含间歇式分布电源配电网的可靠性评估

2011-09-04黄华叶萌

综合智慧能源 2011年9期

黄华，叶萌

(1.湖北省仙桃供电公司，湖北仙桃 433000;2.广东电网公司广州供电局，广东广州 510620)

0 引言

智能电网是现代电网的发展方向，它要求未来的配电网能够自由接纳分布式电源，大量的分布式电源(DG)接入配电网，将给配电网的规划及运行带来挑战。DG具有的分散、随机变动等特性，将对配电系统的安全、稳定运行产生较大的影响，如电力损耗、电压稳定、电能质量、继电保护和供电可靠性等［1－3］。

DG的接入使得系统在发生故障时，DG仍可以向其所在孤岛内的负荷供电，从而减少用户停电时间，通常能改善负荷点和系统的可靠性指标。很显然，孤岛形成的概率在一定程度上影响着供电可靠性的提高。然而风力发电等DG机组所需的能源具有间歇性和波动性，输出功率具有随机性，此类DG不一定能够改善配电网的可靠性。因此，评估不同类型DG对配电网可靠性的影响是一个亟待解决的问题。

1 分布式发电

1.1 分布式发电的定义及特点

分布式发电是一种新兴的高效、环保的发电技术，是为了满足一些特殊用户的需求，支持已有配电网经济运行而设计和安装在用户处或其附近的小型发电机组(一般小于30MW)，在配电系统并网引入DG后，使得配电系统或因坐落在用户附近使负荷的供电可靠性及电能质量都得到增强，或因就地应用热电联产使效率得到提高的发电形式。

位置和容量合理的DG有利于减少新的输电走廊和提高电力系统的供电可靠性，可在节能、环保、投资、电力安全、满足用户多样化需求及开辟可再生能源利用新方式等方面发挥较大作用。

1.2 DG的并网模式

从目前国内、外研究的基础上看，分布式电源并网概括起来主要有3种模式［4］。

(1)DG作为配电网的备用电源。当配电系统故障中断供电时，DG启动，通过开关操作，将负荷转移到DG继续供电。在这种情况下，只要DG协调合理，可以提高配电网的可靠性。但这种供电经济性差，除非为了满足特殊重要负荷需要，否则经济性与可靠性难以协调。

(2)配电网作为DG的后备电源。在这种并网模式下，当分布式电源发电量超过所供给的负荷时，多余电量注入配电网中;当DG所发电量不足以满足负荷需求时，不足部分由配电网补充，用户的用电质量得到改善。这样可以使DG始终运行在一个比较经济的工况下，充分考虑了投资者的利益，但对配电网的可靠性却没有帮助。

(3)DG并网运行。DG并网运行时，配电网从一个辐射状的无源网络变为遍布中小型电源的有源网络，这对可靠性的影响既有积极的一面，也有消极的一面，如果控制不好可能使配电网可靠性水平下降，反之可能提高配电网的可靠性。

DG并网运行后，配电网供电可靠性的评估需要考虑新出现的影响因素，如孤岛的出现和分布式电源输出功率的随机性等。在本文算例中，DG接入配电网的方式即为此种方式。

2 DG的可靠性模型

由于各种分布式电源输出功率的特性不同，因此，不同类型的DG应采用不同的可靠性模型。本文将分布式电源的可靠性模型分为2类。

(1)常规发电机。对于常规发电机来说，可用2个状态模型来表示。

1)故障状态:发电机输出功率为零，该状态的概率为发电机的故障率λ;

2)正常状态:发电机的输出功率接近于额定功率，该状态的概率为1－λ。状态模型如图1所示。

图1 常规发电机2个状态模型

(2)间歇性可再生能源发电机(IDG)。IDG的输出功率特性与传统发电机很不相同，在很大程度上取决于可再生资源的特性和发电机的特性参数。这种模型主要考虑以风能和太阳能为动力的DG。由于这种动力资源受天气和气候影响较大，输出功率随机性很大。

本文将这种分布式电源的可靠性模型等效成一个有多容量状态的发电机模型，状态模型如图2所示。

图2 IDG的可靠性模型

在这种情况下，IDG只能满足孤岛内不超过其输出功率的那部分负荷，需要考虑它保持孤岛持续供电的概率问题。

3 孤岛的划分

在配电网发生故障的情况下，含DG的配电系统中可形成局部电力孤岛，减少失电范围及停电时间。由于系统结构变化，用户可能失去电能，也可能通过DG恢复供电。然而，由于DG输出功率的限制，DG不一定能满足孤岛范围内所有负荷点的供电需求。

在配电网发生故障后，应对比DG的输出功率与孤岛内总负荷的大小。当DG输出功率大于孤岛内总负荷量时，采取一定的自动控制措施和调整手段调整DG的出力;当DG输出功率小于孤岛内总负荷量时，则需采用负荷削减策略切除多余的负荷，以确保所形成孤岛内的功率平衡和静态稳定，保证岛内稳定运行，使DG带部分负荷进入孤岛运行。本文主要讨论当DG输出功率小于孤岛内总负荷量时的削减策略问题。

