含分布式光伏的配电网可靠性研究

郑雅轩

（国网山西省电力公司，山西 太原 030001）

0 引言

随着我国国民经济的迅速发展和人民生活水平的日益提高，社会对优质电能的需求不断增加，对电力企业供电可靠性提出了更高的要求。配电系统是供电企业面向客户的最后环节，直接影响着用户的用电体验。目前，用户遭受的停电绝大部分是由配电系统环节造成的。分布式电源并网是提高配电网安全稳定运行、保证供电可靠性的重要技术手段之一。近年来，配电系统中分布式电源不断接入，对配电系统供电能力产生了巨大的影响，传统配电网可靠性评估方法已不再适用。

分布式光伏利用清洁可再生的太阳能进行发电，能够缓解对石油、煤炭等化石能源的依赖，减少温室气体排放，具有清洁、环保的特点；分布式光伏通常接近负荷中心，可以大幅减少输电网络和配电网络的建设成本，具有建设周期短、投资见效快的优点，经济性较高；分布式光伏控制灵活、维护方便，能实现快速启停、削峰填谷，具有很大的灵活性。分布式光伏的优越性使其获得了迅速的发展，配电网由传统的单电源辐射状结构逐渐变为多类型电源通过配电线路共同为负荷供电的结构，供电模式更加灵活多样。配电系统由分配电能的角色变为收集、储存和分配电能的主动配电网[1]。分布式发电系统中通常有储能装置与分布式电源配合工作。储能装置可平滑分布式电源的出力，当分布式光伏出力不足时，储能装置释放电能，提升供电能力，当分布式光伏出力过多时，储能装置存储多余的电能，防止弃光现象的出现。

1 低渗透率下分布式光伏并网对配网可靠性的影响

分布式电源的渗透率是指分布式电源容量占系统最大供电负荷的比例[2]。国内外研究表明，当分布式电源的渗透率达到25%以上时，会对现有配电网的安全可靠运行产生显著影响。一般地，将分布式电源的渗透率不会显著影响系统正常运行的水平称为低渗透率水平。本文研究了低渗透率下分布式光伏并网对主动配电网可靠性的影响，以上级电源容量充足作为低渗透率的边界条件。

分布式光伏发电系统中通常还装设储能装置来平滑分布式光伏的出力。分布式光伏接入配电网有两种运行方式：并网运行和孤岛运行。并网运行时分布式光伏与配电系统共同为用户提供电能；孤岛运行时，区域内负荷完全由分布式电源独立供电。在传统辐射状配电网络中，当网络中元件发生故障时，下游负荷会由于与上级电源之间无有效连接而造成停电；接入分布式光伏后，当系统发生故障时，下游负荷可与分布式光伏连接形成孤岛，由分布式光伏向孤岛内负荷供电，有效提高供电可靠率。孤岛模式运行时，通常负荷大于分布式光伏的发电容量，此时需要对孤岛内负荷按重要程度进行分级分类，对负荷进行削减，优先保证重要负荷的供电需求。

常见的供电系统主要可靠性指标有以下几项。

a） 系统平均停电时间SAIDI（system average interruption duration index）（h/户）

b） 平均供电可 靠率ASAI（average service availability index）（%）

c） 系统平均停电频率SAIFI（system average interruption frequency index）（次/户）

d） 系统缺供电量期望值ENS（energy not supplied）（kW·h/年）

2 含分布式光伏的主动配电网可靠性评估模型

建立低渗透率下含分布式光伏的主动配电网可靠性评估模型时，由于分布式光伏存在失效状态，所以需考虑分布式光伏的元件出力模型、元件停运模型、孤岛运行方式和孤岛负荷处理方式[3]。

2.1 城市负荷的用电特点

目前，城市用电负荷一般分为3 类：工业负荷、商业负荷和市政生活负荷。工业负荷的日负荷曲线一般维持在一个平稳的水平线上，波动性非常低；商业负荷通常在特定的时间段内维持在一个平稳的水平，其余时间负荷水平较低；市政生活负荷在一天中随居民生活的需要不断变化。目前，我国的市政生活用电水平还不太高，但随着城市建设的日益发展，生活设施的日益现代化及居民生活水平的提高，市政生活用电的比重将有所上升。3 类负荷的典型日负荷曲线如图1～图3 所示。

图1 工业负荷典型日负荷曲线

图2 商业负荷典型日负荷曲线

图3 市政生活负荷典型日负荷曲线

2.2 分布式光伏系统的相关模型

系统中非电源元件主要考虑设施的运行状态和故障停运状态，采用如图4 所示的两状态模型。

图4 非电源元件的两状态模型

图4 中，λ 为设施故障停运率，μ 为设施故障停运的修复率。因此，正常状态概率为

故障状态概率为

设MTTR（mean time to repair） 为元件平均修复时间，MTTF（mean time to failure） 为元件失效前平均时间，则

而分布式光伏在运行时存在部分光伏面板退出运行的状态，此时降额运行，需要由三状态模型进行描述，如图5 所示。

图5 分布式光伏的三状态模型

分布式光伏的出力模型可由图6 分布式光伏出力与光照强度的分段模型描述，由零功率输出状态、非线性输出状态、线性输出状态和额定输出状态4 种状态组成。其中，横坐标E为光照强度，Ein、Er、Estd分别对应分布式光伏出力的转折状态光强，Et为实时光照强度，Pr为分布式光伏的额定出力，Psn为单位光强下光伏的出力，Pt为分布式光伏的实时出力，则

图6 分布式光伏分段出力模型

3 分布式光伏匹配度评估模型

系统中有母线1 段、馈线25 段、配变20 台、负荷点20 个，断路器和隔离开关若干。接入分布式光伏电源，不同容量光伏接入下系统可靠性指标如表1 所示。

表1 不同容量光伏接入下系统可靠性指标

图7—图9 展示了系统可靠性指标随分布式光伏接入容量增长的变化趋势，从图中可以看出，随着分布式光伏容量的增加，系统的可靠性水平得到了提升。

图7 分布式光伏接入后系统平均停电时间

图8 分布式光伏接入后系统平均停电次数

图9 分布式光伏接入后系统平均缺供电量

4 结束语

分布式光伏接入配电网后可以消纳当地负荷，使原有配电网的可靠性水平得到一定程度提升，同时也为传统配电网的可靠性评估带来了新的问题。本文通过对含分布式光伏主动配电网的可靠性进行分析，总结了分布式光伏的设施停运模型和出力模型，研究了低渗透率下分布式光伏接入对系统平均停电时间、系统平均停电次数和系统平均缺供电量的影响，验证了低渗透率情况下随着分布式光伏容量的增加，系统的可靠性水平得到了提升。