CN103824231B - 一种考虑风功率分布特性的风电场变压器选型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑风功率分布特性的风电场变压器选型方法，本发明针对风电场变压器的选取问题，将风功率分布规律与变压器运行经济性相结合，包括对风功率分布的时间与空间特性、单台与两台变压器在不同工况下的运行特性对比分析，继而在此基础上，给出风电场初始规划及后期扩建规划中的变压器选型方案，从而使变压器选取达到规划、以及运行中的经济最优，实现其最优化运行的同时亦可提高其运行可靠性。

Description

一种考虑风功率分布特性的风电场变压器选型方法

技术领域

本发明涉及风电场电力变压器选型领域，尤其涉及一种考虑风功率分布特性的风电场变压器选型方法。

背景技术

随着风电的大规模发展，风电场规划受到学术界和工程界的广泛重视。风电场建设规划主要依据风资源的分布情况及地理特性进行风电场的选址与容量设计。考虑风电影响的输配电系统规划、考虑大规模风电消纳的系统电源规划是现有研究中比较常见的，其研究的核心问题是对风电输出功率随机波动的考虑，这对于含有大量风电的网络与电源优化配置具有非常重要的作用，可显著提升风电的合理消纳与有效利用。然而上述规划或者只针对装机容量，或者是考虑风电随机性的输电系统、电源规划，当风电装机容量选定后，与该容量相关的输配电设备均以此容量进行简单匹配选型，却并不考虑风电的运行与分布特性，这是不合理、不经济的。

发明内容

本发明提出的目的就是为了弥补传统风电规划中风电场变压器选型的缺点，提供一种考虑风功率分布特性的风电场变压器选型方法，它具有可以分析风电场风功率分布特性对变压器选型的影响、提高变压器运行经济性和可靠性等优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种考虑风功率分布特性的风电场变压器选型方法，包括以下步骤：

（1）设定若干个风电场升压主变选型方案；

（2）分析不同运行情况下的功率损耗、临界负载指标；

（3）风功率特性分析：以设定周期范围考虑风电场出力的概率分布规律，即该风电场规律性及个性信息；

（4）结合变压器运行特性中的临界负载指标，计算对应的风电场设定周期内风功率分布区间及分布概率，计算不同变压器选型的损耗值与经济性指标；

（5）对不同方案进行综合比较，得出推荐结论。

所述步骤（2）的具体方法为：

（a）单台变压器运行情况下：

设参考方案中待选变压器为A和B，按综合功率经济运行时，变压器A和B之间技术特性优劣判定的临界负载视在功率S_LZ，单位为kVA，如式（1）

$S_{\mathrm{LZ}}=\sqrt{\frac{P_{\mathrm{OZA}}-P_{\mathrm{OZB}}}{K_T(P_{\mathrm{KZB}}/S_{\mathrm{NB}}^2-P_{\mathrm{KZA}}/S_{\mathrm{NA}}^2)}}---\left(1\right)$

式中，S_LZ为临界负载视在功率，kVA；S_N为变压器额定容量，kVA；P_0ZA、P_0ZB为A、B变压器的空载综合功率损耗，kW；P_KZA、P_KZB为A、B变压器的额定负载综合功率损耗，kW；S_NA、S_NB为A、B变压器的额定功率，kVA；K_T为负载波动损耗系数，即一定时间内，变压器负载波动引起的负载损耗与其平均负载损耗之比。

（b）两台主变运行情况下：设有A、B两台变压器，A单独运行时的功率损耗计算见式(2)，AB并列运行时的功率损耗ΔP_ZAB(kW)的计算式为式（3）

$\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{ZA}}=P_{\mathrm{OZA}}+{\left(\frac{S}{S_{\mathrm{NA}}}\right)}^2{P}_{\mathrm{KZA}}---\left(2\right)$

$\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{ZAB}}=P_{\mathrm{OZA}}+P_{\mathrm{OZB}}+S^2[{\left(\frac{D_A}{S_{\mathrm{NA}}}\right)}^2{P}_{\mathrm{KZA}}+{\left(\frac{D_B}{S_{\mathrm{NB}}}\right)}^2{P}_{\mathrm{KZB}}]---\left(3\right)$

