储能电站接入配电网的可靠性评估

冯明灿，邢洁，方陈，王承民，衣涛，谢宁（．上海交通大学，上海0040；．上海电力设计院有限公司，上海0005；．国网上海市电力公司电力科学研究院，上海0047）

储能电站接入配电网的可靠性评估

冯明灿1，邢洁2，方陈3，王承民1，衣涛1，谢宁1
（1．上海交通大学，上海200240；2．上海电力设计院有限公司，上海200025；3．国网上海市电力公司电力科学研究院，上海200437）

大量分布式电源的接入，有利于清洁能源的合理利用，但是其间歇性和波动性给电网造成的功率冲击严重威胁电网的安全稳定运行。为了平衡风电光伏等分布式电源对电网的冲击，在配电网接入储能装置是一种十分有效的措施。通过可靠性分析的方法，分别计算接入点不同和接入容量不同的储能电站对配电网供电可靠性指标的影响。并以某地区的实例来评估储能电站接入对配电网可靠性的影响。

储能电站；智能配电网；供电可靠性

随着新能源发电的迅速发展，风电以及光伏发电并网越来越多。大量分布式电源的并网发电促进了清洁能源的合理利用，但是这些电源的间歇性和波动性对电网产生的冲击对电网安全稳定运行造战灵活的四象限调节能力，在电力调峰方面广泛应用，同时它还可以有效地跟踪多种电气量的波动[1-2]。为了更好地平抑分布式电源产生的电网功率波动，储能电站的接入是一个理想的解决方法。

近几年储能技术备受关注，其突出优势在于能够有效解决大规模可再生能源发电接入电网引起的功率波动[3]。储能电站有充电和放电两种工作模式，既可以作为负荷消耗电能，也可以作为电源为电网提供电能。因此，非常适合作为电网中的缓冲环节，平衡分布式发电带来的电网功率波动。储能技术实现了发电、用电在时间上和空间上的分离，发电量不需要与负荷用电量实时平衡，负荷波动带来的电量波动可以由储能设备进行调节，这将促进电网的结构形态、规划设计、调度管理、运行控制以及使用方式等发生根本性变革[4-7]。

目前，储能设备接入对配电网可靠性影响的研究相对较少。文献[8]提出的风电场可靠性概率评估模型考虑了电池储能的影响，其可靠性指标的计算结合离散的风速威布尔分布，但没有把储能本身对系统运行的限制考虑在内，提出的模型相对简化。文献[9]综合了储能设备自身的特性，例如故障率，容量限制以及充放电速率等，通过解析法对含有风电机组和储能设备的电力系统进行可靠性评估，分析论证了储能设备对提高风电场可靠性的有利作用，但没有对不同类型储能设备充放电过程差异造成的系统可靠性水平高低进行分析[10]。

本文通过对储能电站接入配电网的位置不同和容量不同进行可靠性指标的分析，研究储能电站接入对配电网供电可靠性的影响。

1　电网可靠性分析方法

供电可靠性是指供电系统持续供电的能力，以及供电系统对于维持有效供电的保持能力，是考核供电系统电能质量的重要指标，反映了电力工业对国民经济电能需求的满足程度，已经成为衡量一个国家经济发达程度的标准之一。可靠性评估常采用的两种基本方法：一种是解析法；另一种是模拟法。

解析法可以采用严格的数学模型和算法，因而解析法在系统组合故障数目比较少时较有效。即当元件故障比较少但有重大影响，且元件数目不太多时，解析法可以充分发挥其物理概念清楚、模型准确的优点，计算准确，结果理想。但随着元件数的增多，计算量呈指数增长，当系统规模大到一定程度时，采用此方法有一定的困难。因此，有许多学者提出了基于减少计算量的改进算法。在电力系统可靠性评估中，解析法发展得已经比较成熟了。解析法在美、加、英等国的应用比较广泛。

解析法可分为网络法、状态空间法、故障树法，本文主要采用网络法。

网络法是建立在逻辑网络基础上的一种分析方法，是分析系统可靠性的一种最常用的分析方法。它可分析不可修复系统的可靠性，在一定条件下，也可用来分析可修复系统的可靠性[5]。

