風力并網配電系統安全性指標的研究與算例分析

劉濤，富鵬浩，高陽，張柳

(1.吉林省地方水電有限公司，吉林 長春 130000;2.華北電力大學，北京 102206;3.沈陽工程學院，遼寧 沈陽 110136)

1 引言

隨著風力發電技術的發展，尤其是隨著風電在世界各地開發力度的加大，風電場的規模和單機容量越來越大，風電場接入電網技術、風電場對整個電網運行的影響也日益突出，由于風電場大多建設在電網的末梢，網絡結構相對薄弱的地方，風電場并網運行必然會給電網的安全穩定運行帶來相應的影響。因此對含風力發電的配電系統進行安全性評估就顯的非常重要。

2 風電機組的建模

目前風電機組的運行方式主要有兩類:一類是獨立運行供電系統，即在電網沒有能通達的偏遠地區，使用風電機組和小型的蓄電池組為當地提供電能;另一類是作為常規電網的電源與電網并列運行。建模方法主要有以下兩種。

2.1 將風電機組作為變電站考慮

這種模型將分布式電源作為普通的配網變電站進行考慮，在這種模型下分布式電源的功率輸出不受本身發電設備的限制。其分析方法與傳統的配電網相同，只不過相當于在配網系統中多接入幾個發電容量較大的機組，由于風電機組的容量沒有限制，因此不必進行孤島的劃分，當某段饋線發生故障時，通過斷路器跳閘將故障段隔離，而在系統中原來與風電機組相連的部分可由風電機組繼續供電。這種模型對配網可靠性的提高很大，但由于與實際使用的風電機組的發電狀況差別很大，實際應用價值不大。

2.2 將風電機組作為隨機電源考慮

這種模型將風電機組等效為一個有多個運行狀態的發電機，即除了額定功率輸出外，還有多個非額定運行狀態。由于風電機組受到各類隨機因素的影響較大，輸出功率的波動性也較大。這種模型需要考慮其形成孤島的概率問題，一般由歷史負荷和風電機組的功率輸出數據統計得到。此種模型比較符合風電機組的實際情況。因此本文將風電機組采用這種模型進行研究。

3 風力并網配電系統安全性評估指標的建立

安全性評估最終是要建立可以表征系統風險水平的指標，通過風險指標可以比較不同系統的風險程度。因此，完整的安全性評估指標不只是概率，而應當是概率和后果的綜合結果。本文提出的安全性評估指標即是從系統故障概率和故障后果的評估兩個方面對風力并網配電系統進行安全性評估，其基本流程如圖1所示。

圖1 安全性評估的流程圖

3.1 系統事故后果嚴重度指標

3.1.1 事故后能量損失率

系統事故的后果嚴重程度可以通過一系列量化指標來加以描述，在系統事故發生后通過對系統損失掉的瞬時能量(即:損失掉的用戶功率)來對其后果進行定量分析。

由此，定義具有時間特性的事故后能量損失率指標ELR:

式中:λk為系統中第k條支路的故障率;Lk為系統第k條支路的長度;Ti為第i個損失用戶的停電持續時間;NS為系統中支路數;SS為系統負荷容量;SL為事故后損失的負荷容量;Si第i個損失用戶的容量;Sj為系統第j個用戶的容;φSC為系統用戶集合;φLC為事故后損失的用戶集合。

從式(1)可以看到，ELR的分子和分母都具有能量的表達式，分子表述出系統在評價周期內發生故障所造成的損失掉的能量，而分母是系統在評價周期內所需要的總能量，它們兩個比值正好能從能量的角度來體現出該系統在發生故障后對系統造成的能量損失百分比，也恰恰體現了后果嚴重度的一個方面。

3.1.2 事故后用戶損失率

事故后果的嚴重程度并不能簡單的用能量損失率來描述，對于用戶而言，用戶數量、故障率等等多少也能從另外一個側面反映事故后果的嚴重程度。為此按照能量損失率的定義邏輯，定義了事故后用戶損失率CLR:

從式(2)可以看出，在指標中不僅含有用戶數量和等級的信息，而且將用戶發生的故障概率和評價周期也考慮其中，能正確反映出受故障影響到的停電用戶在系統總用戶中所占到的比例，能夠從損失用戶數量的方面了解到系統故障對系統造成的后果嚴重程度。

3.1.3 系統事故后果嚴重度指標

分別對式(1)和(2)進行化簡，可以得到:

為反映評價側重點的不同定義了能量損失率和用戶損失率的權重系數，分別為ρ1和ρ2(ρ1+ρ2=1)，之后將偶然事故后能量損失率ELR和CLR用戶損失率加權求和，同時，在不同的系統中，可以根據對系統故障后對能量損失和用戶損失的側重程度對權重系數做調整，在這里定義兩者同時取0.5，即得到了系統事故后果嚴重度指標A'SD:

3.2 風力并網對配電系統安全性指標的影響

在配電系統含有風力發電機組時，如果系統發生故障，系統中的部分用戶可以由風力發電機組單獨供電，形成孤島，保證這些用戶的持續供電。因此，風力發電的加入會對系統故障后果的安全性有很大大的改善，為了衡量分布式電源對系統安全性的影響，我們就必須要對以上建立的嚴重度指標加以修改，使其含有風力發電的帶來的影響量。由于風力發電本身功率輸出的波動性，這里就必須對在系統發生故障時，孤島的形成情況進行分析。

