基于時(shí)序模擬的并網(wǎng)型微網(wǎng)可靠性分析

王玉梅，吳志明

（河南理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，焦作 454000）

引言

隨著分布式電源和智能電網(wǎng)的迅速發(fā)展，微網(wǎng)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用越來越廣泛。微網(wǎng)是一個(gè)包含分布式電源、負(fù)荷、儲能系統(tǒng)的可控整體，接入配電網(wǎng)，構(gòu)成并網(wǎng)型微網(wǎng)。近年來國內(nèi)外學(xué)者對分布式電源及微網(wǎng)關(guān)注越來越多，但對并網(wǎng)型微網(wǎng)的可靠性評估研究較少。文獻(xiàn)［1-2］對含分布式電源的配電網(wǎng)可靠性分析時(shí)均采用了最小路法，但忽略了分布式電源輸出隨機(jī)性和儲能運(yùn)行狀態(tài)對可靠性評估指標(biāo)的影響；文獻(xiàn)［3-4］應(yīng)用解析法對含分布式電源的配電網(wǎng)進(jìn)行了可靠性評估，但未考慮到分布式電源的時(shí)序特性；文獻(xiàn)［5］建立了光伏電源、風(fēng)電機(jī)組和儲能聯(lián)合輸出的可靠性模型，運(yùn)用蒙特卡洛法進(jìn)行了可靠性評估，但對孤島模式下微網(wǎng)輸出不足時(shí)，內(nèi)部負(fù)荷的削減順序未做分析；文獻(xiàn)［6］提出了一種綜合考慮負(fù)荷位置和重要程度的削減策略，但僅研究了風(fēng)儲微網(wǎng)的可靠性，忽略了太陽能與風(fēng)能的互補(bǔ)性強(qiáng)、風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)彌補(bǔ)了光伏和風(fēng)力獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)在資源利用上的不足［3，7］。

針對以上問題，本文綜合考慮光伏電源和風(fēng)電機(jī)組輸出的隨機(jī)性、儲能系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及容量約束的因素，建立了并網(wǎng)型微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)的全時(shí)序可靠性模型，在此基礎(chǔ)上基于負(fù)荷切除原則，提出了新的并網(wǎng)型微網(wǎng)可靠性評估算法。最后在RBTS BUS6改進(jìn)系統(tǒng)上進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了該方法的可行性，并分析了微網(wǎng)內(nèi)電源的位置和儲能容量的大小對配電系統(tǒng)和微網(wǎng)可靠性指標(biāo)的影響。

1 微網(wǎng)元件的可靠性評估模型

1.1 光伏電源出力隨機(jī)模型

1.1.1 太陽光照強(qiáng)度分布的概率模型

常用Beta［8-9］分布擬合實(shí)際光強(qiáng)概率分布，其概率密度函數(shù) f（x）為

式中：x和xm分別為這一段時(shí)間內(nèi)的實(shí)際光強(qiáng)和最大光強(qiáng)，W/m；Γ為 Gamma函數(shù)；α和 β分別為Beta分布的形狀參數(shù)，通常根據(jù)一段時(shí)間光強(qiáng)的平均值和方差確定α和β表達(dá)式［10］。

1.1.2 光伏電源出力隨機(jī)模型

若一個(gè)光伏電池方陣由N個(gè)電池組件組成，其中每個(gè)組件的光電轉(zhuǎn)換效率和面積分別為ηn和An。則對應(yīng)的輸出功率為

式中：A為方陣面積；η為方陣光電轉(zhuǎn)換效率。

通過式（1）、式（2）計(jì)算得到的光伏電池的功率輸出概率分布函數(shù)為

1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)出力隨機(jī)模型

1.2.1 風(fēng)速模型

在一定時(shí)間內(nèi)的風(fēng)速可以近似威布爾分布［11］。其分布函數(shù) F（v）和概率密度函數(shù) f（v）分別為

式中：v為風(fēng)速；k和c分別為威布爾分布的形狀參數(shù)和尺度參數(shù)，k和c常用參數(shù)估計(jì)法［12］確定。

1.2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)出力隨機(jī)模型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率輸出隨風(fēng)速變化，其輸出功率P和風(fēng)速v之間具有明顯的非線性關(guān)系，如圖1所示。

