朱東垣，孫一飛，田有文

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110866)

1 引言

現(xiàn)階段，隨著各類輕重工業(yè)及化工產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，環(huán)境污染問題變得越來越嚴(yán)峻，各類能源及環(huán)保問題備受關(guān)注。利用風(fēng)能、太陽能等自然能源進行發(fā)電是目前節(jié)能環(huán)保的主要措施之一，儲能類的光伏發(fā)電站作為實施的重要設(shè)備，對其并網(wǎng)運行可靠性分析也成為光伏發(fā)電領(lǐng)域的研究熱點和重點。如果并網(wǎng)發(fā)電中的電壓、頻率以及相位保持不一致，出現(xiàn)了偏差，就會導(dǎo)致發(fā)電終止，因此，對這三個參數(shù)進行計算、明確其相互聯(lián)系的可靠性，才能保證電能可以源源不斷地輸送，確保電站運作穩(wěn)定及安全。

本文通過分析含儲能光伏電站在并網(wǎng)時狀態(tài)、直交電流以及母線電壓等各項指標(biāo)的運行特點，計算在缺電和電容量不足期間電站隨頻率、電壓而變化的停運概率。隨后推導(dǎo)計算在停運概率最高和最低時，電站發(fā)電頻率和電壓的上下限值，通過該值準(zhǔn)確判定在各狀態(tài)期間下電網(wǎng)運行的可靠性。實驗證明，所提可靠性分析算法，可在最大程度上減少電站設(shè)備損耗、增強穩(wěn)定性和使用壽命，并對電力數(shù)據(jù)具有較高的敏感性，整體分析過程直觀簡單，參數(shù)清晰準(zhǔn)確，對電力產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有一定的參考意義。

2 含儲能光伏電站并網(wǎng)運行特性分析

一般情況下，含儲能光伏發(fā)電站在并網(wǎng)運行時，都需要進行電流交互[1]，即讓電站中的直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能。計算交互時所產(chǎn)生的電流、電壓、電容量[2]以及輸出頻率[3]等參數(shù)，是后續(xù)對并網(wǎng)停運可靠性分析的前提和基礎(chǔ)，可提高分析的準(zhǔn)確性，減少關(guān)鍵參數(shù)的計算誤差，直交電流轉(zhuǎn)換矩陣為

(1)

(2)

式中，Ude表示并網(wǎng)電站中直流電路的母線電壓，也是整體總線的電壓[5]。從式(1)和式(2)可以得出，光伏電站并網(wǎng)直交電流的輸出電壓，是由電站母線電壓和實時狀態(tài)電壓共同決定的。所以，在進行可靠性分析時，需要考慮電站并網(wǎng)時的運行電壓，適當(dāng)結(jié)合并網(wǎng)輸出的頻率和負(fù)荷量，這樣才能實現(xiàn)統(tǒng)一化分析。同時光伏電站在并網(wǎng)過程中，由于外界不可抗力因素的影響，會出現(xiàn)各種電流諧波及噪聲，干擾電壓、頻率以及運行狀態(tài)矢量的判定。此時，就需要保證參數(shù)協(xié)調(diào)配合性，才能提高并網(wǎng)可靠性分析的效率。

3 可靠性評估指標(biāo)

含儲能光伏電站并網(wǎng)運行可靠性評估指標(biāo)的作用，主要就是用于反映電站在不同情況下，電力運行及供應(yīng)的情況。所以，本文將以電站在斷電期間、電容量不足期間頻率、電壓以及承載負(fù)荷的變化作為評估指標(biāo)，計算電站停運的概率[6]，以此準(zhǔn)確判定含儲能光伏電站并網(wǎng)運行的可靠性。評估指標(biāo)的具體設(shè)置步驟如下：

1)斷電期間的頻率、電壓評估指標(biāo)。初始定義為電站在斷電期間，頻率和電壓是否能滿足既定的負(fù)荷要求，計算負(fù)荷所需的小時和天數(shù)期望值[7]，具體表達公式為

(3)

