王連民，李 瑋，張克甲，武曉峰

（國(guó)網(wǎng)吳忠供電公司，吳忠 751100）

0 引言

光伏清潔能源并網(wǎng)發(fā)電已逐步規(guī)?；筒⒕W(wǎng)化，大規(guī)模的集中于分布式光伏電源并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性及穩(wěn)定運(yùn)行都會(huì)產(chǎn)生重要的影響。

光伏發(fā)電的特點(diǎn)是隨機(jī)性較強(qiáng)，分布式光伏電源發(fā)電可靠性模型的構(gòu)建可用于并網(wǎng)后對(duì)系統(tǒng)供電可靠性影響的評(píng)估。針對(duì)含分布式光伏電源的電網(wǎng)進(jìn)行了算例模型仿真，由于光伏發(fā)電具有不可控性，且發(fā)電量與用電負(fù)荷無(wú)法精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，需通過概率抽樣法對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)，同時(shí)分析時(shí)變電源對(duì)時(shí)變負(fù)荷供電時(shí)的供電可靠性，由此形成可靠性計(jì)算的重要指導(dǎo)指標(biāo)，分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)可靠性研究對(duì)電網(wǎng)安全生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。因此，此項(xiàng)研究是必要的。

1 光伏電源功率模型

1.1 光伏陣列等效模型

電池單元是光電轉(zhuǎn)換的最小單元,被封裝為光伏電池組件。光伏電池組件通過串、并聯(lián)后形成光伏電池陣列，進(jìn)而構(gòu)成光伏電站[1]。單個(gè)光伏電池的等效電路如圖1所示。

單個(gè)光伏電池的輸出電流關(guān)系如式(1)所示。

式(1)中，IPV為光伏電流；Id為表示光伏電池反向飽和暗電流；Ir為泄漏電流。

圖1 光伏電池等效電路

1.2 光伏陣列輸出功率

光伏組件的輸出按功率計(jì)量，光伏電池方陣的輸出功率與其接受的太陽(yáng)輻射能成正比，可以得出光伏陣列在t時(shí)刻總的輸出功率如式(2)所示。

式中，N為正常工作的光伏組件數(shù)；I為光伏電池組件傾斜面上的總太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度；A為單個(gè)電池組件的面積；η為電池組件的額定轉(zhuǎn)換效率。

2 可靠性評(píng)估指標(biāo)

2.1 負(fù)荷點(diǎn)計(jì)算指標(biāo)

負(fù)荷點(diǎn)的可靠性計(jì)算指標(biāo)是指在規(guī)定時(shí)間內(nèi)計(jì)算系統(tǒng)每一個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的可靠程度，指標(biāo)計(jì)算式如下：

1）負(fù)荷點(diǎn)故障率：

2）負(fù)荷點(diǎn)平均停電持續(xù)時(shí)間：

3）負(fù)荷點(diǎn)平均年停電時(shí)間：

式中，∑Tdi為第i個(gè)負(fù)荷點(diǎn)所有停電時(shí)間的總和；∑Tui為第i個(gè)負(fù)荷點(diǎn)所有工作時(shí)間總和；Ni為系統(tǒng)時(shí)間內(nèi)的模擬故障次數(shù)。

2.2 系統(tǒng)計(jì)算指標(biāo)

系統(tǒng)可靠性計(jì)算指標(biāo)是指系統(tǒng)整體可靠程度，由負(fù)荷點(diǎn)可靠性指標(biāo)求得。主要計(jì)算公式如下：

1）系統(tǒng)平均停電頻率計(jì)算指標(biāo)：

2）系統(tǒng)平均停電持續(xù)時(shí)間計(jì)算指標(biāo)：

3）用戶平均停電持續(xù)時(shí)間計(jì)算指標(biāo)：

4）平均供電可用度計(jì)算指標(biāo)：

5）系統(tǒng)總電量不足計(jì)算指標(biāo)：

6）系統(tǒng)平均電量不足計(jì)算指標(biāo)：

以上式(6)～式(11)中，Mi為負(fù)荷點(diǎn)i的用戶數(shù)；λi為負(fù)荷點(diǎn)i的故障率；Ui為負(fù)荷點(diǎn)i的年停電時(shí)間；T為年小時(shí)數(shù)8760h。

