含混合儲(chǔ)能微網(wǎng)對配電網(wǎng)可靠性的影響

(河南理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 焦作 454000)

隨著微網(wǎng)的大量接入，傳統(tǒng)配電網(wǎng)變成了含多電源的新型配電網(wǎng)，其運(yùn)行和控制產(chǎn)生了巨大的改變[1-3]。供電可靠性是其中一個(gè)重要方面，有必要對含微網(wǎng)配電網(wǎng)的可靠性進(jìn)行分析和研究。

對于含微網(wǎng)的配電網(wǎng)可靠性評估，國內(nèi)外已開展了許多研究。文獻(xiàn)[4]采用改進(jìn)的最小路法對含風(fēng)光配電網(wǎng)的可靠性進(jìn)行分析，但忽略了分布式電源(Distribution Generation,DG)出力的隨機(jī)性對可靠性的影響。微網(wǎng)中，風(fēng)電、光伏等分布式電源和負(fù)荷都具有不確定性，因此，需要配置儲(chǔ)能系統(tǒng)來平滑二者的隨機(jī)波動(dòng)[5-7]。文獻(xiàn)[8]選用準(zhǔn)序貫蒙特卡洛法定量評估含風(fēng)光儲(chǔ)的配電網(wǎng)的可靠性。文獻(xiàn)[9]采用蒙特卡洛法評估DG和儲(chǔ)能聯(lián)合運(yùn)行的配電網(wǎng)的可靠性。而上述文獻(xiàn)沒有關(guān)于儲(chǔ)能充放電性能對配電網(wǎng)可靠性的影響所進(jìn)行的研究。

從當(dāng)前儲(chǔ)能技術(shù)來看，僅靠單一儲(chǔ)能方式不能滿足微網(wǎng)對儲(chǔ)能的多重需求?；旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)(Hybrid Energy Storage System，HESS)將大容量、儲(chǔ)能時(shí)間長的能量型儲(chǔ)能與可快速、頻繁充放電的功率型儲(chǔ)能相結(jié)合，有效提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出能力，延長能量型儲(chǔ)能循環(huán)壽命。因此，本文定量分析含混合儲(chǔ)能、DG和負(fù)荷的微網(wǎng)接入配電網(wǎng)對系統(tǒng)可靠性的影響；提出基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分區(qū)的蒙特卡洛模擬法，以改進(jìn)的IEEE RBTS Bus6系統(tǒng)為算例進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證含混合儲(chǔ)能的微網(wǎng)對配電網(wǎng)的供電可靠性的影響。

1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)

由于單一儲(chǔ)能不能很好地滿足微網(wǎng)的需求，本文采用由大容量、低成本的鉛酸蓄電池與可快速頻繁充放電的超級電容器組成的混合儲(chǔ)能作為儲(chǔ)能裝置。

混合儲(chǔ)能由鉛酸蓄電池、超級電容器以及電力電子器件組成，由于兩種儲(chǔ)能電壓等級差別較大，需要配置于不同的端口，因此利用高頻變壓器的變比進(jìn)行匹配，且混合儲(chǔ)能一般通過全橋式電壓型變流器接入微網(wǎng)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)鋱D

1.1 混合儲(chǔ)能模型

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)既要保證充足的輸出功率，其最大輸出能量也要滿足負(fù)荷需求。下一時(shí)刻超級電容和蓄電池存儲(chǔ)的能量關(guān)系為[10]

(1)

ΔWuc,i+ΔSoc,i=ΔWi

(2)

式中,Puc,i和Pbat,i分別為超級電容和蓄電池的輸出功率；Δt為控制周期；n為匹配常數(shù)；ΔWuc,i和ΔSoc,i分別為超級電容和蓄電池的變換能量；ΔWi為微網(wǎng)實(shí)際需求的能量。

同時(shí)，若負(fù)荷用電時(shí)突發(fā)大功率缺失，混合儲(chǔ)能必須能快速輸出功率以穩(wěn)定系統(tǒng)，即混合儲(chǔ)能發(fā)出的總功率Pi必須不小于最大瞬時(shí)功率缺量ΔPmax。

Pi=Puc,i+Pbat,i≥ΔPmax

(3)

式中,Puc,i、Pbat,min分別為超級電容和蓄電池的實(shí)際充放電功率。

而且超級電容和蓄電池的儲(chǔ)能不能超過各自最大功率限制：

(4)

