1、I本科毕业论文（20 届）基于蒙特卡罗方法的风电并网对电力系统可靠性的影响所在学院专业班级 电气工程及其自动化学生姓名指导教师II完成日期III目 录摘要 .IIIAbstract.IV1 绪论 .11.1 课题研究的背景和意义 .11.2 国内外风电发展现状 .11.2.1 国外风电发展现状 .31.2.2 国内风电发展现状 .32 风速预测模型 .62.1 概率抽样法 .62.2 时间序列法 .72.3 风电机组转换模型 .82.3.1 风电机组出力特性曲线 .82.3.2 风电转换模型 .83 基于模特卡罗方法的电力系统可靠性评估 .93.1 电力系统可靠性评估指标 .93.2 电力系统
2、可靠性评估基本流程 .113.3 状态枚举法的基本思想 .123.4 蒙特卡罗法基本思想 .143.4.1 非序贯蒙特卡罗模拟法 .143.4.2 序贯蒙特卡罗模拟法 .164 风电并网对系统可靠性影响 .194.1 引言 .19IV4.2 含风电场的电力系统可靠性评估 .194.2.1 发电系统可靠性模型 .194.2.2 负荷模型 .194.2.3 含风电场的发电系统可靠性评估计算流程 .204.3 IEE-RTS30 算例分析 .205 结论与展望 .245.1 全文总结 .245.2 研究工作展望 .24参考文献 .26致谢 .27ContentsAbstract .IV1 Intro
3、dction .11.1 Research background and significance.11.2 The current situation of the development of wind power at home and abroad .11.2.1 The current situation of the development of wind power abroad.31.2.2 The current situation of the development of wind power in China .32 Wind speed forecasting mod
4、el .62.1 Probability sampling method,.62.2 Time series method.72.2 Wind turbines convert the model.8V2.2.1 Wind turbine output characteristic curve.82.2.2 Wind power conversion model.83 Power system reliability assessment based on model carlo method .93.1 Power system reliability evaluation index.93
5、.2 Power system reliability assessment basic flow .113.3 The basic idea of state enumeration method .123.4 Monte carlo method the basic idea .143.4.1 The sequential monte carlo simulation method .143.4.2 Sequential monte carlo simulation method .164 Wind power grid impact on system reliability .194.
6、1 Introduction .194.2 Wind power system reliability assessment.194.2.1 Power system reliability model .194.2.2 Load model .194.2.3 Power systems which contain wind farms reliability evaluation calculation process.204.3 IEE - RTS30 example analysis.205 Conclusion and prospect.245.1 The full text summ
7、ary.245.2 The research work prospect.24Reference .26Acknowledgement .27VI基于蒙特卡罗方法的风电并网对电力系统可靠性的影响摘要：风力发电是 21 世纪重要的绿色能源，也是非可再生能源最重要的替代能源之一。然而，风能具有较强的随机性和波动性，使得接入电网的风电穿透功率呈现剧烈的波动特性。大量风电并网对电力系统的安全稳定运行带来了挑战，其影响也越来越广泛和复杂，开展风电并网带来的一系列技术问题的相关研究非常重要和迫切。全文主要内容可总结为：首先，介绍了风电机组模型。简单给出了两种风速预测方法,分别为随机数模拟法和时间序列法。然
8、后，介绍基于蒙特卡罗方法建立了含风电场的电力系统可靠性评估模型。最后通过改变风电并网的条件，观察大规模风力发电并网对系统可靠性的影响。关键词：电力系统 风电并网 蒙特卡罗方法 可靠性评估VIIWind Power Grid for Power System Reliability based on Monte Carlo SimulationWenqiang ShaoAbstract As a main green energy source in 21st century, Wind power also is one of the most important alternations f
9、or non-renewable energy. However, for the high randomness and volatility of wind power, the wind power penetration connected to power system presents severe fluctuation characteristic. With the penetration level increasing, the impact of wind power on power system dynamics and stability become incre
10、asingly complicated, which make it necessary to research on a series of technology problems of wind power integrated system. The main contents of this paper can be summarized as follows:Firstly,the paper described the model of wind turbine. Two simple wind speed prediction methods were introduced, n
