含儲能光伏電站并網運行可靠性評價仿真

朱東垣，孫一飛，田有文

(沈陽農業大學信息與電氣工程學院，遼寧 沈陽 110866)

1 引言

現階段，隨著各類輕重工業及化工產業的不斷發展，環境污染問題變得越來越嚴峻，各類能源及環保問題備受關注。利用風能、太陽能等自然能源進行發電是目前節能環保的主要措施之一，儲能類的光伏發電站作為實施的重要設備，對其并網運行可靠性分析也成為光伏發電領域的研究熱點和重點。如果并網發電中的電壓、頻率以及相位保持不一致，出現了偏差，就會導致發電終止，因此，對這三個參數進行計算、明確其相互聯系的可靠性，才能保證電能可以源源不斷地輸送，確保電站運作穩定及安全。

本文通過分析含儲能光伏電站在并網時狀態、直交電流以及母線電壓等各項指標的運行特點，計算在缺電和電容量不足期間電站隨頻率、電壓而變化的停運概率。隨后推導計算在停運概率最高和最低時，電站發電頻率和電壓的上下限值，通過該值準確判定在各狀態期間下電網運行的可靠性。實驗證明，所提可靠性分析算法，可在最大程度上減少電站設備損耗、增強穩定性和使用壽命，并對電力數據具有較高的敏感性，整體分析過程直觀簡單，參數清晰準確，對電力產業的發展具有一定的參考意義。

2 含儲能光伏電站并網運行特性分析

一般情況下，含儲能光伏發電站在并網運行時，都需要進行電流交互[1]，即讓電站中的直流電能轉換為交流電能。計算交互時所產生的電流、電壓、電容量[2]以及輸出頻率[3]等參數，是后續對并網停運可靠性分析的前提和基礎，可提高分析的準確性，減少關鍵參數的計算誤差，直交電流轉換矩陣為

(1)

(2)

式中，Ude表示并網電站中直流電路的母線電壓，也是整體總線的電壓[5]。從式(1)和式(2)可以得出，光伏電站并網直交電流的輸出電壓，是由電站母線電壓和實時狀態電壓共同決定的。所以，在進行可靠性分析時，需要考慮電站并網時的運行電壓，適當結合并網輸出的頻率和負荷量，這樣才能實現統一化分析。同時光伏電站在并網過程中，由于外界不可抗力因素的影響，會出現各種電流諧波及噪聲，干擾電壓、頻率以及運行狀態矢量的判定。此時，就需要保證參數協調配合性，才能提高并網可靠性分析的效率。

3 可靠性評估指標

含儲能光伏電站并網運行可靠性評估指標的作用，主要就是用于反映電站在不同情況下，電力運行及供應的情況。所以，本文將以電站在斷電期間、電容量不足期間頻率、電壓以及承載負荷的變化作為評估指標，計算電站停運的概率[6]，以此準確判定含儲能光伏電站并網運行的可靠性。評估指標的具體設置步驟如下：

1)斷電期間的頻率、電壓評估指標。初始定義為電站在斷電期間，頻率和電壓是否能滿足既定的負荷要求，計算負荷所需的小時和天數期望值[7]，具體表達公式為

(3)

式中，LOLE表示電站在斷電期間的指標期望值；Pi表示當電站處于i狀態時的頻率不足概率；Ui表示當電站處于i狀態時的電壓不足概率；i∈S*表示在給定時間內，電站能不能滿足負荷需求的狀態數據集。

2)電容量不足期間的頻率、電壓以及承載負荷評估指標。定義電站在該期間內會發生電容量不足現象，在此基礎上，頻率和電壓可能損失的期望值，表達公式為

(4)

式中，LOLE表示電站在電容量不足期間的指標期望值；i∈kW·h/a表示時間和運行負荷的乘積；Ci表示當電站處于i狀態時的總體負荷損失。

3)將上述過程建立的可靠性評估指標集進行數據標準化，根據各指標的量化分量[8]，對分布較為混亂、數據異構特性等不同類型的指標進行標準化處理，減少可靠性分析的誤差性。首先，建立分析數據與指標一一對應的分布函數，在函數中提取符合正態分布的數據，不符合高斯正態分布的數據變化，運用標準化公式擬合轉化，公式為

(5)

4 基于頻率、電壓的光伏電站并網運行停運概率計算

根據上述建立的電站在斷電期間、電容量不足期間頻率、電壓以及承載負荷變化的評估指標集，作為可靠性分析基礎，計算電站并網運行停運的概率，實現可靠性分析的準確判定。

當光伏電站并網運行時，頻率和電壓都會發生大幅度的變化，升高或降低至一個額定的保護值。此時電站的自動保護裝置[9]就會啟動，對電路進行低壓、高壓、高周以及低周[10，11]的保護操作，減少電站損耗。在進行停運概率計算時，需要將這些因素都考慮在內，才能保證可靠性分析的準確性，具體操作步驟如下：

