含間歇式分布電源配電網(wǎng)的可靠性評估

黃華，葉萌

(1.湖北省仙桃供電公司，湖北 仙桃 433000;2.廣東電網(wǎng)公司廣州供電局，廣東 廣州 510620)

0 引言

智能電網(wǎng)是現(xiàn)代電網(wǎng)的發(fā)展方向，它要求未來的配電網(wǎng)能夠自由接納分布式電源，大量的分布式電源(DG)接入配電網(wǎng)，將給配電網(wǎng)的規(guī)劃及運行帶來挑戰(zhàn)。DG具有的分散、隨機變動等特性，將對配電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行產(chǎn)生較大的影響，如電力損耗、電壓穩(wěn)定、電能質(zhì)量、繼電保護和供電可靠性等［1－3］。

DG的接入使得系統(tǒng)在發(fā)生故障時，DG仍可以向其所在孤島內(nèi)的負荷供電，從而減少用戶停電時間，通常能改善負荷點和系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。很顯然，孤島形成的概率在一定程度上影響著供電可靠性的提高。然而風(fēng)力發(fā)電等DG機組所需的能源具有間歇性和波動性，輸出功率具有隨機性，此類DG不一定能夠改善配電網(wǎng)的可靠性。因此，評估不同類型DG對配電網(wǎng)可靠性的影響是一個亟待解決的問題。

1 分布式發(fā)電

1.1 分布式發(fā)電的定義及特點

分布式發(fā)電是一種新興的高效、環(huán)保的發(fā)電技術(shù)，是為了滿足一些特殊用戶的需求，支持已有配電網(wǎng)經(jīng)濟運行而設(shè)計和安裝在用戶處或其附近的小型發(fā)電機組(一般小于30MW)，在配電系統(tǒng)并網(wǎng)引入DG后，使得配電系統(tǒng)或因坐落在用戶附近使負荷的供電可靠性及電能質(zhì)量都得到增強，或因就地應(yīng)用熱電聯(lián)產(chǎn)使效率得到提高的發(fā)電形式。

位置和容量合理的DG有利于減少新的輸電走廊和提高電力系統(tǒng)的供電可靠性，可在節(jié)能、環(huán)保、投資、電力安全、滿足用戶多樣化需求及開辟可再生能源利用新方式等方面發(fā)揮較大作用。

1.2 DG的并網(wǎng)模式

從目前國內(nèi)、外研究的基礎(chǔ)上看，分布式電源并網(wǎng)概括起來主要有3種模式［4］。

(1)DG作為配電網(wǎng)的備用電源。當(dāng)配電系統(tǒng)故障中斷供電時，DG啟動，通過開關(guān)操作，將負荷轉(zhuǎn)移到DG繼續(xù)供電。在這種情況下，只要DG協(xié)調(diào)合理，可以提高配電網(wǎng)的可靠性。但這種供電經(jīng)濟性差，除非為了滿足特殊重要負荷需要，否則經(jīng)濟性與可靠性難以協(xié)調(diào)。

(2)配電網(wǎng)作為DG的后備電源。在這種并網(wǎng)模式下，當(dāng)分布式電源發(fā)電量超過所供給的負荷時，多余電量注入配電網(wǎng)中;當(dāng)DG所發(fā)電量不足以滿足負荷需求時，不足部分由配電網(wǎng)補充，用戶的用電質(zhì)量得到改善。這樣可以使DG始終運行在一個比較經(jīng)濟的工況下，充分考慮了投資者的利益，但對配電網(wǎng)的可靠性卻沒有幫助。

(3)DG并網(wǎng)運行。DG并網(wǎng)運行時，配電網(wǎng)從一個輻射狀的無源網(wǎng)絡(luò)變?yōu)楸椴贾行⌒碗娫吹挠性淳W(wǎng)絡(luò)，這對可靠性的影響既有積極的一面，也有消極的一面，如果控制不好可能使配電網(wǎng)可靠性水平下降，反之可能提高配電網(wǎng)的可靠性。

DG并網(wǎng)運行后，配電網(wǎng)供電可靠性的評估需要考慮新出現(xiàn)的影響因素，如孤島的出現(xiàn)和分布式電源輸出功率的隨機性等。在本文算例中，DG接入配電網(wǎng)的方式即為此種方式。

2 DG的可靠性模型

由于各種分布式電源輸出功率的特性不同，因此，不同類型的DG應(yīng)采用不同的可靠性模型。本文將分布式電源的可靠性模型分為2類。

(1)常規(guī)發(fā)電機。對于常規(guī)發(fā)電機來說，可用2個狀態(tài)模型來表示。

1)故障狀態(tài):發(fā)電機輸出功率為零，該狀態(tài)的概率為發(fā)電機的故障率λ;

2)正常狀態(tài):發(fā)電機的輸出功率接近于額定功率，該狀態(tài)的概率為1－λ。狀態(tài)模型如圖1所示。

圖1 常規(guī)發(fā)電機2個狀態(tài)模型

(2)間歇性可再生能源發(fā)電機(IDG)。IDG的輸出功率特性與傳統(tǒng)發(fā)電機很不相同，在很大程度上取決于可再生資源的特性和發(fā)電機的特性參數(shù)。這種模型主要考慮以風(fēng)能和太陽能為動力的DG。由于這種動力資源受天氣和氣候影響較大，輸出功率隨機性很大。

