董彥宗

(石家莊職業(yè)技術學院 電氣與電子工程系，河北 石家莊 050081)

風電、光伏電池、燃料電池和微型燃氣輪機等發(fā)電技術正逐漸成為電力系統的重要組成和補充，這種獨立的中小型發(fā)電裝置可以靈活地安裝在用戶側，統稱為分布式電源.分布式電源工作方式靈活，既可直接為用戶供電，也可接入配電系統成為公共電網的一部分.當分布式電源接入公共電網后，電網結構將由輻射狀的無源形式變成包含分布式電源和負荷的有源形式，潮流方向也具有雙向性，而不是固定由變電站母線流向用電設備.分布式電源接入電網后會引起電壓波動、頻率變化等供電質量問題，這種電網結構的變化會使傳統的各種電網的保護定值和機理發(fā)生改變，給電網的正常運行帶來了許多問題.

在這種情況下，微電網的概念應運而生.微電網又稱微網，是將分布式發(fā)電、電力電子、儲能儲熱和可再生能源等先進技術有機結合并接入電網的技術，主要由分布式電源、儲能儲熱裝置、負荷和控制管理系統組成.微電網通常將一定范圍內的分布式電源及負荷連接并接入到配電系統中，統一進行控制、管理和保護.微電網能夠提高配電系統的控制靈活性，可根據反饋信息對接入其中的各個分布式電源進行實時控制管理.因此，對電網系統的運行和控制及可靠性的評估理論與方法也產生了較大的影響.本文將分析微電網的運行方式及接入公共電網對用戶造成的影響，討論含分布式電源的微電網配電系統的可靠性指標變化、可靠性評估現狀及存在的問題，并研究和分析微電網可靠性評估的發(fā)展方向.

1 微電網特性及研究現狀

1.1 微電網的特性

(1)運行方式靈活

微電網是有別于傳統電網結構的獨立配電系統，由分布式電源、負荷、儲能儲熱裝置和控制系統組合而成，按照供電范圍可以劃分為單元級、多單元級、饋線級和變電站級四種形式，聯網模式和孤島模式是微電網的常見運行方式.當微電網接入公共電網進行聯網運行時，功率處于雙向流動狀態(tài)；當微電網從公共電網上切除進行孤島運行時，通過隔離開關與電網分離，能避免電網中浪涌電流、電壓驟降、頻率偏移或其他人為故障等問題的干擾.微電網可實現孤島模式與聯網模式的無縫轉換，減少或避免電網系統出現故障時對重要負荷造成影響[1-3]，因此，它既能實現功率的雙向流動，又能獨立運行，并保護重要負荷的供電可靠性.

(2)可大規(guī)模接入電網

分布式電源并聯運行接入電網時，由于相位不能嚴格同步，因此會造成較大的環(huán)流和電壓波動問題.引入多種先進智能控制技術，如儲能技術、恒功率控制、下垂控制等[4]，在使分布式電源對公共電網運行造成的不良影響降到最低的同時，也使用戶側并聯大量的分布式電源成為可能.微電網在孤島運行時，可利用各種控制方法對網內分布式電源進行管理和控制，以保持電壓和頻率穩(wěn)定，實現對重要負荷的連續(xù)供電.在大電網排除故障后，微電網重新由孤島模式轉變?yōu)槁摼W模式，與公共電網共同為用戶提供電能.

1.2 研究現狀

微電網在利用風電、光伏發(fā)電等可再生能源方面具有很大的優(yōu)勢，目前已成為國內外電力行業(yè)的研究熱點.國內多所科研機構及高等院校已針對微電網相關系統進行了大量研究，在運行方式、控制管理技術、穩(wěn)定性分析、可靠性評估及電能質量保護等方面取得了一定的進展.但對含分布式電源的微電網接入配電系統的可靠性定量評估方面的研究進展較為緩慢，實質性的研究也不多，尤其是微電網自身的可靠性定量分析，負荷及電力元件的隨機變化對微電網造成的影響，分布式電源及微電網對配電系統其他節(jié)點的影響，微電網的運行方式對配電系統整體可靠性的變化趨勢等方面的研究較少.

由于接入微電網后配電系統的潮流方向會隨負荷狀態(tài)實時變化，逆潮流時需要重新設定相關保護措施，電壓質量和功率調節(jié)的難度較大，這就對二次設備和通訊方式提出了新的要求，增加了系統的復雜性，因此，聯網技術及協調控制策略需要進行進一步研究，以有效抑制功率波動，保證電網安全、穩(wěn)定運行.

