含分布式电源的微电网系统可靠性评估综述

2020-02-24董彦宗

石家庄职业技术学院学报 2020年2期

董彦宗

(石家庄职业技术学院电气与电子工程系，河北石家庄 050081)

风电、光伏电池、燃料电池和微型燃气轮机等发电技术正逐渐成为电力系统的重要组成和补充，这种独立的中小型发电装置可以灵活地安装在用户侧，统称为分布式电源.分布式电源工作方式灵活，既可直接为用户供电，也可接入配电系统成为公共电网的一部分.当分布式电源接入公共电网后，电网结构将由辐射状的无源形式变成包含分布式电源和负荷的有源形式，潮流方向也具有双向性，而不是固定由变电站母线流向用电设备.分布式电源接入电网后会引起电压波动、频率变化等供电质量问题，这种电网结构的变化会使传统的各种电网的保护定值和机理发生改变，给电网的正常运行带来了许多问题.

在这种情况下，微电网的概念应运而生.微电网又称微网，是将分布式发电、电力电子、储能储热和可再生能源等先进技术有机结合并接入电网的技术，主要由分布式电源、储能储热装置、负荷和控制管理系统组成.微电网通常将一定范围内的分布式电源及负荷连接并接入到配电系统中，统一进行控制、管理和保护.微电网能够提高配电系统的控制灵活性，可根据反馈信息对接入其中的各个分布式电源进行实时控制管理.因此，对电网系统的运行和控制及可靠性的评估理论与方法也产生了较大的影响.本文将分析微电网的运行方式及接入公共电网对用户造成的影响，讨论含分布式电源的微电网配电系统的可靠性指标变化、可靠性评估现状及存在的问题，并研究和分析微电网可靠性评估的发展方向.

1 微电网特性及研究现状

1.1 微电网的特性

(1)运行方式灵活

微电网是有别于传统电网结构的独立配电系统，由分布式电源、负荷、储能储热装置和控制系统组合而成，按照供电范围可以划分为单元级、多单元级、馈线级和变电站级四种形式，联网模式和孤岛模式是微电网的常见运行方式.当微电网接入公共电网进行联网运行时，功率处于双向流动状态；当微电网从公共电网上切除进行孤岛运行时，通过隔离开关与电网分离，能避免电网中浪涌电流、电压骤降、频率偏移或其他人为故障等问题的干扰.微电网可实现孤岛模式与联网模式的无缝转换，减少或避免电网系统出现故障时对重要负荷造成影响[1-3]，因此，它既能实现功率的双向流动，又能独立运行，并保护重要负荷的供电可靠性.

(2)可大规模接入电网

分布式电源并联运行接入电网时，由于相位不能严格同步，因此会造成较大的环流和电压波动问题.引入多种先进智能控制技术，如储能技术、恒功率控制、下垂控制等[4]，在使分布式电源对公共电网运行造成的不良影响降到最低的同时，也使用户侧并联大量的分布式电源成为可能.微电网在孤岛运行时，可利用各种控制方法对网内分布式电源进行管理和控制，以保持电压和频率稳定，实现对重要负荷的连续供电.在大电网排除故障后，微电网重新由孤岛模式转变为联网模式，与公共电网共同为用户提供电能.

1.2 研究现状

微电网在利用风电、光伏发电等可再生能源方面具有很大的优势，目前已成为国内外电力行业的研究热点.国内多所科研机构及高等院校已针对微电网相关系统进行了大量研究，在运行方式、控制管理技术、稳定性分析、可靠性评估及电能质量保护等方面取得了一定的进展.但对含分布式电源的微电网接入配电系统的可靠性定量评估方面的研究进展较为缓慢，实质性的研究也不多，尤其是微电网自身的可靠性定量分析，负荷及电力元件的随机变化对微电网造成的影响，分布式电源及微电网对配电系统其他节点的影响，微电网的运行方式对配电系统整体可靠性的变化趋势等方面的研究较少.

