趙景濤，趙仰東，陳娜，孫國(guó)城，楊菠

(1.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京211106；2.南京工業(yè)大學(xué)，江蘇南京211816)

分布式電源接入配電網(wǎng)可靠性研究

趙景濤1，趙仰東1，陳娜1，孫國(guó)城1，楊菠2

(1.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京211106；2.南京工業(yè)大學(xué)，江蘇南京211816)

簡(jiǎn)單介紹了分布式電源(DG)，分析了DG的并網(wǎng)方式、接入方式和運(yùn)行方式對(duì)配電網(wǎng)可靠性的影響，指出不同方式對(duì)配電網(wǎng)可靠性的影響各不相同。并在此基礎(chǔ)上，研究了DG的可靠性模型和含DG的配電網(wǎng)孤島劃分。最后，從可靠性指標(biāo)方面對(duì)算例進(jìn)行分析計(jì)算，驗(yàn)證DG接入配電網(wǎng)的可靠性。

分布式電源；配電網(wǎng)；可靠性

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?lái)越多地認(rèn)識(shí)到清潔能源的重要性。分布式電源(DG)作為一種可靠、經(jīng)濟(jì)、高效的發(fā)電方式，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外受到了廣泛關(guān)注。

DG通常是安裝在靠近負(fù)荷中心的小型發(fā)電單元。DG接入配電網(wǎng)的主要優(yōu)點(diǎn)有：(1)電源靠近用戶側(cè)，傳輸成本減少；(2)屬小型發(fā)電站，施工時(shí)間和投資成本降低；(3)削峰填谷，提高供電可靠性。

然而，DG接入配電網(wǎng)后，原有的單輻射網(wǎng)絡(luò)變?yōu)榱穗p端或多端供電網(wǎng)絡(luò)，參與配電網(wǎng)規(guī)劃和操作的不確定性變得比過(guò)去更大，因此研究分布式電源接入配電網(wǎng)的可靠性具有重要的意義[1]。

1 DG接入對(duì)配電網(wǎng)可靠性的影響因素

1.1 DG的并網(wǎng)方式

針對(duì)不同的電壓等級(jí)，配電網(wǎng)有不同的接線方式，因此DG的并網(wǎng)方式也有所不同。一般情況下，DG有兩種并網(wǎng)方式：(1)集中直接接入到低壓側(cè)母線，如圖1(a)所示。此時(shí)，DG作用與配電網(wǎng)系統(tǒng)側(cè)電源相同，僅在中壓側(cè)出現(xiàn)故障時(shí)，能夠恢復(fù)低壓側(cè)供電，對(duì)系統(tǒng)可靠性的提高作用不大；(2)通過(guò)分支饋線分散接入到低壓配電網(wǎng)中的各個(gè)負(fù)荷點(diǎn)，如圖1(b)。若低壓側(cè)發(fā)生故障，在非故障區(qū)仍然可以持續(xù)供電，從而提高系統(tǒng)的可靠性[2]。

圖1 DG的并網(wǎng)方式

1.2 DG的接入方式

DG接入配電網(wǎng)的方式有兩種[3]：并聯(lián)接入及通過(guò)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)切換接入，如圖2所示。

并聯(lián)接入時(shí)，DG和配電網(wǎng)系統(tǒng)側(cè)電源同時(shí)保證與負(fù)荷連接，且互為備用，以防出現(xiàn)停電情況；通過(guò)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)切換接入時(shí)，任意時(shí)刻負(fù)荷僅與DG或配電網(wǎng)系統(tǒng)側(cè)的一者保證連接，當(dāng)主電源發(fā)生故障，需要經(jīng)過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)倒閘操作投入另一電源，因此發(fā)生短時(shí)供電中斷的情況不可避免，且負(fù)荷停電時(shí)間等于開(kāi)關(guān)操作時(shí)間。

圖2 DG接入電網(wǎng)方式

與未接入DG的配電網(wǎng)相比，DG的接入可以減少年平均停電時(shí)間，從而提高配電網(wǎng)可靠性。

1.3 DG的運(yùn)行方式

DG主要有三種運(yùn)行方式，不同方式對(duì)配電網(wǎng)可靠性的影響各不相同[4]。

(1)DG作為配電網(wǎng)的備用電源

DG作為配電網(wǎng)的備用電源時(shí)，需要滿足電網(wǎng)運(yùn)行的基本條件：DG的輸出功率穩(wěn)定，能夠滿足一定范圍內(nèi)重要負(fù)荷的電力需求；能夠確保持續(xù)供電；能夠提供良好的電能質(zhì)量。當(dāng)配電系統(tǒng)因故障中斷而停止供電時(shí)，DG啟動(dòng)，配電系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)裝置控制，將負(fù)荷轉(zhuǎn)移到DG繼續(xù)供電；當(dāng)故障消除時(shí)，通過(guò)開(kāi)關(guān)操作，再轉(zhuǎn)回配電網(wǎng)正常供電。因此，通過(guò)優(yōu)化DG的配置，可以減少用戶的停電時(shí)間和停電次數(shù)，提高配電網(wǎng)可靠性。