2 微電網配電系統可靠性評估

微電網的運行方式既靈活又多樣，聯網運行時會使配電系統可靠性評估的難度加大.為此，應把含微電網的配電網作為一個整體進行研究，在孤島運行時可將微電網當作獨立系統進行可靠性評估，并與配電網的數據進行綜合考慮.文獻[5]重點介紹了微電網標準IEEEP1547.4.文獻[6]分析了微電網作為負荷和儲能裝置的工作特性，以及作為等值電源的間歇出力情況、孤島運行狀態(tài)、發(fā)電成本及效益，并提出了新的可靠性評估指標和計算方法.

傳統配電系統是“環(huán)網設計，開環(huán)運行”的輻射狀結構，接入微電網后其拓撲結構會發(fā)生改變.隨著運行方式的變化，微電網的電流、功率可在單向流動和雙向流動之間切換，這就增加了電網運行狀態(tài)的不確定性.微電網中的分布式電源輸出功率很大程度上受風力、光照強度、時間、環(huán)境溫度等條件的影響，具有隨機性，且與負荷需求無關，這些都會使含分布式電源的微電網配電系統的動態(tài)特性及穩(wěn)態(tài)特性發(fā)生變化.需要注意的是，含微電網的新型配電系統可以看作是多個電源與多個負載相連接的電力網絡，當出現饋線故障時，可通過解列運行獨立出若干含微電網的孤島電力網絡，而不是像傳統配電系統一樣使饋線故障點后的所有負荷全部停電.由此可知，這種新型配電系統的可靠性評估從理論到實踐都出現了較大變動，因此，如何定量評估、預測微電網對配電系統可靠性的影響是目前亟待解決的問題.

2.1 分布式電源建模及可靠性指標更新

分布式電源功率小，種類多，電源特性不盡相同，受外界條件約束較大，具有間歇性和隨機性，并且分布式電源接入位置及運行方式靈活，與負載類型也有一定的關系，由此可見，針對分布式電源的建模是對微電網進行可靠性評估的重要基礎和先決條件.另外，還需要在對每種狀態(tài)具體分析的前提下，進行可靠性指標的更新.

文獻[7]通過建立負荷與儲能裝置的協調優(yōu)化模型，利用時序蒙特卡洛模擬法將模型應用于微電網可靠性評估方面，充分考慮了負荷及儲能裝置對微電網可靠性指標的影響，定義了新的負荷、儲能裝置及微電網整體的可靠性指標，并對其進行了定量評估.文獻[8]提出了電網多重故障對配電系統可靠性的影響及相關分析計算方法，推導出了單次故障與多重故障發(fā)生概率之間的比值表達式，利用此式，能夠針對不同系統規(guī)模及電力元件的年故障時間，得到不同的可靠性指標，使可靠性分析評估工作得到簡化.文獻[9]建立了多種分布式電源的等效模型及含有分布式電源的配電網孤島劃分的優(yōu)化模型，提出了一種以數值處理和權重分配為核心的負荷模型準確性評估方法，認為影響含有分布式電源的微電網可靠性的重要指標有分布式電源的工作特性、負荷特性及保護裝置的可用性等.文獻[10-11]將微電網簡化成等效網絡，考慮分布式電源為一次能源而進行單獨建模，并利用序貫蒙特卡羅仿真法對分布式電源的可靠性進行分析評估.這些文獻絕大部分僅考慮分布式電源本身的可靠性問題，并未關注微電網在接入分布式電源后各個節(jié)點之間、負荷與整個公共電網之間的相互影響.

下一步的研究重點應集中在從整體層面上分析儲能負荷、分布式電源、控制裝置、保護設備接入微電網中以聯網運行或孤島運行方式在公共配電系統中的運行模型及可靠性評估指標.

2.2 分布式電源的孤島劃分

孤島運行是分布式電源的重要運行狀態(tài).電網出現故障時，分布式電源可以從公共電網上斷開并進入孤島運行狀態(tài)，此時對孤島的劃分需要綜合考慮電源、負荷的隨機變化量，以及并聯在孤島內部的控制設備及保護裝置，情況較為復雜.目前，配電系統可靠性評估指標中并沒有專門針對孤島體系的評估標準及方法.

文獻[12]根據重要程度對微電網中的各級負荷進行了劃分,以最大等值有效負荷為目標函數,對微電網中含有分布式電源的孤島進行了仿真建模,并通過最小路法對孤島體系進行了可靠性評估.文獻[10]和文獻[13]分析了孤島運行狀態(tài)下的體系劃分方式，推導出了孤島形成概率的公式.文獻[14]分析了光伏并網發(fā)電系統的孤島效應現象，提出了主動式孤島效應識別方法，即主動頻率偏移法,并進行了系統的建模與仿真.文獻[15]提出在孤島運行狀態(tài)下，微電網內部的潮流路徑及方向并不唯一，提出應總結歸納多路徑、多方向網絡拓撲結構下的設計要點及控制方式.

