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  劉  鵬

 （武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢430072）

[摘要]  序貫蒙特卡羅模擬法能夠模擬系統(tǒng)的各種運(yùn)行狀態(tài)，特別適合應(yīng)用于含間歇性分布式電源的電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估當(dāng)中。通過建立光伏電源的可靠性概率模型，結(jié)合負(fù)荷和其他元件的概率模型，采用序貫蒙特卡羅模擬法，計(jì)算了考慮間歇性的光伏系統(tǒng)接入后配電系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。針對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果表明，光伏發(fā)電系統(tǒng)合理接入配電網(wǎng)，可以提高配電網(wǎng)的可靠性水平。

[關(guān)鍵詞]  光伏發(fā)電系統(tǒng)；配電網(wǎng)；可靠性評(píng)估；序貫蒙特卡羅模擬

[中圖分類號(hào)] TM615  [文章編號(hào)]1000-3983(2016)02-0047-03

0  引言

 可再生能源的使用滿足社會(huì)對(duì)節(jié)能減排，環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的要求。太陽(yáng)能就是可再生能源之一，光伏發(fā)電與傳統(tǒng)發(fā)電形式相比具有較大競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。但光照具有較強(qiáng)的間歇性與隨機(jī)性，這使得光伏系統(tǒng)的接人給電網(wǎng)帶來了許多不確定的因素。光伏系統(tǒng)接入配網(wǎng)后，將使電網(wǎng)由原來的輻射狀拓結(jié)構(gòu)變成一個(gè)多電源供電的結(jié)構(gòu)，其可靠性評(píng)估模型也將發(fā)生改變。

  對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估的方法主要是解析法和蒙特卡洛法，解析法通過數(shù)值計(jì)算方法分析故障事件對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響，從而獲得系統(tǒng)的各項(xiàng)可靠性指標(biāo)。模擬法則是對(duì)配電網(wǎng)各元件狀態(tài)的概率分布抽樣進(jìn)行狀態(tài)選擇，對(duì)狀態(tài)后果進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)利用概率統(tǒng)計(jì)方法獲得可靠性指標(biāo)。基于解析法進(jìn)行可靠性分析主要缺點(diǎn)是對(duì)光伏的時(shí)序特性無法進(jìn)行考慮，因此無法準(zhǔn)確評(píng)估其隨機(jī)性與間歇性對(duì)相關(guān)指標(biāo)的影響，而蒙特卡洛模擬法在處理光伏電源出力波動(dòng)性方面在評(píng)估大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)時(shí)具有先天優(yōu)勢(shì)，而且隨著研究問題的不斷深入和考慮要素的不斷增多，蒙特卡洛模擬法的優(yōu)勢(shì)也越加凸顯。因此，本文通過建立光伏電源的可靠性概率模型，結(jié)合負(fù)荷和其他元件的概率模型，采用序貫蒙特卡羅模擬法，完成了考慮間歇性的光伏電源接人后配電系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)的計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與光伏系統(tǒng)接入前的可靠性指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，比較分析光伏系統(tǒng)接入對(duì)配電網(wǎng)可靠性的影響。

1  光伏電源模型和負(fù)荷模型

 由于光伏發(fā)電為間歇式可再生能源發(fā)電，可將其看作隨機(jī)電源。這種模型將DG等效為一個(gè)有多個(gè)運(yùn)行狀態(tài)的發(fā)電機(jī)，即除了額定出力外，電源還有多個(gè)非額定出力運(yùn)行狀態(tài)。由于這種DG受到各類隨機(jī)因素的影響較大，輸出功率的隨機(jī)性也較大，比較符合常見DG的實(shí)際情況。此處根據(jù)每一季度的日光伏發(fā)電曲線建立其年出力時(shí)間序列。負(fù)荷模型根據(jù)電力部門提供的季度負(fù)荷點(diǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)形成全年負(fù)荷時(shí)序模型。