所谓的负荷削减策略就是先决定通过DG恢复用户负荷的区域以及这些区域恢复供电的顺序。

为了表述当故障发生后系统的结构和连接状态，采用参考文献［5］提出的关联矩阵Bijk。Bijk表示在最小分区j故障的情况下，最小分区i内负荷点是否能够连接第k个DG。同时，该关联矩阵可以表示DG对每个负荷点恢复供电的次序。对给定的网络，该关联矩阵是唯一确定的，在仿真计算中不用再反复更新。下面以图3为例来说明关联矩阵Bijk如何定义。

图3 馈线孤岛的形成

关联矩阵中B541=2表示在最小分区4故障的情况下，最小分区5可以在最小分区6故障后由DG恢复供电。

可见，关联矩阵可以表示故障后各个负荷点的优先级，在IDG的输出功率不能完全满足孤岛内所有负荷时，可根据该关联矩阵所确定的负荷优先级来逐个恢复孤岛内受故障影响的负荷点的供电。

4 含间歇式分布电源配电网的可靠性评估

4.1 可靠性评估算法

4.2 孤岛划分

首先形成配电网相应的关联矩阵，故障发生后，根据关联矩阵确定孤岛的划分，确定受故障影响的负荷点的停电时间和失电量。

4.3 指标计算

对于IDG的多状态模型的处理，采用IDG输出功率概率的方法来处理，即故障率和年平均停电时间折算公式为

式中:λD，γD为DG的故障率和故障平均停电持续时间; λS，k，γS，k为第 k 段主馈线的故障率和故障平均停电持续时间;ND为DG和负荷点两者前面的主馈线段数量;m，Pj为IDG的多容量状态数和IDG在第j个容量状态下的概率。

应用上述方法可以求得负荷点等值故障率和故障停电持续时间，进而可求得含分布式电源的配电网供电的可靠性指标。

5 算例

以IEEE－RBTS Bus 6系统主馈线F4为基础，在馈线末端接入DG，各设备原始数据采用参考文献［6］中的指标。为了对比分析，本文采用以下4种方案:

(1)方案1:假设不考虑DG的作用。

有递减规律的三种情况：一是区块产量有明显规律，直接拟合递减率；二是区块产量没有明显递减规律，但平均单井产量有明显递减规律的取平均单井产量递减率；三是与开发历史背景及开发方式结合，分阶段、分构成、分开发方式拟合递减规律。

(2)方案2:在馈线末端安装发电总功率为1000 kW的多台微型燃气轮机。

(3)方案3:在馈线末端加装20台风力发电机。风机参数如下:切入风速，2.5 m/s;切除风速，25.0 m/s;额定风速，14.0 m/s;额定输出功率，0.5 MW。

(4)方案4:在馈线末端加装风力/光伏混合发电系统，包括10台风机和20个光伏电池组(与10台风机容量等值)。

采用上述模型和算法，计算出各负荷点可靠性指标及系统可靠性指标。系统可靠性指标见表1，表1中各量的含义:ISAIFI为系统平均停电频率指标，次/(户·年);ISAIDI为系统平均停电持续时间指标，h/(户·年);ICAIDI为用户平均停电持续时间指标，h/(户·年);IASAI为系统平均供电可用率指标;IENSI为系统电量不足指标。

表1 系统可靠性指标

5.1 方案1与方案2

关键点:在馈线末端加入20台DG。

方案2在方案1的基础上考虑了DG对负荷点及系统可靠性的影响，由于考虑了DG的孤岛效应，可靠性指标均发生变化。

由于方案2加入了DG，在可靠性分析时必须考虑DG自身故障率的影响，但本文采用的DG通过断路器接入配电网，当DG故障时断路器可动作隔离故障，因此，DG自身故障率并不影响负荷点的故障率。

对比加入DG前后配电系统的可靠性指标发现，DG的接入显著缩短了部分负荷点的年平均停电时间和失电量，说明DG的接入能够提高配电系统的可靠性。

5.2 方案3与方案4

关键点:不同类型的DG。

方案4与方案3相比，把10台WDG换成光伏电池，形成风力/光伏混合发电系统。主要考虑了以风力为动力的这类分布式电源输出功率的随机性、气候因素以及可修复资源因素对元件可靠性参数的影响，使配电系统的可靠性评估更为接近实际情况。

从结果可以看出，在同一个配电系统中加入2个相同容量而不同类型的DG，可靠性指标发生了明显变化。方案4可靠性指标均会不同程度地减小，可靠性升高。这主要是因为:在一般情况下，若风力不足则光照充足，反之则光照强度不足。换言之，风电/光伏混合发电系统输出功率的波动性相对较小，而相对稳定的输出功率显然能更好地与孤岛内负荷需求匹配，即形成孤岛的概率和范围较大。因此，与单一的风电比较，风电/光伏混合发电系统对系统供电可靠性的改善更为显著。