本文將這種分布式電源的可靠性模型等效成一個有多容量狀態(tài)的發(fā)電機模型，狀態(tài)模型如圖2所示。

圖2 IDG的可靠性模型

在這種情況下，IDG只能滿足孤島內(nèi)不超過其輸出功率的那部分負荷，需要考慮它保持孤島持續(xù)供電的概率問題。

3 孤島的劃分

在配電網(wǎng)發(fā)生故障的情況下，含DG的配電系統(tǒng)中可形成局部電力孤島，減少失電范圍及停電時間。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化，用戶可能失去電能，也可能通過DG恢復(fù)供電。然而，由于DG輸出功率的限制，DG不一定能滿足孤島范圍內(nèi)所有負荷點的供電需求。

在配電網(wǎng)發(fā)生故障后，應(yīng)對比DG的輸出功率與孤島內(nèi)總負荷的大小。當(dāng)DG輸出功率大于孤島內(nèi)總負荷量時，采取一定的自動控制措施和調(diào)整手段調(diào)整DG的出力;當(dāng)DG輸出功率小于孤島內(nèi)總負荷量時，則需采用負荷削減策略切除多余的負荷，以確保所形成孤島內(nèi)的功率平衡和靜態(tài)穩(wěn)定，保證島內(nèi)穩(wěn)定運行，使DG帶部分負荷進入孤島運行。本文主要討論當(dāng)DG輸出功率小于孤島內(nèi)總負荷量時的削減策略問題。

所謂的負荷削減策略就是先決定通過DG恢復(fù)用戶負荷的區(qū)域以及這些區(qū)域恢復(fù)供電的順序。

為了表述當(dāng)故障發(fā)生后系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和連接狀態(tài)，采用參考文獻［5］提出的關(guān)聯(lián)矩陣Bijk。Bijk表示在最小分區(qū)j故障的情況下，最小分區(qū)i內(nèi)負荷點是否能夠連接第k個DG。同時，該關(guān)聯(lián)矩陣可以表示DG對每個負荷點恢復(fù)供電的次序。對給定的網(wǎng)絡(luò)，該關(guān)聯(lián)矩陣是唯一確定的，在仿真計算中不用再反復(fù)更新。下面以圖3為例來說明關(guān)聯(lián)矩陣Bijk如何定義。

圖3 饋線孤島的形成

關(guān)聯(lián)矩陣中B541=2表示在最小分區(qū)4故障的情況下，最小分區(qū)5可以在最小分區(qū)6故障后由DG恢復(fù)供電。

可見，關(guān)聯(lián)矩陣可以表示故障后各個負荷點的優(yōu)先級，在IDG的輸出功率不能完全滿足孤島內(nèi)所有負荷時，可根據(jù)該關(guān)聯(lián)矩陣所確定的負荷優(yōu)先級來逐個恢復(fù)孤島內(nèi)受故障影響的負荷點的供電。

4 含間歇式分布電源配電網(wǎng)的可靠性評估

4.1 可靠性評估算法

4.2 孤島劃分

首先形成配電網(wǎng)相應(yīng)的關(guān)聯(lián)矩陣，故障發(fā)生后，根據(jù)關(guān)聯(lián)矩陣確定孤島的劃分，確定受故障影響的負荷點的停電時間和失電量。

4.3 指標(biāo)計算

對于IDG的多狀態(tài)模型的處理，采用IDG輸出功率概率的方法來處理，即故障率和年平均停電時間折算公式為

式中:λD，γD為DG的故障率和故障平均停電持續(xù)時間; λS，k，γS，k為第 k 段主饋線的故障率和故障平均停電持續(xù)時間;ND為DG和負荷點兩者前面的主饋線段數(shù)量;m，Pj為IDG的多容量狀態(tài)數(shù)和IDG在第j個容量狀態(tài)下的概率。

應(yīng)用上述方法可以求得負荷點等值故障率和故障停電持續(xù)時間，進而可求得含分布式電源的配電網(wǎng)供電的可靠性指標(biāo)。

5 算例

以IEEE－RBTS Bus 6系統(tǒng)主饋線F4為基礎(chǔ)，在饋線末端接入DG，各設(shè)備原始數(shù)據(jù)采用參考文獻［6］中的指標(biāo)。為了對比分析，本文采用以下4種方案:

(1)方案1:假設(shè)不考慮DG的作用。

有遞減規(guī)律的三種情況：一是區(qū)塊產(chǎn)量有明顯規(guī)律，直接擬合遞減率；二是區(qū)塊產(chǎn)量沒有明顯遞減規(guī)律，但平均單井產(chǎn)量有明顯遞減規(guī)律的取平均單井產(chǎn)量遞減率；三是與開發(fā)歷史背景及開發(fā)方式結(jié)合，分階段、分構(gòu)成、分開發(fā)方式擬合遞減規(guī)律。

