計及氣候、含風力發電的配電系統可靠性評估研究

李 翔， 李華強

(四川大學電氣信息學院，四川成都 610065)

分布式電源(distributed generation，DG)是指某些中小型發電裝置能夠靠近用戶側安裝，它既可獨立于公共電網，直接為少量用戶提供電能，也可將其接入配電網絡，與公共電網一起共同為用戶提供電能。現今，隨著分布式發電技術的日趨成熟，分布式電源憑借其發電方式靈活、環境友好等優點而越來越多地被接入配電網，對配電系統的結構和運行產生了重大影響［1］。

在分布式電源的選擇中，風力發電機由于其具有可以分散設置，接近負載端而可以降低輸配電損失等特性而被廣泛應用。但風力發電受氣候尤其是風速的影響較大，隨時都有切入或者切出的可能，從而導致在配電系統中加入風力發電機可能對系統的安全運行帶來一些不安因素。目前，國內外學者對于以WTG作為分布式電源的配電網的可靠性評估進行了一定的研究。文獻［2］量化分析了各種參數下WTG的數量和風電場對系統可靠性增益的影響。文獻［3］建立了以風電場作為分布式電源的概率模型，能夠計算系統可靠性的SAIDI指標，但在計算負荷點的可靠性方面仍有欠缺。文獻［4］深入討論了分布式電源在配電網中的接入位置和注入容量限制問題。文獻［5］采用區間算法計算了分布式電源接入后的配電網可靠性指標。文獻［6、7］提出了幾種接入WTG后對配電系統可靠性評估的方法，但未考慮風速對WTG輸出的影響。而文獻［8～11］則采用了蒙特卡羅法(Monte Carlo)模擬了天氣因素對配電網可靠性的影響。

筆者通過比較各種分布式電源的特點及優劣，重點分析了WTG作為DG加入配電系統的情況，并對氣候因素對配電系統可靠性指標的影響進行了說明，希望電網規劃人員在選擇最優方案時能夠考慮由上述因素帶來的影響。

1 配電網可靠性指標

文獻［12］指出了配電系統最基本的可靠性指標有3個:負荷點平均故障率λ、平均停電時間tr以及年平均停電時間tu。系統可靠性常規計算指標如系統平均停電頻率(system average interruption frequency indices，SAIFI)、系統平均停電持續時間(system average interruption duration indices，SAIDI)、用戶平均停電持續時間(costumer average interruption duration indices，CAIDI)和平均供電可用率指標(average service availability indices，ASAI)可以由上述3種可靠性指標計算得到。可靠性成本/效益指標，如期望缺電量(expected energy not supply)、期望停電成本(expected interruption cost)和缺電損失評價率(interruption energy assessment rate)也可以從這3個指標計算得到。

2 分布式電源具有的特點及分類

分布式電源是區別于傳統集中發電、遠距離傳輸和大互聯網絡的發電形式，它與傳統電源相比，具有以下特點［13］:節能效果好;環保性能好;節省管網和輸配電投資;能夠滿足用戶的多樣化需求;供電可靠性好等。就我國目前的情況而言，隨著我國燃料結構的變化和高峰期電力負荷越來越大，有必要加快發展分布式電源、優化供電模式和保障供電安全。

DG按容量分類可以分為總容量為數十兆瓦的微型電廠和數千瓦至數兆瓦的分布式電源;按使用能源分類可以分為可再生能源、清潔的不可再生能源和氫氣化學反應等;可再生能源包括太陽能、水力、風能、地熱和生物質能等;清潔的不可再生能源如天然氣、氫氣化學反應如燃料電池等;按使用發電機類型分類可以分為同步發電機和異步發電機;按接入電網方式可以分為旋轉型接入和通過逆變器接入;按是否反送功率可以分為經電網接入點向電網反送功率和不經電網接入點向電網反送功率。

根據我國國情，“小機組”、“小火電”和“小熱電”也可以屬于分布式電源的范疇，但與現代分布式發電技術不在同一層面上，由于其技術經濟性能與環境性能不好將逐漸被淘汰，取而代之的是在新能源領域相對成熟、經濟指標逐漸接近清潔煤發電的風力發電技術。

3 風力發電機的可靠性模型

隨著風力發電技術的不斷發展，發電成本大幅降低，風力發電已經成為水電和火電的有力補充，已成為目前新能源開發中最成熟、最具規模化商業開發前景的發電方式之一。

在標準空氣密度條件下，風電機組的輸出功率與風速的關系曲線稱為風機的標準功率特性曲線，而在實際安裝后，風電機組的輸出功率與風速的關系曲線被稱為風電機組的實際輸出功率特性曲線［14］，如圖 1 所示。

由圖1可以看出，在切入風速(約介于2.5～4 m/s)以下時，風力發電機保持在停機狀態，一旦開始運行，輸出功率在達到額定值前與風速近似成一次函數關系直到額定風速(約介于12～15 m/s)。超過額定風速后，基于空氣動力學設計的風輪被設定成能夠限制從風中析取的機械功率，從而降低傳動軸系的機械負載;最后，在非常高的風速下，風力發電機停機，該風速即為切出風速(約介于20～25 m/s)。