当取ΔP_ZA=ΔP_ZAB时，可求得两种运行方式间的临界负载(kVA)为：

$S_{\mathrm{LZ}}^{A-\mathrm{AB}}=\sqrt{\frac{P_{\mathrm{OZB}}}{(1-D_A^2)\frac{P_{\mathrm{KZA}}}{S_{\mathrm{NA}}^2}-D_B^2\frac{P_{\mathrm{KZB}}}{S_{\mathrm{NB}}^2}}}---\left(4\right)$

式中：ΔP_ZA为A变压器的综合功率损耗，kW；ΔP_0ZA、ΔP_0ZB为A、B变压器的空载综合功率损耗，kW；S为负载的平均视在功率，kVA；S_NA、S_NB为A、B变压器的额定功率，kVA；ΔP_0ZA、ΔP_0ZB为A、B变压器的空载综合功率损耗，kW；D_A、D_B为A、B变压器的负载分配系数；P_KZA、P_KZB为A、B变压器的额定负载综合功率损耗，kW；ΔP_KZA、ΔP_KZB为A、B变压器的额定负载综合功率损耗，kW。

所述步骤（3）具体为：以设定周期范围考虑风电场出力的概率分布规律，使所得分布规律可唯一、准确并充分的表达所分析风电场的时空特征信息，即该风电场规律性及个性信息；通过历史数据分析，提取风电场功率分布规律，形成包含有充分个性信息的风电场输出功率分布函数；

风电场的历史功率值如式（5）所示。

P_W=P_i i=1,2,…,n

Q_W=Q_i i=1,2,…,n (5)

式中：P_W、Q_W为风电场的有功、无功功率值；P_i、Q_i为第i个记录点的有功、无功功率值；n为分析周期内功率记录点数；

设N(P)为P_W∈{P，P+ΔP}的总次数，则定义式(6)为有功功率设定周期内的概率分布函数，

式中：(P)表示P功率值在过往设定周期中出现的概率。

所述步骤（4）的具体方法为：在分析不同主变选型方案主变运行特性基础上，得出不同方案间变压器功率特性损耗特征曲线，结合风电场风电功率在对应功率区间的分布概率，计算不同变压器选型的损耗值与经济性指标，为方案比选提供依据。

本发明的有益效果为：

本发明针对风电场变压器的选取问题，将风功率分布规律与变压器运行经济性相结合，包括对风功率分布的时间与空间特性、单台与两台变压器在不同工况下的运行特性对比分析，继而在此基础上，给出风电场初始规划及后期扩建规划中的变压器选型方案，从而使变压器选取达到规划、以及运行中的经济最优，实现其最优化运行的同时亦可提高其运行可靠性。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明的不同方案间变压器功率损耗特性曲线图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种考虑风功率分布特性的风电场变压器选型方法，包括以下步骤：

（1）列举若干个风电场升压主变选型方案；

（2）分析不同运行情况下的功率损耗、临界负载指标；

（3）风功率特性分析：以设定周期范围考虑风电场出力的概率分布规律，使所得分布规律可唯一、准确并充分的表达所分析风电场的时空特征信息，即该风电场规律性及个性信息；

（4）结合变压器运行特性中的临界负载指标，计算对应的风电场设定周期内风功率分布区间及分布概率，计算不同变压器选型的损耗值与经济性指标；

（5）对不同方案进行综合比较，得出推荐结论。

步骤（2）的具体方法为：

（a）单台主变运行情况下：

按综合功率经济运行时，变压器A和B之间技术特性优劣判定的临界负载视在功率S_LZ，单位为kVA，如式（1）

$S_{\mathrm{LZ}}=S_N\sqrt{\frac{P_{\mathrm{OZA}}-P_{\mathrm{OZB}}}{P_{\mathrm{KZB}}-P_{\mathrm{KZA}}}}---\left(1\right)$

式中，S_LZ为临界负载视在功率，kVA；S_N为变压器额定容量，kVA；P_0ZA、P_0ZB为A、B变压器的空载综合功率损耗，kW；P_KZA、P_KZB为A、B变压器的额定负载综合功率损耗，kW；

（b）两台主变运行情况下：设有A、B两台变压器，A单独运行时的功率损耗计算见式(2)，AB并列运行时的功率损耗ΔP_ZAB(kW)的计算式为式（3）

$\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{ZA}}=P_{\mathrm{OZA}}+{\left(\frac{S}{S_{\mathrm{NA}}}\right)}^2{P}_{\mathrm{KZA}}---\left(2\right)$

