含分布式光伏的配電網(wǎng)可靠性研究

鄭雅軒

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司，山西 太原 030001）

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人民生活水平的日益提高，社會(huì)對(duì)優(yōu)質(zhì)電能的需求不斷增加，對(duì)電力企業(yè)供電可靠性提出了更高的要求。配電系統(tǒng)是供電企業(yè)面向客戶(hù)的最后環(huán)節(jié)，直接影響著用戶(hù)的用電體驗(yàn)。目前，用戶(hù)遭受的停電絕大部分是由配電系統(tǒng)環(huán)節(jié)造成的。分布式電源并網(wǎng)是提高配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、保證供電可靠性的重要技術(shù)手段之一。近年來(lái)，配電系統(tǒng)中分布式電源不斷接入，對(duì)配電系統(tǒng)供電能力產(chǎn)生了巨大的影響，傳統(tǒng)配電網(wǎng)可靠性評(píng)估方法已不再適用。

分布式光伏利用清潔可再生的太陽(yáng)能進(jìn)行發(fā)電，能夠緩解對(duì)石油、煤炭等化石能源的依賴(lài)，減少溫室氣體排放，具有清潔、環(huán)保的特點(diǎn)；分布式光伏通常接近負(fù)荷中心，可以大幅減少輸電網(wǎng)絡(luò)和配電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本，具有建設(shè)周期短、投資見(jiàn)效快的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)性較高；分布式光伏控制靈活、維護(hù)方便，能實(shí)現(xiàn)快速啟停、削峰填谷，具有很大的靈活性。分布式光伏的優(yōu)越性使其獲得了迅速的發(fā)展，配電網(wǎng)由傳統(tǒng)的單電源輻射狀結(jié)構(gòu)逐漸變?yōu)槎囝?lèi)型電源通過(guò)配電線(xiàn)路共同為負(fù)荷供電的結(jié)構(gòu)，供電模式更加靈活多樣。配電系統(tǒng)由分配電能的角色變?yōu)槭占?、?chǔ)存和分配電能的主動(dòng)配電網(wǎng)[1]。分布式發(fā)電系統(tǒng)中通常有儲(chǔ)能裝置與分布式電源配合工作。儲(chǔ)能裝置可平滑分布式電源的出力，當(dāng)分布式光伏出力不足時(shí)，儲(chǔ)能裝置釋放電能，提升供電能力，當(dāng)分布式光伏出力過(guò)多時(shí)，儲(chǔ)能裝置存儲(chǔ)多余的電能，防止棄光現(xiàn)象的出現(xiàn)。

1 低滲透率下分布式光伏并網(wǎng)對(duì)配網(wǎng)可靠性的影響

分布式電源的滲透率是指分布式電源容量占系統(tǒng)最大供電負(fù)荷的比例[2]。國(guó)內(nèi)外研究表明，當(dāng)分布式電源的滲透率達(dá)到25%以上時(shí)，會(huì)對(duì)現(xiàn)有配電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行產(chǎn)生顯著影響。一般地，將分布式電源的滲透率不會(huì)顯著影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的水平稱(chēng)為低滲透率水平。本文研究了低滲透率下分布式光伏并網(wǎng)對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)可靠性的影響，以上級(jí)電源容量充足作為低滲透率的邊界條件。

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中通常還裝設(shè)儲(chǔ)能裝置來(lái)平滑分布式光伏的出力。分布式光伏接入配電網(wǎng)有兩種運(yùn)行方式：并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)分布式光伏與配電系統(tǒng)共同為用戶(hù)提供電能；孤島運(yùn)行時(shí)，區(qū)域內(nèi)負(fù)荷完全由分布式電源獨(dú)立供電。在傳統(tǒng)輻射狀配電網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中元件發(fā)生故障時(shí)，下游負(fù)荷會(huì)由于與上級(jí)電源之間無(wú)有效連接而造成停電；接入分布式光伏后，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，下游負(fù)荷可與分布式光伏連接形成孤島，由分布式光伏向孤島內(nèi)負(fù)荷供電，有效提高供電可靠率。孤島模式運(yùn)行時(shí)，通常負(fù)荷大于分布式光伏的發(fā)電容量，此時(shí)需要對(duì)孤島內(nèi)負(fù)荷按重要程度進(jìn)行分級(jí)分類(lèi)，對(duì)負(fù)荷進(jìn)行削減，優(yōu)先保證重要負(fù)荷的供電需求。

常見(jiàn)的供電系統(tǒng)主要可靠性指標(biāo)有以下幾項(xiàng)。

a） 系統(tǒng)平均停電時(shí)間SAIDI（system average interruption duration index）（h/戶(hù)）

b） 平均供電可 靠率ASAI（average service availability index）（%）

c） 系統(tǒng)平均停電頻率SAIFI（system average interruption frequency index）（次/戶(hù)）

d） 系統(tǒng)缺供電量期望值ENS（energy not supplied）（kW·h/年）

2 含分布式光伏的主動(dòng)配電網(wǎng)可靠性評(píng)估模型

建立低滲透率下含分布式光伏的主動(dòng)配電網(wǎng)可靠性評(píng)估模型時(shí)，由于分布式光伏存在失效狀態(tài)，所以需考慮分布式光伏的元件出力模型、元件停運(yùn)模型、孤島運(yùn)行方式和孤島負(fù)荷處理方式[3]。

