儲能電站接入配電網(wǎng)的可靠性評估

馮明燦，邢潔，方陳，王承民，衣濤，謝寧（．上海交通大學，上海0040；．上海電力設計院有限公司，上海0005；．國網(wǎng)上海市電力公司電力科學研究院，上海0047）

儲能電站接入配電網(wǎng)的可靠性評估

馮明燦1，邢潔2，方陳3，王承民1，衣濤1，謝寧1
（1．上海交通大學，上海200240；2．上海電力設計院有限公司，上海200025；3．國網(wǎng)上海市電力公司電力科學研究院，上海200437）

大量分布式電源的接入，有利于清潔能源的合理利用，但是其間歇性和波動性給電網(wǎng)造成的功率沖擊嚴重威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。為了平衡風電光伏等分布式電源對電網(wǎng)的沖擊，在配電網(wǎng)接入儲能裝置是一種十分有效的措施。通過可靠性分析的方法，分別計算接入點不同和接入容量不同的儲能電站對配電網(wǎng)供電可靠性指標的影響。并以某地區(qū)的實例來評估儲能電站接入對配電網(wǎng)可靠性的影響。

儲能電站；智能配電網(wǎng)；供電可靠性

隨著新能源發(fā)電的迅速發(fā)展，風電以及光伏發(fā)電并網(wǎng)越來越多。大量分布式電源的并網(wǎng)發(fā)電促進了清潔能源的合理利用，但是這些電源的間歇性和波動性對電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行造戰(zhàn)靈活的四象限調(diào)節(jié)能力，在電力調(diào)峰方面廣泛應用，同時它還可以有效地跟蹤多種電氣量的波動[1-2]。為了更好地平抑分布式電源產(chǎn)生的電網(wǎng)功率波動，儲能電站的接入是一個理想的解決方法。

近幾年儲能技術(shù)備受關(guān)注，其突出優(yōu)勢在于能夠有效解決大規(guī)模可再生能源發(fā)電接入電網(wǎng)引起的功率波動[3]。儲能電站有充電和放電兩種工作模式，既可以作為負荷消耗電能，也可以作為電源為電網(wǎng)提供電能。因此，非常適合作為電網(wǎng)中的緩沖環(huán)節(jié)，平衡分布式發(fā)電帶來的電網(wǎng)功率波動。儲能技術(shù)實現(xiàn)了發(fā)電、用電在時間上和空間上的分離，發(fā)電量不需要與負荷用電量實時平衡，負荷波動帶來的電量波動可以由儲能設備進行調(diào)節(jié)，這將促進電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)、規(guī)劃設計、調(diào)度管理、運行控制以及使用方式等發(fā)生根本性變革[4-7]。

目前，儲能設備接入對配電網(wǎng)可靠性影響的研究相對較少。文獻[8]提出的風電場可靠性概率評估模型考慮了電池儲能的影響，其可靠性指標的計算結(jié)合離散的風速威布爾分布，但沒有把儲能本身對系統(tǒng)運行的限制考慮在內(nèi)，提出的模型相對簡化。文獻[9]綜合了儲能設備自身的特性，例如故障率，容量限制以及充放電速率等，通過解析法對含有風電機組和儲能設備的電力系統(tǒng)進行可靠性評估，分析論證了儲能設備對提高風電場可靠性的有利作用，但沒有對不同類型儲能設備充放電過程差異造成的系統(tǒng)可靠性水平高低進行分析[10]。

本文通過對儲能電站接入配電網(wǎng)的位置不同和容量不同進行可靠性指標的分析，研究儲能電站接入對配電網(wǎng)供電可靠性的影響。

1　電網(wǎng)可靠性分析方法

供電可靠性是指供電系統(tǒng)持續(xù)供電的能力，以及供電系統(tǒng)對于維持有效供電的保持能力，是考核供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的重要指標，反映了電力工業(yè)對國民經(jīng)濟電能需求的滿足程度，已經(jīng)成為衡量一個國家經(jīng)濟發(fā)達程度的標準之一?？煽啃栽u估常采用的兩種基本方法：一種是解析法；另一種是模擬法。