圖1 風(fēng)電機(jī)組功率特性曲線Fig.1 Output power characteristic curve of WTG

圖1中，Pr和vr分別為風(fēng)電機(jī)組的額定功率和額定風(fēng)速，vci和vco分別為風(fēng)機(jī)的切入和切出風(fēng)速。輸出功率P用分段函數(shù)近似表示為

式中：A、B、C 分別為 vci、vr、vco的函數(shù)表達(dá)式。

1.3 儲能系統(tǒng)充放電模型

為了降低分布式電源輸出功率的波動(dòng)，提高配電網(wǎng)供電可靠性并改善電能質(zhì)量，通常儲能裝置和分布式電源一起給內(nèi)部負(fù)荷供電［13］。

儲能系統(tǒng)的充放電狀態(tài)主要取決于光伏電源、風(fēng)電機(jī)組、柴油機(jī)組輸出和負(fù)荷的大小，通常采用以下運(yùn)行策略［14］：分布式電源輸出總功率比負(fù)荷大時(shí)，儲能充電儲能；輸出總功率比負(fù)荷小時(shí)，儲能放電釋放能量。綜合考慮儲能的容量和最大充放電約束，儲能模型為

式中：Pbat（t）為 t時(shí)刻儲能充電、放電功率；Pdch-max和Pch-max為儲能最大放電、充電功率；Qin、Qout分別為儲能的充、放電電量；Qremain為t時(shí)刻的儲能容量剩余；Qmin、Qmax為儲能的最小、最大充電功率約束；Top為孤島運(yùn)行儲能充電、放電時(shí)間； PWTG（t）、PPVG（t）、PDGS（t）、PL（t）分別為 t時(shí)刻風(fēng)電機(jī)組、光伏電源、柴油機(jī)組輸出功率和負(fù)荷需求。

1.4 并網(wǎng)型微網(wǎng)狀態(tài)全時(shí)序模擬及可靠性分析

并網(wǎng)型微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微網(wǎng)內(nèi)部負(fù)荷由大電網(wǎng)和微網(wǎng)共同供電，協(xié)調(diào)微網(wǎng)內(nèi)部電源和配電網(wǎng)供電是并網(wǎng)運(yùn)行的關(guān)鍵。并網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略如下。

（1）優(yōu)先使用新能源發(fā)電。當(dāng)光伏電源和風(fēng)電機(jī)組的輸出能夠滿足負(fù)荷需求，儲能充電；若超出儲能容量則應(yīng)削減風(fēng)能、光能輸出。

（2）當(dāng)分布式電源輸出不能滿足負(fù)荷需求，儲能在容量約束范圍內(nèi)進(jìn)行放電。

（3）若儲能放電后仍然不能滿足負(fù)荷需求，則使用柴油機(jī)輸出。

（4）當(dāng)光伏電源、風(fēng)電機(jī)組、儲能和柴油發(fā)電機(jī)能夠滿足需求，應(yīng)減少柴油機(jī)發(fā)電而最大限度利用新能源。

（5）若四者輸出仍小于負(fù)荷時(shí)，此時(shí)需要配電網(wǎng)出力以保持系統(tǒng)功率平衡。

當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)切換到非計(jì)劃孤島運(yùn)行，此時(shí)內(nèi)部負(fù)荷由微網(wǎng)內(nèi)分布式電源和儲能自行供電［15-16］。微網(wǎng)非計(jì)劃孤島運(yùn)行時(shí)全時(shí)序狀態(tài)分析，如表1所示。表中，PSUM、Pbat、PL分別表示孤島運(yùn)行時(shí)分布式電源的輸出總和、儲能裝置輸出和負(fù)荷需求。

