分布式光伏電源并網可靠性研究

王連民，李 瑋，張克甲，武曉峰

（國網吳忠供電公司，吳忠 751100）

0 引言

光伏清潔能源并網發電已逐步規模化和并網化，大規模的集中于分布式光伏電源并網對電網的可靠性、經濟性及穩定運行都會產生重要的影響。

光伏發電的特點是隨機性較強，分布式光伏電源發電可靠性模型的構建可用于并網后對系統供電可靠性影響的評估。針對含分布式光伏電源的電網進行了算例模型仿真，由于光伏發電具有不可控性，且發電量與用電負荷無法精準預測，需通過概率抽樣法對其進行預測，同時分析時變電源對時變負荷供電時的供電可靠性，由此形成可靠性計算的重要指導指標，分布式光伏并網系統可靠性研究對電網安全生產及經濟運行具有重要意義。因此，此項研究是必要的。

1 光伏電源功率模型

1.1 光伏陣列等效模型

電池單元是光電轉換的最小單元,被封裝為光伏電池組件。光伏電池組件通過串、并聯后形成光伏電池陣列，進而構成光伏電站[1]。單個光伏電池的等效電路如圖1所示。

單個光伏電池的輸出電流關系如式(1)所示。

式(1)中，IPV為光伏電流；Id為表示光伏電池反向飽和暗電流；Ir為泄漏電流。

圖1 光伏電池等效電路

1.2 光伏陣列輸出功率

光伏組件的輸出按功率計量，光伏電池方陣的輸出功率與其接受的太陽輻射能成正比，可以得出光伏陣列在t時刻總的輸出功率如式(2)所示。

式中，N為正常工作的光伏組件數；I為光伏電池組件傾斜面上的總太陽能輻射強度；A為單個電池組件的面積；η為電池組件的額定轉換效率。

2 可靠性評估指標

2.1 負荷點計算指標

負荷點的可靠性計算指標是指在規定時間內計算系統每一個負荷點的可靠程度，指標計算式如下：

1）負荷點故障率：

2）負荷點平均停電持續時間：

3）負荷點平均年停電時間：

式中，∑Tdi為第i個負荷點所有停電時間的總和；∑Tui為第i個負荷點所有工作時間總和；Ni為系統時間內的模擬故障次數。

2.2 系統計算指標

系統可靠性計算指標是指系統整體可靠程度，由負荷點可靠性指標求得。主要計算公式如下：

1）系統平均停電頻率計算指標：

2）系統平均停電持續時間計算指標：

3）用戶平均停電持續時間計算指標：

4）平均供電可用度計算指標：

5）系統總電量不足計算指標：

6）系統平均電量不足計算指標：

以上式(6)～式(11)中，Mi為負荷點i的用戶數；λi為負荷點i的故障率；Ui為負荷點i的年停電時間；T為年小時數8760h。

3 可靠性分析

3.1 算例仿真模型

分布式光伏電源并網仿真算例如圖2所示，采用放輻射式供電，由于網絡含分布式光伏電源，所以系統用戶由雙電源供電，假設變電站出線斷路器能夠可靠動作，隔離開關均為常閉，LPa、LPb、LPc三個負荷點由干線種的的分支線供電。光伏電源并入電網下游末端節點C處，且假設某一段饋線故障時，其兩側斷路器均能立即動作，即不考慮光伏電源對故障電流和系統保護的影響（PV不需在故障發生時從系統中暫時斷開）。

圖2 分布式光伏電源的電網算例接線圖

圖2中算例為10kV電網架空線路，其中主干線長6 km，分支線長6km,在線路上共接有175個用戶，集中在LPa、LPb、LPc三處。系統中PV的額定容量為2MW。

3.2 蒙特卡羅仿真

蒙特卡羅模擬方法（簡稱MC方法）是一種隨機模擬方法，通過使用隨機數對元件故障動作進行隨機抽樣，采用概率統計計算，構建可靠性計算指標[2]。MC方法可實現統計模擬或抽樣，獲得問題的近似解，能夠適用電力系統可靠性的計算仿真研究。

