含間歇式分布電源配電網的可靠性評估

黃華，葉萌

(1.湖北省仙桃供電公司，湖北 仙桃 433000;2.廣東電網公司廣州供電局，廣東 廣州 510620)

0 引言

智能電網是現代電網的發展方向，它要求未來的配電網能夠自由接納分布式電源，大量的分布式電源(DG)接入配電網，將給配電網的規劃及運行帶來挑戰。DG具有的分散、隨機變動等特性，將對配電系統的安全、穩定運行產生較大的影響，如電力損耗、電壓穩定、電能質量、繼電保護和供電可靠性等［1－3］。

DG的接入使得系統在發生故障時，DG仍可以向其所在孤島內的負荷供電，從而減少用戶停電時間，通常能改善負荷點和系統的可靠性指標。很顯然，孤島形成的概率在一定程度上影響著供電可靠性的提高。然而風力發電等DG機組所需的能源具有間歇性和波動性，輸出功率具有隨機性，此類DG不一定能夠改善配電網的可靠性。因此，評估不同類型DG對配電網可靠性的影響是一個亟待解決的問題。

1 分布式發電

1.1 分布式發電的定義及特點

分布式發電是一種新興的高效、環保的發電技術，是為了滿足一些特殊用戶的需求，支持已有配電網經濟運行而設計和安裝在用戶處或其附近的小型發電機組(一般小于30MW)，在配電系統并網引入DG后，使得配電系統或因坐落在用戶附近使負荷的供電可靠性及電能質量都得到增強，或因就地應用熱電聯產使效率得到提高的發電形式。

位置和容量合理的DG有利于減少新的輸電走廊和提高電力系統的供電可靠性，可在節能、環保、投資、電力安全、滿足用戶多樣化需求及開辟可再生能源利用新方式等方面發揮較大作用。

1.2 DG的并網模式

從目前國內、外研究的基礎上看，分布式電源并網概括起來主要有3種模式［4］。

(1)DG作為配電網的備用電源。當配電系統故障中斷供電時，DG啟動，通過開關操作，將負荷轉移到DG繼續供電。在這種情況下，只要DG協調合理，可以提高配電網的可靠性。但這種供電經濟性差，除非為了滿足特殊重要負荷需要，否則經濟性與可靠性難以協調。

(2)配電網作為DG的后備電源。在這種并網模式下，當分布式電源發電量超過所供給的負荷時，多余電量注入配電網中;當DG所發電量不足以滿足負荷需求時，不足部分由配電網補充，用戶的用電質量得到改善。這樣可以使DG始終運行在一個比較經濟的工況下，充分考慮了投資者的利益，但對配電網的可靠性卻沒有幫助。

(3)DG并網運行。DG并網運行時，配電網從一個輻射狀的無源網絡變為遍布中小型電源的有源網絡，這對可靠性的影響既有積極的一面，也有消極的一面，如果控制不好可能使配電網可靠性水平下降，反之可能提高配電網的可靠性。

DG并網運行后，配電網供電可靠性的評估需要考慮新出現的影響因素，如孤島的出現和分布式電源輸出功率的隨機性等。在本文算例中，DG接入配電網的方式即為此種方式。

2 DG的可靠性模型

由于各種分布式電源輸出功率的特性不同，因此，不同類型的DG應采用不同的可靠性模型。本文將分布式電源的可靠性模型分為2類。

(1)常規發電機。對于常規發電機來說，可用2個狀態模型來表示。

1)故障狀態:發電機輸出功率為零，該狀態的概率為發電機的故障率λ;

2)正常狀態:發電機的輸出功率接近于額定功率，該狀態的概率為1－λ。狀態模型如圖1所示。

圖1 常規發電機2個狀態模型

(2)間歇性可再生能源發電機(IDG)。IDG的輸出功率特性與傳統發電機很不相同，在很大程度上取決于可再生資源的特性和發電機的特性參數。這種模型主要考慮以風能和太陽能為動力的DG。由于這種動力資源受天氣和氣候影響較大，輸出功率隨機性很大。