表1 微網(wǎng)非計(jì)劃孤島運(yùn)行全時(shí)序狀態(tài)分析Tab.1 Full sequential state analysis of microgrid in unplanned islanded mode

由表1可知，并網(wǎng)型微網(wǎng)非計(jì)劃孤島運(yùn)行有6種狀態(tài)。當(dāng)儲能系統(tǒng)故障或儲能不足時(shí)，失去了儲能的平滑作用［17-18］，光伏電源和風(fēng)電機(jī)組不能單獨(dú)正常的給負(fù)荷供電，此時(shí)僅由柴油機(jī)組供電，需要切除一部分負(fù)荷來維持剩余負(fù)荷的正常供電。若都發(fā)生故障時(shí)則微網(wǎng)停止運(yùn)行。

2 孤島運(yùn)行時(shí)負(fù)荷切除原則

非計(jì)劃孤島運(yùn)行時(shí)，當(dāng)微網(wǎng)內(nèi)分布式電源和儲能故障或輸出不能滿足負(fù)荷需求時(shí)，需要切除一部分負(fù)荷來維持功率平衡?；谪?fù)荷分塊的思想，綜合考慮重要性和位置進(jìn)行負(fù)荷切除削減［19］。

（1）負(fù)荷的分塊。負(fù)荷回路不一定都裝低頻減載的智能開關(guān)，負(fù)荷不能任意切除。因此，在負(fù)荷削減時(shí)必須以智能開關(guān)為邊界分塊切除。

（2）微網(wǎng)在并網(wǎng)切換到非計(jì)劃孤島運(yùn)行時(shí)，保證對內(nèi)部可靠性高的負(fù)荷供電，則負(fù)荷應(yīng)從可靠性低到高的順序切除削減。相關(guān)研究表明，微網(wǎng)內(nèi)部電源下游的負(fù)荷對上游負(fù)荷可靠性影響較小，則較遠(yuǎn)的負(fù)荷優(yōu)先切除。

綜合考慮，定義負(fù)荷切除系數(shù)為

式中：αi和LZn分別為第i塊負(fù)荷和第n個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的重要程度系數(shù)；βi為第i塊負(fù)荷位置系數(shù)，由第n負(fù)荷點(diǎn)與分布式電源和儲能的電氣距離dn得到；PLi為每塊負(fù)荷的切除系數(shù)，綜合比較位置和重要程度系數(shù)獲取，對PLi最小的負(fù)荷塊孤島運(yùn)行時(shí)優(yōu)先切除。

3 微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的可靠性評估算法

3.1 可靠性評估指標(biāo)

根據(jù)傳統(tǒng)配電網(wǎng)的可靠性指標(biāo)如系統(tǒng)平均停電頻率 SAIFI（system average interruption frequency index）、系統(tǒng)平均停電持續(xù)時(shí)間SAIDI（system average interruption duration index）、期望缺供電量指標(biāo)ENS（energy not served）等，對并網(wǎng)型微網(wǎng)供電能力進(jìn)行描述。通過相關(guān)文獻(xiàn)，提出能反映并網(wǎng)型微網(wǎng)持續(xù)運(yùn)行能力的可靠性指標(biāo)，以對配電系統(tǒng)進(jìn)行更加全面的可靠性分析。

（1）孤島成功運(yùn)行的平均持續(xù)時(shí)間SIAOT（success islanded average operation time），即微網(wǎng)從并網(wǎng)成功切換到非計(jì)劃孤島成功（沒有負(fù)荷削減）平均持續(xù)運(yùn)行時(shí)間，表示為

式中：TS，i為第 i次成功運(yùn)行時(shí)間；Ni為微網(wǎng)由并網(wǎng)切換到孤島的成功總次數(shù)。

（2）孤島運(yùn)行成功的概率 IMSP（islanded mode success probability），即

式中，Ns為孤島成功（沒有負(fù)荷削減）的總次數(shù)。

3.2 可靠性評估算法

本文基于時(shí)序蒙特卡洛法［5，20］對并網(wǎng)和非計(jì)劃性孤島2個(gè)狀態(tài)對并網(wǎng)型微網(wǎng)進(jìn)行可靠性評估，算法思路如下。