圖1 風電機組標準功率特性曲線圖

風電機組的實際輸出功率特性曲線關系可由式(1)近似表示［15］:

式中 Pt為t時刻機組出力;vt為t時刻風速;vci、vr、vco分別表示風電機組的切入風速、額定風速和切出風速;Pr為風電機組額定功率;A、B和C為參數，其值可由式(2)表達:

4 含有DG的配電網孤島劃分算法

DG的接入改變了配電網輻射狀的結構，同時也改變了配電網的潮流，它使得傳統的單電源輻射狀配電網變成了一個遍布電源和負荷的多電源系統。當包含DG的配電網與主配電網分離后，仍可繼續向其所在的獨立配電網供電，就成為孤島。

配電網故障后的孤島劃分方案是根據故障點的位置和故障前配電網的實際運行情況動態生成的。根據負荷重要程度的不同，我們對負荷賦予不同的權重系數，并根據負荷的不同重要性確定各負荷的權重系數ω(i)。由此可以定義等值有效負荷為負荷大小與負荷權重系數的乘積。在形成孤島后，需要孤島劃分的目標是使島內所包含負荷點的有效負荷之和最大，并可以用式(3)表示其數學模型:

邊界條件為:

式中 j為DG所在饋線的編號;D為孤島內所有負荷點La(i)組成的區域;PDG為DG的額定容量;La(i)為負荷點i處負荷的大小;ω(i)為負荷的重要程度系數，一類、二類和三類負荷的重要程度系數分別為0.5、0.3 和0.2。

對于模型的求解，文獻［16］提出了功率圓的概念。功率圓的定義為:以DG所在饋線的負荷點為圓心，沿著網絡拓撲方向，以DG的額定容量為半徑搜索負荷，該圓內包含的負荷點集合稱為功率圓。因此，只要負荷點沿著網絡拓撲線路到圓心的負荷值之和小于DG的額定容量，則該負荷點必在功率圓內。筆者在文中采取文獻［16］中采用的廣度優先搜索法來確定功率圓的范圍。從DG所在饋線的負荷點La(i)出發，首先訪問與負荷點La(i)相連的所有支路，然后訪問下層支路，在滿足邊界條件的范圍內，遍歷功率圓圖，這樣可以快速進行復雜配電網的功率圓確定。確定功率圓之后，在滿足孤島對區域D連通性的要求的前提下，首先從DG所在饋線的負荷點La(i)出發，訪問此頂點，然后依次從La(i)的未被訪問的鄰接點出發，在滿足邊界條件的范圍內，遍歷功率圓圖，直至目標函數達到最大值。

5 氣候模型的建立

配電線路長期在戶外運行，而風電機也處于露天環境中工作，因此，氣候變化對于暴露于戶外的元件故障率影響非常大。按IEEE346標準［17］，將天氣分為三類:正常天氣(normal)、惡劣天氣(adverse)、大災害天氣(major storm disaster)。由于大災害天氣出現的機會極小，而且系統的建模、數據收集、數據處理等困難，我們可以將三類情況合并為正常和惡劣兩種情況，并用隨機的持續時間期望進行描述。令λ和λ'分別為元件在正常天氣和惡劣天氣時的故障率;N為正常天氣的期望持續時間;S為惡劣天氣的期望持續時間;λav為考慮了氣候因素的平均故障率［18］。因此，元件的故障率可以表示為:

設:惡劣天氣下發生故障的幾率0≤F≤1，則由式(5)可知:

考慮到維修工作人員的安全，假設惡劣天氣條件下不進行維修，則折算后的系統等效故障率λp和等效停運時間rp公式如下:

式中 A'、B'分別為正常與惡劣天氣下孤島內第k段主饋線的故障率;λ1、r1分別為 DG的故障率和平均停電持續時間;λ2、r2分別為第k段主饋線的故障率與平均停電持續時間。

6 結語

隨著常規能源的衰竭、環境污染的加劇和全球氣候的變暖，人們越來越多的認識到清潔能源的重要性。風力發電憑借其無污染、發電靈活等優勢迅速嶄露頭角。然而，如何安全、可靠地接入分布式電源亦是電網發展面臨的一大挑戰。在考慮氣候因素的情況下，為配電系統接入WTG作為分布式電源不僅需要考慮風機性能特性、DG接入后的孤島作用，還需要計算氣候因素對配電系統元件故障率的影響。

筆者在文中只是簡單地將氣候類型分為正常和惡劣兩種，但氣候的形式多種多樣，許多都能導致配電系統元件故障率增大，綜合考慮各種氣候因素的相互作用將使問題變得十分復雜。事實上，在線路參數受氣候條件影響的同時，風機的輸入輸出也遭遇到氣候變化的影響，兩者的可靠性模型應當是以氣候條件為共同變量的復雜模型。因此，對以風力發電機作為分布式電源的配電系統的可靠性評估研究可以在這個方向上做進一步的深入。

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