分布式光伏电源并网可靠性研究

王连民，李 玮，张克甲，武晓峰

（国网吴忠供电公司，吴忠 751100）

0 引言

光伏清洁能源并网发电已逐步规模化和并网化，大规模的集中于分布式光伏电源并网对电网的可靠性、经济性及稳定运行都会产生重要的影响。

光伏发电的特点是随机性较强，分布式光伏电源发电可靠性模型的构建可用于并网后对系统供电可靠性影响的评估。针对含分布式光伏电源的电网进行了算例模型仿真，由于光伏发电具有不可控性，且发电量与用电负荷无法精准预测，需通过概率抽样法对其进行预测，同时分析时变电源对时变负荷供电时的供电可靠性，由此形成可靠性计算的重要指导指标，分布式光伏并网系统可靠性研究对电网安全生产及经济运行具有重要意义。因此，此项研究是必要的。

1 光伏电源功率模型

1.1 光伏阵列等效模型

电池单元是光电转换的最小单元,被封装为光伏电池组件。光伏电池组件通过串、并联后形成光伏电池阵列，进而构成光伏电站[1]。单个光伏电池的等效电路如图1所示。

单个光伏电池的输出电流关系如式(1)所示。

式(1)中，IPV为光伏电流；Id为表示光伏电池反向饱和暗电流；Ir为泄漏电流。

图1 光伏电池等效电路

1.2 光伏阵列输出功率

光伏组件的输出按功率计量，光伏电池方阵的输出功率与其接受的太阳辐射能成正比，可以得出光伏阵列在t时刻总的输出功率如式(2)所示。

式中，N为正常工作的光伏组件数；I为光伏电池组件倾斜面上的总太阳能辐射强度；A为单个电池组件的面积；η为电池组件的额定转换效率。

2 可靠性评估指标

2.1 负荷点计算指标

负荷点的可靠性计算指标是指在规定时间内计算系统每一个负荷点的可靠程度，指标计算式如下：

1）负荷点故障率：

2）负荷点平均停电持续时间：

3）负荷点平均年停电时间：

式中，∑Tdi为第i个负荷点所有停电时间的总和；∑Tui为第i个负荷点所有工作时间总和；Ni为系统时间内的模拟故障次数。

2.2 系统计算指标

系统可靠性计算指标是指系统整体可靠程度，由负荷点可靠性指标求得。主要计算公式如下：

1）系统平均停电频率计算指标：

2）系统平均停电持续时间计算指标：

3）用户平均停电持续时间计算指标：

4）平均供电可用度计算指标：

5）系统总电量不足计算指标：

6）系统平均电量不足计算指标：

以上式(6)～式(11)中，Mi为负荷点i的用户数；λi为负荷点i的故障率；Ui为负荷点i的年停电时间；T为年小时数8760h。

3 可靠性分析

3.1 算例仿真模型

分布式光伏电源并网仿真算例如图2所示，采用放辐射式供电，由于网络含分布式光伏电源，所以系统用户由双电源供电，假设变电站出线断路器能够可靠动作，隔离开关均为常闭，LPa、LPb、LPc三个负荷点由干线种的的分支线供电。光伏电源并入电网下游末端节点C处，且假设某一段馈线故障时，其两侧断路器均能立即动作，即不考虑光伏电源对故障电流和系统保护的影响（PV不需在故障发生时从系统中暂时断开）。

图2 分布式光伏电源的电网算例接线图

图2中算例为10kV电网架空线路，其中主干线长6 km，分支线长6km,在线路上共接有175个用户，集中在LPa、LPb、LPc三处。系统中PV的额定容量为2MW。

3.2 蒙特卡罗仿真

蒙特卡罗模拟方法（简称MC方法）是一种随机模拟方法，通过使用随机数对元件故障动作进行随机抽样，采用概率统计计算，构建可靠性计算指标[2]。MC方法可实现统计模拟或抽样，获得问题的近似解，能够适用电力系统可靠性的计算仿真研究。