如果一个系统满足以下特点：

1）系统中每个元件只有两种状态：工作或失效。

2）由元件构成的系统本身也假定只有两种工作状态：工作或失效。

3）如果全部元件都工作，系统即工作。

4）如果全部元件都失效，系统即失效。

5）在一个已经失效的系统中，再有一个元件失效也不能使系统恢复工作；在一个工作的系统中再修复一个元件也不会造成系统失效。

满足这样5个条件的系统称为单调结构系统，若系统是单调结构，而且每个元件是有关的，则称为关联系统，单调结构的系统可用逻辑图表示，可用网络法估计系统的可靠性。

网络法的特点是比较简单，但是应用网络法时，建立起逻辑框图是不容易的，如果元件的故障是不独立的，那么建立逻辑图就更加复杂。

2　储能电站接入配电网的可靠性评价指标体系

储能电站的工作方式分为充电状态和放电状态，处于充电状态时，储能电站相当于负荷，处于放电状态时，相当于电源。为评价储能电站在不同集电系统结构下的可靠性，基于期望值指标、频率性指标、持续时间性指标提出以下储能电站可靠性评估指标。

2.1储能电量损失期望值（Energy Storage Energy Loss Expectation）

式中：λi为第i个元件的故障率，次/a；Di为第i个元件故障时导致的经历故障的储能电池组的故障持续时间，h；Pi为第i个元件故障时故障储能电池组的损失功率，MW，m为系统元件的总数，ESELE指标为储能电站的总能量损失值，MW·h/a。

2.2储能平均故障频率指数（Energy Storage Average Fanlt Frequeney Index）

式中：λi为第i个元件的故障率，次/a；Si为由于元件i故障导致经历故障的储能电池组数量；n为储能电池组总数；m为储能电站的元件总数；ESAFFI指标为储能电站中每组储能电池组的平均故障次数，次/a。

2.3储能平均故障持续时间指数（Energy Storage Average Fault Duration Index）

式中：λi为第i个元件的故障率，次/a；Di为第i个 元件故障时导致经历故障的储能电池组的故障持续时间，h；dij为由于元件i故障导致储能电池组j的故障持续时间，h，j=1，2，…，S；S为由于元件i故障导致经历故障的储能电池组数量；n为储能电池组总数；m为储能电站的元件总数；ESAFDI指标表示储能电站中每组储能电池组的平均故障持续时间，h/a。

2.4故障储能平均故障持续时间指数（Faulted Energy Storage Average Fault Duration Index）

FESAFDI指标表示储能电站中经历了故障的储能电池组的平均故障时间（h/a）。

2.5平均储能可用率指数（Average Energy Storage Availability Index）

式中：AESAI指标为储能电站的可用率，该可用率指所有储能电池组都处于正常工作状态的概率。

2.6平均储能不可用率指数（Average Energy Storage Unavailability Index）

式中：AESUI指标为储能电站的不可用率，指有任一储能电池组不处在正常工作状态的概率。

2.7平均储能故障频率指数（Average Energy Storage Fault Frequency Index）

式中：λi为第i个元件的故障率（次/a）；Pi为由于元件i故障导致储能电池组损失的总功率；m为储能电站元件总数；c为储能电站的总额定功率；AESFFI指标为储能电站中储能电池组的故障次数（次/a）。

2.8平均储能故障持续时间指数（Average Energy Storage Fault Duration Index）

式中：λi为第i个元件的故障率，次/a；Ei为由于元件i故障导致储能电池组损失的总能量；dij为由于元件i故障导致储能电池组j的故障持续时间，h，j=1，2，…，Si；Si为由于元件i故障导致经历故障的储能电池组数量；pij为由于元件i故障导致储能电池组j的功率损失；m为储能电站元件总数；C为储能电站的总额定功率；AESFDI指标为储能电站中储能电池组的故障持续时间，h/a。

3　仿真计算

以某区域的一条配电线路进行分析：该条线路有62个配变，最长供电半径达到4 km；10 kV线路采用电缆与架空混合接线，其中母线出线端多以电缆为主；10 kV架空线主干线的截面积为铝芯240 mm2、185 mm2、150 mm2；10 kV电缆线路主干线的截面积为400 mm2、240 mm2。供电面积较大，节点较多，有两块重负荷区域，方便对不同储能装置接入方案对可靠性的影响分析。