(2)方案2:在饋線末端安裝發(fā)電總功率為1000 kW的多臺微型燃氣輪機。

(3)方案3:在饋線末端加裝20臺風(fēng)力發(fā)電機。風(fēng)機參數(shù)如下:切入風(fēng)速，2.5 m/s;切除風(fēng)速，25.0 m/s;額定風(fēng)速，14.0 m/s;額定輸出功率，0.5 MW。

(4)方案4:在饋線末端加裝風(fēng)力/光伏混合發(fā)電系統(tǒng)，包括10臺風(fēng)機和20個光伏電池組(與10臺風(fēng)機容量等值)。

采用上述模型和算法，計算出各負荷點可靠性指標(biāo)及系統(tǒng)可靠性指標(biāo)。系統(tǒng)可靠性指標(biāo)見表1，表1中各量的含義:ISAIFI為系統(tǒng)平均停電頻率指標(biāo)，次/(戶·年);ISAIDI為系統(tǒng)平均停電持續(xù)時間指標(biāo)，h/(戶·年);ICAIDI為用戶平均停電持續(xù)時間指標(biāo)，h/(戶·年);IASAI為系統(tǒng)平均供電可用率指標(biāo);IENSI為系統(tǒng)電量不足指標(biāo)。

表1 系統(tǒng)可靠性指標(biāo)

5.1 方案1與方案2

關(guān)鍵點:在饋線末端加入20臺DG。

方案2在方案1的基礎(chǔ)上考慮了DG對負荷點及系統(tǒng)可靠性的影響，由于考慮了DG的孤島效應(yīng)，可靠性指標(biāo)均發(fā)生變化。

由于方案2加入了DG，在可靠性分析時必須考慮DG自身故障率的影響，但本文采用的DG通過斷路器接入配電網(wǎng)，當(dāng)DG故障時斷路器可動作隔離故障，因此，DG自身故障率并不影響負荷點的故障率。

對比加入DG前后配電系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，DG的接入顯著縮短了部分負荷點的年平均停電時間和失電量，說明DG的接入能夠提高配電系統(tǒng)的可靠性。

5.2 方案3與方案4

關(guān)鍵點:不同類型的DG。

方案4與方案3相比，把10臺WDG換成光伏電池，形成風(fēng)力/光伏混合發(fā)電系統(tǒng)。主要考慮了以風(fēng)力為動力的這類分布式電源輸出功率的隨機性、氣候因素以及可修復(fù)資源因素對元件可靠性參數(shù)的影響，使配電系統(tǒng)的可靠性評估更為接近實際情況。

從結(jié)果可以看出，在同一個配電系統(tǒng)中加入2個相同容量而不同類型的DG，可靠性指標(biāo)發(fā)生了明顯變化。方案4可靠性指標(biāo)均會不同程度地減小，可靠性升高。這主要是因為:在一般情況下，若風(fēng)力不足則光照充足，反之則光照強度不足。換言之，風(fēng)電/光伏混合發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的波動性相對較小，而相對穩(wěn)定的輸出功率顯然能更好地與孤島內(nèi)負荷需求匹配，即形成孤島的概率和范圍較大。因此，與單一的風(fēng)電比較，風(fēng)電/光伏混合發(fā)電系統(tǒng)對系統(tǒng)供電可靠性的改善更為顯著。

6 結(jié)論

本文論述了分布式發(fā)電技術(shù)的相關(guān)問題，介紹了分布式發(fā)電對電力系統(tǒng)規(guī)劃與可靠性的影響，以及分布式發(fā)電電力系統(tǒng)可靠性評估的思路及方法，得出以下結(jié)論:

(1)DG的出現(xiàn)帶來了一種新的運行方式——孤島。故障后將配電網(wǎng)轉(zhuǎn)化為若干孤島自治運行，可減小停電面積、提高供電可靠性。

(2)DG的接入固然會對配電系統(tǒng)的各項可靠性指標(biāo)起到改善作用，但并不是DG接入的數(shù)量越多就越好，還需要合理考慮電源類型、接入位置、容量所帶來的影響。

［1］梁才浩，段獻忠.分布式發(fā)電及其對電力系統(tǒng)的影響［J］.電力系統(tǒng)自動化，2001，25(12):53－56.

［2］梁有偉，胡志堅，陳允平.分布式發(fā)電及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究綜述［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2003，27(12):71 －76.

［3］王賽一.分布式電源及對配電網(wǎng)系統(tǒng)的影響［J］.上海電力，2006(5):515－518.

［4］Peng F Z.Editorial Special Issue on Distributed Power Generation［J］.IEEE Trans on Power Electronics，2004，19(5):1157－1158.

［5］BaeIn Su，KimJin O.Reliability Evaluation of Distributed Generation Based on Operation Mode［J］.IEEE Trans on Power Systems，2007，22(2):785 －790.

［6］劉傳銓，張焰.計及分布式電源的配電網(wǎng)供電可靠性［J］.電力系統(tǒng)自動化，2007，31(22):46 －49.