式中,Puc,min、Puc,max分別為超級電容的最大充、放電功率;Pbat,min、Pbat,max分別為蓄電池的最大充、放電功率。

1.2 充放電策略

儲(chǔ)能充放電策略主要取決于微網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。

(1) 微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行。負(fù)荷優(yōu)先由DG供電，當(dāng)DG輸出大于負(fù)荷需求時(shí)，多出的能量為混合儲(chǔ)能充電；若超出儲(chǔ)能容量上限則減少DG輸出；當(dāng)DG輸出不能滿足負(fù)荷需求時(shí)，為提高供電可靠性，由配電網(wǎng)出力以維持系統(tǒng)功率平衡。直到系統(tǒng)出現(xiàn)供電不足，混合儲(chǔ)能才在容量約束范圍內(nèi)放電。其中，超級電容器承擔(dān)負(fù)荷功率中的頻繁波動(dòng)部分，蓄電池承擔(dān)負(fù)荷功率中的平滑部分。

(2) 微網(wǎng)孤島運(yùn)行。負(fù)荷仍優(yōu)先由DG供應(yīng)，當(dāng)DG出力大于負(fù)荷需求時(shí)，混合儲(chǔ)能充電，達(dá)到儲(chǔ)能最大容量停止；當(dāng)DG出力小于負(fù)荷需求時(shí)，缺少的能量由混合儲(chǔ)能提供，直至最小儲(chǔ)能容量停止；若DG和儲(chǔ)能聯(lián)合出力不能滿足負(fù)荷需求，則需要削減負(fù)荷。負(fù)荷削減的目標(biāo)函數(shù)為盡可能多地讓負(fù)荷得到供電，即負(fù)荷與其權(quán)重的乘積之和最大，約束條件是負(fù)荷的功率不超過DG與儲(chǔ)能裝置所能提供的最大功率：

(5)

式中,f為負(fù)荷削減的目標(biāo)函數(shù)；D為最大可能的孤島連通區(qū)域；ωi和Li分別為負(fù)荷點(diǎn)i的權(quán)重系數(shù)和負(fù)荷大小；PDG和Pi分別為孤島內(nèi)各DG和儲(chǔ)能提供的輸出功率。

當(dāng)DG發(fā)生故障時(shí)，混合儲(chǔ)能仍可在一定范圍內(nèi)單獨(dú)供電；但若混合儲(chǔ)能系統(tǒng)故障或容量不足，失去了儲(chǔ)能的平滑作用[11]，DG就不能正常地給負(fù)荷供電。

(3) 微網(wǎng)并網(wǎng)和孤島相互轉(zhuǎn)換。在微網(wǎng)由并網(wǎng)轉(zhuǎn)入孤島運(yùn)行的過程中，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中超級電容可快速放電平滑功率波動(dòng)、蓄電池可為超級電容提供容量的支持，二者互相配合，快速釋放電能以維持網(wǎng)內(nèi)功率平衡。微網(wǎng)由孤島轉(zhuǎn)化到并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控電網(wǎng)狀態(tài)，通過調(diào)整自身輸出電壓的幅值和相位來調(diào)控微網(wǎng)的電壓和頻率，減小并網(wǎng)沖擊電流，實(shí)現(xiàn)快速無縫切換。

2 含混合儲(chǔ)能微網(wǎng)配電網(wǎng)的可靠性評估

2.1 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分區(qū)

配電網(wǎng)的可靠性評估以元件故障為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)系統(tǒng)中受故障影響所有負(fù)荷點(diǎn)的情況，計(jì)算可靠性指標(biāo)。但配電網(wǎng)中元件眾多，直接分析各元件故障產(chǎn)生的影響比較復(fù)雜，因此，可對配電網(wǎng)進(jìn)行分區(qū)簡化。

將具有共同開關(guān)為入口的所有元件分為同一區(qū)域，位于同一區(qū)域的所有負(fù)荷點(diǎn)受故障影響的后果相同，其區(qū)域停運(yùn)率和故障停運(yùn)時(shí)間由區(qū)域內(nèi)各元件的相應(yīng)參數(shù)按串聯(lián)公式計(jì)算得到[12]。特別地，微網(wǎng)一般通過斷路器與配電網(wǎng)相連，可看作是一個(gè)區(qū)域。

2.2 蒙特卡洛模擬法

利用序貫蒙特卡洛法評估配電網(wǎng)的可靠性，是通過計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)表示配電網(wǎng)各個(gè)設(shè)備的狀態(tài)分布，進(jìn)而模擬設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀況，并根據(jù)一段時(shí)間的模擬過程近似算出系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。其過程主要包括元件的可靠性建模、隨機(jī)抽樣和指標(biāo)計(jì)算。

