含儲(chǔ)能光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行可靠性評(píng)價(jià)仿真

朱東垣，孫一飛，田有文

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110866)

1 引言

現(xiàn)階段，隨著各類輕重工業(yè)及化工產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，環(huán)境污染問(wèn)題變得越來(lái)越嚴(yán)峻，各類能源及環(huán)保問(wèn)題備受關(guān)注。利用風(fēng)能、太陽(yáng)能等自然能源進(jìn)行發(fā)電是目前節(jié)能環(huán)保的主要措施之一，儲(chǔ)能類的光伏發(fā)電站作為實(shí)施的重要設(shè)備，對(duì)其并網(wǎng)運(yùn)行可靠性分析也成為光伏發(fā)電領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)。如果并網(wǎng)發(fā)電中的電壓、頻率以及相位保持不一致，出現(xiàn)了偏差，就會(huì)導(dǎo)致發(fā)電終止，因此，對(duì)這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算、明確其相互聯(lián)系的可靠性，才能保證電能可以源源不斷地輸送，確保電站運(yùn)作穩(wěn)定及安全。

本文通過(guò)分析含儲(chǔ)能光伏電站在并網(wǎng)時(shí)狀態(tài)、直交電流以及母線電壓等各項(xiàng)指標(biāo)的運(yùn)行特點(diǎn)，計(jì)算在缺電和電容量不足期間電站隨頻率、電壓而變化的停運(yùn)概率。隨后推導(dǎo)計(jì)算在停運(yùn)概率最高和最低時(shí)，電站發(fā)電頻率和電壓的上下限值，通過(guò)該值準(zhǔn)確判定在各狀態(tài)期間下電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。實(shí)驗(yàn)證明，所提可靠性分析算法，可在最大程度上減少電站設(shè)備損耗、增強(qiáng)穩(wěn)定性和使用壽命，并對(duì)電力數(shù)據(jù)具有較高的敏感性，整體分析過(guò)程直觀簡(jiǎn)單，參數(shù)清晰準(zhǔn)確，對(duì)電力產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有一定的參考意義。

2 含儲(chǔ)能光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行特性分析

一般情況下，含儲(chǔ)能光伏發(fā)電站在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，都需要進(jìn)行電流交互[1]，即讓電站中的直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能。計(jì)算交互時(shí)所產(chǎn)生的電流、電壓、電容量[2]以及輸出頻率[3]等參數(shù)，是后續(xù)對(duì)并網(wǎng)停運(yùn)可靠性分析的前提和基礎(chǔ)，可提高分析的準(zhǔn)確性，減少關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算誤差，直交電流轉(zhuǎn)換矩陣為

(1)

(2)

式中，Ude表示并網(wǎng)電站中直流電路的母線電壓，也是整體總線的電壓[5]。從式(1)和式(2)可以得出，光伏電站并網(wǎng)直交電流的輸出電壓，是由電站母線電壓和實(shí)時(shí)狀態(tài)電壓共同決定的。所以，在進(jìn)行可靠性分析時(shí)，需要考慮電站并網(wǎng)時(shí)的運(yùn)行電壓，適當(dāng)結(jié)合并網(wǎng)輸出的頻率和負(fù)荷量，這樣才能實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一化分析。同時(shí)光伏電站在并網(wǎng)過(guò)程中，由于外界不可抗力因素的影響，會(huì)出現(xiàn)各種電流諧波及噪聲，干擾電壓、頻率以及運(yùn)行狀態(tài)矢量的判定。此時(shí)，就需要保證參數(shù)協(xié)調(diào)配合性，才能提高并網(wǎng)可靠性分析的效率。

3 可靠性評(píng)估指標(biāo)

含儲(chǔ)能光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行可靠性評(píng)估指標(biāo)的作用，主要就是用于反映電站在不同情況下，電力運(yùn)行及供應(yīng)的情況。所以，本文將以電站在斷電期間、電容量不足期間頻率、電壓以及承載負(fù)荷的變化作為評(píng)估指標(biāo)，計(jì)算電站停運(yùn)的概率[6]，以此準(zhǔn)確判定含儲(chǔ)能光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。評(píng)估指標(biāo)的具體設(shè)置步驟如下：

1)斷電期間的頻率、電壓評(píng)估指標(biāo)。初始定義為電站在斷電期間，頻率和電壓是否能滿足既定的負(fù)荷要求，計(jì)算負(fù)荷所需的小時(shí)和天數(shù)期望值[7]，具體表達(dá)公式為

(3)

式中，LOLE表示電站在斷電期間的指標(biāo)期望值；Pi表示當(dāng)電站處于i狀態(tài)時(shí)的頻率不足概率；Ui表示當(dāng)電站處于i狀態(tài)時(shí)的電壓不足概率；i∈S*表示在給定時(shí)間內(nèi)，電站能不能滿足負(fù)荷需求的狀態(tài)數(shù)據(jù)集。