（1）初始化數(shù)據(jù)。系統(tǒng)初始化并確定仿真時(shí)間。

（2）對所有元件隨機(jī)產(chǎn)生 δ1，δ2，…，δn，每個(gè)元件的工作時(shí)間為 Tn=-ln（δ/n）。

（3）通過 min（Tn）確定故障元件，此時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間TTF=min（Tn），開始計(jì)算仿真時(shí)間。通過隨機(jī)數(shù)確定故障元件的修復(fù)時(shí)間TTR=-ln（ω/u）為故障持續(xù)時(shí)間，故障元件修復(fù)率為u。

（4）由負(fù)荷與微網(wǎng)的位置將負(fù)荷分為微網(wǎng)外負(fù)荷A和微網(wǎng)內(nèi)部負(fù)荷B兩類。根據(jù)故障遍歷搜索及故障元件對負(fù)荷的影響將A類負(fù)荷又分為3種情況：①負(fù)荷的供電狀態(tài)與故障元件無關(guān)，不斷電負(fù)荷；②負(fù)荷與故障元件通過隔離開關(guān)隔離，隔離開關(guān)操作時(shí)間TGL為停電時(shí)間；③負(fù)荷和故障元件在同一支路上并且無法切斷，此時(shí)故障元件修復(fù)時(shí)間TR為停電時(shí)間。

此時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)服從（0，1）均勻分布的隨機(jī)數(shù)RD，比較 RD和 FPCC（孤島切換的臨界值）的大小。RD＜FPCC表示切換失敗，內(nèi)部負(fù)荷斷電，僅對A類負(fù)荷進(jìn)行分析；當(dāng)RD≥FPCC微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，此A、B類負(fù)荷都需要分析。

（5）對于A類負(fù)荷中，分別對第②和③類負(fù)荷的停電次數(shù)和停電時(shí)間進(jìn)行累加。對于B類負(fù)荷處理步驟如下：

步驟1 對孤島進(jìn)行初始化。令t=1；對儲能容量Qremain初始化為充滿的容量；需要切除的負(fù)荷Ished初始化為空；剩余負(fù)荷Iremian初始化為所有負(fù)荷。

步驟2 分別計(jì)算微網(wǎng)內(nèi)所有分布式電源t時(shí)刻的輸出功率。根據(jù)t時(shí)刻的光強(qiáng)和風(fēng)速，基于光伏電源和風(fēng)電機(jī)組的功率輸出曲線，計(jì)算輸出功率PPVG（t）和 PWTG（t）；柴油機(jī)輸出穩(wěn)定，PDGS（t）為 t h 內(nèi)的輸出功率。t時(shí)刻，微網(wǎng)輸出功率 Psum（t）=PWTG（t）+PPVG（t）+PDGS（t）。

步驟3 t時(shí)刻，微網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷需求PL由時(shí)序負(fù)荷曲線計(jì)算得出。

步驟4 比較微網(wǎng)輸出Psum（t）和負(fù)荷需求PL大小。若 Psum（t）＞PL，則內(nèi)部負(fù)荷不斷電，充電后的儲能剩余容量 Qremain=Qremain+PWTG（t）+PPVG（t）+PDGS（t）-PL，轉(zhuǎn)步驟 6；若 Psum（t）≤PL，則轉(zhuǎn)向下一步。

步驟 5 Psum（t）≤PL時(shí)，儲能放電。 若儲能輸出能滿足負(fù)荷需求，負(fù)荷正常供電運(yùn)行；否則，需要切除一部分負(fù)荷。保存此時(shí)切除負(fù)荷和剩余負(fù)荷，并累計(jì)停電時(shí)間和次數(shù)。

步驟6 判斷是否到達(dá)故障修復(fù)時(shí)間。若是，停止運(yùn)行輸出結(jié)果；否則，累加時(shí)間t＝t＋1，轉(zhuǎn)向步驟2。