解析法可以采用嚴格的數(shù)學模型和算法，因而解析法在系統(tǒng)組合故障數(shù)目比較少時較有效。即當元件故障比較少但有重大影響，且元件數(shù)目不太多時，解析法可以充分發(fā)揮其物理概念清楚、模型準確的優(yōu)點，計算準確，結(jié)果理想。但隨著元件數(shù)的增多，計算量呈指數(shù)增長，當系統(tǒng)規(guī)模大到一定程度時，采用此方法有一定的困難。因此，有許多學者提出了基于減少計算量的改進算法。在電力系統(tǒng)可靠性評估中，解析法發(fā)展得已經(jīng)比較成熟了。解析法在美、加、英等國的應用比較廣泛。

解析法可分為網(wǎng)絡法、狀態(tài)空間法、故障樹法，本文主要采用網(wǎng)絡法。

網(wǎng)絡法是建立在邏輯網(wǎng)絡基礎上的一種分析方法，是分析系統(tǒng)可靠性的一種最常用的分析方法。它可分析不可修復系統(tǒng)的可靠性，在一定條件下，也可用來分析可修復系統(tǒng)的可靠性[5]。

如果一個系統(tǒng)滿足以下特點：

1）系統(tǒng)中每個元件只有兩種狀態(tài)：工作或失效。

2）由元件構(gòu)成的系統(tǒng)本身也假定只有兩種工作狀態(tài)：工作或失效。

3）如果全部元件都工作，系統(tǒng)即工作。

4）如果全部元件都失效，系統(tǒng)即失效。

5）在一個已經(jīng)失效的系統(tǒng)中，再有一個元件失效也不能使系統(tǒng)恢復工作；在一個工作的系統(tǒng)中再修復一個元件也不會造成系統(tǒng)失效。

滿足這樣5個條件的系統(tǒng)稱為單調(diào)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，若系統(tǒng)是單調(diào)結(jié)構(gòu)，而且每個元件是有關(guān)的，則稱為關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，單調(diào)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)可用邏輯圖表示，可用網(wǎng)絡法估計系統(tǒng)的可靠性。

網(wǎng)絡法的特點是比較簡單，但是應用網(wǎng)絡法時，建立起邏輯框圖是不容易的，如果元件的故障是不獨立的，那么建立邏輯圖就更加復雜。

2　儲能電站接入配電網(wǎng)的可靠性評價指標體系

儲能電站的工作方式分為充電狀態(tài)和放電狀態(tài)，處于充電狀態(tài)時，儲能電站相當于負荷，處于放電狀態(tài)時，相當于電源。為評價儲能電站在不同集電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下的可靠性，基于期望值指標、頻率性指標、持續(xù)時間性指標提出以下儲能電站可靠性評估指標。

2.1儲能電量損失期望值（Energy Storage Energy Loss Expectation）

式中：λi為第i個元件的故障率，次/a；Di為第i個元件故障時導致的經(jīng)歷故障的儲能電池組的故障持續(xù)時間，h；Pi為第i個元件故障時故障儲能電池組的損失功率，MW，m為系統(tǒng)元件的總數(shù)，ESELE指標為儲能電站的總能量損失值，MW·h/a。

2.2儲能平均故障頻率指數(shù)（Energy Storage Average Fanlt Frequeney Index）

式中：λi為第i個元件的故障率，次/a；Si為由于元件i故障導致經(jīng)歷故障的儲能電池組數(shù)量；n為儲能電池組總數(shù)；m為儲能電站的元件總數(shù)；ESAFFI指標為儲能電站中每組儲能電池組的平均故障次數(shù)，次/a。

2.3儲能平均故障持續(xù)時間指數(shù)（Energy Storage Average Fault Duration Index）

式中：λi為第i個元件的故障率，次/a；Di為第i個 元件故障時導致經(jīng)歷故障的儲能電池組的故障持續(xù)時間，h；dij為由于元件i故障導致儲能電池組j的故障持續(xù)時間，h，j=1，2，…，S；S為由于元件i故障導致經(jīng)歷故障的儲能電池組數(shù)量；n為儲能電池組總數(shù)；m為儲能電站的元件總數(shù)；ESAFDI指標表示儲能電站中每組儲能電池組的平均故障持續(xù)時間，h/a。

