李 翔， 李華強(qiáng)

(四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都 610065)

分布式電源(distributed generation，DG)是指某些中小型發(fā)電裝置能夠靠近用戶側(cè)安裝，它既可獨(dú)立于公共電網(wǎng)，直接為少量用戶提供電能，也可將其接入配電網(wǎng)絡(luò)，與公共電網(wǎng)一起共同為用戶提供電能?，F(xiàn)今，隨著分布式發(fā)電技術(shù)的日趨成熟，分布式電源憑借其發(fā)電方式靈活、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)而越來越多地被接入配電網(wǎng)，對(duì)配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行產(chǎn)生了重大影響［1］。

在分布式電源的選擇中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于其具有可以分散設(shè)置，接近負(fù)載端而可以降低輸配電損失等特性而被廣泛應(yīng)用。但風(fēng)力發(fā)電受氣候尤其是風(fēng)速的影響較大，隨時(shí)都有切入或者切出的可能，從而導(dǎo)致在配電系統(tǒng)中加入風(fēng)力發(fā)電機(jī)可能對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來一些不安因素。目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于以WTG作為分布式電源的配電網(wǎng)的可靠性評(píng)估進(jìn)行了一定的研究。文獻(xiàn)［2］量化分析了各種參數(shù)下WTG的數(shù)量和風(fēng)電場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)可靠性增益的影響。文獻(xiàn)［3］建立了以風(fēng)電場(chǎng)作為分布式電源的概率模型，能夠計(jì)算系統(tǒng)可靠性的SAIDI指標(biāo)，但在計(jì)算負(fù)荷點(diǎn)的可靠性方面仍有欠缺。文獻(xiàn)［4］深入討論了分布式電源在配電網(wǎng)中的接入位置和注入容量限制問題。文獻(xiàn)［5］采用區(qū)間算法計(jì)算了分布式電源接入后的配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)。文獻(xiàn)［6、7］提出了幾種接入WTG后對(duì)配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估的方法，但未考慮風(fēng)速對(duì)WTG輸出的影響。而文獻(xiàn)［8～11］則采用了蒙特卡羅法(Monte Carlo)模擬了天氣因素對(duì)配電網(wǎng)可靠性的影響。

筆者通過比較各種分布式電源的特點(diǎn)及優(yōu)劣，重點(diǎn)分析了WTG作為DG加入配電系統(tǒng)的情況，并對(duì)氣候因素對(duì)配電系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的影響進(jìn)行了說明，希望電網(wǎng)規(guī)劃人員在選擇最優(yōu)方案時(shí)能夠考慮由上述因素帶來的影響。

1 配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)

文獻(xiàn)［12］指出了配電系統(tǒng)最基本的可靠性指標(biāo)有3個(gè):負(fù)荷點(diǎn)平均故障率λ、平均停電時(shí)間tr以及年平均停電時(shí)間tu。系統(tǒng)可靠性常規(guī)計(jì)算指標(biāo)如系統(tǒng)平均停電頻率(system average interruption frequency indices，SAIFI)、系統(tǒng)平均停電持續(xù)時(shí)間(system average interruption duration indices，SAIDI)、用戶平均停電持續(xù)時(shí)間(costumer average interruption duration indices，CAIDI)和平均供電可用率指標(biāo)(average service availability indices，ASAI)可以由上述3種可靠性指標(biāo)計(jì)算得到?？煽啃猿杀?效益指標(biāo)，如期望缺電量(expected energy not supply)、期望停電成本(expected interruption cost)和缺電損失評(píng)價(jià)率(interruption energy assessment rate)也可以從這3個(gè)指標(biāo)計(jì)算得到。

2 分布式電源具有的特點(diǎn)及分類

分布式電源是區(qū)別于傳統(tǒng)集中發(fā)電、遠(yuǎn)距離傳輸和大互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)電形式，它與傳統(tǒng)電源相比，具有以下特點(diǎn)［13］:節(jié)能效果好;環(huán)保性能好;節(jié)省管網(wǎng)和輸配電投資;能夠滿足用戶的多樣化需求;供電可靠性好等。就我國目前的情況而言，隨著我國燃料結(jié)構(gòu)的變化和高峰期電力負(fù)荷越來越大，有必要加快發(fā)展分布式電源、優(yōu)化供電模式和保障供電安全。