3 可靠性分析

3.1 算例仿真模型

分布式光伏電源并網(wǎng)仿真算例如圖2所示，采用放輻射式供電，由于網(wǎng)絡(luò)含分布式光伏電源，所以系統(tǒng)用戶由雙電源供電，假設(shè)變電站出線斷路器能夠可靠動(dòng)作，隔離開關(guān)均為常閉，LPa、LPb、LPc三個(gè)負(fù)荷點(diǎn)由干線種的的分支線供電。光伏電源并入電網(wǎng)下游末端節(jié)點(diǎn)C處，且假設(shè)某一段饋線故障時(shí)，其兩側(cè)斷路器均能立即動(dòng)作，即不考慮光伏電源對(duì)故障電流和系統(tǒng)保護(hù)的影響（PV不需在故障發(fā)生時(shí)從系統(tǒng)中暫時(shí)斷開）。

圖2 分布式光伏電源的電網(wǎng)算例接線圖

圖2中算例為10kV電網(wǎng)架空線路，其中主干線長(zhǎng)6 km，分支線長(zhǎng)6km,在線路上共接有175個(gè)用戶，集中在LPa、LPb、LPc三處。系統(tǒng)中PV的額定容量為2MW。

3.2 蒙特卡羅仿真

蒙特卡羅模擬方法（簡(jiǎn)稱MC方法）是一種隨機(jī)模擬方法，通過使用隨機(jī)數(shù)對(duì)元件故障動(dòng)作進(jìn)行隨機(jī)抽樣，采用概率統(tǒng)計(jì)計(jì)算，構(gòu)建可靠性計(jì)算指標(biāo)[2]。MC方法可實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)模擬或抽樣，獲得問題的近似解，能夠適用電力系統(tǒng)可靠性的計(jì)算仿真研究。

MC法的主要思想是：對(duì)于元件或系統(tǒng)建立隨機(jī)事件和概率模型，通過抽樣實(shí)驗(yàn)，計(jì)算參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特性，得出問題的近似解。

根據(jù)大數(shù)定理，當(dāng)N足夠大時(shí)有式(13)：

可得式(14)：

根據(jù)分布式光伏電源隨機(jī)性、波動(dòng)性以及并網(wǎng)輸出功率不斷變化的特性，運(yùn)用MC法可計(jì)算得出系統(tǒng)與節(jié)點(diǎn)的停電頻率和停電持續(xù)時(shí)間指標(biāo)，并且能夠較好地分析光伏并網(wǎng)后系統(tǒng)的可靠性[3]。

設(shè)定圖2所示系統(tǒng)中各個(gè)元件參數(shù)如表1所示，算例仿真流程如圖3所示。

表1 系統(tǒng)元件相關(guān)參數(shù)

在該算例中利用MATLAB編程語(yǔ)言，設(shè)定系統(tǒng)模擬年數(shù)為50000，調(diào)用庫(kù)函數(shù)產(chǎn)生滿足均勻分布的隨機(jī)數(shù)，將隨機(jī)變量分別轉(zhuǎn)換為故障率與修復(fù)時(shí)間，對(duì)各線路進(jìn)行抽樣模擬，最后統(tǒng)計(jì)各負(fù)荷點(diǎn)的可靠性指標(biāo)，每個(gè)負(fù)荷點(diǎn)每次模擬產(chǎn)生的可靠性指標(biāo)可用于評(píng)估SAIFI和SAIDI等各項(xiàng)系統(tǒng)指標(biāo)。

3.3 算例分析

運(yùn)用MC方法對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行模擬，針對(duì)分布式光伏電源接入電網(wǎng)前后對(duì)系統(tǒng)可靠性水平的影響，根據(jù)圖2設(shè)計(jì)兩種計(jì)算方案：

