劉濤，富鵬浩，高陽，張柳

(1.吉林省地方水電有限公司，吉林 長春 130000;2.華北電力大學，北京 102206;3.沈陽工程學院，遼寧 沈陽 110136)

1 引言

隨著風力發(fā)電技術的發(fā)展，尤其是隨著風電在世界各地開發(fā)力度的加大，風電場的規(guī)模和單機容量越來越大，風電場接入電網技術、風電場對整個電網運行的影響也日益突出，由于風電場大多建設在電網的末梢，網絡結構相對薄弱的地方，風電場并網運行必然會給電網的安全穩(wěn)定運行帶來相應的影響。因此對含風力發(fā)電的配電系統(tǒng)進行安全性評估就顯的非常重要。

2 風電機組的建模

目前風電機組的運行方式主要有兩類:一類是獨立運行供電系統(tǒng)，即在電網沒有能通達的偏遠地區(qū)，使用風電機組和小型的蓄電池組為當地提供電能;另一類是作為常規(guī)電網的電源與電網并列運行。建模方法主要有以下兩種。

2.1 將風電機組作為變電站考慮

這種模型將分布式電源作為普通的配網變電站進行考慮，在這種模型下分布式電源的功率輸出不受本身發(fā)電設備的限制。其分析方法與傳統(tǒng)的配電網相同，只不過相當于在配網系統(tǒng)中多接入幾個發(fā)電容量較大的機組，由于風電機組的容量沒有限制，因此不必進行孤島的劃分，當某段饋線發(fā)生故障時，通過斷路器跳閘將故障段隔離，而在系統(tǒng)中原來與風電機組相連的部分可由風電機組繼續(xù)供電。這種模型對配網可靠性的提高很大，但由于與實際使用的風電機組的發(fā)電狀況差別很大，實際應用價值不大。

2.2 將風電機組作為隨機電源考慮

這種模型將風電機組等效為一個有多個運行狀態(tài)的發(fā)電機，即除了額定功率輸出外，還有多個非額定運行狀態(tài)。由于風電機組受到各類隨機因素的影響較大，輸出功率的波動性也較大。這種模型需要考慮其形成孤島的概率問題，一般由歷史負荷和風電機組的功率輸出數據統(tǒng)計得到。此種模型比較符合風電機組的實際情況。因此本文將風電機組采用這種模型進行研究。

3 風力并網配電系統(tǒng)安全性評估指標的建立

安全性評估最終是要建立可以表征系統(tǒng)風險水平的指標，通過風險指標可以比較不同系統(tǒng)的風險程度。因此，完整的安全性評估指標不只是概率，而應當是概率和后果的綜合結果。本文提出的安全性評估指標即是從系統(tǒng)故障概率和故障后果的評估兩個方面對風力并網配電系統(tǒng)進行安全性評估，其基本流程如圖1所示。

圖1 安全性評估的流程圖

3.1 系統(tǒng)事故后果嚴重度指標

3.1.1 事故后能量損失率

系統(tǒng)事故的后果嚴重程度可以通過一系列量化指標來加以描述，在系統(tǒng)事故發(fā)生后通過對系統(tǒng)損失掉的瞬時能量(即:損失掉的用戶功率)來對其后果進行定量分析。

由此，定義具有時間特性的事故后能量損失率指標ELR:

式中:λk為系統(tǒng)中第k條支路的故障率;Lk為系統(tǒng)第k條支路的長度;Ti為第i個損失用戶的停電持續(xù)時間;NS為系統(tǒng)中支路數;SS為系統(tǒng)負荷容量;SL為事故后損失的負荷容量;Si第i個損失用戶的容量;Sj為系統(tǒng)第j個用戶的容;φSC為系統(tǒng)用戶集合;φLC為事故后損失的用戶集合。