2.2.1 元件可靠性建模

涉及配電網(wǎng)可靠性評估的常規(guī)元件可靠性模型可采用兩狀態(tài)馬爾可夫模型，其運(yùn)行狀態(tài)分別為正常工作狀態(tài)和故障停運(yùn)狀態(tài)。各狀態(tài)的概率如下：

(6)

式中,Pf、Po分別為元件i的故障停運(yùn)狀態(tài)和正常運(yùn)行狀態(tài)的概率；λi、μi分別為元件的故障率和修復(fù)率。

采用SPSS20.0軟件對涉及數(shù)據(jù)予以統(tǒng)計(jì),計(jì)量資料PASI評分采用(±s)表示,行t檢驗(yàn),計(jì)數(shù)資料治療總有效率采用(%)表示,行X2檢驗(yàn),差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義為(P<0.05)。

2.2.2 元件狀態(tài)抽樣

對于非電源元件進(jìn)行序貫狀態(tài)抽樣，基于元件二狀態(tài)模型，通過式(7)、式(8)抽樣獲得其正常運(yùn)行時(shí)間TTF和故障恢復(fù)時(shí)間TTR。

(7)

(8)

式中,Ui、Vi為服從(0,1)均勻分布的隨機(jī)數(shù)。

對于電源元件進(jìn)行非序貫抽樣，需要考慮微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)微電源停運(yùn)的可能性。通過非序貫抽樣來判斷微電源的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)λs為微電源的失效率，抽樣方法為：產(chǎn)生一個(gè)服從(0,1)均勻分布的隨機(jī)數(shù)，如果該數(shù)位于區(qū)間[0,λs]內(nèi)，則微電源處于停運(yùn)狀態(tài)；如果該數(shù)位于區(qū)間[λs,1]內(nèi)，則微電源處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

2.2.3 可靠性評估指標(biāo)

傳統(tǒng)配電網(wǎng)的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)，如系統(tǒng)平均停電頻率(System Average Interruption Frequency Index,SAIFI)和持續(xù)時(shí)間指標(biāo)(System Average Interruption Duration Index,SAIDI),用戶平均停電頻率(Customer Average Interruption Frequency Index,CAIFI)和持續(xù)時(shí)間指標(biāo)(Customer Average Interruption Duration Index,CAIDI)以及平均供電可用率(Average Service Availability Index,ASAI)和電量不足(Energy Not Supplied,ENS)等指標(biāo)，仍可對含微網(wǎng)配電網(wǎng)的供電能力進(jìn)行描述[13]。為了進(jìn)一步評估用戶供電質(zhì)量得到的改善，引入平均用戶切負(fù)荷指標(biāo)(Average Customer Curtailment Index,ACCI)。

(9)

式中,Lai為連續(xù)在負(fù)荷點(diǎn)i的平均負(fù)荷；Ui為負(fù)荷點(diǎn)i的年停電時(shí)間；Mi為負(fù)荷點(diǎn)i受停電影響的用戶數(shù)。

2.3 算法流程

本文采用基于網(wǎng)絡(luò)分區(qū)的蒙特卡洛模擬法計(jì)算系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的步驟如下。

① 系統(tǒng)初始化。輸入原始數(shù)據(jù)，初始仿真時(shí)間為0，所有元件均處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

② 對于系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，按2.1節(jié)方法簡化，遍歷所有區(qū)域的故障情況，建立故障模式影響分析庫。

③ 利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的偽隨機(jī)數(shù)對所有元件進(jìn)行抽樣。通過式(7)得到各元件的正常工作持續(xù)時(shí)間TTF，找到最小正常工作時(shí)間TTFmin的元件，即為故障元件，此時(shí)系統(tǒng)時(shí)間為TTFmin，開始計(jì)算仿真時(shí)間。通過產(chǎn)生新的隨機(jī)數(shù)，利用式(8)確定該元件的故障修復(fù)時(shí)間TTR；同時(shí)產(chǎn)生故障隔離的時(shí)間RT。

④ 判斷故障元件。若其為配電網(wǎng)最小路(配網(wǎng)電源與微網(wǎng)接入點(diǎn)之間的最短通路)上的元件，則T=T+TTR，若非配電網(wǎng)最小路元件，則T=T+RT，轉(zhuǎn)到第⑤步；若為微網(wǎng)內(nèi)非電源元件，則T=T+TTR，轉(zhuǎn)至第⑥步。