该线路正常运行的靠近电源点的首端节点电压为10.1 kV，其中在末端重负荷区域的节点电压为8.282 kV；网损为1.952 MW，供电可靠性指标为99.959 5%。具体数据见表1。

表1　电网正常运行数据Tab.1Normal operation data of the power grid

在该线路装置容量为5 MW的储能设备，分别安装在3个区域，其中靠近电源附近选择2和3节点，中间区域选择4、5、20和22节点，重负荷区域选择23、24和25节点。分析相同容量的储能装置安装在不同接入点对系统供电可靠性的影响，结果如表2所示。

表2　储能装置接入不同节点的供电可靠性指标Tab.2Power supply reliability index of the energy storage devices connected to different nodes

图1　储能装置接入不同节点的供电可靠性指标曲线图Fig.1The curve of power supply reliability index of the energy storage devices connected to different nodes

在不同节点装置相同容量的储能设备，得出的供电可靠性指标可以看出，安装相同容量储能装置，在重负荷区域，提升供电可靠性最明显；在中间区域次之；靠近电源点附近，供电可靠性提升效果较小。

在同一个节点接入不同容量的储能装置，分析接入不同容量的储能装置对供电可靠性的影响。

表3　接入不同容量储能装置的供电可靠性指标Tab.3Power supply reliability index of the energy storage devices of different capacities connected

图2　接入不同容量储能装置的供电可靠性指标曲线图Fig.2The curve of the power supply reliability index of the energy storage devices of different capacities connected

由同一节点接入不同容量得到的可靠性指标数据和曲线图，可以得出：各个节点安装储能装置都可以提升供电可靠性指标，在接入容量6 MW的储能装置就基本达到饱和状态，随着容量的进一步增大，供电可靠性提升的效果可以忽略不计。

4　结论

储能电站对平衡电网功率波动有很大作用，从本文的研究可以得出，其接入配电网总体上来说对配电网的供电可靠性无疑是有提高的，但提高的程度随接入位置和接入容量而不同。从储能电站接入配电网可靠性的仿真计算可以看出，接入地点负荷越重，配电网可靠性提高幅度越大；在接入容量未达到饱和容量时，接入容量越大，供电可靠性越高。因此，在实际运行时，为了使接入储能电站后配电网的可靠性最大化，接入点应尽量选取重负荷区域，接入容量为饱和容量。

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[7]国家电网公司“电网新技术前景研究”项目咨询组，王松岑，来小康，程时杰.大规模储能技术在电力系统中的应用前景分析[J].电力系统自动化，2013（1）:3-8，30. Consulting grope of state grid cooperation of China to prospect for application of large-scale energy storage technology in power system[J].Automation of Electric Power System，2013（1）:3-8，30（in Chinese）.

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（编辑徐花荣）

The Reliability Evaluation of Distribution Network Accessing the Storage Power Station

FENG Mingcan1，XING Jie2，FANG Chen3，WANG Chengmin1，YI Tao1，XIE Ning1
（1.Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China；2.Shanghai Electric Power Design Institute Company Limited，Shanghai 200025，China；3.Electric Power Research Institute of State Grid Shanghai Electric Power Company，Shanghai 200437，China）

The access to a large amount of distributed power supply is conductive to the rational use of clean energy，but the intermittency and volatility of the distributed power supply impose serious power impacts on the safe and stable operation of the power grid.To balance the power surges of wind power and photovoltaic power and other distributed power on the grid，connecting the energy storage in the distribution network becomes a very effective measure.Based on the reliability analysis method，this paper calculates the impact of energy storage power stations with different access points and different capacities on the reliability index of the distribution network.The actual example in a certain area is used to assess the impact of the access of the energy storage power station on the reliability of the distribution network.

storage power station；smart distribution network；power supply reliability

1674-3814（2015）06-0093-04

TM732

A

国家自然科学基金青年科学基金项目（51307108）。

Project Supported by National Natural Science Foundation Youth Science Fund（51307108）.

2015-03-01。

冯明灿（1990—），女，硕士研究生，研究方向为电力系统可靠性。