2.4故障儲能平均故障持續(xù)時間指數(shù)（Faulted Energy Storage Average Fault Duration Index）

FESAFDI指標表示儲能電站中經(jīng)歷了故障的儲能電池組的平均故障時間（h/a）。

2.5平均儲能可用率指數(shù)（Average Energy Storage Availability Index）

式中：AESAI指標為儲能電站的可用率，該可用率指所有儲能電池組都處于正常工作狀態(tài)的概率。

2.6平均儲能不可用率指數(shù)（Average Energy Storage Unavailability Index）

式中：AESUI指標為儲能電站的不可用率，指有任一儲能電池組不處在正常工作狀態(tài)的概率。

2.7平均儲能故障頻率指數(shù)（Average Energy Storage Fault Frequency Index）

式中：λi為第i個元件的故障率（次/a）；Pi為由于元件i故障導致儲能電池組損失的總功率；m為儲能電站元件總數(shù)；c為儲能電站的總額定功率；AESFFI指標為儲能電站中儲能電池組的故障次數(shù)（次/a）。

2.8平均儲能故障持續(xù)時間指數(shù)（Average Energy Storage Fault Duration Index）

式中：λi為第i個元件的故障率，次/a；Ei為由于元件i故障導致儲能電池組損失的總能量；dij為由于元件i故障導致儲能電池組j的故障持續(xù)時間，h，j=1，2，…，Si；Si為由于元件i故障導致經(jīng)歷故障的儲能電池組數(shù)量；pij為由于元件i故障導致儲能電池組j的功率損失；m為儲能電站元件總數(shù)；C為儲能電站的總額定功率；AESFDI指標為儲能電站中儲能電池組的故障持續(xù)時間，h/a。

3　仿真計算

以某區(qū)域的一條配電線路進行分析：該條線路有62個配變，最長供電半徑達到4 km；10 kV線路采用電纜與架空混合接線，其中母線出線端多以電纜為主；10 kV架空線主干線的截面積為鋁芯240 mm2、185 mm2、150 mm2；10 kV電纜線路主干線的截面積為400 mm2、240 mm2。供電面積較大，節(jié)點較多，有兩塊重負荷區(qū)域，方便對不同儲能裝置接入方案對可靠性的影響分析。

該線路正常運行的靠近電源點的首端節(jié)點電壓為10.1 kV，其中在末端重負荷區(qū)域的節(jié)點電壓為8.282 kV；網(wǎng)損為1.952 MW，供電可靠性指標為99.959 5%。具體數(shù)據(jù)見表1。

表1　電網(wǎng)正常運行數(shù)據(jù)Tab.1Normal operation data of the power grid

在該線路裝置容量為5 MW的儲能設備，分別安裝在3個區(qū)域，其中靠近電源附近選擇2和3節(jié)點，中間區(qū)域選擇4、5、20和22節(jié)點，重負荷區(qū)域選擇23、24和25節(jié)點。分析相同容量的儲能裝置安裝在不同接入點對系統(tǒng)供電可靠性的影響，結(jié)果如表2所示。

表2　儲能裝置接入不同節(jié)點的供電可靠性指標Tab.2Power supply reliability index of the energy storage devices connected to different nodes

圖1　儲能裝置接入不同節(jié)點的供電可靠性指標曲線圖Fig.1The curve of power supply reliability index of the energy storage devices connected to different nodes

在不同節(jié)點裝置相同容量的儲能設備，得出的供電可靠性指標可以看出，安裝相同容量儲能裝置，在重負荷區(qū)域，提升供電可靠性最明顯；在中間區(qū)域次之；靠近電源點附近，供電可靠性提升效果較小。

在同一個節(jié)點接入不同容量的儲能裝置，分析接入不同容量的儲能裝置對供電可靠性的影響。

表3　接入不同容量儲能裝置的供電可靠性指標Tab.3Power supply reliability index of the energy storage devices of different capacities connected

圖2　接入不同容量儲能裝置的供電可靠性指標曲線圖Fig.2The curve of the power supply reliability index of the energy storage devices of different capacities connected

由同一節(jié)點接入不同容量得到的可靠性指標數(shù)據(jù)和曲線圖，可以得出：各個節(jié)點安裝儲能裝置都可以提升供電可靠性指標，在接入容量6 MW的儲能裝置就基本達到飽和狀態(tài)，隨著容量的進一步增大，供電可靠性提升的效果可以忽略不計。

4　結(jié)論

儲能電站對平衡電網(wǎng)功率波動有很大作用，從本文的研究可以得出，其接入配電網(wǎng)總體上來說對配電網(wǎng)的供電可靠性無疑是有提高的，但提高的程度隨接入位置和接入容量而不同。從儲能電站接入配電網(wǎng)可靠性的仿真計算可以看出，接入地點負荷越重，配電網(wǎng)可靠性提高幅度越大；在接入容量未達到飽和容量時，接入容量越大，供電可靠性越高。因此，在實際運行時，為了使接入儲能電站后配電網(wǎng)的可靠性最大化，接入點應盡量選取重負荷區(qū)域，接入容量為飽和容量。

[1]吳俊玲，吳畏，周雙喜.超導儲能改善并網(wǎng)風電場穩(wěn)定性的研究[J].電工電能新技術(shù)，2004，24（3）:59-63. WU Junling，WU Wei，ZHOU Shuangxi.Study on SMES unit for improving the stability of power system connected with wind farms[J].Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy，2004，24（3）:59-63（in Chinese）.

