劉 鵬

（武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430072）

含有光伏系統(tǒng)的配電網(wǎng)可靠性評(píng)估

劉 鵬

（武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430072）

序貫蒙特卡羅模擬法能夠模擬系統(tǒng)的各種運(yùn)行狀態(tài)，特別適合應(yīng)用于含間歇性分布式電源的電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估當(dāng)中。通過建立光伏電源的可靠性概率模型，結(jié)合負(fù)荷和其他元件的概率模型，采用序貫蒙特卡羅模擬法，計(jì)算了考慮間歇性的光伏系統(tǒng)接入后配電系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。針對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果表明，光伏發(fā)電系統(tǒng)合理接入配電網(wǎng)，可以提高配電網(wǎng)的可靠性水平。

光伏發(fā)電系統(tǒng)；配電網(wǎng)；可靠性評(píng)估；序貫蒙特卡羅模擬

0 引言

可再生能源的使用滿足社會(huì)對(duì)節(jié)能減排，環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的要求。太陽能就是可再生能源之一，光伏發(fā)電與傳統(tǒng)發(fā)電形式相比具有較大競爭優(yōu)勢(shì)[1-2]。但光照具有較強(qiáng)的間歇性與隨機(jī)性[3]，這使得光伏系統(tǒng)的接入給電網(wǎng)帶來了許多不確定的因素[4]。光伏系統(tǒng)接入配網(wǎng)后，將使電網(wǎng)由原來的輻射狀拓結(jié)構(gòu)變成一個(gè)多電源供電的結(jié)構(gòu)，其可靠性評(píng)估模型也將發(fā)生改變[5]。

對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估的方法主要是解析法[6-11]和蒙特卡洛法[12-17]。解析法通過數(shù)值計(jì)算方法分析故障事件對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響，從而獲得系統(tǒng)的各項(xiàng)可靠性指標(biāo)。模擬法則是對(duì)配電網(wǎng)各元件狀態(tài)的概率分布抽樣進(jìn)行狀態(tài)選擇，對(duì)狀態(tài)后果進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)利用概率統(tǒng)計(jì)方法獲得可靠性指標(biāo)?；诮馕龇ㄟM(jìn)行可靠性分析主要缺點(diǎn)是對(duì)光伏的時(shí)序特性無法進(jìn)行考慮，因此無法準(zhǔn)確評(píng)估其隨機(jī)性與間歇性對(duì)相關(guān)指標(biāo)的影響，而蒙特卡洛模擬法在處理光伏電源出力波動(dòng)性方面在評(píng)估大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)時(shí)具有先天優(yōu)勢(shì)，而且隨著研究問題的不斷深入和考慮要素的不斷增多，蒙特卡洛模擬法的優(yōu)勢(shì)也越加凸顯。因此，本文通過建立光伏電源的可靠性概率模型，結(jié)合負(fù)荷和其他元件的概率模型，采用序貫蒙特卡羅模擬法，完成了考慮間歇性的光伏電源接入后配電系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)的計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與光伏系統(tǒng)接入前的可靠性指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，比較分析光伏系統(tǒng)接入對(duì)配電網(wǎng)可靠性的影響。

1 光伏電源模型和負(fù)荷模型

由于光伏發(fā)電為間歇式可再生能源發(fā)電，可將其看作隨機(jī)電源。這種模型將DG等效為一個(gè)有多個(gè)運(yùn)行狀態(tài)的發(fā)電機(jī)，即除了額定出力外，電源還有多個(gè)非額定出力運(yùn)行狀態(tài)。由于這種DG受到各類隨機(jī)因素的影響較大，輸出功率的隨機(jī)性也較大，比較符合常見DG的實(shí)際情況。此處根據(jù)每一季度的日光伏發(fā)電曲線建立其年出力時(shí)間序列。負(fù)荷模型根據(jù)電力部門提供的季度負(fù)荷點(diǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)形成全年負(fù)荷時(shí)序模型。

