小水電智能微電網(wǎng)可靠性分析

邢智博，任家智，辛 鑫，王永垚，劉子源

（山西能源學(xué)院，山西 太原 030001）

近些年，環(huán)境污染、能源稀缺等問題日益嚴(yán)峻，如何充分利用清潔能源成為業(yè)內(nèi)人士研究的重點，智能微電網(wǎng)的出現(xiàn)，使能源利用率得到了大幅提高。作為由微電網(wǎng)、智能電網(wǎng)組合而成的全新電力系統(tǒng)，智能微電網(wǎng)可兼具孤島及并網(wǎng)模式，這也決定其可以對風(fēng)能和光伏等常見能源進行充分利用。若將其用于偏遠(yuǎn)地區(qū)，可以有效控制鋪設(shè)電纜的規(guī)模，降低項目投資費用；將其應(yīng)用于城鎮(zhèn)地區(qū)，則能夠通過減輕用電負(fù)荷的方式，提升大電網(wǎng)穩(wěn)定性。

1 研究背景

本文所研究微電網(wǎng)系統(tǒng)由小水電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及蓄電池等部分組成，系統(tǒng)作為獨立電網(wǎng)運行，不考慮與電網(wǎng)接入情況。在運行過程中，通常需要經(jīng)由上述構(gòu)件控制頻率電壓并提供無功/有功功率，這也決定了一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，便有較大概率造成負(fù)荷停電。目前，可能造成負(fù)荷停電的情形主要包括以下幾種：首先是分布式電源出現(xiàn)故障，故障發(fā)生后，通常需要花費數(shù)小時或是數(shù)天進行維修，方可恢復(fù)正常。其次是電源受故障影響而跳機，此時，需要工作人員重啟電源，重啟前，重要負(fù)荷始終處于停電狀態(tài)，自動重啟的用時通常為數(shù)秒，手動重啟的用時則會達到數(shù)小時。最后是由于電壓跌落或是其他電能質(zhì)量問題，致使設(shè)備調(diào)機。研究發(fā)現(xiàn)，開關(guān)動作、閃點以及故障均會造成電壓跌落，若分布式電源所接入負(fù)荷較多，則需要頻繁開關(guān)，供電可靠性也會受到影響[1]。

2 可靠性分析內(nèi)容

微電網(wǎng)的本質(zhì)是由負(fù)荷、分布能源和儲能裝置共同組成的發(fā)配電系統(tǒng)，智能電網(wǎng)則具有與供電網(wǎng)路相同的作用，即：以既有傳感器為依托，實時收集設(shè)備參數(shù)，向控制系統(tǒng)下達相應(yīng)指令，由此達到對電力系統(tǒng)進行科學(xué)管理的目的[2]。因此，對微電網(wǎng)可靠性進行分析勢在必行?？煽啃苑治鲋饕婕皟煞矫鎯?nèi)容，分別是安全性、充裕度，這兩方面內(nèi)容對微電網(wǎng)長期可靠供電有巨大影響，對常規(guī)配電系統(tǒng)進行分析能夠發(fā)現(xiàn)，雖然可以影響系統(tǒng)可靠性的因素較多，但充裕度所帶來影響明顯強于其他因素，任一元件出現(xiàn)故障，均會造成供電中斷，進而對用戶工作或是生活產(chǎn)生影響。對本文所討論的智能微電網(wǎng)而言，其所表現(xiàn)出的可靠性主要取決于互聯(lián)系統(tǒng)，要想使系統(tǒng)得到穩(wěn)定、可靠的運行，關(guān)鍵是要對動態(tài)問題進行深入分析，根據(jù)分布式電源的性能，評估系統(tǒng)可靠性。為保證分析所得出結(jié)論具有實際意義，在仿真分析中引入負(fù)荷數(shù)據(jù)、等效動態(tài)模型，基于此類方法，保證分析結(jié)果具有實際意義。

3 可靠性分析過程及結(jié)果

本文所討論微電網(wǎng)由小水電、光伏和儲能等部分組成，對其可靠性加以評估所考慮要素見圖1。

圖1 可靠性評估要素

本文主要分析微電網(wǎng)獨立運行情況，小水電系統(tǒng)在其中作用主要體現(xiàn)在兩個方面：一是為微電網(wǎng)持續(xù)供電；二是對儲能電站進行協(xié)調(diào)，使電力負(fù)荷和發(fā)電系統(tǒng)始終處于供需平衡的狀態(tài)[3]。