MC法的主要思想是：对于元件或系统建立随机事件和概率模型，通过抽样实验，计算参数的统计特性，得出问题的近似解。

根据大数定理，当N足够大时有式(13)：

可得式(14)：

根据分布式光伏电源随机性、波动性以及并网输出功率不断变化的特性，运用MC法可计算得出系统与节点的停电频率和停电持续时间指标，并且能够较好地分析光伏并网后系统的可靠性[3]。

设定图2所示系统中各个元件参数如表1所示，算例仿真流程如图3所示。

表1 系统元件相关参数

在该算例中利用MATLAB编程语言，设定系统模拟年数为50000，调用库函数产生满足均匀分布的随机数，将随机变量分别转换为故障率与修复时间，对各线路进行抽样模拟，最后统计各负荷点的可靠性指标，每个负荷点每次模拟产生的可靠性指标可用于评估SAIFI和SAIDI等各项系统指标。

3.3 算例分析

运用MC方法对系统模型进行模拟，针对分布式光伏电源接入电网前后对系统可靠性水平的影响，根据图2设计两种计算方案：

1）放射状电网，无分布式光伏电源接入电网，分支线加熔断器，线路分段，自动隔离故障。

图3 蒙特卡罗方法算例流程图

2）分布式光伏电源接入电网，分支线加熔断器，线路分段，自动隔离故障。

在两种方案下对负荷点可靠性指标的计算结果如表2所示。

表2 分布式电源并网前后负荷点可靠性指标分析比较

由表1光伏电源并网前后负荷点可靠性指标计算结果可知，并网前后，负荷点的平均停电时间与故障率均相应的减小，且并网点上游的每个负荷点可靠性指标改善成效与并网点间距离成反比，其中，指标计算改善程度较大的是并网点相同线路上的其他负荷点。负荷点可靠性水平能有较大提升[4]。

通过计算分布式光伏电源接入电网前后的负荷点可靠性指标，负荷点的故障率和年平均停电时间相应的减小，且光伏电源上游的各个负荷点的可靠性指标改善程度随着它与光伏电源接入点间距离的增大而减小，其中获得改善程度最大的是与光伏电源所接线路段相同的负荷点，使其负荷点可靠性指标获得了较大的改善，从而提高了负荷点的可靠性水平。

对分布式光伏电源并网电网前后各线路模拟的故障次数与故障率进行了比较分析。比较结果如图4、图5所示。

图4 各线路模拟故障次数比较

图5 各线路模拟故障率比较

由图4、图5模拟结果可知，当分布式光伏电源并网后，电网对各负荷点用户供电将会使系统线路故障次数与故障率均得到较大降低与改善，各负荷点的故障时间也会大大缩短。

如表3所示，光伏电源并网前后的系统可靠性指标分析对比。

表3 分布式电源并网前后系统可靠性指标分析比较

由上述仿真结果可得，SAIFI、SAIDI、CAIDI指标会随负荷用户的停电次数与用户停电持续时间的减小而减小；由于故障率与停电次数的减小，系统可靠供电的时间必然增长，因此，ASAI指标计算结果会相应提升；系统可靠供电时间的增长使得供电电量增大，则系统总的电量不足指标ENS会相应的减小，AENS指标也会相应的减小，系统可靠性指标得到了较大的改善。因此，因此，相比于无分布式光伏电源接入的电网，系统的可靠性水平有了较大的提高。

4 结语

在对分布式光伏电源并网后的可靠性指标计算、评估以及综合分析的基础上，可以得到以下结论：电网系统的可靠性水平在接入光伏电源后有了较大的改善。在电网线路参数设置和保护不变的情况下，光伏电源并网降低了负荷点处的故障率和平均停电时间，延长了系统对负荷点处用户的可靠供电时间，负荷点处的可靠性指标与系统可靠性指标均得到不同程度的改善，从而提高了电网系统的可靠性水平。