含分布式電源的配電網(wǎng)可靠性評(píng)估

劉云祥，黃升

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

1 引言

分布式電源(DG)憑借其發(fā)電靈活、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)被越來越多地接入到配電網(wǎng)中，由于分布式電源輸出功率具有一定的隨機(jī)性，因而給配電網(wǎng)可靠性的評(píng)估帶來了一定的影響。

在傳統(tǒng)的配電網(wǎng)可靠性評(píng)估當(dāng)中，饋線一般都由單電源供電，采用輻射式供電方式，任何一條饋線元件發(fā)生故障，都有可能導(dǎo)致饋線后面的負(fù)荷全部停電，而當(dāng)分布式電源接入配電網(wǎng)以后，電網(wǎng)變成一個(gè)多電源與用戶互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)某元件發(fā)生故障后，配電網(wǎng)可能會(huì)出現(xiàn)含分布式電源的孤島運(yùn)行方式，相應(yīng)的可靠性評(píng)估模型和算法也將發(fā)生變化［1－3］。國(guó)內(nèi)外有學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)的研究。文獻(xiàn)［4－5］分析了分布式電源的接入對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生的影響。在分布式電源的可靠性模型方面，目前的研究主要集中在光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電上［6－8］。在評(píng)估算法上，目前主要有解析法和模擬法。文獻(xiàn)［9－10］建立了分布式電源的概率模型，采用解析法對(duì)計(jì)及分布式電源的配電網(wǎng)可靠性進(jìn)行了評(píng)估。文獻(xiàn)［7］對(duì)光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電進(jìn)行建模，提出了基于模擬法的微網(wǎng)可靠性評(píng)估算法。文獻(xiàn)［11］采用蒙特卡羅方法對(duì)孤島狀態(tài)下含分布式電源的配電系統(tǒng)可靠性進(jìn)行了分析。

本文研究了光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電出力的隨機(jī)特性，建立了含分布式電源和儲(chǔ)能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的可靠性模型，在此基礎(chǔ)上基于蒙特卡羅時(shí)序模擬方法，提出了含分布式電源的配電網(wǎng)可靠性評(píng)估算法。最后采用所提出的模型和算法對(duì)IEEE RBTS Bus6系統(tǒng)主饋線F4進(jìn)行了評(píng)估。

2 分布式電源的可靠性模型

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的隨機(jī)模型

太陽能電池板是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心器件，它的輸出功率取決于多種因素，其中最主要的是電池板上能接收到的太陽光輻射強(qiáng)度。假設(shè)太陽能電池板的面積為S，某時(shí)刻電池板能接收到的光強(qiáng)為I(t)，則該電池板的輸出功率P［12］PV

式中:ηC為電池板的轉(zhuǎn)換效率;KC為閾值常數(shù)，當(dāng)入射光強(qiáng)小于KC時(shí)，輸出功率與I(t)呈二次關(guān)系，當(dāng)入射光強(qiáng)大于KC時(shí)，輸出功率與I(t)呈線性關(guān)系。太陽光的輻射強(qiáng)度主要取決于太陽高度角和云層遮擋對(duì)陽光的衰減效應(yīng)。一天中太陽高度角隨時(shí)間的變化可以由一個(gè)確定性的函數(shù)來決定;而天氣變化時(shí)，云層對(duì)太陽輻射強(qiáng)度的衰減效應(yīng)卻是隨機(jī)的?？梢哉J(rèn)為，某時(shí)刻電池板接收的光強(qiáng)I(t)等于一個(gè)由太陽輻射角確定的基礎(chǔ)強(qiáng)度Id(t)疊加上一個(gè)隨機(jī)的衰減量I(t)，即

定義基礎(chǔ)強(qiáng)度Id(t)為一個(gè)統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)每天t時(shí)刻太陽光輻射強(qiáng)度的平均值。忽略季節(jié)變化對(duì)日出日落時(shí)間的影響，可以近似認(rèn)為Id(t)是一個(gè)二次函數(shù)，可由下式表示:

其中:t為一天中的整點(diǎn)時(shí)刻;Imax為正午12:00時(shí)最大日輻射強(qiáng)度的年平均值，即有

Imax=I(12)。

衰減量I(t)主要取決于天空中云層的狀態(tài)。由于云層不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移概率難以獲得，故對(duì)I(t)做簡(jiǎn)化處理，可以認(rèn)為I(t)服從正態(tài)分布［4］。正態(tài)分布的概率密度函數(shù)表達(dá)為［4］:

2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率的隨機(jī)模型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從能量轉(zhuǎn)換角度分成兩部分，風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)。風(fēng)速作用在風(fēng)力機(jī)的葉片上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪箱高速軸、剎車盤和聯(lián)軸器再與起步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相連，從而發(fā)電運(yùn)行。因此，它的輸出功率由風(fēng)能決定，輸出功率具有隨機(jī)性。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)有功輸出Pwind與網(wǎng)速v之間具有如下函數(shù)關(guān)系［13］

式中:vci為切入風(fēng)速;vr為額定網(wǎng)速;vco為切出網(wǎng)速;Pr為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率;a和b均為系數(shù)，a=Prvci/(vci－vr)，b=Pr/(vr－vci)

由于網(wǎng)速近似服從雙參數(shù)威布爾分布，且在大部分時(shí)間內(nèi)，網(wǎng)速維持在vci和vco之間，因此，Pwind的概率密度函數(shù)為［13］:

式中:c和k分別為參數(shù)威布爾分布的尺度參數(shù)和形狀參數(shù)。

3 基于蒙特卡羅模擬的含分布式電源配電網(wǎng)可靠性評(píng)估算法

在不影響計(jì)算精度的條件下，做如下假設(shè):①所有元件都是可以修復(fù)的;②不考慮瞬時(shí)故障，只考慮永久故障，即元件故障后，只有元件修復(fù)之后才能重新投入運(yùn)行;③不考慮斷路器等開關(guān)設(shè)備的誤動(dòng)、拒動(dòng);④僅考慮單重故障。

基于蒙特卡羅法的可靠性評(píng)估算法的總體思路為:對(duì)系統(tǒng)的故障狀態(tài)進(jìn)行蒙特卡羅抽樣，分析每個(gè)故障狀態(tài)，將受故障影響的負(fù)荷分為不能被恢復(fù)的負(fù)荷、能通過轉(zhuǎn)供被恢復(fù)的負(fù)荷和孤島內(nèi)的負(fù)荷。對(duì)孤島內(nèi)的負(fù)荷，模擬孤島運(yùn)行期間分布式電源的出力，計(jì)算孤島的停電時(shí)間。最后對(duì)所有負(fù)荷點(diǎn)分別累加其各自的停電次數(shù)和停電時(shí)間，可得到負(fù)荷點(diǎn)的可靠性指標(biāo)。算法的具體步驟如下:

(1)采用式(7)、(8)對(duì)所有元件的正常工作時(shí)間TTF和故障時(shí)間TTR進(jìn)行抽樣，依次排列形成每個(gè)元件在模擬總時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)持續(xù)時(shí)間序列。

式中:λi和μi分別為元件的停運(yùn)率和修復(fù)率;u為(0，1)之間服從均勻分布的隨機(jī)數(shù)［14］。

(2)綜合所有元件的運(yùn)行狀態(tài)持續(xù)時(shí)間序列，找出系統(tǒng)在給定模擬時(shí)間內(nèi)的所有故障事件。

(3)對(duì)每個(gè)故障事件進(jìn)行分析，找到該故障所影響到的負(fù)荷，將這些負(fù)荷分為不能被恢復(fù)的負(fù)荷、能通過轉(zhuǎn)供被恢復(fù)的負(fù)荷和孤島內(nèi)的負(fù)荷。

(4)對(duì)于能通過轉(zhuǎn)供被恢復(fù)的負(fù)荷，將此次停運(yùn)累加到該負(fù)荷點(diǎn)的總停電時(shí)間TTTR和總停電次數(shù)Nl。對(duì)于不能被恢復(fù)的負(fù)荷，系統(tǒng)該次故障持續(xù)時(shí)間即為負(fù)荷的停運(yùn)時(shí)間。

(5)對(duì)孤島內(nèi)部的負(fù)荷作如下處理:

①根據(jù)步驟(1)所產(chǎn)生的分布式電源發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)序列，檢查孤島運(yùn)行期間發(fā)電系統(tǒng)是否正常運(yùn)行。如果運(yùn)行，繼續(xù)下一步;如果停運(yùn)，則轉(zhuǎn)到步驟(6)。