從式(1)可以看到，ELR的分子和分母都具有能量的表達式，分子表述出系統(tǒng)在評價周期內發(fā)生故障所造成的損失掉的能量，而分母是系統(tǒng)在評價周期內所需要的總能量，它們兩個比值正好能從能量的角度來體現出該系統(tǒng)在發(fā)生故障后對系統(tǒng)造成的能量損失百分比，也恰恰體現了后果嚴重度的一個方面。

3.1.2 事故后用戶損失率

事故后果的嚴重程度并不能簡單的用能量損失率來描述，對于用戶而言，用戶數量、故障率等等多少也能從另外一個側面反映事故后果的嚴重程度。為此按照能量損失率的定義邏輯，定義了事故后用戶損失率CLR:

從式(2)可以看出，在指標中不僅含有用戶數量和等級的信息，而且將用戶發(fā)生的故障概率和評價周期也考慮其中，能正確反映出受故障影響到的停電用戶在系統(tǒng)總用戶中所占到的比例，能夠從損失用戶數量的方面了解到系統(tǒng)故障對系統(tǒng)造成的后果嚴重程度。

3.1.3 系統(tǒng)事故后果嚴重度指標

分別對式(1)和(2)進行化簡，可以得到:

為反映評價側重點的不同定義了能量損失率和用戶損失率的權重系數，分別為ρ1和ρ2(ρ1+ρ2=1)，之后將偶然事故后能量損失率ELR和CLR用戶損失率加權求和，同時，在不同的系統(tǒng)中，可以根據對系統(tǒng)故障后對能量損失和用戶損失的側重程度對權重系數做調整，在這里定義兩者同時取0.5，即得到了系統(tǒng)事故后果嚴重度指標A'SD:

3.2 風力并網對配電系統(tǒng)安全性指標的影響

在配電系統(tǒng)含有風力發(fā)電機組時，如果系統(tǒng)發(fā)生故障，系統(tǒng)中的部分用戶可以由風力發(fā)電機組單獨供電，形成孤島，保證這些用戶的持續(xù)供電。因此，風力發(fā)電的加入會對系統(tǒng)故障后果的安全性有很大大的改善，為了衡量分布式電源對系統(tǒng)安全性的影響，我們就必須要對以上建立的嚴重度指標加以修改，使其含有風力發(fā)電的帶來的影響量。由于風力發(fā)電本身功率輸出的波動性，這里就必須對在系統(tǒng)發(fā)生故障時，孤島的形成情況進行分析。

對于一個固定的系統(tǒng)，可以分析系統(tǒng)中風力發(fā)電機組的供電范圍內的負荷波動情況與風力發(fā)電機組本身的發(fā)電功率曲線就能分析出，在系統(tǒng)發(fā)生故障時，孤島能否形成的概率，根據歷史數據或者預測數據，如果風力發(fā)電機組可以發(fā)出的功率大于其供電范圍內的負荷功率則孤島在系統(tǒng)發(fā)生故障時可以形成，此時孤島內的用戶不受故障支路影響由風力發(fā)電機組繼續(xù)供電，當故障支路修復完成后在接入主網中繼續(xù)由主電源和風力發(fā)電機組同時供電。反之，則不能形成孤島供電系統(tǒng)，當故障發(fā)生時由于風力發(fā)電機組的發(fā)電量小于供電范圍內的負荷要求，因此該范圍內的用戶與其他用戶一樣停電，此處的用戶風險水平是沒有變化的。

設在系統(tǒng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)中孤島形成的概率為PG，則可以對上述公式進行修正，使其含有風力發(fā)電機組的影響，得到以下指標。

(1)修正后的故障后能量損失率:

(2)修正后的故障后能量損失率:

其中，φUGC為系統(tǒng)中不受風力發(fā)電機組影響的用戶集合;φGC為系統(tǒng)中受風力發(fā)電機組影響的用戶集合，即形成孤島時屬于風力發(fā)電機組供電范圍內的用戶。

總后由式(8)和(9)得到含有分布式電源的系統(tǒng)嚴重度指標ASD:

改進后的ASD系統(tǒng)嚴重度指標，包含了風力發(fā)電機組在系統(tǒng)發(fā)生故障時對系統(tǒng)能量損失和用戶損失的影響，能夠準確的映出含有風力發(fā)電的系統(tǒng)在發(fā)生故障時，對系統(tǒng)造成的不利后果的程度。

3.3 風力并網配電系統(tǒng)安全性指標

安全性評估是系統(tǒng)發(fā)生故障的概率與故障后嚴重程度的乘積，所以可以建立系統(tǒng)安全性評估指標為:

其中，SU為系統(tǒng)不可用率指標，在這里反映系統(tǒng)發(fā)生故障的概率;ASD故障后果嚴重度指標，在這里反映系統(tǒng)故障后果的嚴重程度。將SU和ASD綜合起來，得到評價風力并網配電系統(tǒng)安全性的指標。這個指標不僅能說明風力并網配電系統(tǒng)的概率，而且能描述出風力并網配電系統(tǒng)發(fā)生故障后對系統(tǒng)造成的不利影響有多大，對風力并網配電系統(tǒng)的規(guī)劃和網絡評估都有一定的指導意義。

4 風力并網配電系統(tǒng)安全性指標的實際算例分析

選取吉林市豐滿區(qū)江南變電所中所帶負荷比較復雜的4條10kV的主干線，四水線、塑料線、恒山線、軸配線為例，進行分析。圖2是其簡化拓撲結構圖，其中每個節(jié)點上都帶有相應的負荷。

圖2 簡化后的4條主饋線拓撲圖

以下各表是在可靠性計算中需要的部分參數。

表1 系統(tǒng)中支路屬性

表2 4饋線系統(tǒng)的已知參數

4.1 原系統(tǒng)不含有風力發(fā)電機組的情況

通過以上參數，同樣可以建立系統(tǒng)的故障模式后果分析表，之后利用公式求得不含風力發(fā)電機組的系統(tǒng)各項指標，如表3、表4所示。

表3 可靠性指標計算結果

表4 嚴重度指標計算結果

最后得到不含風力發(fā)電機組的系統(tǒng)風險指標為:

4.2 系統(tǒng)模擬加裝風力發(fā)電機組后的情況

在原系統(tǒng)中，選擇第7和第12節(jié)點，也就是恒山線的聯大分支路首端節(jié)點和軸配線市政分支路首端節(jié)點模擬加裝風力發(fā)電機組作為電源，從ETAP潮流分析來看，原系統(tǒng)的節(jié)點電壓得到很好的改善，尤其是末端節(jié)點。

圖3 模擬增加風力發(fā)電機組后的4條主饋線拓撲圖

表5 可靠性指標計算結果

表6 嚴重度指標計算結果

在對含有風力發(fā)電機組的網絡進行能量損失率和用戶損失率進行求解時，需要得到在系統(tǒng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)中孤島形成的概率為PG，這一數據可以根據負荷預測數據和風力發(fā)電機組發(fā)電功率預測數據得到，在此PG取0.9來進行計算。

最后得到含風力發(fā)電機組的系統(tǒng)風險指標為:

從潮流分析來看，對系統(tǒng)的各節(jié)點電壓尤其是末端節(jié)點有一定程度的改善效果，而以上風力并網配電系統(tǒng)安全性指標的計算，很好的反映出了這一點。因此該套風力并網配電系統(tǒng)安全性指標具有實用價值。

5 結論

本文主要研究了風力并網配電系統(tǒng)安全性評估的方法，提出了一系列風力并網配電系統(tǒng)安全性指標，最后以吉林市的部分實際配電網絡為算例進行了安全性指標的計算。通過對網絡進行潮流分析，發(fā)現在其電壓較低的部分模擬加裝風力發(fā)電機組，對其網絡電壓等等都有較大改善作用。而該套風力并網配電系統(tǒng)安全性指標的計算值也反映出這一點，因此可以明顯地看出該套風力并網配電系統(tǒng)安全性指標在反映配電系統(tǒng)的供電安全性方面是可行的，具有的實用價值。

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