2)電容量不足期間的頻率、電壓以及承載負(fù)荷評(píng)估指標(biāo)。定義電站在該期間內(nèi)會(huì)發(fā)生電容量不足現(xiàn)象，在此基礎(chǔ)上，頻率和電壓可能損失的期望值，表達(dá)公式為

(4)

式中，LOLE表示電站在電容量不足期間的指標(biāo)期望值；i∈kW·h/a表示時(shí)間和運(yùn)行負(fù)荷的乘積；Ci表示當(dāng)電站處于i狀態(tài)時(shí)的總體負(fù)荷損失。

3)將上述過(guò)程建立的可靠性評(píng)估指標(biāo)集進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，根據(jù)各指標(biāo)的量化分量[8]，對(duì)分布較為混亂、數(shù)據(jù)異構(gòu)特性等不同類型的指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，減少可靠性分析的誤差性。首先，建立分析數(shù)據(jù)與指標(biāo)一一對(duì)應(yīng)的分布函數(shù)，在函數(shù)中提取符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，不符合高斯正態(tài)分布的數(shù)據(jù)變化，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)化公式擬合轉(zhuǎn)化，公式為

(5)

4 基于頻率、電壓的光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行停運(yùn)概率計(jì)算

根據(jù)上述建立的電站在斷電期間、電容量不足期間頻率、電壓以及承載負(fù)荷變化的評(píng)估指標(biāo)集，作為可靠性分析基礎(chǔ)，計(jì)算電站并網(wǎng)運(yùn)行停運(yùn)的概率，實(shí)現(xiàn)可靠性分析的準(zhǔn)確判定。

當(dāng)光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，頻率和電壓都會(huì)發(fā)生大幅度的變化，升高或降低至一個(gè)額定的保護(hù)值。此時(shí)電站的自動(dòng)保護(hù)裝置[9]就會(huì)啟動(dòng)，對(duì)電路進(jìn)行低壓、高壓、高周以及低周[10，11]的保護(hù)操作，減少電站損耗。在進(jìn)行停運(yùn)概率計(jì)算時(shí)，需要將這些因素都考慮在內(nèi)，才能保證可靠性分析的準(zhǔn)確性，具體操作步驟如下：

(6)

2)當(dāng)電站發(fā)電機(jī)因并網(wǎng)，導(dǎo)致頻率過(guò)高超越極限值時(shí)，此時(shí)發(fā)電機(jī)的停運(yùn)概率F(FG)為1，表達(dá)式如下

(7)

式中，F(xiàn)G，max表示停運(yùn)概率的最大值；FG，min表示停運(yùn)概率的最小值。

3)當(dāng)電網(wǎng)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行頻率處于正常值和極限值范圍內(nèi)時(shí)，此時(shí)電站停運(yùn)的頻率就會(huì)逐漸趨于極限值，運(yùn)用直線擬合法對(duì)此概率F(FG)進(jìn)行計(jì)算，具體表達(dá)公式為

(8)

根據(jù)以上假設(shè)算法，可得出含儲(chǔ)能光伏電站并網(wǎng)停運(yùn)概率隨頻率變化曲線，如下圖1所示。

圖1 電站停運(yùn)概率隨頻率變化曲線

通過(guò)上述過(guò)程原理推導(dǎo)計(jì)算停運(yùn)概率F(F/UG)隨電壓UG的變化，具體表達(dá)公式如下所示

(9)

(10)

(11)

圖2 電站停運(yùn)概率隨電壓變化曲線

5 仿真研究

5.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本文將以某光伏發(fā)電站并網(wǎng)系統(tǒng)作為主要的仿真環(huán)境，其中，并網(wǎng)系統(tǒng)中共包含5臺(tái)儲(chǔ)能電機(jī)、5臺(tái)光伏發(fā)電機(jī)、37個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、10條母線電路和5條總線電路，并且該系統(tǒng)已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行15年，具體布局如圖3所示。

圖3 光伏發(fā)電站并網(wǎng)系統(tǒng)示意圖

本次實(shí)驗(yàn)一共給出三種測(cè)試情況：一是儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)組在進(jìn)行并網(wǎng)時(shí)，停運(yùn)概率的變化情況；二是光伏發(fā)電機(jī)組在進(jìn)行并網(wǎng)時(shí)，停運(yùn)概率的變化情況；三是發(fā)電站在出現(xiàn)電路故障時(shí)，供電可用率的變化情況。其中，停運(yùn)概率可作為可靠性分析的一個(gè)量化數(shù)值，其數(shù)值越高，表示電站驟停、運(yùn)作中斷幾率越大，并網(wǎng)運(yùn)行可靠性越低；反之停運(yùn)概率越低，就表示電站驟停、運(yùn)作中斷幾率越小，并網(wǎng)運(yùn)行可靠性越高。供電可用率作為電站運(yùn)行的基本指標(biāo)，其數(shù)值越高表示電站可利用能源量越高，可靠性越強(qiáng)；反之則越差。第三種情況的電路故障參數(shù)如下表1所示。

