微電網(wǎng)可靠性評(píng)估方法及評(píng)估策略研究

岳超

摘? 要：微電網(wǎng)作為一種新型的電力供電網(wǎng)絡(luò)，充當(dāng)分布式電源和用戶之間的傳輸紐帶的作用，對(duì)微電網(wǎng)展開可靠性評(píng)估，對(duì)于電網(wǎng)規(guī)劃，改善電力生產(chǎn)技術(shù)，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性都有重要的作用。該文針對(duì)微電網(wǎng)可靠性問題，以微電網(wǎng)的運(yùn)行特性為基礎(chǔ)，建立可靠性評(píng)估指標(biāo)，選取高效的可靠性評(píng)估算法，通過相關(guān)策略抽樣統(tǒng)計(jì)計(jì)算可靠性指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)? 可靠性分析? 蒙特卡洛? 孤島運(yùn)行? 可靠性指標(biāo)

中圖分類號(hào)：TM727? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1672-3791（2019）03（a）-0046-04

對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行可靠性評(píng)估是微電網(wǎng)規(guī)劃、建設(shè)初期不可或缺的階段。通過分析擬規(guī)劃的微電網(wǎng)可靠性指標(biāo)，判斷微電網(wǎng)運(yùn)行能否給系統(tǒng)中的電力負(fù)荷正常供電[1]。

1? 微電網(wǎng)可靠性評(píng)估基礎(chǔ)

1.1 微電網(wǎng)基本概念

微電網(wǎng)是由某一種或幾種微電源與電力負(fù)荷以某種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接在一起所組成的電力系統(tǒng)，可以給負(fù)荷提供必要的電力供應(yīng)，并且通過內(nèi)部的電力電子器件靈活控制，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地對(duì)負(fù)荷進(jìn)行供電。

1.2 微電網(wǎng)的特征

微電網(wǎng)的主要特征如下。

（1）主要采用輻射狀的接線形式，系統(tǒng)中含有微電源、電力電子控制設(shè)備、儲(chǔ)能系統(tǒng)等。

（2）大多數(shù)微電網(wǎng)規(guī)模、容量較小，呈現(xiàn)系統(tǒng)的微型化。

（3）微電網(wǎng)與主網(wǎng)通過公共連接點(diǎn)相連，可以實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)。

（4）微電網(wǎng)供電可靠性高，在主網(wǎng)發(fā)生故障后能夠迅速斷開公共連接點(diǎn)，轉(zhuǎn)換為孤島運(yùn)行方式[2]。

1.3 系統(tǒng)可靠性指標(biāo)

1.3.1 系統(tǒng)平均停電頻率指標(biāo)

系統(tǒng)平均停電頻率（System Average Interruption Frequency Index，SAIFI），該指標(biāo)表示在某個(gè)單位的時(shí)間周期內(nèi)，接受某個(gè)區(qū)域內(nèi)電力系統(tǒng)供電的電力負(fù)荷的停電總次數(shù)和該區(qū)域內(nèi)用戶總數(shù)的比值，定義為：

1.3.2 系統(tǒng)平均停電持續(xù)時(shí)間指標(biāo)

1.3.3 平均供電可用率指標(biāo)

1.3.4 用戶平均停電持續(xù)時(shí)間

1.3.5 系統(tǒng)電量不足期望值

2? 微電網(wǎng)可靠性分析

2.1 蒙特卡洛抽樣法

2.2 微電網(wǎng)可靠性評(píng)估算法

2.2.1 可靠性評(píng)估方案

該文提出兩種方案對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行可靠性評(píng)估。可靠性評(píng)估所采用的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中，方案一如下。

策略1：根據(jù)智能開關(guān)將負(fù)荷分區(qū)，將分布式電源接到節(jié)點(diǎn)1處，計(jì)算可靠性指標(biāo)。

策略2：將分布式電源接到節(jié)點(diǎn)3處，改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并計(jì)算可靠性指標(biāo)。

策略3：將分布式電源接到節(jié)點(diǎn)7處，計(jì)算可靠性指標(biāo)。

方案二如下。

策略1：針對(duì)孤島運(yùn)行的微電網(wǎng)，首先在系統(tǒng)中加入風(fēng)力發(fā)電機(jī)和柴油發(fā)電系統(tǒng)，計(jì)算可靠性指標(biāo)。

策略2：以柴油發(fā)電機(jī)為微電網(wǎng)內(nèi)的主電源，計(jì)算可靠性指標(biāo)。

策略3：在策略1的基礎(chǔ)上，在系統(tǒng)中加入儲(chǔ)能系統(tǒng)，以平滑風(fēng)電機(jī)組的出力，計(jì)算系統(tǒng)可靠性指標(biāo)。

2.2.2 可靠性評(píng)估算法

（1）初始化可靠性評(píng)估數(shù)據(jù)。令蒙特卡洛模擬開始時(shí)間T=0，假設(shè)元件總數(shù)為i，并根據(jù)元件的編號(hào)輸入對(duì)應(yīng)元件的故障率和修復(fù)率，所有元件初始狀態(tài)為正常工作狀態(tài)。

