结构以及风电接入带来的可靠性问题，考虑风电的波动性，以单相短路故障下初期系统综合频压偏移量反映风电并网对系统的暂态稳定性的影响，在此基础上以故障后风电切机造成的失电量为标准，定量求取各恢复时步可接入风电容量上限，为风电参与黑启动和相关可靠性分析提供了一条新的思路。

1电网可靠性理论在黑启动中的应用

按照研究对象的不同，电力系统可靠性分析可以分为发电系统可靠性分析、输电系统可靠性分析和配电系统可靠性分析，同样在黑启动研究中，也可以根据以上三者对应的不同研究对象，对可靠性理论在黑启动研究中的应用进行分类，在此主要对黑启动中的发输电系统可靠性进行总结。

发电系统可靠性：发电系统可靠性是指评估统一并网运行的全部发电机组按可接受标准及期望数量来满足电力系统负荷电力和电量需求的能力的度量[6]，在黑启动初期的网架重构阶段，系统启动机组较少，而待恢复的负荷很多，此时系统中的已启动的机组出力对于恢复其他发电厂厂用电及重要节点负荷具有重要价值，因此发电系统的可靠性分析是黑启动方案可靠性分析的基础。

文献[7]根据火电厂实际运行特性提出了火电机组运行、热备用、带负荷失败、故障和冷备用的五状态投运模型，如图1：

在黑启动过程中，对于已恢复机组，按照以上机组的五状态模型，建立已恢复机组在将来任意时刻t 的状态概率模型：

()(0)n P t P p = （1）

P (t )为任一t 时刻投运机组的状态向量；P(0)为初始时刻投运机组的状态向量；P 为随机转移概率矩阵；n 为离散化的状态转移步数。利用马尔科夫方法，机组在任意时刻的停运概率为：

345,,2345()()()()()+()()

R ion t P t P t P t F P t P t P t P t ++=++ （2） 根据该方法求取机组的投运风险，针对具体黑启动方案，则可以从机组投运风险的角度，对方案的实施可靠性进行分析[8]。

输电系统可靠性：输电系统主要包括断路器，变压器及输电线路等,网架重构阶段，随着越来越多的线路投运和机组恢复出力，拓补结构不合理可能造成某些输电线路潮流越限，超出系统的负荷供应能力，降低输电系统的可靠性，因此，黑启动研究中如何提高输电系统的可靠性也是一个重要课题。

文献[9]基于线路的倒闸次数和充电电容提出了线路投运风险指标，以该指标反映网架重构过程中线路投运失败的可能性，并以所有线路投运风险指标累加，从线路风险的角度量化特定黑启动方案的可靠性。

实际黑启动中，由于启动功率宝贵，因此当输电系统发生潮流越限时，应采取措施分担过载线路的功率，从而可以充分利用有限功率启动更多机组。文献[10][11]分别采用不同策略，提出了投运部分待恢复线路，通过改变系统拓补结构的方式增加输电路径，从而消除线路过负荷现象的方法，通过该方法可以有效解决线路过载问题，从输电系统角度提高黑启动方案可靠性。

2风电并网对黑启动暂态稳定性的影响

为研究风电并网对黑启动暂态稳定性的影响，以风电机组取代常规机组接入系统，在黑启动电源实现自启动后，优先恢复风电场运行，向系统提供启动功率。风电场并网点如图2所示：

图1 火电机组五状态模型

图2 IEEE39节点系统网络拓补图

按照《电力系统稳定导则》的要求，一般按照单项瞬时接地短路的单一故障来考察重建小系统的稳定性[12]；综合《电力系统黑启动方案编制和实施技术规范（试行）》[13]、《电力系统安全稳定导则》和实际电网运行经验，得到故障后系统暂态电压和频率的稳定边界，并据此建立故障后暂态电压和暂态频率统一偏移指标dfv

：

max ||,1,2...100(1/252/351/52/)i i

dfv dfv i n

dfv dv v v dv v v df f f df f f ==⎧⎪⎨=-+-+-+-⎪⎩ (3) 式中，n 为当前系统的线路总数，v ̅和f 为稳定后平均节点电压和频率， dv 和df 分别为故障后系统电压和频率振荡的上下限。

基于文献[13]提出的IEEE39节点系统黑启动方案，使用BPA 仿真各恢复时步对应于不同并网风电容量，考虑风速正弦波动使风电场出力变化为容量的30%，系统发生单瞬短路故障后dfv 指标值，如图3：

50

100

150

200

250

300

350

123456789

图 3 各时步dfv 指标随风电并网容量变化