從目前的大多數文獻來看，現階段的孤島劃分策略更加注重運行狀態(tài)的過渡，以及孤島模式下的微電網電量協調控制策略(重點在功率平衡方面)，并未對孤島運行時的微電網進行整體研究評估，另外，由于孤島運行模式和分布式電源的影響，微電網的可靠性指標也發(fā)生了變化，需要盡快制定相應標準.

2.3 微電網中電力元件和負荷的建模

配電系統中，各種電力元件與負荷的特性對可靠性評估有著重要的影響.傳統而言，通常取電力元件的可靠性參數的相應期望值，將負荷大小定為平均負荷值或尖峰負荷值，這種處理方法有一定的局限性，在含有分布式電源的微電網中，電源的動態(tài)特性具有隨機性，因此不能將確定的電力元件和負荷參數強加到微電網中，需要分析負荷參數和電力元件的不確定性.

文獻[16]提出了一種基于可靠性分析的復合隨機性負荷模型，它能夠體現微電網中電力元件及隨機負荷的動態(tài)指標.文獻[17]利用可靠性指標的解析表達式高效精確地求取元件可靠性參數改變后的系統可靠性指標,得到了二者的函數曲線，找到了有效牽制系統可靠性的薄弱環(huán)節(jié).文獻[18]驗證了電網參數的隨機變化對配電系統可靠性指標的影響，應用區(qū)間計算法對RBTS-6母線配電系統進行了分析，計算了分布式電源在接入微電網前后及接入微電網不同節(jié)點位置對配電系統可靠性指標變化區(qū)間的影響，推斷出了微電網以合理的方式接入公共電網中對可靠性指標起到的積極作用.文獻[19]對某微電網一年的歷史數據進行了匯總分析，統計了接入的分布式電源的實時功率及用戶負荷的大小，繪制出了用戶負荷曲線以進行微電網的可靠性分析，這是目前研究領域中少見的論證思路，但未能對各項數據進行實時分析，具有一定的局限性.

由此可知，傳統研究多采用統計法，利用歷史數據來預測負荷的隨機波動情況，這在微電網配電系統中具有極大的局限性.電力元件的參數研究也類似于此.隨著微電網技術的發(fā)展，電力元件和負荷的相關數據會通過通訊設備、檢測設備實時采集，研究人員可以觀察到二者與電網之間最新的互動和聯系，在這種情況下，需要對電力元件和負荷的參數重新建模.

3 現有研究的局限

這些研究推動了含分布式電源的微電網配電系統可靠性評估工作的進行，但在研究中必須時刻注意，含分布式電源的微電網并不是簡單地將分布式電源接入到配電網中，而是要將微電網當作獨立的整體來考慮，微電網的存在改變了傳統輻射狀的電網結構，它具有雙向流動的潮流方向，并且有聯網運行及孤島運行兩種模式，因此，僅從分布式電源對配電系統造成的影響方面來進行研究還遠遠不夠.要對含分布式電源的微電網配電系統進行可靠性分析，需從整體層面對分布式電源、用戶負荷、運行模式、控制管理方法以及與公共電網的相互作用進行綜合論證，建立微電網體系下多電源、多負荷的仿真模型及可靠性算法，并盡快建立含分布式電源的微電網可靠性的評估指標體系.

4 研究前景

(1)進行新的可靠性評價指標體系的研究

微電網在配電系統領域中尚屬新生事物，國內對其可靠性指標及評估方式的研究處于起步階段，而傳統的配電系統可靠性指標無法全面、真實地描述微電網的特性，因此，需要重新定義含分布式電源的微電網配電系統的可靠性指標，并建立相關的計算及評估體系.

(2)完善微電網與公共電網間運行機理及特性的研究

微電網在聯網運行及孤島運行狀態(tài)下與公共電網之間的相互聯系相差甚遠，并聯在其中的多種分布式電源及用戶負載各具特性，不同的運行方式下與微電網本身及公共電網會產生新的特性和關聯，這些情況都將影響到系統的可靠性.因此，必須進一步完善對微電網控制運行方式、特性及與公共電網相互影響的機理方面的研究.

(3)進行針對分布式電源、用戶負載和儲能儲熱裝置的建模研究

某些分布式電源在供電過程中，其電量的輸送受自然環(huán)境的影響，具有隨機性和間歇性，例如，光伏電池、風力發(fā)電機等.微電網中的某些用戶負載及儲能儲熱裝置也具有不確定性，因此，對微電網中的電源、負載、儲能儲熱裝置的運行特性進行深入研究及仿真建模是確定微電網可靠性評估指標的重要前提.

研究中，必須將微電網作為獨立的整體進行研究，分析其與外接電網間的關系，把握好微電網的運行模式，突破傳統配電網可靠性評估的局限，形成一整套含分布式電源的微電網配電系統的可靠性評估理論和方法，進而實現對微電網安全運行的精確監(jiān)控.