（2）確定故障元件。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣，抽取所有元件的正常工作時(shí)間，生成i個(gè)隨機(jī)數(shù)i，使得i為[0，1]均勻分布中的隨機(jī)數(shù)。令Ti=-（lni）/λi，Ti為元件的無(wú)故障工作時(shí)間，即產(chǎn)生i個(gè)無(wú)故障工作時(shí)間。

（3）找出i個(gè)無(wú)故障工作時(shí)間中的最小值Tλi=min（Ti）的元件，該元件j即為系統(tǒng)中的故障元件。Tλi即為系統(tǒng)的無(wú)故障工作時(shí)間。

（4）對(duì)于（2）中抽取的元件j，重新輸入[0，1]區(qū)間上的均勻分布中的隨機(jī)數(shù)y。計(jì)算Tμi=-（Lny）/μi，式中μi為j元件的修復(fù)率，Tμi即為故障修復(fù)時(shí)間。

（5）對(duì)于故障元件，根據(jù)（3）和（4）中計(jì)算的Tλi和Tμi，將數(shù)據(jù)輸入到故障數(shù)據(jù)處理模塊，累積負(fù)荷的停電時(shí)間和停電次數(shù)。

（6）判斷模擬時(shí)間是否達(dá)到設(shè)定時(shí)間，若達(dá)到則跳出循環(huán);若沒有達(dá)到，令T=Tλi+Tμi+T，轉(zhuǎn)至（2）。

（7）根據(jù)公式（1）～（4），計(jì)算系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。

（8）依據(jù)方案一中提出的策略1～策略3，改變各個(gè)負(fù)荷點(diǎn)到分布式電源的電氣距離LIP，轉(zhuǎn)至（1），重新對(duì)初始化數(shù)據(jù)，抽取故障元件進(jìn)行可靠性計(jì)算。

（9）輸入風(fēng)速數(shù)據(jù)和負(fù)荷點(diǎn)的時(shí)序功率數(shù)據(jù)，計(jì)算風(fēng)電機(jī)組輸出功率PWTG、柴油發(fā)電機(jī)輸出功率PDGS。

（10）令模擬時(shí)間k=0，負(fù)荷點(diǎn)所需總電能為Esum，假設(shè)模擬總時(shí)間N1=8760。比較模擬的時(shí)間段內(nèi)柴油發(fā)電機(jī)組和風(fēng)電機(jī)組輸出總功率Psum=PWTG+PDGS，如果在當(dāng)前時(shí)間段內(nèi)總功率Psum小于PL負(fù)荷需求，則計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)負(fù)荷點(diǎn)所需總電能為Esum=（PL-Psum）·1。如果分布式電源輸出總功率可以滿足負(fù)荷需求，則令該時(shí)間段內(nèi)Esum=0。當(dāng)時(shí)間到達(dá)模擬的總時(shí)間，則跳出循環(huán)，計(jì)算負(fù)荷點(diǎn)所需平均功率Laverage=Esum/N1。若沒有到達(dá)，則繼續(xù)累加時(shí)間進(jìn)行重復(fù)計(jì)算。

（11）切除風(fēng)電機(jī)組，重復(fù)步驟（10），計(jì)算輸出總功率Psum=PDGS，如果在當(dāng)前時(shí)間段內(nèi)總功率Psum小于負(fù)荷需求PL，則計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)負(fù)荷點(diǎn)所需總電能Esum=（PL-Psum）·1。如果分布式電源輸出功率可以滿足負(fù)荷需求，則令該時(shí)間段內(nèi)Esum=0。當(dāng)時(shí)間到達(dá)模擬的總時(shí)間，則跳出循環(huán)，計(jì)算負(fù)荷點(diǎn)所需平均功率Laverage=Esum/N1。若沒有到達(dá)，則繼續(xù)累加時(shí)間進(jìn)行重復(fù)計(jì)算。

（12）加入儲(chǔ)能系統(tǒng)，重復(fù)步驟（10），計(jì)算加入BESS后負(fù)荷點(diǎn)所需的平均功率Laverage。

（13）根據(jù)（10）～（12）所得出的數(shù)據(jù)，分別計(jì)算3種策略下的可靠性指標(biāo)EENS。

3? 計(jì)算分析

3.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

在支路1處加入風(fēng)電機(jī)組、柴油發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成微電網(wǎng)，在支路1、3、7處分別加入智能開關(guān)，用來保證系統(tǒng)發(fā)生故障后能有效切除負(fù)荷電流。在此算例中，將風(fēng)電機(jī)組的參數(shù)設(shè)置為切入風(fēng)速3m/s，額定風(fēng)速8m/s，切出風(fēng)速15m/s。