對于一個固定的系統，可以分析系統中風力發電機組的供電范圍內的負荷波動情況與風力發電機組本身的發電功率曲線就能分析出，在系統發生故障時，孤島能否形成的概率，根據歷史數據或者預測數據，如果風力發電機組可以發出的功率大于其供電范圍內的負荷功率則孤島在系統發生故障時可以形成，此時孤島內的用戶不受故障支路影響由風力發電機組繼續供電，當故障支路修復完成后在接入主網中繼續由主電源和風力發電機組同時供電。反之，則不能形成孤島供電系統，當故障發生時由于風力發電機組的發電量小于供電范圍內的負荷要求，因此該范圍內的用戶與其他用戶一樣停電，此處的用戶風險水平是沒有變化的。

設在系統發生故障時，系統中孤島形成的概率為PG，則可以對上述公式進行修正，使其含有風力發電機組的影響，得到以下指標。

(1)修正后的故障后能量損失率:

(2)修正后的故障后能量損失率:

其中，φUGC為系統中不受風力發電機組影響的用戶集合;φGC為系統中受風力發電機組影響的用戶集合，即形成孤島時屬于風力發電機組供電范圍內的用戶。

總后由式(8)和(9)得到含有分布式電源的系統嚴重度指標ASD:

改進后的ASD系統嚴重度指標，包含了風力發電機組在系統發生故障時對系統能量損失和用戶損失的影響，能夠準確的映出含有風力發電的系統在發生故障時，對系統造成的不利后果的程度。

3.3 風力并網配電系統安全性指標

安全性評估是系統發生故障的概率與故障后嚴重程度的乘積，所以可以建立系統安全性評估指標為:

其中，SU為系統不可用率指標，在這里反映系統發生故障的概率;ASD故障后果嚴重度指標，在這里反映系統故障后果的嚴重程度。將SU和ASD綜合起來，得到評價風力并網配電系統安全性的指標。這個指標不僅能說明風力并網配電系統的概率，而且能描述出風力并網配電系統發生故障后對系統造成的不利影響有多大，對風力并網配電系統的規劃和網絡評估都有一定的指導意義。

4 風力并網配電系統安全性指標的實際算例分析

選取吉林市豐滿區江南變電所中所帶負荷比較復雜的4條10kV的主干線，四水線、塑料線、恒山線、軸配線為例，進行分析。圖2是其簡化拓撲結構圖，其中每個節點上都帶有相應的負荷。

圖2 簡化后的4條主饋線拓撲圖

以下各表是在可靠性計算中需要的部分參數。

表1 系統中支路屬性

表2 4饋線系統的已知參數

4.1 原系統不含有風力發電機組的情況

通過以上參數，同樣可以建立系統的故障模式后果分析表，之后利用公式求得不含風力發電機組的系統各項指標，如表3、表4所示。

表3 可靠性指標計算結果

表4 嚴重度指標計算結果

最后得到不含風力發電機組的系統風險指標為:

4.2 系統模擬加裝風力發電機組后的情況

在原系統中，選擇第7和第12節點，也就是恒山線的聯大分支路首端節點和軸配線市政分支路首端節點模擬加裝風力發電機組作為電源，從ETAP潮流分析來看，原系統的節點電壓得到很好的改善，尤其是末端節點。

圖3 模擬增加風力發電機組后的4條主饋線拓撲圖

表5 可靠性指標計算結果

表6 嚴重度指標計算結果

在對含有風力發電機組的網絡進行能量損失率和用戶損失率進行求解時，需要得到在系統發生故障時，系統中孤島形成的概率為PG，這一數據可以根據負荷預測數據和風力發電機組發電功率預測數據得到，在此PG取0.9來進行計算。

最后得到含風力發電機組的系統風險指標為:

從潮流分析來看，對系統的各節點電壓尤其是末端節點有一定程度的改善效果，而以上風力并網配電系統安全性指標的計算，很好的反映出了這一點。因此該套風力并網配電系統安全性指標具有實用價值。

5 結論

本文主要研究了風力并網配電系統安全性評估的方法，提出了一系列風力并網配電系統安全性指標，最后以吉林市的部分實際配電網絡為算例進行了安全性指標的計算。通過對網絡進行潮流分析，發現在其電壓較低的部分模擬加裝風力發電機組，對其網絡電壓等等都有較大改善作用。而該套風力并網配電系統安全性指標的計算值也反映出這一點，因此可以明顯地看出該套風力并網配電系統安全性指標在反映配電系統的供電安全性方面是可行的，具有的實用價值。

［1］邱麗萍，范明天.城市電網最大供電能力評價算法［J］.電網技術，2006，30(9):68 －71.

［2］趙宏偉，吳濤濤.基于分布式電源的微網技術［J］.電力系統及其自動化學報，2008，30(2):121 －127.

［3］Walid EI－ Khattam，Y.G.Hegazy，M.M.A.Salama.Investigating Distributed Generation Systems Performance Using Monte Carlo Simulation［J］.IEEE Trans on Power Systems，2006，21(2):524 － 530.

［4］錢科軍，袁越.分布式發電對配電網可靠性的影響研究［J］.電網技術，2008，6:75 －78.

［5］劉偉.配電網安全分析研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業大學，2003.9.