本文將這種分布式電源的可靠性模型等效成一個有多容量狀態的發電機模型，狀態模型如圖2所示。

圖2 IDG的可靠性模型

在這種情況下，IDG只能滿足孤島內不超過其輸出功率的那部分負荷，需要考慮它保持孤島持續供電的概率問題。

3 孤島的劃分

在配電網發生故障的情況下，含DG的配電系統中可形成局部電力孤島，減少失電范圍及停電時間。由于系統結構變化，用戶可能失去電能，也可能通過DG恢復供電。然而，由于DG輸出功率的限制，DG不一定能滿足孤島范圍內所有負荷點的供電需求。

在配電網發生故障后，應對比DG的輸出功率與孤島內總負荷的大小。當DG輸出功率大于孤島內總負荷量時，采取一定的自動控制措施和調整手段調整DG的出力;當DG輸出功率小于孤島內總負荷量時，則需采用負荷削減策略切除多余的負荷，以確保所形成孤島內的功率平衡和靜態穩定，保證島內穩定運行，使DG帶部分負荷進入孤島運行。本文主要討論當DG輸出功率小于孤島內總負荷量時的削減策略問題。

所謂的負荷削減策略就是先決定通過DG恢復用戶負荷的區域以及這些區域恢復供電的順序。

為了表述當故障發生后系統的結構和連接狀態，采用參考文獻［5］提出的關聯矩陣Bijk。Bijk表示在最小分區j故障的情況下，最小分區i內負荷點是否能夠連接第k個DG。同時，該關聯矩陣可以表示DG對每個負荷點恢復供電的次序。對給定的網絡，該關聯矩陣是唯一確定的，在仿真計算中不用再反復更新。下面以圖3為例來說明關聯矩陣Bijk如何定義。

圖3 饋線孤島的形成

關聯矩陣中B541=2表示在最小分區4故障的情況下，最小分區5可以在最小分區6故障后由DG恢復供電。

可見，關聯矩陣可以表示故障后各個負荷點的優先級，在IDG的輸出功率不能完全滿足孤島內所有負荷時，可根據該關聯矩陣所確定的負荷優先級來逐個恢復孤島內受故障影響的負荷點的供電。

4 含間歇式分布電源配電網的可靠性評估

4.1 可靠性評估算法

4.2 孤島劃分

首先形成配電網相應的關聯矩陣，故障發生后，根據關聯矩陣確定孤島的劃分，確定受故障影響的負荷點的停電時間和失電量。

4.3 指標計算

對于IDG的多狀態模型的處理，采用IDG輸出功率概率的方法來處理，即故障率和年平均停電時間折算公式為

式中:λD，γD為DG的故障率和故障平均停電持續時間; λS，k，γS，k為第 k 段主饋線的故障率和故障平均停電持續時間;ND為DG和負荷點兩者前面的主饋線段數量;m，Pj為IDG的多容量狀態數和IDG在第j個容量狀態下的概率。

應用上述方法可以求得負荷點等值故障率和故障停電持續時間，進而可求得含分布式電源的配電網供電的可靠性指標。

5 算例

以IEEE－RBTS Bus 6系統主饋線F4為基礎，在饋線末端接入DG，各設備原始數據采用參考文獻［6］中的指標。為了對比分析，本文采用以下4種方案:

(1)方案1:假設不考慮DG的作用。

有遞減規律的三種情況：一是區塊產量有明顯規律，直接擬合遞減率；二是區塊產量沒有明顯遞減規律，但平均單井產量有明顯遞減規律的取平均單井產量遞減率；三是與開發歷史背景及開發方式結合，分階段、分構成、分開發方式擬合遞減規律。