2儲(chǔ)能裝置模型

 為了平滑可再生電源出力的波動(dòng)性，往往還需要配置儲(chǔ)能裝置。本文中儲(chǔ)能裝置考慮采用負(fù)荷跟隨策略。負(fù)荷跟隨策略下，僅由光伏電源的過剩出力為蓄電池充電，即：當(dāng)光伏電源出力大于當(dāng)前負(fù)荷時(shí)，由光伏電源的過剩功率為蓄電池充電，外部系統(tǒng)不為其充電；當(dāng)光伏電源出力小于負(fù)荷時(shí)，蓄電池放電，蓄電池與外部系統(tǒng)共同承擔(dān)剩余負(fù)荷的供電，其中蓄電池優(yōu)先供應(yīng)負(fù)荷。

3序貫蒙特卡羅模擬

3.1  光伏系統(tǒng)的可靠性評(píng)估方法

 用于評(píng)估發(fā)電系統(tǒng)充裕度的指標(biāo)主要有缺電時(shí)間期望LOLE(Loss of Load Expectation)和電量不足期望LOEE(Loss of Energy Expectation)。缺電時(shí)間期望LOLE和電量不足期望LOEE的單位分別是“h／年”和“M Wh/年”，分別表示發(fā)電系統(tǒng)在評(píng)估期間內(nèi)總發(fā)電容量小于總負(fù)荷的總時(shí)間期望和總發(fā)電容量不足的總電量期望。

 利用序貫蒙特卡洛模擬法中的狀態(tài)持續(xù)時(shí)間抽樣法對(duì)光伏電源的發(fā)電充裕度進(jìn)行評(píng)估。取模擬間隔為1h，模擬總時(shí)長(zhǎng)為Ⅳ年，模擬過程如下：

 (1)取一年時(shí)長(zhǎng)范圍，生成光伏出力和負(fù)荷大小的時(shí)序序列；

 (2)在一年時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，采用狀態(tài)持續(xù)時(shí)間抽樣法序貫抽樣各元件的運(yùn)行，停運(yùn)循環(huán)狀態(tài)序列。得到每個(gè)抽樣時(shí)長(zhǎng)內(nèi)系統(tǒng)的缺電持續(xù)時(shí)間和電量不足；

 (3)重復(fù)以上兩步直至模擬總時(shí)長(zhǎng)達(dá)到Ⅳ年，求取Ⅳ年中系統(tǒng)缺電持續(xù)時(shí)間和電量不足的平均值即為DG的可靠性指標(biāo)。

3.2負(fù)荷點(diǎn)的可靠性評(píng)估方法

 基于序貫蒙特卡羅法的負(fù)荷點(diǎn)可靠性評(píng)估步驟如下：

 (1)讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行初始化，形成8760h的負(fù)荷水平。設(shè)定仿真年數(shù)NY，并設(shè)開始仿真時(shí)間t=0；

 (2)對(duì)每個(gè)元件產(chǎn)生[0，1]內(nèi)均勻分布的隨機(jī)數(shù)U i，求出各個(gè)元件的正常工作時(shí)間TTF i;

 (3)找到TTF i最小的元件i，認(rèn)為此時(shí)元件f故障。產(chǎn)生一個(gè)服從[0，1]均勻分布的隨機(jī)數(shù)U i，求出元件f的故障時(shí)間TT R i；

 (4)根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定受元件f影響的負(fù)荷點(diǎn)。判斷有無可以由DG繼續(xù)供電的負(fù)荷點(diǎn)。若有轉(zhuǎn)到(5)，否則轉(zhuǎn)到(6);

 (5)在孤島運(yùn)行期間內(nèi)，對(duì)應(yīng)DG的輸出功率P，查找此時(shí)的負(fù)荷水平Lt，若P>Lt，則負(fù)荷點(diǎn)不會(huì)停電，反之負(fù)荷點(diǎn)失電。統(tǒng)計(jì)這些負(fù)荷點(diǎn)的正常工作時(shí)間T u和故障時(shí)間Td；