⑤ 生成一個(gè)服從(0,1)均勻分布的隨機(jī)數(shù)u，比較微網(wǎng)切換成功概率p和u的數(shù)值大小。如u≤p，則成功切換孤島模式，計(jì)算此期間內(nèi)微網(wǎng)的輸出功率和混合儲(chǔ)能充放電的功率，采用式(9)比較微網(wǎng)的輸出功率與負(fù)荷功率的大小，判斷是否削減負(fù)荷。如u>p，則切換失敗。

⑥ 根據(jù)故障模式與影響分析庫，查找元件故障相應(yīng)的負(fù)荷點(diǎn)停電類型，形成負(fù)荷點(diǎn)的可靠性指標(biāo)。

⑦ 判斷是否到達(dá)精度要求所需的仿真時(shí)間，若未到達(dá)，則返回步驟③繼續(xù)模擬；若已到時(shí)間，模擬結(jié)束，通過統(tǒng)計(jì)累加停電時(shí)間和停電次數(shù)獲取負(fù)荷點(diǎn)的可靠性指標(biāo)，從而分析得到系統(tǒng)的可靠性評估指標(biāo)。

具體算法流程如圖2所示。

3 算例仿真

對本文利用可靠性評估測試系統(tǒng)IEEE RBTS Bus6的改進(jìn)系統(tǒng)對包含30條線路、23臺配電變壓器、23個(gè)負(fù)荷點(diǎn)以及若干個(gè)開關(guān)的配電網(wǎng)進(jìn)行仿真研究。各設(shè)備原始數(shù)據(jù)見文獻(xiàn)[14]，其接線如圖3所示。其中母線、配變和開關(guān)100%可靠。

圖2 算法流程

圖3 IEEE RBTS Bus6改進(jìn)系統(tǒng)

微網(wǎng)包含若干風(fēng)機(jī)、光伏和儲(chǔ)能，切換成功概率為90%。風(fēng)機(jī)模型采用文獻(xiàn)[15]中的模型，切入風(fēng)速為3 m/s、額定風(fēng)速為12.0 m/s、切出風(fēng)速為24.8 m/s；光伏模型采用文獻(xiàn)[15]中的模型，單個(gè)組件面積為2.16 m2，光電轉(zhuǎn)換效率為15.47%。混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中蓄電池和超級電容的最大功率限額分別為2.5 kW和5 kW，蓄電池和超級電容的荷電狀態(tài)范圍均為0.2～1，初始荷電狀態(tài)均為0.5，仿真過程中儲(chǔ)能裝置采用由若干塊蓄電池串聯(lián)組成的蓄電池組和由若干個(gè)超級電容器并聯(lián)組成的超級電容器組。

3.1 微網(wǎng)接入的影響

在饋線20和29處分別接入內(nèi)含風(fēng)機(jī)、光伏和儲(chǔ)能的微網(wǎng)，風(fēng)機(jī)和光伏額定功率均為1 MW，混合儲(chǔ)能中蓄電池和超級電容儲(chǔ)能容量分別為1 MW·h和0.3 MW·h。研究微網(wǎng)接入前、后兩種情況下配電網(wǎng)的負(fù)荷點(diǎn)及系統(tǒng)可靠性指標(biāo)，可以得出微網(wǎng)對整個(gè)系統(tǒng)可靠性的影響。應(yīng)用本文建立的模型和所提算法對算例進(jìn)行可靠性評估，可得不同負(fù)荷點(diǎn)的年平均停電次數(shù)和年平均停電時(shí)間的仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 微網(wǎng)接入前、后負(fù)荷點(diǎn)停電次數(shù)

圖5 微網(wǎng)接入前、后負(fù)荷點(diǎn)平均停電時(shí)間

由圖4、圖5可以看出，在配電網(wǎng)未接入微網(wǎng)時(shí)，處于線路末端的負(fù)荷點(diǎn)11～23的故障率和停電時(shí)間均較高；在配置微網(wǎng)后，負(fù)荷點(diǎn)14～23的故障率和停電時(shí)間明顯下降。這是由于原本未配置微網(wǎng)時(shí)，負(fù)荷點(diǎn)11～23位于線路末端且沒有備用電源，主線路上任何元件的故障都將致使這些負(fù)荷斷電。但在配電網(wǎng)配置微網(wǎng)后，由于微網(wǎng)可根據(jù)系統(tǒng)中元件故障情況選擇合適的運(yùn)行模式，負(fù)荷點(diǎn)14～23處于微網(wǎng)內(nèi)，當(dāng)配電網(wǎng)主線路上元件發(fā)生故障時(shí)，這些負(fù)荷由微網(wǎng)內(nèi)的DG為其供電，便不會(huì)發(fā)生斷電事件，其停電次數(shù)得到減少，年平均停電時(shí)間也隨之減少。因此，配電網(wǎng)中規(guī)劃進(jìn)微網(wǎng)內(nèi)的負(fù)荷點(diǎn)可靠性得到了不同程度的提高。