表1 含儲(chǔ)能光伏電站模擬電路故障參數(shù)

5.2 并網(wǎng)停運(yùn)概率計(jì)算結(jié)果分析

下圖4和圖5為發(fā)電站隨頻率和電壓變化下的停運(yùn)概率分析結(jié)果。

圖4 儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)時(shí)停運(yùn)概率分析結(jié)果

圖5 光伏發(fā)電組并網(wǎng)時(shí)停運(yùn)概率分析結(jié)果

從圖4中可以看出，隨著電站負(fù)荷量的不斷上升，儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)組的停運(yùn)概率也在不斷升高，說(shuō)明該光伏發(fā)電站的承載能力不強(qiáng)、強(qiáng)負(fù)荷能力較差、可靠性不強(qiáng)。判定其在近幾年內(nèi)可能會(huì)發(fā)生故障導(dǎo)致設(shè)備停運(yùn)，需及時(shí)進(jìn)行報(bào)修維護(hù)處理。將本文分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)相比，符合電站已連續(xù)運(yùn)行15年的前提條件，整體電路老化嚴(yán)重，故障發(fā)生率較高。這說(shuō)明本文的分析算法準(zhǔn)確率較高，與實(shí)際情況相匹配。

從圖5中可以看出，光伏發(fā)電組的停運(yùn)情況與儲(chǔ)能發(fā)電較為相似，都是隨著承載負(fù)荷的不斷增加停運(yùn)概率越來(lái)越高。但是從圖中可以看出，在負(fù)荷量增長(zhǎng)到80時(shí)，停運(yùn)概率變化幅度降低，逐漸趨于一個(gè)穩(wěn)定值。這是因?yàn)?，光伏發(fā)電組屬于發(fā)電站中的最為重要的電力設(shè)備，主要將采集的光源轉(zhuǎn)換為電能在進(jìn)行輸送。所以為了保證電力系統(tǒng)的安全，此類電機(jī)一般會(huì)設(shè)立自動(dòng)停機(jī)保護(hù)設(shè)備，一旦發(fā)現(xiàn)負(fù)荷量或電壓、電功率超過(guò)了既定值，就會(huì)自動(dòng)停機(jī)保證線路安全。

5.3 電網(wǎng)運(yùn)行可靠性分析

由于發(fā)電機(jī)出現(xiàn)電路故障時(shí)的可靠性比正常運(yùn)行狀態(tài)下要低，數(shù)值一般為0，一般方法難于準(zhǔn)確表述。所以本文將通過(guò)電路故障模擬，主動(dòng)控制故障程度，判定在各種程度下其內(nèi)部線路以及元件的供電可用率、運(yùn)行頻率以及電壓，分析整個(gè)線路運(yùn)行的可靠性，具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖6所示。

圖6 各故障狀態(tài)下可靠性指標(biāo)

從圖6中可以看出，當(dāng)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)電路故障時(shí)，發(fā)電站的電壓和運(yùn)行頻率均在可承受范圍之內(nèi)。這是因?yàn)殡娐酚幸欢ǖ倪\(yùn)行慣性和剩余能量，不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速停機(jī)。供電可用率的曲線在不斷下降，一旦電站的供電不足，就會(huì)借助剩余發(fā)電機(jī)供電出力，此時(shí)的整體負(fù)荷不斷上升停運(yùn)可能性較大，可靠性水平較低。該分析結(jié)果符合實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)情況，說(shuō)明本文可靠性分析算法正確率較高。

6 結(jié)論

本文針對(duì)含儲(chǔ)能光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行的狀態(tài)、電路電流及電壓進(jìn)行了具體分析，計(jì)算各參數(shù)的矢量表達(dá)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行統(tǒng)一化管理，剔除干擾數(shù)據(jù)、減少后續(xù)可靠性分析的誤差。建立電站的缺電和電容量不足期間頻率和電壓的評(píng)估指標(biāo)集，將評(píng)估集標(biāo)準(zhǔn)化處理，使其符合正態(tài)分布，提高分析的準(zhǔn)確性。

最后，通過(guò)計(jì)算電站在并網(wǎng)運(yùn)行的各期間內(nèi)停運(yùn)概率的變化，得出停運(yùn)概率高、電網(wǎng)運(yùn)行可靠性低的結(jié)果。在保證實(shí)時(shí)性和計(jì)量性的基礎(chǔ)上，具體分析影響電站可靠性的原因，是下一步的研究方向。