11、amely simulation of the random number and the time series method, respectively. Then using Monte Carlo method as a technical measure, the reliability evaluation model of power system with grid-connect wind farm is built.Finally,The influence of wind power integrated is observed by changing the way i
12、n which wind power connected to the system. Keywords: power system; wind farm integration; Monte Carlo method; reliability evaluation11 绪论1.1 课题研究的背景和意义20 世纪特别是 70 年代以来，随着世界经济的迅猛发展，人类对能源的需求成倍增长，能源工业也以前所未有的规模发展。但由此而带来的一些问题，也引起了许多国家的高度关注。以煤炭、石油作为主要一次能源的国家，不但面临着常规能源枯竭的问题，而且由于化石能源的大量使用，直接向大气中排放温室气体和气溶胶等
13、引起了全球气候变暖和日益严重的环境污染问题，对自然生态系统、社会经济和人体健康均构成了严重威胁。开发利用新能源已经成为世界能源可持续发展战略重要组成部分。当前，风力发电是可再生能源开发利用中技术最成熟、最具开发规模和商业化发展前景的发电形式，由于其在减轻环境污染、调整能源结构、促进可持续发展等方面的突出作用，风力发电是本世纪重要的绿色能源，是化石能源发电的重要替代能源之一。此外，风电和火电、水电及核电相比，建设周期短、见效快，建设一个大型风电场只需要不到一年的时间，因此风电一直是世界是增长最快的清洁能源具有良好的发展前景。到 2008 年底，世界风力发电的装机容量已经超过了 1.2 亿千瓦，年
14、均增长率高达 35.7%。根据欧洲风能协会和绿色和平组织等有关国际机构预计，到 2020 年风力发电将占世界电力供应总量的 12%。近年来在国家政策的扶持下，我国风电产业发展势头迅猛。数据显示，2008 年我国新增风电装机容量 630 万瓦，总装机容量累计达到 1221 万千瓦，成为继美国、德国、西班牙之后世界第四的风电大国。风电设备制造厂商也由 2007 年的 30 多家发展到 2008 年的 70多家,增长了一倍还多。按照 2009 年新能源产业振兴规划草案，力争用十多年时间，在河北、内蒙古、甘肃、江苏、吉林等地形成几个上千万千瓦级的风电基地，争取实现到 2020 年风电装机规模 1 亿千
15、瓦左右。这意味着我国风电产业由此进入到快速发展时期。然而风电的发展并不是可以令人高枕无忧的。传统发电厂的出力都是可控的，而风电场的出力是不可控的，风电场出力的频繁波动，需要其他常规电场出力及系统备用的频繁改变。此外，风电场并网后，将给电力系统带来一系列的影响，其涉及的方面包括电能质量、潮流分布、电力调度、电力市场等。随着风电总装机容量的增加、并网风电容量占系统总容量的比例增大，这些问题将会严重影响电力系统的安全性、可靠性、经济性等指标。因此有必要对大规模风电并网对电网引起的系统运行与稳定的问题进行分析探讨，并在此基础上提出相关的技术解决措施；其中很重要的就是风电并网对电网的可靠性的影响研究以及
16、随之而来的备用容量的问题。增加系统一定量的备用，平抑风力发电并网对系统的不利影响，达到可再生资源充分利用和电能供给可靠性的统一，具有重要的社会意义和经济价值。21.2 国内外风电发展现状 从全球的角度来看，风能资源有两大特点：蕴量巨大，分布广泛。研究显示，全球风能可利用资源量为 70 万亿千瓦。即使只成功利用了其中的 20%，依然相当于全球能源消费总量的 7 倍。自世界上第一台用于发电的风力机于 1891 年在丹麦建成，一个世纪以来，世界各国纷纷研制了类型各异的风力发电设备，风力发电不断受到国际社会的普遍关注与高度重视。尤其是过去 20 年里风力发电成本下降了 80%，成为发电成本最接近火电的
17、新能源，全球风电累计装机容量稳步增长。由行业相关人士组建的世界风能理事会（GWEC，总部比利时）汇总的调查数据显示，2009 年一年内全球新增风力发电装机容量为 3831 万千瓦，相当于 25 座大型核电站，总发电量比 08 年增长了 31%。预计 2020 年，风力发电量比重可升至 12%，这个数字是相当可观的。图 1-1 反映了 1996 年2009 年以来，全球风电总装机容量的发展，图 1-2 反映了各年新增装机容量的变化趋势 。从图中可以看出，世界风电装机容量增长迅猛，不但从整1体上装机容量与年俱增，而且从 2004 年以来，全球每年的新增容量也呈大幅的增长趋势。随着各国风电激励政策的
18、实施、市场机制的完善和风电技术水平的进一步提高，相信风能总量在可预见的未来仍会保持较高速度的增长。图 1-1 1996-2009 年全球装机容量3图 1-2 1996-2009 年全球新增装机容量1.2.1 国外风电发展现状目前，国外风力发电领域领先的国家有德国、美国、西班牙和印度等。2004 年欧洲风能协会和绿色和平组织签署了风力 12：关于 2020 年风电达到世界电力总量的 12%的蓝图的报告，按照蓝图的发展计划，到 2020 年风力发电将占整个电力的 12%。2010 年全球风能理事会和国际环保组织绿色和平组织发布了全球风能展望 2010报告，报告进一步称在 2030 年风力发电将占整
19、个电力的 22%。目前，欧洲总装机容量仍然最多，欧洲也是世界上主要的风电市场和设备供应商，其次是亚洲，非洲及拉丁美洲各个国家也在努力发展风电，世界上各地区风电发展的现状如下：欧洲 欧洲风电在全球保持最重要的市场，但是随着市场的全球化加剧，其份额将比过去有所下降。2004 年，欧洲占据了全球年度市场的 72%，但是这个份额在 2005 年下降到55%，在 2006 年下降到 51%，预计这个趋势还将继续。2010 年，欧洲将占据年度市场总量(9.3GW)的 44%，占据全球总装机容量(82GW )的 55%。大型海上风电场的开发将于2010 年左右展开，这将成为本世界下一个十年欧洲风能市场的新动力。北美 北美市场在总装机容量方面继续保持第二大区域市场的地位，并将以年均 24.6%的速度增长。2006 年底，该地区的装机容量为 9.8GW，预计到 2010 年底将达到31.6GW。美国将成为世界上最重要的国家市场，预计年平均装机容量为 3.5GW。到2010 年，在累积装机容量方面，美国将与德国持平。亚洲 亚洲市场发展迅速，已经超出人们的预测。未来，亚洲将以全球最高的年均增长速度(28.3%)发展。到 2010 年底，该地区总装机容量将达到 29GW，而 2006 年底这个数