式中，LOLE表示電站在斷電期間的指標(biāo)期望值；Pi表示當(dāng)電站處于i狀態(tài)時的頻率不足概率；Ui表示當(dāng)電站處于i狀態(tài)時的電壓不足概率；i∈S*表示在給定時間內(nèi)，電站能不能滿足負(fù)荷需求的狀態(tài)數(shù)據(jù)集。

2)電容量不足期間的頻率、電壓以及承載負(fù)荷評估指標(biāo)。定義電站在該期間內(nèi)會發(fā)生電容量不足現(xiàn)象，在此基礎(chǔ)上，頻率和電壓可能損失的期望值，表達公式為

(4)

式中，LOLE表示電站在電容量不足期間的指標(biāo)期望值；i∈kW·h/a表示時間和運行負(fù)荷的乘積；Ci表示當(dāng)電站處于i狀態(tài)時的總體負(fù)荷損失。

3)將上述過程建立的可靠性評估指標(biāo)集進行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，根據(jù)各指標(biāo)的量化分量[8]，對分布較為混亂、數(shù)據(jù)異構(gòu)特性等不同類型的指標(biāo)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，減少可靠性分析的誤差性。首先，建立分析數(shù)據(jù)與指標(biāo)一一對應(yīng)的分布函數(shù)，在函數(shù)中提取符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，不符合高斯正態(tài)分布的數(shù)據(jù)變化，運用標(biāo)準(zhǔn)化公式擬合轉(zhuǎn)化，公式為

(5)

4 基于頻率、電壓的光伏電站并網(wǎng)運行停運概率計算

根據(jù)上述建立的電站在斷電期間、電容量不足期間頻率、電壓以及承載負(fù)荷變化的評估指標(biāo)集，作為可靠性分析基礎(chǔ)，計算電站并網(wǎng)運行停運的概率，實現(xiàn)可靠性分析的準(zhǔn)確判定。

當(dāng)光伏電站并網(wǎng)運行時，頻率和電壓都會發(fā)生大幅度的變化，升高或降低至一個額定的保護值。此時電站的自動保護裝置[9]就會啟動，對電路進行低壓、高壓、高周以及低周[10，11]的保護操作，減少電站損耗。在進行停運概率計算時，需要將這些因素都考慮在內(nèi)，才能保證可靠性分析的準(zhǔn)確性，具體操作步驟如下：

(6)

2)當(dāng)電站發(fā)電機因并網(wǎng)，導(dǎo)致頻率過高超越極限值時，此時發(fā)電機的停運概率F(FG)為1，表達式如下

(7)

式中，F(xiàn)G，max表示停運概率的最大值；FG，min表示停運概率的最小值。

3)當(dāng)電網(wǎng)發(fā)電機的運行頻率處于正常值和極限值范圍內(nèi)時，此時電站停運的頻率就會逐漸趨于極限值，運用直線擬合法對此概率F(FG)進行計算，具體表達公式為

(8)

根據(jù)以上假設(shè)算法，可得出含儲能光伏電站并網(wǎng)停運概率隨頻率變化曲線，如下圖1所示。

圖1 電站停運概率隨頻率變化曲線

通過上述過程原理推導(dǎo)計算停運概率F(F/UG)隨電壓UG的變化，具體表達公式如下所示

(9)

(10)

(11)

圖2 電站停運概率隨電壓變化曲線

5 仿真研究

5.1 實驗設(shè)置

本文將以某光伏發(fā)電站并網(wǎng)系統(tǒng)作為主要的仿真環(huán)境，其中，并網(wǎng)系統(tǒng)中共包含5臺儲能電機、5臺光伏發(fā)電機、37個監(jiān)測節(jié)點、10條母線電路和5條總線電路，并且該系統(tǒng)已經(jīng)連續(xù)運行15年，具體布局如圖3所示。

圖3 光伏發(fā)電站并網(wǎng)系統(tǒng)示意圖

本次實驗一共給出三種測試情況：一是儲能發(fā)電機組在進行并網(wǎng)時，停運概率的變化情況；二是光伏發(fā)電機組在進行并網(wǎng)時，停運概率的變化情況；三是發(fā)電站在出現(xiàn)電路故障時，供電可用率的變化情況。其中，停運概率可作為可靠性分析的一個量化數(shù)值，其數(shù)值越高，表示電站驟停、運作中斷幾率越大，并網(wǎng)運行可靠性越低；反之停運概率越低，就表示電站驟停、運作中斷幾率越小，并網(wǎng)運行可靠性越高。供電可用率作為電站運行的基本指標(biāo)，其數(shù)值越高表示電站可利用能源量越高，可靠性越強；反之則越差。第三種情況的電路故障參數(shù)如下表1所示。