(2)配電網(wǎng)作為DG的備用電源

DG在此種情況下獨(dú)立運(yùn)行，把配電網(wǎng)作為備用電源。DG、儲(chǔ)能裝置、負(fù)載和自動(dòng)控制裝置組成微網(wǎng)，可對(duì)微網(wǎng)內(nèi)部提供電能和熱量。當(dāng)DG的發(fā)電量超過(guò)負(fù)載需求時(shí)，儲(chǔ)能裝置吸收多余的電量，若儲(chǔ)能裝置飽和，多余的電量就會(huì)輸送到配電網(wǎng)中，由配電網(wǎng)進(jìn)行消化；當(dāng)DG的發(fā)電量不能滿足內(nèi)部負(fù)載需求時(shí)，儲(chǔ)能裝置將會(huì)向負(fù)載輸出電量，若仍然不能滿足電力負(fù)荷需求，則由配電網(wǎng)向負(fù)載供電。

因此，配電網(wǎng)作為DG的備用電源，對(duì)提高微網(wǎng)內(nèi)部供電可靠性有很大幫助，但是對(duì)提高配電網(wǎng)的可靠性沒(méi)有幫助。

(3)DG與配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行

DG與配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，配電網(wǎng)從原本的單輻射網(wǎng)絡(luò)變?yōu)榱穗p端或多端供電網(wǎng)絡(luò)。此時(shí)DG與配電網(wǎng)互為備用，通過(guò)協(xié)調(diào)DG與配電網(wǎng)的運(yùn)行，能夠有效地提高電能質(zhì)量與供電可靠性。

2 DG接入配電網(wǎng)可靠性分析

2.1 DG的可靠性模型討論

本文將DG的可靠性模型分為三類(lèi)考慮，即：將DG作為普通的配網(wǎng)變電站，將DG作為等值發(fā)電機(jī)，將DG作為隨機(jī)電源[5]。

將DG作為普通的配網(wǎng)變電站考慮。這種模型下當(dāng)某段饋線發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)斷路器跳閘將故障段隔離，而非故障部分可由DG繼續(xù)供電。這種模型對(duì)配網(wǎng)可靠性的提高很大，但只是一種理想化模型，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值不大。

將DG作為等值發(fā)電機(jī)考慮(如柴油機(jī)組發(fā)電、水力發(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)組發(fā)電)。這種模型由于其功率輸出穩(wěn)定，保持不變，可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)荷會(huì)超過(guò)DG所能提供功率的情況，為了確保孤島內(nèi)電力的供需平衡，須對(duì)配網(wǎng)進(jìn)行孤島劃分，以保證形成的孤島運(yùn)行穩(wěn)定。這種模型只能提高孤島內(nèi)負(fù)荷點(diǎn)的供電可靠性。

將DG作為隨機(jī)電源考慮(如風(fēng)電、光伏發(fā)電)。這種模型除了額定功率輸出外，還有多個(gè)非額定運(yùn)行狀態(tài)，輸出功率隨機(jī)性大，且需要考慮其形成孤島的概率問(wèn)題，一般由歷史負(fù)荷和DG的功率輸出數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到。此種模型比較符合常見(jiàn)DG的實(shí)際情況。

2.2 含DG的配電網(wǎng)孤島劃分

包含DG的供電網(wǎng)與主配電網(wǎng)分離后，仍繼續(xù)向部分負(fù)荷供電，則此包含DG的供電網(wǎng)稱之為孤島。孤島這種運(yùn)行方式可以減小停電面積，提高配電網(wǎng)的供電可靠性。

配電網(wǎng)中各個(gè)負(fù)荷點(diǎn)由于其本身的特點(diǎn)，可能對(duì)供電可靠性的要求各不相同。根據(jù)其等級(jí)不同，我們對(duì)負(fù)荷點(diǎn)賦予不同的權(quán)重系數(shù)。因此，等值負(fù)荷可以定義為負(fù)荷大小和負(fù)荷點(diǎn)權(quán)重系數(shù)的乘積。

根據(jù)定義，含DG的配電網(wǎng)孤島劃分的目標(biāo)函數(shù)就是使孤島內(nèi)所包含的負(fù)荷點(diǎn)的等值負(fù)荷之和最大，可以表示為

約束條件：

式中：w(i)為負(fù)荷點(diǎn)i的權(quán)重系數(shù)，對(duì)應(yīng)負(fù)荷的重要程度，Lα(i)為負(fù)荷點(diǎn)i處的負(fù)荷值，PDG為孤島內(nèi)所有分布式電源出力，D為孤島內(nèi)所有負(fù)荷點(diǎn)組成的區(qū)域，j為分布式電源所在的饋線編號(hào)。

