含潮汐流能和储能的发电系统概率建模及其可靠性评估

摘要

目前，电力生产仍对化石燃料具有较强的依赖性，然而，化石能源的枯竭以及由其引发的环境问题不容忽视，寻求持续可再生能源发电成为切实可行的解决方案之一。在这一环境下，潮汐流能发电技术作为新兴发电技术已越来越受到各国政府的重视，许多潮汐流能发电项目得以立项，潮汐流能发电机组也已问世。但是，根据文献检索，对潮汐流速概率特性的研究以及含潮汐流能发电的电力系统可靠性评估仍是空白。本文针对这个空白，研究了潮汐流速概率特性、潮汐流能发电机组功率输出概率模型、潮汐流能电能转换系统可靠性模型、电池储能系统可靠性模型，并在此基础上，提出了含潮汐流能发电、风力发电和电池储能的混合发电系统的可靠性评估模型和方法。
　　潮汐流速概率分布模型是研究含潮汐流能发电的电力系统可靠性评估和概率分析的基础。本文提出利用W akeby分布模拟潮汐流速的概率特性，并与其它9个理论概率分布分别对十个地点的四年潮汐流速历史数据进行拟合，用Kolmogorov-Smirnov检验法（K-S检验法）和均方根误差指标作为检验标准，对所有10个概率分布进行了先验和后验统计检验。比较结果表明：所建议的W akeby分布不仅是唯一一个通过K-S检验的分布，也是对潮沙流速概率分布拟合最好的分布。
　　潮汐流能发电机组功率输出概率模型对含潮汐流能发电的电力系统可靠性评估和概率分析至关重要。本文在分析影响潮汐流能发电机组功率输出的两个随机变量（潮汐流速和海水密度）的基础上，建立了与潮汐流速、海水盐度以及海水温度相关的潮汐流能发电机组功率输出概率模型。案例分析表明：海水温度对潮汐流能发电机组功率输出影响较小；传统的采用平均值的确定性方法计算所得到的潮汐流能发电机组功率输出的误差，要远远大于本文提出的概率方法的误差。
　　基于双馈感应发电机和背靠背双向功率变换器的潮汐流能电能转换系统的可靠性分析，对含潮汐流能发电的电力系统可靠性分析具有不可或缺的作用。本文在分析影响电力电子元件失效的因素和双馈感应发电机运行模式的基础上，提出了与潮汐流速相关的转子侧变换器和电网侧变换器的失效率估算模型，以及双馈感应发电机不同运行模式下流经转子的电流计算模型。同时，基于潮沙流速W akeby分布模型，提出了转子电流多状态离散模型。案例分析表明：不同潮汐流速对应的转子侧变换器、电网侧变换器乃至整个系统的可靠性有所不同；不同运行模式下系统失效率有所不同，且转子侧变换器的失效率与电网侧变换器的失效率在模式变化上亦有所不同；潮汐流速的概率分布对系统的失效率影响显著。
　　电池储能系统的可靠性分析对于含可再生能源发电的电力系统可靠性分析意义重大。本文提出了一种适用于包含多个电池模组的大规模电池储能系统可靠性评估方法。基于电池芯总安时吞吐量计算方法计算了电池健康状态指标，并结合通用生成函数计算了电池模组的可靠度；基于电力电子元件失效率估算模型，提出了 DC/AC变换器可靠性评估模型；通过对储能系统各个组件（包括电池模组和DC/AC变换器）的可靠性分析，建立了整体系统可靠性评估模型。另外，本文也给出了一种可重构电池储能系统的拓扑结构，以提高电池储能系统可靠性。案例分析结果表明：本文提出的可重构电池储能系统较传统结构的电池储能系统具有较高的可靠性，且因具有较多的运行状态使其运行具有更好的灵活性；电池充放电循环次数和电池输出功率影响电池模组的可靠性；减少电池模组中串联电池的数量或增加并联电池的数量可以提高电池模组的可靠性。
　　潮汐流能发电和风力发电作为两种相辅相成的可再生能源发电技术，其组成的混合发电系统在海岸区域或各个海岛供电方面占据重要地位。本文提出了一种可用于含潮汐流能发电、风力发电和电池储能的混合发电系统可靠性评估方法。本文建立了考虑机组强迫停运率和潮汐流速概率特性的潮汐流能电能转换系统时序多状态功率输出概率模型，并推导了电池储能系统输出功率时序模型。案例分析表明：对于不同季节，考查的混合测试系统有不同的可靠性水平;不同参数对混合测试系统可靠性指标的影响都存在一个转折点，超过转折点后，对系统可靠性的影响减弱甚至会逐渐消失。因此，寻找这一转折点可为系统设计提供参考。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

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1 绪 论

1 .1选题背景

1 .2研究意义

1 .3潮汐发电技术发展现状综述

1 .4含可再生能源及储能系统的电力系统可靠性评估综述

1.5潮汐流能电能转换系统典型拓扑结构综述

1 .6本文主要工作

2 潮汐流速概率模型

2 .1引言

2.2 W akeby分布及其参数估计

2 .3其它常用分布

2 .4拟合度评估方法

2 .5算例分析

2 .6本章小结

3 潮汐流能发电机组功率输出概率模型

3 .1引言

3 .2潮汐流能发电机组功率输出特性

3 .3概率分布模型

3 .4算例分析

3 .5本章小结

4 考虑潮汐流速变化的潮汐流能电能转换系统可靠性评估

4 .1引言

4 .2双馈式感应发电机

4 .3背靠背功率变换器电子元件功率损耗与结点温度计算

4 .4潮汐流能电能转换系统可靠性评估

4 .5算例分析

4 .6本章小结

5 电池储能系统及其可靠性评估

5 .1引言

5 .2电池储能系统

5 .3电池储能系统可靠性评估模型

5 .4算例分析

5 .5本章小结

6 含潮、风、储的混合发电系统可靠性评估

6 .1引言

6 .2潮汐流能电能转换系统和风电转换系统概率模型

6 .3潮汐流能电能转换系统和风电转换系统强迫停运率计算

6 .4电池储能系统功率输出模型

6 .5可靠性指标

6 .6算例分析

6 .7本章小结

7 结论与展望

7 .1本文研究工作总结

7 .2后续研究工作展望

致谢

参考文献

附录

A.作者在攻读学位期间录用或发表的论文及专利

B.作者在攻读学位期间参与的科研项目