[2]曾杰.電池儲能電站在風力發(fā)電中的應用研究[J].廣東電力，2010（11）:1-5. ZENG Jie.Study on applying battery energy storage system to wind power generation[J].Guangdong Electric Power， 2010（11）:1-5（in Chinese）.

[3]丁明，陳忠，蘇建徽，等.可再生能源發(fā)電中的電池儲能系統(tǒng)綜述[J].電力系統(tǒng)自動化，2013（1）:19-25，102. DING Ming，CHEN Zhong，SU Jianhui，et al.An overview of battery energy storage system for renewable energy generation[J].Automation of Electric Power System，2013（1）:19-25，102（in Chinese）.

[4]張文亮，丘明，來小康.儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（7）：1-9. ZHANG Wenliang，QIU Ming，LAI Xiaokang.Application of energy storage technologies in power grids[J].Power System Technology，2008，32（7）:1-9（in Chinese）.

[5]US Department of Energy Office of Electricity Delivery& Energy Reliability.Electric power industry needs for gridscale storage application[EB/OL].[2012-12-10].http:// www.doe.gov.

[6]US Department of Energy Electricity Advisory Committee. Bottlingelectricity:storageasanstrategictoolfor managing variability and capacity concerns in the modern grid[R/OL].[2010-01-21].http://www.oe.energy.gov/eac. htm.

[7]國家電網(wǎng)公司“電網(wǎng)新技術(shù)前景研究”項目咨詢組，王松岑，來小康，程時杰.大規(guī)模儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應用前景分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2013（1）:3-8，30. Consulting grope of state grid cooperation of China to prospect for application of large-scale energy storage technology in power system[J].Automation of Electric Power System，2013（1）:3-8，30（in Chinese）.

[8]LIU X，IALAM S．Reliability evaluation of a wind-diesel hybrid power system with battery bank using discrete wind speedframeanalysis[C]//InternationalConferenceon Probabilistic Methods Applied to Power System．Stockholm，Sweden：IEEE，2006：6-10．

[9]BHUIYAN F A，YAZDANI A．Reliability assessment of awind-power system with integrated energy storage[J]．IET Renewable Power Generation，2010，4（3）：211-219．

[10]孟虹年，謝開貴.計及電池儲能設備運行特性的風電場可靠性評估[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012（6）:214-219. MENG Hongnian，XIE Kaigui.Wind farm reliability evaluation considering operation characteristics of battery energy storage devices[J].Power System Technology，2012（6）:214-219（in Chinese）.

（編輯徐花榮）

The Reliability Evaluation of Distribution Network Accessing the Storage Power Station

FENG Mingcan1，XING Jie2，F(xiàn)ANG Chen3，WANG Chengmin1，YI Tao1，XIE Ning1
（1.Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China；2.Shanghai Electric Power Design Institute Company Limited，Shanghai 200025，China；3.Electric Power Research Institute of State Grid Shanghai Electric Power Company，Shanghai 200437，China）

The access to a large amount of distributed power supply is conductive to the rational use of clean energy，but the intermittency and volatility of the distributed power supply impose serious power impacts on the safe and stable operation of the power grid.To balance the power surges of wind power and photovoltaic power and other distributed power on the grid，connecting the energy storage in the distribution network becomes a very effective measure.Based on the reliability analysis method，this paper calculates the impact of energy storage power stations with different access points and different capacities on the reliability index of the distribution network.The actual example in a certain area is used to assess the impact of the access of the energy storage power station on the reliability of the distribution network.

storage power station；smart distribution network；power supply reliability

1674-3814（2015）06-0093-04

TM732

A

國家自然科學基金青年科學基金項目（51307108）。

Project Supported by National Natural Science Foundation Youth Science Fund（51307108）.

2015-03-01。

馮明燦（1990—），女，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)可靠性。