3.1 分析過程

3.1.1 建立模型

首先是小水電模型。實踐經(jīng)驗表明，導(dǎo)致小水電停運的原因有兩個，分別是機組存在故障、水位高度不滿足要求，基于以上兩個原因建立相應(yīng)模型。若將水輪機所搭載機組數(shù)量設(shè)定為n，將任一機組出現(xiàn)停運事故的概率設(shè)定為r，可以得到模型如下：

該模型中，k代表停運機組總數(shù)；Pk代表累計停運概率。在0～1 范圍內(nèi)隨機抽取多組數(shù)據(jù)，對比所抽取數(shù)據(jù)和累計停運概率，則能夠準(zhǔn)確掌握既有機組的狀態(tài)、可穩(wěn)定運行的機組數(shù)量，隨后，再以系統(tǒng)針對機組運行情況、小水電出力情況所提出要求為依據(jù)，參考狀態(tài)持續(xù)時長完成抽樣，便可以對小水電出力加以確定。

其次是裝置模型。評估光伏、儲能和風(fēng)電可靠性的模型首選兩態(tài)模型，其構(gòu)成見圖2：

圖2 兩態(tài)模型

圖2 中，μ代表修復(fù)轉(zhuǎn)移率；λ代表故障轉(zhuǎn)移率?；诿商乜_法，快速確定MTTF、MTTR取值[4]?？紤]到狀態(tài)持續(xù)時長對應(yīng)抽樣值具有指數(shù)分布特征，因此，可使用下列公式推算系統(tǒng)修復(fù)時長、無故障時長：

在上述公式中，MTTF代表無故障時長平均值；MTTR代表修復(fù)時長平均值；TTF代表無故障時長；TTR代表修復(fù)時長；U及U'均為隨機數(shù)，取值范圍是0～1。確定各項參數(shù)的取值后，便可以對強迫停運率進行計算，相關(guān)公式如下：

該公式中，F(xiàn)OR代表強迫停運率。

最后是可靠性模型。研究中，根據(jù)時序負(fù)荷情況建立了相應(yīng)的模型，簡單來說，就是在年負(fù)荷最大值確定的前提下，使用百分?jǐn)?shù)描述日負(fù)荷、周負(fù)荷的最大值。上述工作結(jié)束后，便可以得到系統(tǒng)負(fù)荷情況。

系統(tǒng)全年負(fù)荷峰值假定出現(xiàn)在51 周，如果將冬季作為一年的開端，冬季負(fù)荷明顯高于其他季節(jié)，如果將夏季作為一年的開端，則代表夏季負(fù)荷高于其他季節(jié)。要想快速、準(zhǔn)確地計算出負(fù)荷期望值，建立以下表達式，即：

在該表達式中，Plst(t)代表負(fù)荷期望值。Plmax代表年負(fù)荷最大值。Pweek(t)代表周負(fù)荷最大值與年負(fù)荷最大值之比。Pday(t)代表日負(fù)荷最大值與周負(fù)荷最大值之比。Phour(t)代表小時負(fù)荷最大值與日負(fù)荷最大值之比。

3.1.2 確定可靠性指標(biāo)

對電力系統(tǒng)而言，其可靠性指標(biāo)往往包括兩類，分別是概率指標(biāo)、確定性指標(biāo)，其中，確定指標(biāo)難以對系統(tǒng)狀態(tài)進行全方位的表現(xiàn)，概率指標(biāo)則不存在該問題[5]。

鑒于此，本文選擇以系統(tǒng)、負(fù)荷為切入點，圍繞可靠性指標(biāo)展開討論。

在正式展開研究之前，先將系統(tǒng)分成三層，第一層的評估對象是發(fā)電系統(tǒng)，可以簡單理解為對電源可靠性進行評估，第二層是發(fā)輸電系統(tǒng)，第三層是電力系統(tǒng)，本文研究的對象為微電網(wǎng)，因此，應(yīng)當(dāng)將重心放在發(fā)電系統(tǒng)上。在對多方面因素加以考慮后，最終確定LOEE、LOLE兩大指標(biāo)，二者的含義和計算公式如下：

上述公式中，LOEE代表電源發(fā)電量與負(fù)荷需求不符時微電網(wǎng)所期望的電量；ENSi代表各抽樣年中均無法達到負(fù)荷需求的實際電量。LOLE代表微電網(wǎng)對電源與負(fù)荷需求不符時間的期望；LLDi代表各抽樣年中存在電力不足問題的時長。隨后，便可以充分利用評估指標(biāo)、已建立模型，對微電網(wǎng)各部分狀態(tài)進行判斷，結(jié)合時序模擬分析所得到結(jié)果，確定微電網(wǎng)性能、既有負(fù)荷點是否可靠。