DG按容量分類可以分為總?cè)萘繛閿?shù)十兆瓦的微型電廠和數(shù)千瓦至數(shù)兆瓦的分布式電源;按使用能源分類可以分為可再生能源、清潔的不可再生能源和氫氣化學(xué)反應(yīng)等;可再生能源包括太陽能、水力、風(fēng)能、地?zé)岷蜕镔|(zhì)能等;清潔的不可再生能源如天然氣、氫氣化學(xué)反應(yīng)如燃料電池等;按使用發(fā)電機(jī)類型分類可以分為同步發(fā)電機(jī)和異步發(fā)電機(jī);按接入電網(wǎng)方式可以分為旋轉(zhuǎn)型接入和通過逆變器接入;按是否反送功率可以分為經(jīng)電網(wǎng)接入點(diǎn)向電網(wǎng)反送功率和不經(jīng)電網(wǎng)接入點(diǎn)向電網(wǎng)反送功率。

根據(jù)我國國情，“小機(jī)組”、“小火電”和“小熱電”也可以屬于分布式電源的范疇，但與現(xiàn)代分布式發(fā)電技術(shù)不在同一層面上，由于其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能與環(huán)境性能不好將逐漸被淘汰，取而代之的是在新能源領(lǐng)域相對(duì)成熟、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)逐漸接近清潔煤發(fā)電的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的可靠性模型

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，發(fā)電成本大幅降低，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為水電和火電的有力補(bǔ)充，已成為目前新能源開發(fā)中最成熟、最具規(guī)?；虡I(yè)開發(fā)前景的發(fā)電方式之一。

在標(biāo)準(zhǔn)空氣密度條件下，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率與風(fēng)速的關(guān)系曲線稱為風(fēng)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)功率特性曲線，而在實(shí)際安裝后，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率與風(fēng)速的關(guān)系曲線被稱為風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際輸出功率特性曲線［14］，如圖 1 所示。

由圖1可以看出，在切入風(fēng)速(約介于2.5～4 m/s)以下時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)保持在停機(jī)狀態(tài)，一旦開始運(yùn)行，輸出功率在達(dá)到額定值前與風(fēng)速近似成一次函數(shù)關(guān)系直到額定風(fēng)速(約介于12～15 m/s)。超過額定風(fēng)速后，基于空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的風(fēng)輪被設(shè)定成能夠限制從風(fēng)中析取的機(jī)械功率，從而降低傳動(dòng)軸系的機(jī)械負(fù)載;最后，在非常高的風(fēng)速下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)停機(jī)，該風(fēng)速即為切出風(fēng)速(約介于20～25 m/s)。

圖1 風(fēng)電機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)功率特性曲線圖

風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際輸出功率特性曲線關(guān)系可由式(1)近似表示［15］:

式中 Pt為t時(shí)刻機(jī)組出力;vt為t時(shí)刻風(fēng)速;vci、vr、vco分別表示風(fēng)電機(jī)組的切入風(fēng)速、額定風(fēng)速和切出風(fēng)速;Pr為風(fēng)電機(jī)組額定功率;A、B和C為參數(shù)，其值可由式(2)表達(dá):

4 含有DG的配電網(wǎng)孤島劃分算法

DG的接入改變了配電網(wǎng)輻射狀的結(jié)構(gòu)，同時(shí)也改變了配電網(wǎng)的潮流，它使得傳統(tǒng)的單電源輻射狀配電網(wǎng)變成了一個(gè)遍布電源和負(fù)荷的多電源系統(tǒng)。當(dāng)包含DG的配電網(wǎng)與主配電網(wǎng)分離后，仍可繼續(xù)向其所在的獨(dú)立配電網(wǎng)供電，就成為孤島。

配電網(wǎng)故障后的孤島劃分方案是根據(jù)故障點(diǎn)的位置和故障前配電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況動(dòng)態(tài)生成的。根據(jù)負(fù)荷重要程度的不同，我們對(duì)負(fù)荷賦予不同的權(quán)重系數(shù)，并根據(jù)負(fù)荷的不同重要性確定各負(fù)荷的權(quán)重系數(shù)ω(i)。由此可以定義等值有效負(fù)荷為負(fù)荷大小與負(fù)荷權(quán)重系數(shù)的乘積。在形成孤島后，需要孤島劃分的目標(biāo)是使島內(nèi)所包含負(fù)荷點(diǎn)的有效負(fù)荷之和最大，并可以用式(3)表示其數(shù)學(xué)模型:

邊界條件為:

式中 j為DG所在饋線的編號(hào);D為孤島內(nèi)所有負(fù)荷點(diǎn)La(i)組成的區(qū)域;PDG為DG的額定容量;La(i)為負(fù)荷點(diǎn)i處負(fù)荷的大小;ω(i)為負(fù)荷的重要程度系數(shù)，一類、二類和三類負(fù)荷的重要程度系數(shù)分別為0.5、0.3 和0.2。