 (6)能由DG繼續(xù)供電的負(fù)荷點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)其正常工作時(shí)間T u和故障時(shí)間Td；

 (7)總的模擬時(shí)間f是否小于NYx8760h，是則轉(zhuǎn)入(2)，否則轉(zhuǎn)入(8);

(8)按照以下公式計(jì)算負(fù)荷點(diǎn)的可靠性指標(biāo)：

 其中，N f i為故障事件的總次數(shù)；∑T u i為負(fù)荷點(diǎn)f的正常運(yùn)行總時(shí)間；∑T d i為負(fù)荷點(diǎn)f的故障停運(yùn)總時(shí)間。

4算例分析

 本文結(jié)合鄂州配電系統(tǒng)的實(shí)際情況，以賽維光伏電站的并網(wǎng)型光伏發(fā)電模式為對(duì)象進(jìn)行相關(guān)計(jì)算研究。圖1為鄂州電網(wǎng)汀祖變電氣主接線，郎汀線為汀祖變110kV高壓側(cè)進(jìn)線；汀祖變主變?yōu)?10/3 8.5/10kV三繞組變壓器，額定容量31.5MVA；賽維光伏電站通過0.3/35kV升壓變壓器經(jīng)汀賽線接入主變35kV側(cè)，容量15MW；主變10kV帶一段10kV母線，出線7回，一回接入無功補(bǔ)償電容器組。

4.1  光伏系統(tǒng)的可靠性評(píng)估

 在賽維光伏系統(tǒng)供電的線路中，取泉塘I回、泉塘II回、機(jī)關(guān)線、陳盛線及火炬專線等5條饋線作為負(fù)荷點(diǎn)，在賽維光伏電源采用負(fù)荷跟隨策略進(jìn)行儲(chǔ)能的情況下，對(duì)其充裕度進(jìn)行評(píng)估。所得結(jié)果見表1。

4.2負(fù)荷點(diǎn)的可靠性評(píng)估

 在賽維光伏系統(tǒng)供電的線路中，取泉塘I回、泉塘II回、機(jī)關(guān)線、陳盛線及火炬專線等5條饋線作為負(fù)荷點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行可靠性評(píng)估。設(shè)備可靠性參數(shù)見表2：

  為了確�？煽啃灾笜�(biāo)收斂，模擬時(shí)間定為10000年。為了分析DG接入對(duì)配電網(wǎng)可靠性的影響，對(duì)原系統(tǒng)（無DG）可靠性指標(biāo)也進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

方案一：不考慮分布式電源的作用

 不考慮分布式電源的作用，計(jì)算出的負(fù)荷點(diǎn)可靠性指標(biāo)見表3。

方案二：接入賽維光伏系統(tǒng)

  計(jì)算出接入光伏系統(tǒng)同后各個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的可靠性指標(biāo)見表4。

 由表3和表4的負(fù)荷點(diǎn)可靠性指標(biāo)可知，賽維光伏的接人降低了負(fù)荷點(diǎn)的故障率，縮短了其平均停電時(shí)間，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。

5結(jié)論

 本文通過建立光伏系統(tǒng)的可靠性概率模型，結(jié)合負(fù)荷和其他元件的概率模型，采用序貫蒙特卡羅模擬法，以鄂州市賽維光伏發(fā)電接人電網(wǎng)為對(duì)象，進(jìn)行了含有間歇性光伏系統(tǒng)的配電網(wǎng)的供電可靠性評(píng)估。實(shí)例計(jì)算結(jié)果表明，序貫蒙特卡羅模擬法能夠模擬系統(tǒng)的各種運(yùn)行狀態(tài)，且適合應(yīng)用于具有間歇性的光伏電源的電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估當(dāng)中，光伏系統(tǒng)的合理接入可以提高配電網(wǎng)的可靠性水平。