2 儲(chǔ)能裝置模型

為了平滑可再生電源出力的波動(dòng)性，往往還需要配置儲(chǔ)能裝置。本文中儲(chǔ)能裝置考慮采用負(fù)荷跟隨策略。負(fù)荷跟隨策略下，僅由光伏電源的過剩出力為蓄電池充電，即：當(dāng)光伏電源出力大于當(dāng)前負(fù)荷時(shí)，由光伏電源的過剩功率為蓄電池充電，外部系統(tǒng)不為其充電；當(dāng)光伏電源出力小于負(fù)荷時(shí)，蓄電池放電，蓄電池與外部系統(tǒng)共同承擔(dān)剩余負(fù)荷的供電，其中蓄電池優(yōu)先供應(yīng)負(fù)荷。

3 序貫蒙特卡羅模擬

3.1 光伏系統(tǒng)的可靠性評(píng)估方法

用于評(píng)估發(fā)電系統(tǒng)充裕度的指標(biāo)主要有缺電時(shí)間期望 LOLE(Loss of Load Expectation)和電量不足期望LOEE(Loss of Energy Expectation)。缺電時(shí)間期望LOLE和電量不足期望 LOEE 的單位分別是“h/年”和“MWh/年”，分別表示發(fā)電系統(tǒng)在評(píng)估期間內(nèi)總發(fā)電容量小于總負(fù)荷的總時(shí)間期望和總發(fā)電容量不足的總電量期望。

利用序貫蒙特卡洛模擬法中的狀態(tài)持續(xù)時(shí)間抽樣法對(duì)光伏電源的發(fā)電充裕度進(jìn)行評(píng)估。取模擬間隔為1h，模擬總時(shí)長為N年，模擬過程如下：

（1）取一年時(shí)長范圍，生成光伏出力和負(fù)荷大小的時(shí)序序列；

（2）在一年時(shí)長內(nèi)，采用狀態(tài)持續(xù)時(shí)間抽樣法序貫抽樣各元件的運(yùn)行-停運(yùn)循環(huán)狀態(tài)序列。得到每個(gè)抽樣時(shí)長內(nèi)系統(tǒng)的缺電持續(xù)時(shí)間和電量不足；

（3）重復(fù)以上兩步直至模擬總時(shí)長達(dá)到N年，求取N年中系統(tǒng)缺電持續(xù)時(shí)間和電量不足的平均值即為DG的可靠性指標(biāo)。

3.2 負(fù)荷點(diǎn)的可靠性評(píng)估方法

基于序貫蒙特卡羅法的負(fù)荷點(diǎn)可靠性評(píng)估步驟如下：

（1）讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行初始化，形成8760h的負(fù)荷水平。設(shè)定仿真年數(shù)NY，并設(shè)開始仿真時(shí)間t=0；

（2）對(duì)每個(gè)元件產(chǎn)生[0,1]內(nèi)均勻分布的隨機(jī)數(shù)Ui，求出各個(gè)元件的正常工作時(shí)間TTFi；

（3）找到TTFi最小的元件i，認(rèn)為此時(shí)元件i故障。產(chǎn)生一個(gè)服從[0,1]均勻分布的隨機(jī)數(shù)Ui，求出元件i的故障時(shí)間TTRi；

（4）根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定受元件i影響的負(fù)荷點(diǎn)。判斷有無可以由DG繼續(xù)供電的負(fù)荷點(diǎn)。若有轉(zhuǎn)到（5），否則轉(zhuǎn)到（6）；

（5）在孤島運(yùn)行期間內(nèi)，對(duì)應(yīng)DG的輸出功率P，查找此時(shí)的負(fù)荷水平Lt，若P≥Lt，則負(fù)荷點(diǎn)不會(huì)停電，反之負(fù)荷點(diǎn)失電。統(tǒng)計(jì)這些負(fù)荷點(diǎn)的正常工作時(shí)間Tu和故障時(shí)間Td；

（6）能由DG繼續(xù)供電的負(fù)荷點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)其正常工作時(shí)間Tu和故障時(shí)間Td；

（7）總的模擬時(shí)間t是否小于NY×8760h，是則轉(zhuǎn)入（2），否則轉(zhuǎn)入（8）；

（8）按照以下公式計(jì)算負(fù)荷點(diǎn)的可靠性指標(biāo)：

其中，Nfi為故障事件的總次數(shù)；為負(fù)荷點(diǎn)i的正常運(yùn)行總時(shí)間；為負(fù)荷點(diǎn)i的故障停運(yùn)總時(shí)間。