（6）若沒有達(dá)到仿真年限，轉(zhuǎn)至第（2）步；否則，進(jìn)行下一步。

（7）通過累加計(jì)算停電時(shí)間和停電次數(shù)獲取負(fù)荷點(diǎn)的可靠性指標(biāo)，從而分析得到配電系統(tǒng)和微網(wǎng)的評估指標(biāo)。

4 算例分析

4.1 系統(tǒng)參數(shù)

本文利用可靠性評估測試系統(tǒng)RBTS Bus6的改進(jìn)系統(tǒng)［21］進(jìn)行算例仿真研究，算例中公共節(jié)點(diǎn)為饋線節(jié)點(diǎn)17，包含光伏電源、風(fēng)電機(jī)組、柴油機(jī)組和儲能的微網(wǎng)位于饋線節(jié)點(diǎn)18，如圖2所示。光伏電源中、α=3.034、β=2.299 最大光強(qiáng) xmax＝1.029 kW/m2的風(fēng)電機(jī)組中 Vci＝10.8 km/h、Vr＝28.8 km/h、Vco＝54 km/h，其他參數(shù)見表2。

圖2 RBTS Bus6改進(jìn)系統(tǒng)Fig.2 Modified RBTS Bus6 system

表2 分布式電源和儲能參數(shù)Tab.2 Data of DG and Energy Storage

4.2 可靠性評估結(jié)果

4.2.1 配電系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)

不同情況下各負(fù)荷點(diǎn)的年平均停電次數(shù)仿真結(jié)果如圖3所示，負(fù)荷點(diǎn)年平均停電時(shí)間對比的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 不同情況下負(fù)荷點(diǎn)停電次數(shù)Fig.3 Load point power outage times in different situations

圖4 不同情況下負(fù)荷點(diǎn)平均停電時(shí)間Fig.4 Load point average outage time in different situations

由圖3、圖4指標(biāo)可以得到系統(tǒng)的評估指標(biāo)系統(tǒng)平均停電頻率SAIFI、系統(tǒng)平均停電持續(xù)時(shí)間SAIDI、平均供電效率ASAI（average service availability index）和期望缺供電量指標(biāo)ENS，如表3所示。

仿真結(jié)果表明：

（1）微網(wǎng)的接入對其內(nèi)部負(fù)荷的可靠性影響較大，負(fù)荷點(diǎn)的可靠性指標(biāo)均大幅度降低。系統(tǒng)可靠性相對不含微網(wǎng)的情況有明顯提高，說明微網(wǎng)的接入能有效改善配電系統(tǒng)的供電可靠性。

表3 配電網(wǎng)的可靠性指標(biāo)Tab.3 Reliability indices of distribution network

（2）對比是否考慮負(fù)荷削減的2種情況的負(fù)荷點(diǎn)可靠性指標(biāo)可知：負(fù)荷點(diǎn)19、20、21組成的負(fù)荷塊的負(fù)荷削減系數(shù)最大，即進(jìn)行削減時(shí)最后切除，因此在考慮負(fù)荷削減策略時(shí)，這3個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的可靠性優(yōu)于未考慮負(fù)荷削減策略；而由負(fù)荷點(diǎn)22、23組成的負(fù)荷塊削減系數(shù)較小，這2個(gè)負(fù)荷點(diǎn)可靠性相比未考慮負(fù)荷消減策略時(shí)有一定的降低。這對提高配電網(wǎng)中重要負(fù)荷的可靠性有一定的意義。

4.2.2 微電源位置對配電系統(tǒng)可靠性的影響

對于圖2的仿真模型，分別選取線路22、17、25的末端作為微電源的3個(gè)不同接入位置，圖5、圖6分別為負(fù)荷點(diǎn)可靠性指標(biāo)進(jìn)行仿真。則配電系統(tǒng)可靠性指標(biāo)如表4所示。

圖5 不同接入位置負(fù)荷點(diǎn)停電次數(shù)Fig.5 Load point power outages in different locations

