計及分布式電源的配電網(wǎng)可靠性研究

李國慶，孫維連，張宇陽

(東北電力大學(xué)，吉林吉林132012)

0 引言

隨著分布式發(fā)電技術(shù)的日趨成熟，分布式電源(DG)憑借其發(fā)電方式靈活、環(huán)境友好等優(yōu)點越來越多地被接入配電網(wǎng)，對配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運行產(chǎn)生了重大影響［2］。因此，本文根據(jù)計劃孤島的劃分原則，建立了孤島劃分模型并求解出最優(yōu)孤島;基于配電網(wǎng)可靠性評估的最小路算法，以 IEEERBTS Bus 6測試系統(tǒng)為算例定量地分析了DG的接入對配電網(wǎng)供電可靠性的影響。

1 含DG的配電網(wǎng)可靠性模型

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)可靠性評估中，配電網(wǎng)由單一的電源點供電，是典型的輻射式供電方式。任何一條饋線上發(fā)生故障，將導(dǎo)致饋線后面的負(fù)荷全部停電。隨著DG接入配電網(wǎng)將使其供電結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，配電網(wǎng)從一個輻射式的網(wǎng)絡(luò)變?yōu)橐粋€遍布電源與用戶互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)［3－5］。

1.1 DG的主要運行方式

1)DG承擔(dān)基荷。采用適合長期運行的DG單獨為負(fù)荷供電，如水電廠等。

2)DG作為配電網(wǎng)備用。一些比較重要的場所如醫(yī)院、大型商場和超市等需要備用電源?？梢杂赏肚斜容^頻繁的DG承擔(dān)備用。

3)DG與電網(wǎng)并網(wǎng)運行。在正常運行下，DG和電網(wǎng)共同給負(fù)荷供電。電網(wǎng)發(fā)生故障時，繼電保護裝置動作，DG可以按照事先制定好的孤島劃分策略對孤島內(nèi)部分負(fù)荷進行持續(xù)供電。在DG出現(xiàn)故障時，將DG退出運行，由電網(wǎng)為負(fù)荷供電。

1.2 DG輸出功率模型

常見的幾種DG有:

1)恒功率輸出模型。如果微型燃?xì)廨啓C的一次能源充足，輸出功率就可視為1個恒定值。

2)風(fēng)力發(fā)電機組的功率輸出模型。風(fēng)速的概率分布服從威布爾(Weibull)分布。本文采用了文獻［8］提供的風(fēng)速與功率輸出關(guān)系模型。

3)光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率模型。在一段時間內(nèi)，太陽光強可以近似看作Beta分布。假設(shè)太陽能電池方陣有N個電池組，每個組件的面積和光電轉(zhuǎn)換效率分別為An和ηn，該方陣總的輸出功率為

式中r為一段時間內(nèi)的實際光照強度。

2 含有DG的配電網(wǎng)孤島劃分

孤島是引入DG技術(shù)以后配電網(wǎng)中出現(xiàn)的一種新的運行方式，指DG獨立向一部分配電系統(tǒng)供電的運行狀態(tài)［9］。當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時，由于電網(wǎng)中含有DG，仍然可以繼續(xù)向部分用戶供電，從而形成孤島。非計劃形成的孤島會對系統(tǒng)、用戶設(shè)備及維修人員等造成危害，還可能造成電力供需不平衡，降低了電網(wǎng)的供電可靠性［10］。因此，配電網(wǎng)必須進行計劃孤島劃分。一旦出現(xiàn)故障，按照已經(jīng)制定的策略快速形成孤島，以減小系統(tǒng)停電損失，提高供電可靠性。

2.1 孤島劃分的數(shù)學(xué)模型

等值有效負(fù)荷(EL)可以定義為負(fù)荷的有功功率與負(fù)荷的權(quán)重系數(shù)的乘積。含DG的配電網(wǎng)孤島劃分的目標(biāo)為求取等值有效負(fù)荷的最大值，數(shù)學(xué)模型為

約束條件為

式中:ω(i)為負(fù)荷的權(quán)重系數(shù);L(i)為負(fù)荷點處負(fù)荷的大小;PDG為DG的額定容量;j為DG所在饋線的編號;D為孤島內(nèi)所有負(fù)荷點L(i)組成的區(qū)域。