2.3 DG接入配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)

可靠性指標(biāo)能夠定量評(píng)估配電系統(tǒng)可靠性，清晰地反映配電系統(tǒng)的可靠性水平，為管理人員提供詳細(xì)準(zhǔn)確的配電網(wǎng)供電情況。按照評(píng)估對(duì)象的不同，配電網(wǎng)的可靠性指標(biāo)可分為負(fù)荷點(diǎn)指標(biāo)和系統(tǒng)指標(biāo)[6]。

(1)負(fù)荷點(diǎn)指標(biāo)

負(fù)荷點(diǎn)指標(biāo)描述的是單個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的可靠度，主要包含平均故障率li(次/a)，年平均停電時(shí)間Ui(h/a)和平均停電持續(xù)時(shí)間γi(次/a)這三個(gè)指標(biāo)。

(2)系統(tǒng)側(cè)指標(biāo)

根據(jù)計(jì)算得到的負(fù)荷點(diǎn)指標(biāo)，可以在此基礎(chǔ)上計(jì)算出系統(tǒng)側(cè)的指標(biāo)：

系統(tǒng)平均斷電頻率指標(biāo)[次/(用戶·年)]：

系統(tǒng)平均斷電持續(xù)時(shí)間指標(biāo)[h/(用戶·年)]：

用戶平均斷電頻率指標(biāo)[次/(用戶·年)]：

用戶平均斷電持續(xù)時(shí)間指標(biāo)[h/(用戶·年)]：

平均用電有效度指標(biāo)：

式中：li為負(fù)荷點(diǎn)i的平均故障率；Ni為負(fù)荷點(diǎn)i的用戶數(shù)；Ni'為負(fù)荷點(diǎn)i的停電用戶數(shù)；Ui為負(fù)荷點(diǎn)i的年停運(yùn)時(shí)間。

3 算例分析

某地配電系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 某地配電系統(tǒng)架構(gòu)圖

如圖3所示，系統(tǒng)有7個(gè)分布式電源，其中5個(gè)小水電發(fā)電系統(tǒng)(裝機(jī)容量共計(jì)2 625 kVA，負(fù)荷容量約為1 236 kVA)，1個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)(10 kWp)，1個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)(200 kWh/100 kW)，與部分負(fù)荷(686 kVA)。分布式電源孤島切換的成功概率為0.85。分布式電源及儲(chǔ)能的可靠性參數(shù)如表1所示。

假設(shè)電網(wǎng)每次停電時(shí)間為2 h，根據(jù)年停電次數(shù)的不同，分析未接入DG、DG作為等值發(fā)電機(jī)、DG作為隨機(jī)電源考慮三種情況下系統(tǒng)SAIDI，ASAI指標(biāo)情況，DG作為普通的配網(wǎng)變電站為理想情況，不可能實(shí)現(xiàn)，暫不考慮，分析結(jié)果如表2所示。

對(duì)比DG接入前后的配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)，可見(jiàn)接入DG后配電網(wǎng)的SAIDI指標(biāo)明顯下降，ASAI指標(biāo)有一定提高，說(shuō)明DG的適當(dāng)接入可有效提高配電網(wǎng)的供電可靠性，且DG作為等值發(fā)電機(jī)考慮時(shí)，配電系統(tǒng)的可靠性有進(jìn)一步提高。

4 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單介紹了DG的概念和接入配電網(wǎng)的主要優(yōu)點(diǎn)，從DG的并網(wǎng)、接入及運(yùn)行方式三個(gè)方面具體分析了DG的接入對(duì)配電網(wǎng)可靠性的影響，并在此基礎(chǔ)上，研究了DG的可靠性模型和含DG的配電網(wǎng)孤島劃分，給出了孤島劃分的數(shù)學(xué)模型。最后，通過(guò)可靠性指標(biāo)對(duì)算例進(jìn)行分析計(jì)算，證明DG的適當(dāng)接入可有效提高配電網(wǎng)的供電可靠性。

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Studieson reliability for distributed generation connected to distribution network

ZHAO Jing-tao1，ZHAO Yang-dong1，CHEN Na1，SUN Guo-cheng1，YANG Bo2
(1.NARITechnology Development Lim ited Company，Nanjing Jiangsu 211106，China;2.Nanjing Tech University，Nanjing Jiangsu 211816，China)

The conceptof distributed generation(DG)was introduced，the im pacts of the synchronization mode，connection mode and operation mode that DG connected to distribution network on the reliability of distribution network were analyzed，pointing out that differentways have different influences.On this basis，the reliability model for DG and islanding scheme for distribution network containing DG were studied.The exam ple analysis was taken in the aspects of reliability index to testand verify the reliability for DG connected to distribution network.

distributed generation;distribution network;reliability

TM 934

A

1002-087X(2016)07-1476-03

2015-12-01

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃“863”(2011AA050203)

趙景濤(1978—)，男，江蘇省人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榉植际焦夥l(fā)電、微電網(wǎng)和工程應(yīng)用。