②產(chǎn)生一個(gè)(0，1)之間服從均勻分布的隨機(jī)數(shù)um，判斷形成孤島成功概率pm的大小。若um＞pm，則認(rèn)為此次切換失敗;若um≤pm，則認(rèn)為此次切換成功。

③計(jì)算分布式電源在孤島運(yùn)行期間的供電時(shí)間。

(6)根據(jù)各負(fù)荷點(diǎn)的總停電時(shí)間TTTR和總停電次數(shù)Nl，計(jì)算在總模擬時(shí)間里各負(fù)荷點(diǎn)的平均故障率、平均故障時(shí)間rl、年平均停電時(shí)間Ul等可靠性指標(biāo)。

(7)根據(jù)負(fù)荷點(diǎn)的可靠性指標(biāo)計(jì)算系統(tǒng)的各項(xiàng)可靠性指標(biāo)。

4 算例與分析

4.1 仿真系統(tǒng)及參數(shù)

用本文的評(píng)估算法對(duì)上述算例系統(tǒng)進(jìn)行10萬h的模擬計(jì)算。研究加入分布式電源前后對(duì)配電網(wǎng)供電可靠性指標(biāo)的影響。本文以IEEE-RBTSBus6系統(tǒng)主饋線F4為基礎(chǔ)，在分支線19和25處加入2處DG。當(dāng)上游供電路徑發(fā)生故障時(shí)，通過斷路器操作，形成孤島1和孤島2繼續(xù)給島內(nèi)負(fù)荷供電，如圖1所示。圖中LPi表示第i個(gè)負(fù)荷點(diǎn)。系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)見文獻(xiàn)［15］

設(shè)平均風(fēng)速為14.6km/h，風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)方差為9.75。風(fēng)機(jī)切入風(fēng)速vci、額定風(fēng)速vr和切除風(fēng)速vco分別為9km/h、38km/h和80km/h。太陽能電池板的轉(zhuǎn)換效率 ηC=0.10，KC=200W/m2。

方案一:不考慮分布式電源的作用;方案二:在如圖所示節(jié)點(diǎn)19處接入分布式電源;方案三:在如圖所示節(jié)點(diǎn)19和節(jié)點(diǎn)25處同時(shí)接入分布式電源。部分負(fù)荷點(diǎn)可靠性指標(biāo)如表1，系統(tǒng)可靠性指標(biāo)如表2所示。

圖1 含分布式電源的配電網(wǎng)接線

表1 部分負(fù)荷點(diǎn)可靠性指標(biāo)

表2 系統(tǒng)可靠性指標(biāo)

計(jì)算結(jié)果表明:

(1)分布式電源對(duì)孤島內(nèi)負(fù)荷點(diǎn)的可靠性有很大影響，孤島內(nèi)負(fù)荷點(diǎn)的停運(yùn)頻率和停運(yùn)時(shí)間均有大幅下降。孤島運(yùn)行能在配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)保證對(duì)孤島內(nèi)負(fù)荷的供電，大大縮短停運(yùn)時(shí)間。

(2)對(duì)比加入分布式電源前后的配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)，可看到有分布式電源條件下配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)明顯優(yōu)于沒有分布式電源條件下的可靠性指標(biāo)，說明分布式電源的適當(dāng)接入可有效提高配電網(wǎng)的供電可靠性。

5 結(jié)論

(1)本文研究了光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電輸出功率的隨機(jī)特性，建立了分布式電源的功率輸出模型，建立了分布式電源的可靠性模型。

(2)提出了基于蒙特卡羅時(shí)序模擬的含分布式電源的配電網(wǎng)可靠性評(píng)估算法，并對(duì)改進(jìn)的IEEE DRTS Bus 4測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性評(píng)估。

(3)評(píng)估結(jié)果表明，在有分布式電源的情況下，孤島內(nèi)負(fù)荷點(diǎn)的停運(yùn)頻率和停運(yùn)時(shí)間均有下降，但對(duì)孤島外負(fù)荷的供電可靠率沒有影響。對(duì)于配電網(wǎng)而言，有分布式電源條件下配電網(wǎng)的可靠性指標(biāo)明顯優(yōu)于沒有分布式電源條件下的可靠性指標(biāo)，可見分布式電源能有效提高配電系統(tǒng)的供電可靠性。

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