由于接入微电网后配电系统的潮流方向会随负荷状态实时变化，逆潮流时需要重新设定相关保护措施，电压质量和功率调节的难度较大，这就对二次设备和通讯方式提出了新的要求，增加了系统的复杂性，因此，联网技术及协调控制策略需要进行进一步研究，以有效抑制功率波动，保证电网安全、稳定运行.

2 微电网配电系统可靠性评估

微电网的运行方式既灵活又多样，联网运行时会使配电系统可靠性评估的难度加大.为此，应把含微电网的配电网作为一个整体进行研究，在孤岛运行时可将微电网当作独立系统进行可靠性评估，并与配电网的数据进行综合考虑.文献[5]重点介绍了微电网标准IEEEP1547.4.文献[6]分析了微电网作为负荷和储能装置的工作特性，以及作为等值电源的间歇出力情况、孤岛运行状态、发电成本及效益，并提出了新的可靠性评估指标和计算方法.

传统配电系统是“环网设计，开环运行”的辐射状结构，接入微电网后其拓扑结构会发生改变.随着运行方式的变化，微电网的电流、功率可在单向流动和双向流动之间切换，这就增加了电网运行状态的不确定性.微电网中的分布式电源输出功率很大程度上受风力、光照强度、时间、环境温度等条件的影响，具有随机性，且与负荷需求无关，这些都会使含分布式电源的微电网配电系统的动态特性及稳态特性发生变化.需要注意的是，含微电网的新型配电系统可以看作是多个电源与多个负载相连接的电力网络，当出现馈线故障时，可通过解列运行独立出若干含微电网的孤岛电力网络，而不是像传统配电系统一样使馈线故障点后的所有负荷全部停电.由此可知，这种新型配电系统的可靠性评估从理论到实践都出现了较大变动，因此，如何定量评估、预测微电网对配电系统可靠性的影响是目前亟待解决的问题.

2.1 分布式电源建模及可靠性指标更新

分布式电源功率小，种类多，电源特性不尽相同，受外界条件约束较大，具有间歇性和随机性，并且分布式电源接入位置及运行方式灵活，与负载类型也有一定的关系，由此可见，针对分布式电源的建模是对微电网进行可靠性评估的重要基础和先决条件.另外，还需要在对每种状态具体分析的前提下，进行可靠性指标的更新.

文献[7]通过建立负荷与储能装置的协调优化模型，利用时序蒙特卡洛模拟法将模型应用于微电网可靠性评估方面，充分考虑了负荷及储能装置对微电网可靠性指标的影响，定义了新的负荷、储能装置及微电网整体的可靠性指标，并对其进行了定量评估.文献[8]提出了电网多重故障对配电系统可靠性的影响及相关分析计算方法，推导出了单次故障与多重故障发生概率之间的比值表达式，利用此式，能够针对不同系统规模及电力元件的年故障时间，得到不同的可靠性指标，使可靠性分析评估工作得到简化.文献[9]建立了多种分布式电源的等效模型及含有分布式电源的配电网孤岛划分的优化模型，提出了一种以数值处理和权重分配为核心的负荷模型准确性评估方法，认为影响含有分布式电源的微电网可靠性的重要指标有分布式电源的工作特性、负荷特性及保护装置的可用性等.文献[10-11]将微电网简化成等效网络，考虑分布式电源为一次能源而进行单独建模，并利用序贯蒙特卡罗仿真法对分布式电源的可靠性进行分析评估.这些文献绝大部分仅考虑分布式电源本身的可靠性问题，并未关注微电网在接入分布式电源后各个节点之间、负荷与整个公共电网之间的相互影响.

下一步的研究重点应集中在从整体层面上分析储能负荷、分布式电源、控制装置、保护设备接入微电网中以联网运行或孤岛运行方式在公共配电系统中的运行模型及可靠性评估指标.

2.2 分布式电源的孤岛划分

孤岛运行是分布式电源的重要运行状态.电网出现故障时，分布式电源可以从公共电网上断开并进入孤岛运行状态，此时对孤岛的划分需要综合考虑电源、负荷的随机变化量，以及并联在孤岛内部的控制设备及保护装置，情况较为复杂.目前，配电系统可靠性评估指标中并没有专门针对孤岛体系的评估标准及方法.

