分布式光伏電源并網(wǎng)可靠性研究

王連民，李 瑋，張克甲，武曉峰

（國網(wǎng)吳忠供電公司，吳忠 751100）

0 引言

光伏清潔能源并網(wǎng)發(fā)電已逐步規(guī)模化和并網(wǎng)化，大規(guī)模的集中于分布式光伏電源并網(wǎng)對電網(wǎng)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性及穩(wěn)定運行都會產(chǎn)生重要的影響。

光伏發(fā)電的特點是隨機(jī)性較強(qiáng)，分布式光伏電源發(fā)電可靠性模型的構(gòu)建可用于并網(wǎng)后對系統(tǒng)供電可靠性影響的評估。針對含分布式光伏電源的電網(wǎng)進(jìn)行了算例模型仿真，由于光伏發(fā)電具有不可控性，且發(fā)電量與用電負(fù)荷無法精準(zhǔn)預(yù)測，需通過概率抽樣法對其進(jìn)行預(yù)測，同時分析時變電源對時變負(fù)荷供電時的供電可靠性，由此形成可靠性計算的重要指導(dǎo)指標(biāo)，分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)可靠性研究對電網(wǎng)安全生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)運行具有重要意義。因此，此項研究是必要的。

1 光伏電源功率模型

1.1 光伏陣列等效模型

電池單元是光電轉(zhuǎn)換的最小單元,被封裝為光伏電池組件。光伏電池組件通過串、并聯(lián)后形成光伏電池陣列，進(jìn)而構(gòu)成光伏電站[1]。單個光伏電池的等效電路如圖1所示。

單個光伏電池的輸出電流關(guān)系如式(1)所示。

式(1)中，IPV為光伏電流；Id為表示光伏電池反向飽和暗電流；Ir為泄漏電流。

圖1 光伏電池等效電路

1.2 光伏陣列輸出功率

光伏組件的輸出按功率計量，光伏電池方陣的輸出功率與其接受的太陽輻射能成正比，可以得出光伏陣列在t時刻總的輸出功率如式(2)所示。

式中，N為正常工作的光伏組件數(shù)；I為光伏電池組件傾斜面上的總太陽能輻射強(qiáng)度；A為單個電池組件的面積；η為電池組件的額定轉(zhuǎn)換效率。

2 可靠性評估指標(biāo)

2.1 負(fù)荷點計算指標(biāo)

負(fù)荷點的可靠性計算指標(biāo)是指在規(guī)定時間內(nèi)計算系統(tǒng)每一個負(fù)荷點的可靠程度，指標(biāo)計算式如下：

1）負(fù)荷點故障率：

2）負(fù)荷點平均停電持續(xù)時間：

3）負(fù)荷點平均年停電時間：

式中，∑Tdi為第i個負(fù)荷點所有停電時間的總和；∑Tui為第i個負(fù)荷點所有工作時間總和；Ni為系統(tǒng)時間內(nèi)的模擬故障次數(shù)。

2.2 系統(tǒng)計算指標(biāo)

系統(tǒng)可靠性計算指標(biāo)是指系統(tǒng)整體可靠程度，由負(fù)荷點可靠性指標(biāo)求得。主要計算公式如下：

1）系統(tǒng)平均停電頻率計算指標(biāo)：

2）系統(tǒng)平均停電持續(xù)時間計算指標(biāo)：

3）用戶平均停電持續(xù)時間計算指標(biāo)：

4）平均供電可用度計算指標(biāo)：

5）系統(tǒng)總電量不足計算指標(biāo)：

6）系統(tǒng)平均電量不足計算指標(biāo)：

以上式(6)～式(11)中，Mi為負(fù)荷點i的用戶數(shù)；λi為負(fù)荷點i的故障率；Ui為負(fù)荷點i的年停電時間；T為年小時數(shù)8760h。

3 可靠性分析

3.1 算例仿真模型

分布式光伏電源并網(wǎng)仿真算例如圖2所示，采用放輻射式供電，由于網(wǎng)絡(luò)含分布式光伏電源，所以系統(tǒng)用戶由雙電源供電，假設(shè)變電站出線斷路器能夠可靠動作，隔離開關(guān)均為常閉，LPa、LPb、LPc三個負(fù)荷點由干線種的的分支線供電。光伏電源并入電網(wǎng)下游末端節(jié)點C處，且假設(shè)某一段饋線故障時，其兩側(cè)斷路器均能立即動作，即不考慮光伏電源對故障電流和系統(tǒng)保護(hù)的影響（PV不需在故障發(fā)生時從系統(tǒng)中暫時斷開）。

圖2 分布式光伏電源的電網(wǎng)算例接線圖

圖2中算例為10kV電網(wǎng)架空線路，其中主干線長6 km，分支線長6km,在線路上共接有175個用戶，集中在LPa、LPb、LPc三處。系統(tǒng)中PV的額定容量為2MW。

3.2 蒙特卡羅仿真

蒙特卡羅模擬方法（簡稱MC方法）是一種隨機(jī)模擬方法，通過使用隨機(jī)數(shù)對元件故障動作進(jìn)行隨機(jī)抽樣，采用概率統(tǒng)計計算，構(gòu)建可靠性計算指標(biāo)[2]。MC方法可實現(xiàn)統(tǒng)計模擬或抽樣，獲得問題的近似解，能夠適用電力系統(tǒng)可靠性的計算仿真研究。