MC法的主要思想是：對于元件或系統建立隨機事件和概率模型，通過抽樣實驗，計算參數的統計特性，得出問題的近似解。

根據大數定理，當N足夠大時有式(13)：

可得式(14)：

根據分布式光伏電源隨機性、波動性以及并網輸出功率不斷變化的特性，運用MC法可計算得出系統與節點的停電頻率和停電持續時間指標，并且能夠較好地分析光伏并網后系統的可靠性[3]。

設定圖2所示系統中各個元件參數如表1所示，算例仿真流程如圖3所示。

表1 系統元件相關參數

在該算例中利用MATLAB編程語言，設定系統模擬年數為50000，調用庫函數產生滿足均勻分布的隨機數，將隨機變量分別轉換為故障率與修復時間，對各線路進行抽樣模擬，最后統計各負荷點的可靠性指標，每個負荷點每次模擬產生的可靠性指標可用于評估SAIFI和SAIDI等各項系統指標。

3.3 算例分析

運用MC方法對系統模型進行模擬，針對分布式光伏電源接入電網前后對系統可靠性水平的影響，根據圖2設計兩種計算方案：

1）放射狀電網，無分布式光伏電源接入電網，分支線加熔斷器，線路分段，自動隔離故障。

圖3 蒙特卡羅方法算例流程圖

2）分布式光伏電源接入電網，分支線加熔斷器，線路分段，自動隔離故障。

在兩種方案下對負荷點可靠性指標的計算結果如表2所示。

表2 分布式電源并網前后負荷點可靠性指標分析比較

由表1光伏電源并網前后負荷點可靠性指標計算結果可知，并網前后，負荷點的平均停電時間與故障率均相應的減小，且并網點上游的每個負荷點可靠性指標改善成效與并網點間距離成反比，其中，指標計算改善程度較大的是并網點相同線路上的其他負荷點。負荷點可靠性水平能有較大提升[4]。

通過計算分布式光伏電源接入電網前后的負荷點可靠性指標，負荷點的故障率和年平均停電時間相應的減小，且光伏電源上游的各個負荷點的可靠性指標改善程度隨著它與光伏電源接入點間距離的增大而減小，其中獲得改善程度最大的是與光伏電源所接線路段相同的負荷點，使其負荷點可靠性指標獲得了較大的改善，從而提高了負荷點的可靠性水平。

對分布式光伏電源并網電網前后各線路模擬的故障次數與故障率進行了比較分析。比較結果如圖4、圖5所示。

圖4 各線路模擬故障次數比較

圖5 各線路模擬故障率比較

由圖4、圖5模擬結果可知，當分布式光伏電源并網后，電網對各負荷點用戶供電將會使系統線路故障次數與故障率均得到較大降低與改善，各負荷點的故障時間也會大大縮短。

如表3所示，光伏電源并網前后的系統可靠性指標分析對比。

表3 分布式電源并網前后系統可靠性指標分析比較

由上述仿真結果可得，SAIFI、SAIDI、CAIDI指標會隨負荷用戶的停電次數與用戶停電持續時間的減小而減小；由于故障率與停電次數的減小，系統可靠供電的時間必然增長，因此，ASAI指標計算結果會相應提升；系統可靠供電時間的增長使得供電電量增大，則系統總的電量不足指標ENS會相應的減小，AENS指標也會相應的減小，系統可靠性指標得到了較大的改善。因此，因此，相比于無分布式光伏電源接入的電網，系統的可靠性水平有了較大的提高。

4 結語

在對分布式光伏電源并網后的可靠性指標計算、評估以及綜合分析的基礎上，可以得到以下結論：電網系統的可靠性水平在接入光伏電源后有了較大的改善。在電網線路參數設置和保護不變的情況下，光伏電源并網降低了負荷點處的故障率和平均停電時間，延長了系統對負荷點處用戶的可靠供電時間，負荷點處的可靠性指標與系統可靠性指標均得到不同程度的改善，從而提高了電網系統的可靠性水平。