$\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{ZAB}}=P_{\mathrm{OZA}}+P_{\mathrm{OZB}}+S^2[{\left(\frac{D_A}{S_{\mathrm{NA}}}\right)}^2{P}_{\mathrm{KZA}}+{\left(\frac{D_B}{S_{\mathrm{NB}}}\right)}^2{P}_{\mathrm{KZB}}]---\left(3\right)$

当取ΔP_ZA=ΔP_ZAB时，可求得两种运行方式间的临界负载(kVA)为：

$S_{\mathrm{LZ}}^{A-\mathrm{AB}}=\sqrt{\frac{P_{\mathrm{OZB}}}{(1-D_A^2)\frac{P_{\mathrm{KZA}}}{S_{\mathrm{NA}}^2}-D_B^2\frac{P_{\mathrm{KZB}}}{S_{\mathrm{NB}}^2}}}---\left(4\right)$

式中：ΔP_ZA为A变压器的综合功率损耗，kW；ΔP_0ZA、ΔP_0ZB为A、B变压器的空载综合功率损耗，kW；S为负载的平均视在功率，kVA；S_NA、S_NB为A、B变压器的额定功率，kVA；ΔP_0ZA、ΔP_0ZB为A、B变压器的空载综合功率损耗，kW；D_A、D_B为A、B变压器的负载分配系数；P_KZA、P_KZB为A、B变压器的额定负载综合功率损耗，kW；ΔP_KZA、ΔP_KZB为A、B变压器的额定负载综合功率损耗，kW。

步骤（3）具体为：以设定周期范围考虑风电场出力的概率分布规律，使所得分布规律可唯一、准确并充分的表达所分析风电场的时空特征信息，即该风电场规律性及个性信息；通过历史数据分析，提取风电场功率分布规律，形成包含有充分个性信息的风电场输出功率分布函数；

风电场的历史功率值如式（5）所示。

P_W=P_i i=1,2,…,n

Q_W=Q_i i=1,2,…,n (5)

式中：P_W、Q_W为风电场的有功、无功功率值；P_i、Q_i为第i个记录点的有功、无功功率值；n为分析周期内功率记录点数；

设N(P)为P_W∈{P，P+ΔP}的总次数，则定义式(6)为有功功率设定周期内的概率分布函数，

式中：(P)表示P功率值在过往设定周期中出现的概率。

步骤（4）的具体方法为：在分析不同主变选型方案主变运行特性基础上，得出不同方案间变压器功率特性损耗特征曲线，结合风电场风电功率在对应功率区间的分布概率，计算不同变压器选型的损耗值与经济性指标，为方案比选提供依据。

一个风电场主变配置有如下两个方案：方案一：1台额定容量50MVA变压器单独运行；方案二：2台额定容量31.5MVA变压器一台单独运行或者两台并列运行。

方案一中，1台额定容量50MVA的有载调压双绕组变压器，其容量比为100/100，电压比为121±8×1.25%/38.5kV，主变阻抗为10.5%；方案二中，2台额定容量31.5MVA的有载调压双绕组变压器，其容量比为100/100，电压比为121±8×1.25%/38.5kV，主变阻抗：10.5%，且升压变压器中性点具备直接接地运行条件，上述两方案的空载与负载损耗如下表1所示。

表1变压器的空载与负载损耗表

根据公式（1）、公式（4）变压器的功率损耗及不同运行方式间临界功率计算方法，可得两种方案的功率损耗特性曲线如图2所示。

基于以上功率临界点值可以判定，不同运行区间两种方案的运行经济性有所差异，在0～15.2MW区间，方案二功率损耗比方案一小；在15.2～21.4MW区间，方案一有功损耗比方案二小；在21.4～41MW区间，方案一功率损耗比方案二小；在41～48MW区间，方案二功率损耗比方案一小（其中超过21.4MW后方案二中两台变压器并列运行）。

以某地区风电基地的测风塔70m高度年测风及其功率估算数据为分布规律统计分析数据，应用式(1)与式(2)统计风电场年周期下风速、风功率及其年平均功率分布规律。

该风电场满发及接近满发时间数少，但在0.9pu左右时发电小时数存在一个小高峰。按平均数据进行各分布区间分布概率的统计分析，可得全年的风功率输出变压器功率分布区间的分布比重如表2所示。