MC法的主要思想是：對于元件或系統(tǒng)建立隨機(jī)事件和概率模型，通過抽樣實驗，計算參數(shù)的統(tǒng)計特性，得出問題的近似解。

根據(jù)大數(shù)定理，當(dāng)N足夠大時有式(13)：

可得式(14)：

根據(jù)分布式光伏電源隨機(jī)性、波動性以及并網(wǎng)輸出功率不斷變化的特性，運用MC法可計算得出系統(tǒng)與節(jié)點的停電頻率和停電持續(xù)時間指標(biāo)，并且能夠較好地分析光伏并網(wǎng)后系統(tǒng)的可靠性[3]。

設(shè)定圖2所示系統(tǒng)中各個元件參數(shù)如表1所示，算例仿真流程如圖3所示。

表1 系統(tǒng)元件相關(guān)參數(shù)

在該算例中利用MATLAB編程語言，設(shè)定系統(tǒng)模擬年數(shù)為50000，調(diào)用庫函數(shù)產(chǎn)生滿足均勻分布的隨機(jī)數(shù)，將隨機(jī)變量分別轉(zhuǎn)換為故障率與修復(fù)時間，對各線路進(jìn)行抽樣模擬，最后統(tǒng)計各負(fù)荷點的可靠性指標(biāo)，每個負(fù)荷點每次模擬產(chǎn)生的可靠性指標(biāo)可用于評估SAIFI和SAIDI等各項系統(tǒng)指標(biāo)。

3.3 算例分析

運用MC方法對系統(tǒng)模型進(jìn)行模擬，針對分布式光伏電源接入電網(wǎng)前后對系統(tǒng)可靠性水平的影響，根據(jù)圖2設(shè)計兩種計算方案：

1）放射狀電網(wǎng)，無分布式光伏電源接入電網(wǎng)，分支線加熔斷器，線路分段，自動隔離故障。

圖3 蒙特卡羅方法算例流程圖

2）分布式光伏電源接入電網(wǎng)，分支線加熔斷器，線路分段，自動隔離故障。

在兩種方案下對負(fù)荷點可靠性指標(biāo)的計算結(jié)果如表2所示。

表2 分布式電源并網(wǎng)前后負(fù)荷點可靠性指標(biāo)分析比較

由表1光伏電源并網(wǎng)前后負(fù)荷點可靠性指標(biāo)計算結(jié)果可知，并網(wǎng)前后，負(fù)荷點的平均停電時間與故障率均相應(yīng)的減小，且并網(wǎng)點上游的每個負(fù)荷點可靠性指標(biāo)改善成效與并網(wǎng)點間距離成反比，其中，指標(biāo)計算改善程度較大的是并網(wǎng)點相同線路上的其他負(fù)荷點。負(fù)荷點可靠性水平能有較大提升[4]。

通過計算分布式光伏電源接入電網(wǎng)前后的負(fù)荷點可靠性指標(biāo)，負(fù)荷點的故障率和年平均停電時間相應(yīng)的減小，且光伏電源上游的各個負(fù)荷點的可靠性指標(biāo)改善程度隨著它與光伏電源接入點間距離的增大而減小，其中獲得改善程度最大的是與光伏電源所接線路段相同的負(fù)荷點，使其負(fù)荷點可靠性指標(biāo)獲得了較大的改善，從而提高了負(fù)荷點的可靠性水平。

對分布式光伏電源并網(wǎng)電網(wǎng)前后各線路模擬的故障次數(shù)與故障率進(jìn)行了比較分析。比較結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 各線路模擬故障次數(shù)比較

圖5 各線路模擬故障率比較

由圖4、圖5模擬結(jié)果可知，當(dāng)分布式光伏電源并網(wǎng)后，電網(wǎng)對各負(fù)荷點用戶供電將會使系統(tǒng)線路故障次數(shù)與故障率均得到較大降低與改善，各負(fù)荷點的故障時間也會大大縮短。

如表3所示，光伏電源并網(wǎng)前后的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)分析對比。

表3 分布式電源并網(wǎng)前后系統(tǒng)可靠性指標(biāo)分析比較

由上述仿真結(jié)果可得，SAIFI、SAIDI、CAIDI指標(biāo)會隨負(fù)荷用戶的停電次數(shù)與用戶停電持續(xù)時間的減小而減小；由于故障率與停電次數(shù)的減小，系統(tǒng)可靠供電的時間必然增長，因此，ASAI指標(biāo)計算結(jié)果會相應(yīng)提升；系統(tǒng)可靠供電時間的增長使得供電電量增大，則系統(tǒng)總的電量不足指標(biāo)ENS會相應(yīng)的減小，AENS指標(biāo)也會相應(yīng)的減小，系統(tǒng)可靠性指標(biāo)得到了較大的改善。因此，因此，相比于無分布式光伏電源接入的電網(wǎng)，系統(tǒng)的可靠性水平有了較大的提高。

4 結(jié)語

在對分布式光伏電源并網(wǎng)后的可靠性指標(biāo)計算、評估以及綜合分析的基礎(chǔ)上，可以得到以下結(jié)論：電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性水平在接入光伏電源后有了較大的改善。在電網(wǎng)線路參數(shù)設(shè)置和保護(hù)不變的情況下，光伏電源并網(wǎng)降低了負(fù)荷點處的故障率和平均停電時間，延長了系統(tǒng)對負(fù)荷點處用戶的可靠供電時間，負(fù)荷點處的可靠性指標(biāo)與系統(tǒng)可靠性指標(biāo)均得到不同程度的改善，從而提高了電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性水平。