2.2 模型的求解

本文結(jié)合廣度優(yōu)先搜索法和深度優(yōu)先搜索法求解最優(yōu)孤島。先采用廣度優(yōu)先搜索法，由DG所在饋線的負(fù)荷點L(i)出發(fā)，依次訪問與其相連的全部支路，然后訪問下層支路，在滿足式(3)的范圍內(nèi)訪問完整個網(wǎng)絡(luò)，可以迅速地確定區(qū)域D的范圍。然后再采用深度優(yōu)先搜索法遍歷區(qū)域D，直至目標(biāo)函數(shù)達到最大值，從而得出最優(yōu)孤島。

3 計及DG的配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)計算

3.1 配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)

配電網(wǎng)的可靠性指標(biāo)包括負(fù)荷點的可靠性指標(biāo)和系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。負(fù)荷點的可靠性指標(biāo)有停電頻率λ、停電時間u、故障修復(fù)時間r，其表達式分別為

系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)［11］有平均停電頻率指標(biāo)KSAIFI、系統(tǒng)平均停電持續(xù)指標(biāo)KSAIDI、用戶平均停電頻率指標(biāo)KCAIDI和系統(tǒng)平均供電可用率指標(biāo)KASAI，其表達式分別為式中:λi為負(fù)荷點i的故障率;Ni為負(fù)荷點i的用戶數(shù);Ui為負(fù)荷點i的平均停電時間。

3.2 最小路算法

最小路算法原理:對每個負(fù)荷點取其到電源點的最小路，分為最小路上的設(shè)備和非最小路上的設(shè)備，將非最小路上的設(shè)備故障對負(fù)荷點可靠性的影響折算到相應(yīng)的最小路節(jié)點上，僅對其最小路上的設(shè)備與節(jié)點進行計算即可得到負(fù)荷點相應(yīng)的可靠性指標(biāo)［12］。

配電網(wǎng)可靠性評估算法的流程圖如圖1所示。

4 算例仿真與分析

在 IEEE － RBTS Bus 6 系統(tǒng)主饋線 F4［13］的基礎(chǔ)上分別在饋線20和28處接入2個DG，改動后的接線如圖2所示。

根據(jù)3類負(fù)荷的重要程度，權(quán)重系數(shù)ω(i)分別取0.5、0.3、0.2。在饋線20處加入1個0.5 MW的燃料電池，在饋線28處加入1個1 MW的微型燃?xì)廨啓C。孤島劃分如圖2中虛線框所示。

通過仿真計算，其結(jié)果如表1和表2所示。

從表1中可以看出，DG接入配電網(wǎng)后，只影響到孤島內(nèi)部負(fù)荷點的可靠性指標(biāo)。孤島內(nèi)的負(fù)荷點故障修復(fù)時間明顯降低，停電時間大幅減短，停電頻率提高小，這是DG靠近負(fù)荷點供電、DG故障直接影響到負(fù)荷點的停電頻率的結(jié)果。

從表2可以看出，DG接入配電網(wǎng)后，系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)都得到了改善，但在很多負(fù)荷點指標(biāo)遇到惡化情況時，系統(tǒng)指標(biāo)可能會受到一定的影響。這是因為系統(tǒng)指標(biāo)通過對負(fù)荷點指標(biāo)加權(quán)求均值得到的，經(jīng)過加權(quán)均值，負(fù)荷點處的惡化可靠性指標(biāo)會被不同程度的削弱。

表1 部分負(fù)荷點的可靠性指標(biāo)

表2 系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)

5 結(jié)論

上述配電網(wǎng)評估最小路算法的計算結(jié)果表明，DG接入配電網(wǎng)后只影響到孤島內(nèi)部負(fù)荷點的可靠性指標(biāo)，孤島內(nèi)的負(fù)荷點故障修復(fù)時間明顯降低，DG的合理接入可以改善電網(wǎng)的可靠性水平。但在很多負(fù)荷點指標(biāo)遇到惡化情況時，系統(tǒng)指標(biāo)可能會受到一定的影響。

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