1）放射狀電網(wǎng)，無(wú)分布式光伏電源接入電網(wǎng)，分支線加熔斷器，線路分段，自動(dòng)隔離故障。

圖3 蒙特卡羅方法算例流程圖

2）分布式光伏電源接入電網(wǎng)，分支線加熔斷器，線路分段，自動(dòng)隔離故障。

在兩種方案下對(duì)負(fù)荷點(diǎn)可靠性指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 分布式電源并網(wǎng)前后負(fù)荷點(diǎn)可靠性指標(biāo)分析比較

由表1光伏電源并網(wǎng)前后負(fù)荷點(diǎn)可靠性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果可知，并網(wǎng)前后，負(fù)荷點(diǎn)的平均停電時(shí)間與故障率均相應(yīng)的減小，且并網(wǎng)點(diǎn)上游的每個(gè)負(fù)荷點(diǎn)可靠性指標(biāo)改善成效與并網(wǎng)點(diǎn)間距離成反比，其中，指標(biāo)計(jì)算改善程度較大的是并網(wǎng)點(diǎn)相同線路上的其他負(fù)荷點(diǎn)。負(fù)荷點(diǎn)可靠性水平能有較大提升[4]。

通過計(jì)算分布式光伏電源接入電網(wǎng)前后的負(fù)荷點(diǎn)可靠性指標(biāo)，負(fù)荷點(diǎn)的故障率和年平均停電時(shí)間相應(yīng)的減小，且光伏電源上游的各個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的可靠性指標(biāo)改善程度隨著它與光伏電源接入點(diǎn)間距離的增大而減小，其中獲得改善程度最大的是與光伏電源所接線路段相同的負(fù)荷點(diǎn)，使其負(fù)荷點(diǎn)可靠性指標(biāo)獲得了較大的改善，從而提高了負(fù)荷點(diǎn)的可靠性水平。

對(duì)分布式光伏電源并網(wǎng)電網(wǎng)前后各線路模擬的故障次數(shù)與故障率進(jìn)行了比較分析。比較結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 各線路模擬故障次數(shù)比較

圖5 各線路模擬故障率比較

由圖4、圖5模擬結(jié)果可知，當(dāng)分布式光伏電源并網(wǎng)后，電網(wǎng)對(duì)各負(fù)荷點(diǎn)用戶供電將會(huì)使系統(tǒng)線路故障次數(shù)與故障率均得到較大降低與改善，各負(fù)荷點(diǎn)的故障時(shí)間也會(huì)大大縮短。

如表3所示，光伏電源并網(wǎng)前后的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)分析對(duì)比。

表3 分布式電源并網(wǎng)前后系統(tǒng)可靠性指標(biāo)分析比較

由上述仿真結(jié)果可得，SAIFI、SAIDI、CAIDI指標(biāo)會(huì)隨負(fù)荷用戶的停電次數(shù)與用戶停電持續(xù)時(shí)間的減小而減??；由于故障率與停電次數(shù)的減小，系統(tǒng)可靠供電的時(shí)間必然增長(zhǎng)，因此，ASAI指標(biāo)計(jì)算結(jié)果會(huì)相應(yīng)提升；系統(tǒng)可靠供電時(shí)間的增長(zhǎng)使得供電電量增大，則系統(tǒng)總的電量不足指標(biāo)ENS會(huì)相應(yīng)的減小，AENS指標(biāo)也會(huì)相應(yīng)的減小，系統(tǒng)可靠性指標(biāo)得到了較大的改善。因此，因此，相比于無(wú)分布式光伏電源接入的電網(wǎng)，系統(tǒng)的可靠性水平有了較大的提高。

4 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)分布式光伏電源并網(wǎng)后的可靠性指標(biāo)計(jì)算、評(píng)估以及綜合分析的基礎(chǔ)上，可以得到以下結(jié)論：電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性水平在接入光伏電源后有了較大的改善。在電網(wǎng)線路參數(shù)設(shè)置和保護(hù)不變的情況下，光伏電源并網(wǎng)降低了負(fù)荷點(diǎn)處的故障率和平均停電時(shí)間，延長(zhǎng)了系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷點(diǎn)處用戶的可靠供電時(shí)間，負(fù)荷點(diǎn)處的可靠性指標(biāo)與系統(tǒng)可靠性指標(biāo)均得到不同程度的改善，從而提高了電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性水平。