文献[12]根据重要程度对微电网中的各级负荷进行了划分,以最大等值有效负荷为目标函数,对微电网中含有分布式电源的孤岛进行了仿真建模,并通过最小路法对孤岛体系进行了可靠性评估.文献[10]和文献[13]分析了孤岛运行状态下的体系划分方式，推导出了孤岛形成概率的公式.文献[14]分析了光伏并网发电系统的孤岛效应现象，提出了主动式孤岛效应识别方法，即主动频率偏移法,并进行了系统的建模与仿真.文献[15]提出在孤岛运行状态下，微电网内部的潮流路径及方向并不唯一，提出应总结归纳多路径、多方向网络拓扑结构下的设计要点及控制方式.

从目前的大多数文献来看，现阶段的孤岛划分策略更加注重运行状态的过渡，以及孤岛模式下的微电网电量协调控制策略(重点在功率平衡方面)，并未对孤岛运行时的微电网进行整体研究评估，另外，由于孤岛运行模式和分布式电源的影响，微电网的可靠性指标也发生了变化，需要尽快制定相应标准.

2.3 微电网中电力元件和负荷的建模

配电系统中，各种电力元件与负荷的特性对可靠性评估有着重要的影响.传统而言，通常取电力元件的可靠性参数的相应期望值，将负荷大小定为平均负荷值或尖峰负荷值，这种处理方法有一定的局限性，在含有分布式电源的微电网中，电源的动态特性具有随机性，因此不能将确定的电力元件和负荷参数强加到微电网中，需要分析负荷参数和电力元件的不确定性.

文献[16]提出了一种基于可靠性分析的复合随机性负荷模型，它能够体现微电网中电力元件及随机负荷的动态指标.文献[17]利用可靠性指标的解析表达式高效精确地求取元件可靠性参数改变后的系统可靠性指标,得到了二者的函数曲线，找到了有效牵制系统可靠性的薄弱环节.文献[18]验证了电网参数的随机变化对配电系统可靠性指标的影响，应用区间计算法对RBTS-6母线配电系统进行了分析，计算了分布式电源在接入微电网前后及接入微电网不同节点位置对配电系统可靠性指标变化区间的影响，推断出了微电网以合理的方式接入公共电网中对可靠性指标起到的积极作用.文献[19]对某微电网一年的历史数据进行了汇总分析，统计了接入的分布式电源的实时功率及用户负荷的大小，绘制出了用户负荷曲线以进行微电网的可靠性分析，这是目前研究领域中少见的论证思路，但未能对各项数据进行实时分析，具有一定的局限性.

由此可知，传统研究多采用统计法，利用历史数据来预测负荷的随机波动情况，这在微电网配电系统中具有极大的局限性.电力元件的参数研究也类似于此.随着微电网技术的发展，电力元件和负荷的相关数据会通过通讯设备、检测设备实时采集，研究人员可以观察到二者与电网之间最新的互动和联系，在这种情况下，需要对电力元件和负荷的参数重新建模.

3 现有研究的局限

这些研究推动了含分布式电源的微电网配电系统可靠性评估工作的进行，但在研究中必须时刻注意，含分布式电源的微电网并不是简单地将分布式电源接入到配电网中，而是要将微电网当作独立的整体来考虑，微电网的存在改变了传统辐射状的电网结构，它具有双向流动的潮流方向，并且有联网运行及孤岛运行两种模式，因此，仅从分布式电源对配电系统造成的影响方面来进行研究还远远不够.要对含分布式电源的微电网配电系统进行可靠性分析，需从整体层面对分布式电源、用户负荷、运行模式、控制管理方法以及与公共电网的相互作用进行综合论证，建立微电网体系下多电源、多负荷的仿真模型及可靠性算法，并尽快建立含分布式电源的微电网可靠性的评估指标体系.