圖6 不同接入位置負(fù)荷點(diǎn)平均停電時(shí)間Fig.6 Load point average outage time in different locations

表4 不同位置系統(tǒng)可靠性指標(biāo)Tab.4 System reliability indices of different locations

仿真結(jié)果表明：

（1）微網(wǎng)內(nèi)微電源不同的接入位置導(dǎo)致內(nèi)部負(fù)荷點(diǎn)的可靠性指標(biāo)也不同。如負(fù)荷點(diǎn)22、23組成的負(fù)荷塊，在微電源接入位置1時(shí)，負(fù)荷消減系數(shù)最大，可靠性較好；而在微電源接入位置3時(shí)，負(fù)荷消減系數(shù)最小，可靠性較低。這對于實(shí)際應(yīng)用中可靠性要求高的負(fù)荷位置的選取有一定的參考價(jià)值。

（2）微網(wǎng)中微電源的不同接入位置對整個(gè)系統(tǒng)的可靠性也有一定的影響，選取合適的位置能一定程度上提高系統(tǒng)的供電可靠性。

4.2.3 并網(wǎng)型微網(wǎng)可靠性指標(biāo)

在實(shí)際運(yùn)行中，并網(wǎng)性微網(wǎng)可靠性指標(biāo)受很多因素影響，如DG出力隨機(jī)性、負(fù)荷的大小、儲能容量和儲能故障率等。本文主要分析儲能容量對并網(wǎng)型微網(wǎng)持續(xù)供電能力的影響，如圖7所示。

圖7 微網(wǎng)可靠性指標(biāo)Fig.7 Reliability indices in microgrid

由圖7可以看出，在一定范圍內(nèi)儲能容量越高，可靠性指標(biāo)越好。當(dāng)儲能容量增加到6 MW·h時(shí)：①孤島成功運(yùn)行的平均持續(xù)時(shí)間為4.145 1 h，若配電網(wǎng)發(fā)生故障且線路修復(fù)時(shí)間小于SIAOT時(shí)，此時(shí)微網(wǎng)內(nèi)部負(fù)荷正常運(yùn)行，不需進(jìn)行負(fù)荷削減；②微網(wǎng)成功運(yùn)行的概率為91.31%，說明微網(wǎng)出力在大部分時(shí)間內(nèi)能滿足負(fù)荷需求，即配電網(wǎng)故障時(shí)，不需切負(fù)荷運(yùn)行。

當(dāng)儲能最小為2 MW·h時(shí)，微網(wǎng)成功運(yùn)行的概率ISMP仍高于50%，即微網(wǎng)由并網(wǎng)切換到孤島運(yùn)行時(shí)，大部分情況下不需切除負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行。說明本文選取的微網(wǎng)可靠性高、穩(wěn)定性好，具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)論

本文研究了光強(qiáng)和風(fēng)速模型及光伏電源和風(fēng)電機(jī)組功率輸出的隨機(jī)特性。通過并網(wǎng)型微網(wǎng)的運(yùn)行方式，研究了并網(wǎng)運(yùn)行微網(wǎng)和外網(wǎng)功率輸出協(xié)調(diào)策略，建立了非計(jì)劃孤島運(yùn)行時(shí)全時(shí)序可靠性評估模型?；诓⒕W(wǎng)型微網(wǎng)孤島狀態(tài)下持續(xù)穩(wěn)定供電的目的，提出了2個(gè)新的微網(wǎng)可靠性指標(biāo)：孤島成功持續(xù)運(yùn)行的平均時(shí)間和孤島運(yùn)行成功的概率。仿真結(jié)果表明：

（1）微網(wǎng)的接入有效地改善了配電系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)；

（2）選取合適微網(wǎng)中微電源的接入位置能一定程度上提高系統(tǒng)的供電可靠性；

（3）在一定范圍內(nèi)儲能容量越高，并網(wǎng)型微網(wǎng)可靠性指標(biāo)越好。

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