對(duì)于模型的求解，文獻(xiàn)［16］提出了功率圓的概念。功率圓的定義為:以DG所在饋線的負(fù)荷點(diǎn)為圓心，沿著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞较?，以DG的額定容量為半徑搜索負(fù)荷，該圓內(nèi)包含的負(fù)荷點(diǎn)集合稱為功率圓。因此，只要負(fù)荷點(diǎn)沿著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚€路到圓心的負(fù)荷值之和小于DG的額定容量，則該負(fù)荷點(diǎn)必在功率圓內(nèi)。筆者在文中采取文獻(xiàn)［16］中采用的廣度優(yōu)先搜索法來確定功率圓的范圍。從DG所在饋線的負(fù)荷點(diǎn)La(i)出發(fā)，首先訪問與負(fù)荷點(diǎn)La(i)相連的所有支路，然后訪問下層支路，在滿足邊界條件的范圍內(nèi)，遍歷功率圓圖，這樣可以快速進(jìn)行復(fù)雜配電網(wǎng)的功率圓確定。確定功率圓之后，在滿足孤島對(duì)區(qū)域D連通性的要求的前提下，首先從DG所在饋線的負(fù)荷點(diǎn)La(i)出發(fā)，訪問此頂點(diǎn)，然后依次從La(i)的未被訪問的鄰接點(diǎn)出發(fā)，在滿足邊界條件的范圍內(nèi)，遍歷功率圓圖，直至目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最大值。

5 氣候模型的建立

配電線路長期在戶外運(yùn)行，而風(fēng)電機(jī)也處于露天環(huán)境中工作，因此，氣候變化對(duì)于暴露于戶外的元件故障率影響非常大。按IEEE346標(biāo)準(zhǔn)［17］，將天氣分為三類:正常天氣(normal)、惡劣天氣(adverse)、大災(zāi)害天氣(major storm disaster)。由于大災(zāi)害天氣出現(xiàn)的機(jī)會(huì)極小，而且系統(tǒng)的建模、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理等困難，我們可以將三類情況合并為正常和惡劣兩種情況，并用隨機(jī)的持續(xù)時(shí)間期望進(jìn)行描述。令λ和λ'分別為元件在正常天氣和惡劣天氣時(shí)的故障率;N為正常天氣的期望持續(xù)時(shí)間;S為惡劣天氣的期望持續(xù)時(shí)間;λav為考慮了氣候因素的平均故障率［18］。因此，元件的故障率可以表示為:

設(shè):惡劣天氣下發(fā)生故障的幾率0≤F≤1，則由式(5)可知:

考慮到維修工作人員的安全，假設(shè)惡劣天氣條件下不進(jìn)行維修，則折算后的系統(tǒng)等效故障率λp和等效停運(yùn)時(shí)間rp公式如下:

式中 A'、B'分別為正常與惡劣天氣下孤島內(nèi)第k段主饋線的故障率;λ1、r1分別為 DG的故障率和平均停電持續(xù)時(shí)間;λ2、r2分別為第k段主饋線的故障率與平均停電持續(xù)時(shí)間。

6 結(jié)語

隨著常規(guī)能源的衰竭、環(huán)境污染的加劇和全球氣候的變暖，人們?cè)絹碓蕉嗟恼J(rèn)識(shí)到清潔能源的重要性。風(fēng)力發(fā)電憑借其無污染、發(fā)電靈活等優(yōu)勢(shì)迅速嶄露頭角。然而，如何安全、可靠地接入分布式電源亦是電網(wǎng)發(fā)展面臨的一大挑戰(zhàn)。在考慮氣候因素的情況下，為配電系統(tǒng)接入WTG作為分布式電源不僅需要考慮風(fēng)機(jī)性能特性、DG接入后的孤島作用，還需要計(jì)算氣候因素對(duì)配電系統(tǒng)元件故障率的影響。

筆者在文中只是簡(jiǎn)單地將氣候類型分為正常和惡劣兩種，但氣候的形式多種多樣，許多都能導(dǎo)致配電系統(tǒng)元件故障率增大，綜合考慮各種氣候因素的相互作用將使問題變得十分復(fù)雜。事實(shí)上，在線路參數(shù)受氣候條件影響的同時(shí)，風(fēng)機(jī)的輸入輸出也遭遇到氣候變化的影響，兩者的可靠性模型應(yīng)當(dāng)是以氣候條件為共同變量的復(fù)雜模型。因此，對(duì)以風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為分布式電源的配電系統(tǒng)的可靠性評(píng)估研究可以在這個(gè)方向上做進(jìn)一步的深入。

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