可靠性評(píng)估所采用的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

元件可靠性參數(shù)如表1所示。

微電網(wǎng)內(nèi)各個(gè)負(fù)荷的參數(shù)如表2所示。

3.2 可靠性評(píng)估結(jié)果分析

3.2.1 負(fù)荷點(diǎn)可靠性評(píng)估結(jié)果

策略1：根據(jù)智能開關(guān)將負(fù)荷分區(qū)，將分布式電源接到圖1中節(jié)點(diǎn)1處，計(jì)算可靠性指標(biāo)。

策略2：將分布式電源接到圖1中節(jié)點(diǎn)3處，改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并計(jì)算可靠性指標(biāo)。

策略3：將分布式電源接到圖1中節(jié)點(diǎn)7處，計(jì)算可靠性指標(biāo)。

可靠性計(jì)算結(jié)果見表3、表4。

從上述可靠性評(píng)估結(jié)果可知：

（1）對(duì)于策略1～策略3，綜合比較年平均故障停電時(shí)間，策略2的年平均故障停電時(shí)間最低，策略3的年平均故障停電時(shí)間最高。

（2）策略2是將分布式電源加入到支路3處，網(wǎng)絡(luò)供電方式為輻射式供電網(wǎng)絡(luò)，并且將公共連接點(diǎn)等效為發(fā)電機(jī)。由于分布式電源接在微電網(wǎng)與配電網(wǎng)相連的公共連接點(diǎn)所在的支路，并且相對(duì)其他兩種策略來說，每一個(gè)負(fù)荷的供電半徑較小，當(dāng)系統(tǒng)由故障狀態(tài)恢復(fù)正常供電后，能減少每個(gè)負(fù)荷的停電時(shí)間，并且系統(tǒng)和用戶的平均停電頻率和停電持續(xù)時(shí)間最低，平均供電可用率最高。

（3）策略1和策略3是將分布式電源分別加入到節(jié)點(diǎn)1和7上，在這兩種策略下，電源離末端負(fù)荷點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，供電半徑較大，使負(fù)荷點(diǎn)1或負(fù)荷點(diǎn)8的可靠性降低，并且系統(tǒng)和用戶的平均停電頻率和停電持續(xù)時(shí)間較高，平均供電可用率較低。

3.2.2 發(fā)電系統(tǒng)可靠性評(píng)估結(jié)果

策略1：針對(duì)孤島運(yùn)行的微電網(wǎng)，首先在系統(tǒng)中加入風(fēng)力發(fā)電機(jī)和柴油發(fā)電系統(tǒng)，計(jì)算可靠性指標(biāo)。

策略2：以柴油發(fā)電機(jī)為微電網(wǎng)內(nèi)的主電源，計(jì)算可靠性指標(biāo)。

策略3：在策略1的基礎(chǔ)上，在系統(tǒng)中加入儲(chǔ)能系統(tǒng)，以平滑風(fēng)電機(jī)組的出力，計(jì)算系統(tǒng)可靠性指標(biāo)。

可靠性計(jì)算結(jié)果見表5。

從上述可靠性評(píng)估結(jié)果可知：

（1）對(duì)于孤島運(yùn)行的微電網(wǎng)，當(dāng)采用不同類型的分布式電源時(shí)，系統(tǒng)的可靠性變化程度較大。

（2）從表5中可以看出，對(duì)于策略1，系統(tǒng)中僅接入風(fēng)力發(fā)電機(jī)和傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)，當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)的電量不足期望值較低。該策略沒有儲(chǔ)能系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)的出力大于負(fù)荷需求時(shí)，只能采取切除部分發(fā)電機(jī)組的方式來保持系統(tǒng)的功率平衡。

（3）策略2中，微電網(wǎng)僅以柴油發(fā)電機(jī)的平均輸出功率對(duì)負(fù)荷供電，由于柴油發(fā)電機(jī)故障率相對(duì)較高，只能即發(fā)即用，對(duì)于電力需求較小的區(qū)域能實(shí)時(shí)滿足需求，而對(duì)于電能需求較大的區(qū)域，策略2無(wú)法滿足，這種情況下只能根據(jù)不同負(fù)荷的等級(jí)采取切負(fù)荷的方式。因此，系統(tǒng)的電量不足期望值最高，系統(tǒng)可靠性最低。

（4）策略3中，發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能系統(tǒng)所組成。當(dāng)分布式電源的出力大于負(fù)荷需求，可以將多余的電能存儲(chǔ)到儲(chǔ)能系統(tǒng)中以供備用，當(dāng)電源出力不能滿足負(fù)荷需求時(shí)，通過儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電保證負(fù)荷正常供電。因此，策略3的系統(tǒng)電量不足期望值最低，儲(chǔ)能系統(tǒng)的加入提高了風(fēng)能的利用率，減少了負(fù)荷削減率，降低了風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率的波動(dòng)性，因此供電可靠性最高。

4? 結(jié)語(yǔ)

微電網(wǎng)作為一種新型的電力供電網(wǎng)絡(luò)，充當(dāng)分布式電源和用戶之間的傳輸紐帶的作用，對(duì)微電網(wǎng)展開可靠性評(píng)估，對(duì)于電網(wǎng)規(guī)劃，改善電力生產(chǎn)技術(shù)，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性都有重要的作用。

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