(6)

2)當電站發電機因并網，導致頻率過高超越極限值時，此時發電機的停運概率F(FG)為1，表達式如下

(7)

式中，FG，max表示停運概率的最大值；FG，min表示停運概率的最小值。

3)當電網發電機的運行頻率處于正常值和極限值范圍內時，此時電站停運的頻率就會逐漸趨于極限值，運用直線擬合法對此概率F(FG)進行計算，具體表達公式為

(8)

根據以上假設算法，可得出含儲能光伏電站并網停運概率隨頻率變化曲線，如下圖1所示。

圖1 電站停運概率隨頻率變化曲線

通過上述過程原理推導計算停運概率F(F/UG)隨電壓UG的變化，具體表達公式如下所示

(9)

(10)

(11)

圖2 電站停運概率隨電壓變化曲線

5 仿真研究

5.1 實驗設置

本文將以某光伏發電站并網系統作為主要的仿真環境，其中，并網系統中共包含5臺儲能電機、5臺光伏發電機、37個監測節點、10條母線電路和5條總線電路，并且該系統已經連續運行15年，具體布局如圖3所示。

圖3 光伏發電站并網系統示意圖

本次實驗一共給出三種測試情況：一是儲能發電機組在進行并網時，停運概率的變化情況；二是光伏發電機組在進行并網時，停運概率的變化情況；三是發電站在出現電路故障時，供電可用率的變化情況。其中，停運概率可作為可靠性分析的一個量化數值，其數值越高，表示電站驟停、運作中斷幾率越大，并網運行可靠性越低；反之停運概率越低，就表示電站驟停、運作中斷幾率越小，并網運行可靠性越高。供電可用率作為電站運行的基本指標，其數值越高表示電站可利用能源量越高，可靠性越強；反之則越差。第三種情況的電路故障參數如下表1所示。

表1 含儲能光伏電站模擬電路故障參數

5.2 并網停運概率計算結果分析

下圖4和圖5為發電站隨頻率和電壓變化下的停運概率分析結果。

圖4 儲能發電機組并網時停運概率分析結果

圖5 光伏發電組并網時停運概率分析結果

從圖4中可以看出，隨著電站負荷量的不斷上升，儲能發電機組的停運概率也在不斷升高，說明該光伏發電站的承載能力不強、強負荷能力較差、可靠性不強。判定其在近幾年內可能會發生故障導致設備停運，需及時進行報修維護處理。將本文分析結果與實驗預設數據相比，符合電站已連續運行15年的前提條件，整體電路老化嚴重，故障發生率較高。這說明本文的分析算法準確率較高，與實際情況相匹配。

從圖5中可以看出，光伏發電組的停運情況與儲能發電較為相似，都是隨著承載負荷的不斷增加停運概率越來越高。但是從圖中可以看出，在負荷量增長到80時，停運概率變化幅度降低，逐漸趨于一個穩定值。這是因為，光伏發電組屬于發電站中的最為重要的電力設備，主要將采集的光源轉換為電能在進行輸送。所以為了保證電力系統的安全，此類電機一般會設立自動停機保護設備，一旦發現負荷量或電壓、電功率超過了既定值，就會自動停機保證線路安全。

5.3 電網運行可靠性分析

由于發電機出現電路故障時的可靠性比正常運行狀態下要低，數值一般為0，一般方法難于準確表述。所以本文將通過電路故障模擬，主動控制故障程度，判定在各種程度下其內部線路以及元件的供電可用率、運行頻率以及電壓，分析整個線路運行的可靠性，具體的實驗結果如下圖6所示。

圖6 各故障狀態下可靠性指標

從圖6中可以看出，當發電機出現電路故障時，發電站的電壓和運行頻率均在可承受范圍之內。這是因為電路有一定的運行慣性和剩余能量，不會在短時間內迅速停機。供電可用率的曲線在不斷下降，一旦電站的供電不足，就會借助剩余發電機供電出力，此時的整體負荷不斷上升停運可能性較大，可靠性水平較低。該分析結果符合實驗預設情況，說明本文可靠性分析算法正確率較高。

6 結論

本文針對含儲能光伏電站并網運行的狀態、電路電流及電壓進行了具體分析，計算各參數的矢量表達數據，并進行統一化管理，剔除干擾數據、減少后續可靠性分析的誤差。建立電站的缺電和電容量不足期間頻率和電壓的評估指標集，將評估集標準化處理，使其符合正態分布，提高分析的準確性。

最后，通過計算電站在并網運行的各期間內停運概率的變化，得出停運概率高、電網運行可靠性低的結果。在保證實時性和計量性的基礎上，具體分析影響電站可靠性的原因，是下一步的研究方向。