表2全年风功率的分布区间表

案例结果分析

根据图2及表2计算结果，统计计算得各运行方式下，两种方案的经济性及年度周期下功率损耗的相对降低数据如表3所示。

表3方案一、二的经济性与降损数值表

表3中，年均相对降损值指表中所述经济方案相对与另一个方案损耗值的相对降低数据，由于在0～15.2MW区间运行概率占比较高，因此该区间的相对降损数据明显偏高。

针对不同的功率运行区间，两种方案的年周期功率损耗数据如表4所示。

表4两种方案的功率损耗数据(kWh)

由表4可知，方案一的年度功率损耗值为820567kWh，方案二为679386kWh，因此，相对于方案一，方案二每年的功率损耗估计减少值为141181kWh。结合两种变压器选型方案下设备投资差额，综合比较后得出经济性更优的方案。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种考虑风功率分布特性的风电场变压器选型方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)设定单台主变运行和两台主变运行情况下的风电场升压主变选型方案；

(2)分析单台主变运行和两台主变运行情况下主变的功率损耗特性、临界负载指标；

(3)单台主变运行和两台主变运行情况下风功率特性分析：以设定周期范围考虑风电场出力的概率分布规律，即该风电场规律性及个性信息，通过历史数据分析，形成风电场输出功率分布函数；

(4)结合(2)、(3)得出的变压器运行特性中的临界负载指标、变压器功率特性损耗特征曲线、风电场风电功率在对应功率区间的分布概率，计算单台主变运行和两台主变运行两种变压器选型的损耗值与经济性指标；

(5)对单台主变和两台主变运行两种主变选型方案进行综合比较，得出推荐结论。

2.如权利要求1所述的一种考虑风功率分布特性的风电场变压器选型方法，其特征是：所述步骤(2)的具体方法为：

(a)单台主变运行情况下：

设参考方案中待选变压器为A和B，按综合功率经济运行时，变压器A和B之间技术特性优劣判定的临界负载视在功率S_LZ，单位为kVA，如式(1)

式中，S_LZ为临界负载视在功率，kVA；S_N为变压器额定容量，kVA；P_0ZA、P_0ZB为A、B变压器的空载综合功率损耗，kW；P_KZA、P_KZB为A、B变压器的额定负载综合功率损耗，kW；

(b)两台主变运行情况下：设有A、B两台变压器，A单独运行时的功率损耗计算见式(2)，AB并列运行时的功率损耗ΔP_ZAB(kW)的计算式为式(3)

当取ΔP_ZA＝ΔP_ZAB时，可求得两种运行方式间的临界负载(kVA)为：

式中：ΔP_ZA为A变压器的综合功率损耗，kW；S为负载的平均视在功率，kVA；S_NA、S_NB为A、B变压器的额定功率，kVA；D_A、D_B为A、B变压器的负载分配系数；P_KZA、P_KZB为A、B变压器的额定负载综合功率损耗，kW。

3.如权利要求1所述的一种考虑风功率分布特性的风电场变压器选型方法，其特征是：所述步骤(3)具体为：以设定周期范围考虑风电场出力的概率分布规律，使所得分布规律可唯一、准确并充分的表达所分析风电场的时空特征信息，即该风电场规律性及个性信息；通过历史数据分析，提取风电场功率分布规律，形成包含有充分个性信息的风电场输出功率分布函数；

风电场的历史功率值如式(5)所示：

P_W＝P_i i＝1，2，...，n

Q_W＝Q_i i＝1，2，...,n (5)

式中：P_W、Q_W为风电场的有功、无功功率值；P_i、Q_i为第i个记录点的有功、无功功率值；n为分析周期内功率记录点数；

设N(P)为P_W∈{P，P+ΔP}的总次数，则定义式(6)为有功功率设定周期内的概率分布函数，

式中：表示P功率值在过往设定周期中出现的概率。

4.如权利要求1所述的一种考虑风功率分布特性的风电场变压器选型方法，其特征是：所述步骤(4)的具体方法为：在分析不同主变选型方案主变运行特性基础上，得出不同方案间变压器功率特性损耗特征曲线，结合风电场风电功率在对应功率区间的分布概率，计算不同变压器选型的损耗值与经济性指标，为方案比选提供依据。