3.1.3 評估微電網(wǎng)可靠性

在研究中，依據(jù)蒙特卡羅法分析系統(tǒng)可靠性，以小時為單位，記錄系統(tǒng)電源運行參數(shù)、負(fù)荷變化情況。模擬總時長是365 天，時間的間隔是1h，具體流程如下：

第一步，以年為單位，獲取小水電、光伏以及負(fù)荷的相關(guān)數(shù)據(jù)，生成相應(yīng)的出力時序。

第二步，以既有模型為基礎(chǔ)，使用現(xiàn)有公式推算電源的狀態(tài)時序。

第三步，根據(jù)狀態(tài)時序、出力時序，對功率輸出時序加以確定。

第四步，對比負(fù)荷需求、電源出力情況，對LOEE、LOLE取值進行計算，參考相應(yīng)的經(jīng)濟指標(biāo)，得出最終結(jié)論。

3.2 分析結(jié)果

3.2.1 負(fù)荷峰值與可靠性的關(guān)系

本文所研究智能微電網(wǎng)搭載有相應(yīng)的發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)可靠性極易被負(fù)荷波動所影響。對負(fù)荷峰值、系統(tǒng)可靠性之間的關(guān)系進行分析，能夠準(zhǔn)確掌握系統(tǒng)所能承受負(fù)荷的最大值，便于工作人員以微電網(wǎng)所展示出狀態(tài)為依據(jù)，對后續(xù)運行方案及策略加以調(diào)整，使發(fā)電系統(tǒng)以及微電網(wǎng)始終處于穩(wěn)定、高效的運行狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，負(fù)荷峰值在60kW 以下時，各項可靠性指標(biāo)相對穩(wěn)定，這表示發(fā)電系統(tǒng)與負(fù)荷需求相符，負(fù)荷峰值超過60kW后，各項指標(biāo)均會發(fā)生明顯的變化，換言之，要想使系統(tǒng)得到穩(wěn)定且高效的運行，關(guān)鍵是要保證負(fù)荷值不超過60kW。

3.2.2 水庫容量與可靠性的關(guān)系

基于評估可靠性的模型模擬微電網(wǎng)所搭載電力系統(tǒng)，可以得到以下數(shù)據(jù)：

首先，每組水電機組的容量都是30MW。

其次，水庫原始水量能夠達到其容量的95%～97%。

最后，結(jié)合某地所提供統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，水體徑流量的平均值在0.32m3/s 左右，由此可見，水流量與水電機組所提出需求相符，這表示水流量可以維持水電機組穩(wěn)定運行。

隨后，圍繞水庫容積、系統(tǒng)可靠性之間的關(guān)系展開研究。通過模擬不同容積的水庫，判斷容積對可靠性指標(biāo)所產(chǎn)生的影響。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，在負(fù)荷確定、上游水量確定的前提下，水庫蓄水量會隨著容積的增大而增多，與此同時，LOEE、LOLE 的取值均會有所下降。水庫容 積增大到15 萬m3后，蓄水量差值將處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，LOEE、LOLE 的下降速度有所減慢，并逐漸趨于平緩，同時既有水資源的利用率也較以往有所提高。由此可見，對本項目而言，要想使系統(tǒng)具有良好的可靠性，關(guān)鍵是要將水庫容積控制在約15 萬m3。

4 結(jié)論

綜上，本文分別對儲能、小水電、風(fēng)電以及光伏模型進行了模型建立，根據(jù)電源所展示出運行狀態(tài)，圍繞峰值負(fù)荷、水庫容積與系統(tǒng)可靠性之間的關(guān)系展開了討論?，F(xiàn)將研究所得結(jié)論歸納如下：其一，峰值負(fù)荷與系統(tǒng)可靠性密切相關(guān)，要想使本系統(tǒng)得到穩(wěn)定運行，應(yīng)保證峰值負(fù)荷始終不超過60kW。其二，水庫容積同樣會對系統(tǒng)可靠性產(chǎn)生影響，酌情增大水庫容積，既能夠使系統(tǒng)更加可靠，又可以為項目所具有的經(jīng)濟價值提供保證，但要注意一點，若是水庫容積增大過多，將會對可靠性造成負(fù)面影響。