(2)方案2:在饋線末端安裝發電總功率為1000 kW的多臺微型燃氣輪機。

(3)方案3:在饋線末端加裝20臺風力發電機。風機參數如下:切入風速，2.5 m/s;切除風速，25.0 m/s;額定風速，14.0 m/s;額定輸出功率，0.5 MW。

(4)方案4:在饋線末端加裝風力/光伏混合發電系統，包括10臺風機和20個光伏電池組(與10臺風機容量等值)。

采用上述模型和算法，計算出各負荷點可靠性指標及系統可靠性指標。系統可靠性指標見表1，表1中各量的含義:ISAIFI為系統平均停電頻率指標，次/(戶·年);ISAIDI為系統平均停電持續時間指標，h/(戶·年);ICAIDI為用戶平均停電持續時間指標，h/(戶·年);IASAI為系統平均供電可用率指標;IENSI為系統電量不足指標。

表1 系統可靠性指標

5.1 方案1與方案2

關鍵點:在饋線末端加入20臺DG。

方案2在方案1的基礎上考慮了DG對負荷點及系統可靠性的影響，由于考慮了DG的孤島效應，可靠性指標均發生變化。

由于方案2加入了DG，在可靠性分析時必須考慮DG自身故障率的影響，但本文采用的DG通過斷路器接入配電網，當DG故障時斷路器可動作隔離故障，因此，DG自身故障率并不影響負荷點的故障率。

對比加入DG前后配電系統的可靠性指標發現，DG的接入顯著縮短了部分負荷點的年平均停電時間和失電量，說明DG的接入能夠提高配電系統的可靠性。

5.2 方案3與方案4

關鍵點:不同類型的DG。

方案4與方案3相比，把10臺WDG換成光伏電池，形成風力/光伏混合發電系統。主要考慮了以風力為動力的這類分布式電源輸出功率的隨機性、氣候因素以及可修復資源因素對元件可靠性參數的影響，使配電系統的可靠性評估更為接近實際情況。

從結果可以看出，在同一個配電系統中加入2個相同容量而不同類型的DG，可靠性指標發生了明顯變化。方案4可靠性指標均會不同程度地減小，可靠性升高。這主要是因為:在一般情況下，若風力不足則光照充足，反之則光照強度不足。換言之，風電/光伏混合發電系統輸出功率的波動性相對較小，而相對穩定的輸出功率顯然能更好地與孤島內負荷需求匹配，即形成孤島的概率和范圍較大。因此，與單一的風電比較，風電/光伏混合發電系統對系統供電可靠性的改善更為顯著。

6 結論

本文論述了分布式發電技術的相關問題，介紹了分布式發電對電力系統規劃與可靠性的影響，以及分布式發電電力系統可靠性評估的思路及方法，得出以下結論:

(1)DG的出現帶來了一種新的運行方式——孤島。故障后將配電網轉化為若干孤島自治運行，可減小停電面積、提高供電可靠性。

(2)DG的接入固然會對配電系統的各項可靠性指標起到改善作用，但并不是DG接入的數量越多就越好，還需要合理考慮電源類型、接入位置、容量所帶來的影響。

［1］梁才浩，段獻忠.分布式發電及其對電力系統的影響［J］.電力系統自動化，2001，25(12):53－56.

［2］梁有偉，胡志堅，陳允平.分布式發電及其在電力系統中的應用研究綜述［J］.電網技術，2003，27(12):71 －76.

［3］王賽一.分布式電源及對配電網系統的影響［J］.上海電力，2006(5):515－518.

［4］Peng F Z.Editorial Special Issue on Distributed Power Generation［J］.IEEE Trans on Power Electronics，2004，19(5):1157－1158.

［5］BaeIn Su，KimJin O.Reliability Evaluation of Distributed Generation Based on Operation Mode［J］.IEEE Trans on Power Systems，2007，22(2):785 －790.

［6］劉傳銓，張焰.計及分布式電源的配電網供電可靠性［J］.電力系統自動化，2007，31(22):46 －49.