表1 含儲能光伏電站模擬電路故障參數(shù)

5.2 并網(wǎng)停運概率計算結(jié)果分析

下圖4和圖5為發(fā)電站隨頻率和電壓變化下的停運概率分析結(jié)果。

圖4 儲能發(fā)電機組并網(wǎng)時停運概率分析結(jié)果

圖5 光伏發(fā)電組并網(wǎng)時停運概率分析結(jié)果

從圖4中可以看出，隨著電站負(fù)荷量的不斷上升，儲能發(fā)電機組的停運概率也在不斷升高，說明該光伏發(fā)電站的承載能力不強、強負(fù)荷能力較差、可靠性不強。判定其在近幾年內(nèi)可能會發(fā)生故障導(dǎo)致設(shè)備停運，需及時進行報修維護處理。將本文分析結(jié)果與實驗預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)相比，符合電站已連續(xù)運行15年的前提條件，整體電路老化嚴(yán)重，故障發(fā)生率較高。這說明本文的分析算法準(zhǔn)確率較高，與實際情況相匹配。

從圖5中可以看出，光伏發(fā)電組的停運情況與儲能發(fā)電較為相似，都是隨著承載負(fù)荷的不斷增加停運概率越來越高。但是從圖中可以看出，在負(fù)荷量增長到80時，停運概率變化幅度降低，逐漸趨于一個穩(wěn)定值。這是因為，光伏發(fā)電組屬于發(fā)電站中的最為重要的電力設(shè)備，主要將采集的光源轉(zhuǎn)換為電能在進行輸送。所以為了保證電力系統(tǒng)的安全，此類電機一般會設(shè)立自動停機保護設(shè)備，一旦發(fā)現(xiàn)負(fù)荷量或電壓、電功率超過了既定值，就會自動停機保證線路安全。

5.3 電網(wǎng)運行可靠性分析

由于發(fā)電機出現(xiàn)電路故障時的可靠性比正常運行狀態(tài)下要低，數(shù)值一般為0，一般方法難于準(zhǔn)確表述。所以本文將通過電路故障模擬，主動控制故障程度，判定在各種程度下其內(nèi)部線路以及元件的供電可用率、運行頻率以及電壓，分析整個線路運行的可靠性，具體的實驗結(jié)果如下圖6所示。

圖6 各故障狀態(tài)下可靠性指標(biāo)

從圖6中可以看出，當(dāng)發(fā)電機出現(xiàn)電路故障時，發(fā)電站的電壓和運行頻率均在可承受范圍之內(nèi)。這是因為電路有一定的運行慣性和剩余能量，不會在短時間內(nèi)迅速停機。供電可用率的曲線在不斷下降，一旦電站的供電不足，就會借助剩余發(fā)電機供電出力，此時的整體負(fù)荷不斷上升停運可能性較大，可靠性水平較低。該分析結(jié)果符合實驗預(yù)設(shè)情況，說明本文可靠性分析算法正確率較高。

6 結(jié)論

本文針對含儲能光伏電站并網(wǎng)運行的狀態(tài)、電路電流及電壓進行了具體分析，計算各參數(shù)的矢量表達數(shù)據(jù)，并進行統(tǒng)一化管理，剔除干擾數(shù)據(jù)、減少后續(xù)可靠性分析的誤差。建立電站的缺電和電容量不足期間頻率和電壓的評估指標(biāo)集，將評估集標(biāo)準(zhǔn)化處理，使其符合正態(tài)分布，提高分析的準(zhǔn)確性。

最后，通過計算電站在并網(wǎng)運行的各期間內(nèi)停運概率的變化，得出停運概率高、電網(wǎng)運行可靠性低的結(jié)果。在保證實時性和計量性的基礎(chǔ)上，具體分析影響電站可靠性的原因，是下一步的研究方向。