基于仿真得到的負(fù)荷點(diǎn)故障率和年平均停電時(shí)間等可靠性指標(biāo)，通過文獻(xiàn)[15]中的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)公式計(jì)算得到的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)如表1所示。

表1 微網(wǎng)接入前、后系統(tǒng)可靠性指標(biāo)

由表1可知，配電網(wǎng)中接入微網(wǎng)與不接入微網(wǎng)相比，系統(tǒng)可靠性指標(biāo)SAIFI、SAIDI、CAIDI、ENS、ACCI均明顯減小，供電可用率指標(biāo)ASAI有所提高，這是由于微網(wǎng)能夠在配電網(wǎng)中元件發(fā)生故障時(shí)，切換至孤島模式運(yùn)行來保障其內(nèi)部負(fù)荷的電能供應(yīng)，減少了內(nèi)部負(fù)荷停電事故的發(fā)生，提高了系統(tǒng)的供電可用率。接入微網(wǎng)后系統(tǒng)整體可靠性有明顯的提高，這說明微網(wǎng)的接入可以顯著提升配電網(wǎng)的可靠性。

3.2 混合儲(chǔ)能的影響

在饋線20和29處分別接入內(nèi)含風(fēng)機(jī)、光伏和儲(chǔ)能的微網(wǎng)，風(fēng)機(jī)和光伏額定功率均為1 MW，儲(chǔ)能裝置分別采用蓄電池單一儲(chǔ)能、由蓄電池和超級電容器組成的混合儲(chǔ)能。通過仿真計(jì)算得到兩種儲(chǔ)能方式下的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)隨著不同儲(chǔ)能容量的變化情況如圖6所示。

圖6 ENS隨儲(chǔ)能容量的變化情況

由圖6可以看出，系統(tǒng)可靠性指標(biāo)均隨著儲(chǔ)能容量的增加而逐漸減小，即系統(tǒng)可靠性不斷提高。這是由于儲(chǔ)能系統(tǒng)能平滑風(fēng)光等分布式電源的出力波動(dòng)，隨著儲(chǔ)能容量的增加，系統(tǒng)能更高效地為負(fù)荷供電，減少了負(fù)荷缺電斷電現(xiàn)象，進(jìn)而提高了系統(tǒng)的供電可靠性。而在混合儲(chǔ)能總體容量與蓄電池儲(chǔ)能容量相同的情況下，含混合儲(chǔ)能的配電網(wǎng)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)明顯低于僅含單一蓄電池儲(chǔ)能的系統(tǒng)。這是由于混合儲(chǔ)能技術(shù)利用超級電容和蓄電池的互補(bǔ)作用，更好地平滑可再生能源的波動(dòng)，可以降低系統(tǒng)內(nèi)負(fù)荷被削減的概率，減少了負(fù)荷停電次數(shù)，從而提高系統(tǒng)的供電可靠性。此外，不論何種儲(chǔ)能形式，隨著儲(chǔ)能容量的增加，系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的下降速度越來越慢并趨于飽和。這也說明了在設(shè)計(jì)微網(wǎng)時(shí)應(yīng)綜合考慮投資成本和可靠性收益，對儲(chǔ)能容量及其比例進(jìn)行合理配置。

4 結(jié)束語

本文建立了混合儲(chǔ)能的輸出模型及其充放電策略，將混合儲(chǔ)能與風(fēng)機(jī)、光伏按照一定方式組成微網(wǎng)并接入配電網(wǎng)。首先對配電系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域簡化，并考慮孤島運(yùn)行微網(wǎng)發(fā)電不足時(shí)削減負(fù)荷，確定各負(fù)荷點(diǎn)受故障影響的停電時(shí)間。采用序貫蒙特卡洛法計(jì)算系統(tǒng)可靠性指標(biāo)，定量分析混合儲(chǔ)能微網(wǎng)的接入對配電網(wǎng)可靠性的影響。結(jié)果表明，微網(wǎng)接入配電網(wǎng)后，配電系統(tǒng)可靠性指標(biāo)明顯得到改善；且與含單一蓄電池微網(wǎng)相比，含混合儲(chǔ)能微網(wǎng)對系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的影響更大，能更好地提高系統(tǒng)的供電可靠性水平。這些結(jié)論可為微網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)及其在配電網(wǎng)中的應(yīng)用提供參考。