4 算例分析

本文結(jié)合鄂州配電系統(tǒng)的實(shí)際情況，以賽維光伏電站的并網(wǎng)型光伏發(fā)電模式為對(duì)象進(jìn)行相關(guān)計(jì)算研究。圖1為鄂州電網(wǎng)汀祖變電氣主接線，郎汀線為汀祖變110kV高壓側(cè)進(jìn)線；汀祖變主變?yōu)?10/38.5/10kV三繞組變壓器，額定容量31.5MVA；賽維光伏電站通過0.3/35kV升壓變壓器經(jīng)汀賽線接入主變35kV側(cè)，容量15MW；主變10kV帶一段10kV母線，出線7回，一回接入無功補(bǔ)償電容器組。

4.1 光伏系統(tǒng)的可靠性評(píng)估

在賽維光伏系統(tǒng)供電的線路中，取泉塘I回、泉塘II回、機(jī)關(guān)線、陳盛線及火炬專線等5條饋線作為負(fù)荷點(diǎn)，在賽維光伏電源采用負(fù)荷跟隨策略進(jìn)行儲(chǔ)能的情況下，對(duì)其充裕度進(jìn)行評(píng)估。所得結(jié)果見表1。

表1 發(fā)電系統(tǒng)可靠性評(píng)估

圖1 汀祖變電站電氣主接線示意圖

4.2 負(fù)荷點(diǎn)的可靠性評(píng)估

在賽維光伏系統(tǒng)供電的線路中，取泉塘I回、泉塘II回、機(jī)關(guān)線、陳盛線及火炬專線等5條饋線作為負(fù)荷點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行可靠性評(píng)估。設(shè)備可靠性參數(shù)見表2：

表2 設(shè)備可靠性參數(shù)

為了確?？煽啃灾笜?biāo)收斂，模擬時(shí)間定為 10000年。為了分析 DG 接入對(duì)配電網(wǎng)可靠性的影響，對(duì)原系統(tǒng)（無 DG）可靠性指標(biāo)也進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

方案一：不考慮分布式電源的作用

不考慮分布式電源的作用，計(jì)算出的負(fù)荷點(diǎn)可靠性指標(biāo)見表3。

表3 不含光伏系統(tǒng)時(shí)負(fù)荷點(diǎn)可靠性指標(biāo)

方案二：接入賽維光伏系統(tǒng)

計(jì)算出接入光伏系統(tǒng)同后各個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的可靠性指標(biāo)見表4。

表4 含光伏系統(tǒng)時(shí)負(fù)荷點(diǎn)可靠性指標(biāo)

由表3和表4的負(fù)荷點(diǎn)可靠性指標(biāo)可知，賽維光伏的接入降低了負(fù)荷點(diǎn)的故障率，縮短了其平均停電時(shí)間，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)論

本文通過建立光伏系統(tǒng)的可靠性概率模型，結(jié)合負(fù)荷和其他元件的概率模型，采用序貫蒙特卡羅模擬法，以鄂州市賽維光伏發(fā)電接入電網(wǎng)為對(duì)象，進(jìn)行了含有間歇性光伏系統(tǒng)的配電網(wǎng)的供電可靠性評(píng)估。實(shí)例計(jì)算結(jié)果表明，序貫蒙特卡羅模擬法能夠模擬系統(tǒng)的各種運(yùn)行狀態(tài)，且適合應(yīng)用于具有間歇性的光伏電源的電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估當(dāng)中，光伏系統(tǒng)的合理接入可以提高配電網(wǎng)的可靠性水平。

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審稿人：宮海龍

Reliability Assessment of Distribution Networks Containing Photovoltaic System

LIU Peng
(School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

Sequential Monte Carlo simulation method can simulate various operating states, particularly being suitable for reliability evaluation of power system containing intermittent distributed power. By establishing photovoltaic power reliability probability model, combining probabilistic model of loads and other elements, the sequential Monte Carlo simulation method was used to compute reliability index of distribution power system including photovoltaic system. The calculation results for the actual system showed that photovoltaic power generation system can improve the level of reliability of the distribution network.

photovoltaic power generation system; distribution network; reliability assessment; sequential Monte Carlo simulation

TM615

A

1000-3983(2016)02-0047-03

2015-09-25

劉鵬(1990-)，武漢大學(xué)碩士，研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量分析與控制，電壓暫降的風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)估等。