2.1 城市負(fù)荷的用電特點(diǎn)

目前，城市用電負(fù)荷一般分為3 類(lèi)：工業(yè)負(fù)荷、商業(yè)負(fù)荷和市政生活負(fù)荷。工業(yè)負(fù)荷的日負(fù)荷曲線(xiàn)一般維持在一個(gè)平穩(wěn)的水平線(xiàn)上，波動(dòng)性非常低；商業(yè)負(fù)荷通常在特定的時(shí)間段內(nèi)維持在一個(gè)平穩(wěn)的水平，其余時(shí)間負(fù)荷水平較低；市政生活負(fù)荷在一天中隨居民生活的需要不斷變化。目前，我國(guó)的市政生活用電水平還不太高，但隨著城市建設(shè)的日益發(fā)展，生活設(shè)施的日益現(xiàn)代化及居民生活水平的提高，市政生活用電的比重將有所上升。3 類(lèi)負(fù)荷的典型日負(fù)荷曲線(xiàn)如圖1～圖3 所示。

圖1 工業(yè)負(fù)荷典型日負(fù)荷曲線(xiàn)

圖2 商業(yè)負(fù)荷典型日負(fù)荷曲線(xiàn)

圖3 市政生活負(fù)荷典型日負(fù)荷曲線(xiàn)

2.2 分布式光伏系統(tǒng)的相關(guān)模型

系統(tǒng)中非電源元件主要考慮設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)和故障停運(yùn)狀態(tài)，采用如圖4 所示的兩狀態(tài)模型。

圖4 非電源元件的兩狀態(tài)模型

圖4 中，λ 為設(shè)施故障停運(yùn)率，μ 為設(shè)施故障停運(yùn)的修復(fù)率。因此，正常狀態(tài)概率為

故障狀態(tài)概率為

設(shè)MTTR（mean time to repair） 為元件平均修復(fù)時(shí)間，MTTF（mean time to failure） 為元件失效前平均時(shí)間，則

而分布式光伏在運(yùn)行時(shí)存在部分光伏面板退出運(yùn)行的狀態(tài)，此時(shí)降額運(yùn)行，需要由三狀態(tài)模型進(jìn)行描述，如圖5 所示。

圖5 分布式光伏的三狀態(tài)模型

分布式光伏的出力模型可由圖6 分布式光伏出力與光照強(qiáng)度的分段模型描述，由零功率輸出狀態(tài)、非線(xiàn)性輸出狀態(tài)、線(xiàn)性輸出狀態(tài)和額定輸出狀態(tài)4 種狀態(tài)組成。其中，橫坐標(biāo)E為光照強(qiáng)度，Ein、Er、Estd分別對(duì)應(yīng)分布式光伏出力的轉(zhuǎn)折狀態(tài)光強(qiáng)，Et為實(shí)時(shí)光照強(qiáng)度，Pr為分布式光伏的額定出力，Psn為單位光強(qiáng)下光伏的出力，Pt為分布式光伏的實(shí)時(shí)出力，則

圖6 分布式光伏分段出力模型

3 分布式光伏匹配度評(píng)估模型

系統(tǒng)中有母線(xiàn)1 段、饋線(xiàn)25 段、配變20 臺(tái)、負(fù)荷點(diǎn)20 個(gè)，斷路器和隔離開(kāi)關(guān)若干。接入分布式光伏電源，不同容量光伏接入下系統(tǒng)可靠性指標(biāo)如表1 所示。

表1 不同容量光伏接入下系統(tǒng)可靠性指標(biāo)

圖7—圖9 展示了系統(tǒng)可靠性指標(biāo)隨分布式光伏接入容量增長(zhǎng)的變化趨勢(shì)，從圖中可以看出，隨著分布式光伏容量的增加，系統(tǒng)的可靠性水平得到了提升。

圖7 分布式光伏接入后系統(tǒng)平均停電時(shí)間

圖8 分布式光伏接入后系統(tǒng)平均停電次數(shù)

圖9 分布式光伏接入后系統(tǒng)平均缺供電量

4 結(jié)束語(yǔ)

分布式光伏接入配電網(wǎng)后可以消納當(dāng)?shù)刎?fù)荷，使原有配電網(wǎng)的可靠性水平得到一定程度提升，同時(shí)也為傳統(tǒng)配電網(wǎng)的可靠性評(píng)估帶來(lái)了新的問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)含分布式光伏主動(dòng)配電網(wǎng)的可靠性進(jìn)行分析，總結(jié)了分布式光伏的設(shè)施停運(yùn)模型和出力模型，研究了低滲透率下分布式光伏接入對(duì)系統(tǒng)平均停電時(shí)間、系統(tǒng)平均停電次數(shù)和系統(tǒng)平均缺供電量的影響，驗(yàn)證了低滲透率情況下隨著分布式光伏容量的增加，系統(tǒng)的可靠性水平得到了提升。