丁紀(jì)明, 段浩偉

(1.國(guó)電南瑞科技股份有限公司, 江蘇 南京 211106;2.南京郵電大學(xué), 江蘇 南京 210023)

0 引 言

近年來(lái)研究表明,基于柔性直流技術(shù)的交直流配電網(wǎng)在未來(lái)更適合現(xiàn)代城市配電網(wǎng)的發(fā)展。首先,交直流配電網(wǎng)可以更好地接納電動(dòng)汽車蓄電池和分布式電源;其次,可以有效緩解城市電網(wǎng)站點(diǎn)走廊有限和高負(fù)荷密度所帶來(lái)的矛盾,同時(shí)在負(fù)荷中心提供動(dòng)態(tài)無(wú)功支持,提高系統(tǒng)整體可靠性水平,減少系統(tǒng)損耗[1-3]。因此,發(fā)展交直流配電網(wǎng)系統(tǒng)可以有效提升城市配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量、可靠性和運(yùn)行效率。但是由于當(dāng)前中壓直流斷路器、直流變壓器等關(guān)鍵設(shè)備的技術(shù)不成熟,并且建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不完善,基于柔性直流配電技術(shù)的配電網(wǎng)建設(shè)還處于起步階段,所以有必要針對(duì)設(shè)備以及配電系統(tǒng)給出相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性水平和可靠性水平進(jìn)行評(píng)估分析。

目前,針對(duì)配電網(wǎng)的可靠性評(píng)估已有大量學(xué)者進(jìn)行了深入的研究。文獻(xiàn)[4]提出了一種負(fù)荷重要程度的綜合評(píng)估方法,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行含DG配電網(wǎng)可靠性評(píng)估。文獻(xiàn)[5]對(duì)含有光伏發(fā)電系統(tǒng)的配電網(wǎng)進(jìn)行可靠性評(píng)估,有利于配電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。文獻(xiàn)[6]將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估引入主動(dòng)配電網(wǎng)理論可靠性評(píng)估過(guò)程,實(shí)現(xiàn)了風(fēng)險(xiǎn)性指標(biāo)到可靠性指標(biāo)的轉(zhuǎn)化。文獻(xiàn)[7]基于校正模型和序貫蒙特卡洛法,利用模擬數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)直流配電網(wǎng)的可靠性評(píng)估與校正以及可靠性預(yù)測(cè)值的空間特性分析與研究。文獻(xiàn)[8]重點(diǎn)分析了電力電子設(shè)備對(duì)直流配電網(wǎng)可靠性的影響,并建立關(guān)鍵設(shè)備的可靠性模型。

由此可見,對(duì)于交直流配電網(wǎng)的可靠性評(píng)估已有大量學(xué)者進(jìn)行了深入的研究,其中評(píng)估方法主要包括解析法與模擬法。但是柔性直流配電網(wǎng)以及交直流配電網(wǎng)的相關(guān)研究中,對(duì)于可靠性評(píng)價(jià)方法的研究仍然較少。因此,交直流配電網(wǎng)的可靠性評(píng)估具有重要的實(shí)際意義和價(jià)值。本文圍繞交直流配電網(wǎng)可靠性評(píng)估展開分析,首先建立交直流配電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備的可靠性評(píng)估模型并計(jì)算可靠性參數(shù);然后分析了基于最小割集法的配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法,并考慮不同應(yīng)用場(chǎng)景;最后以某交直流配電網(wǎng)為例進(jìn)行了配電網(wǎng)系統(tǒng)可靠性評(píng)估。

1 交直流配電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備可靠性建模

1.1 設(shè)備可靠性建模評(píng)估方法

對(duì)交直流配電網(wǎng)可靠性進(jìn)行評(píng)估,首先需要對(duì)其元件設(shè)備進(jìn)行可靠性建模并計(jì)算可靠性參數(shù),主要是計(jì)算設(shè)備的年故障率λ和平均故障修復(fù)時(shí)間r,其中對(duì)于已經(jīng)得到標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的元件和尚處于研發(fā)階段的元件可以分別通過(guò)以下方式得到其可靠性參數(shù)。

(1) 已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的元件。由于該類型元件已經(jīng)具有成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),所以通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)便可以得到其可靠性參數(shù)。例如交流配電系統(tǒng)的絕大部分設(shè)備。

(2) 尚處于設(shè)計(jì)研發(fā)階段的元件。該類型元件可以參考與其結(jié)構(gòu)功能相似的同類元件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),或通過(guò)其組成元件和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)合理預(yù)測(cè)得到其可靠性參數(shù)。當(dāng)前柔性直流配電系統(tǒng)中的新型電力電子設(shè)備(例如中壓直流變壓器或直流斷路器)現(xiàn)處于設(shè)計(jì)研發(fā)階段,只能參照內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性建模,預(yù)測(cè)相應(yīng)的可靠性參數(shù)。

目前對(duì)于電子元件主要有兩種可靠性預(yù)測(cè)方法:部件應(yīng)力(Parts Press Analysis Reliability Prediction,PARP)法和部件計(jì)數(shù)(Parts Count Reliability Prediction,PCRP)法[9]。其中使用PARP法需要預(yù)先獲取大量關(guān)于元件制造運(yùn)行的詳細(xì)信息,包括對(duì)元件的全部組成部件進(jìn)行應(yīng)力分析模型,適用于處于設(shè)計(jì)研發(fā)后期的元件;而使用PCRP法只需考慮元件全部組成部件的數(shù)量和質(zhì)量水平,同時(shí)考慮元件當(dāng)前工作環(huán)境,適用于處于設(shè)計(jì)研究早期的元件。當(dāng)前柔性直流配電系統(tǒng)中的新型電力電子設(shè)備(例如中壓直流變壓器或直流斷路器)現(xiàn)處于設(shè)計(jì)研發(fā)階段,只能參照內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性建模,故采用PCRP法進(jìn)行可靠性預(yù)測(cè)。其故障率計(jì)算模型為

(1)

式中:λequip——相關(guān)設(shè)備的等值年故障率;

λg——第i類元件的通用故障率;

πQ——第i類元件的質(zhì)量系數(shù);

N——第i類元件的個(gè)數(shù);

n——部件的種類個(gè)數(shù)。

對(duì)于直流配電系統(tǒng)中新型電力電子設(shè)備的平均故障修復(fù)或替換時(shí)間r,由于缺乏完善的運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),可以采用相近電壓等級(jí)的交流配電系統(tǒng)設(shè)備元件的故障修復(fù)或替換時(shí)間進(jìn)行等值替代。

1.2 關(guān)鍵設(shè)備可靠性建模

1.2.1 直流變壓器可靠性建模

在交直流配電網(wǎng)的直流側(cè)系統(tǒng)中,為滿足直流配電到用戶,需要中壓等級(jí)直流變壓裝置來(lái)將中壓直流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電,以滿足用戶設(shè)備的要求。本文采用雙主動(dòng)橋構(gòu)造輸入、串聯(lián)輸出并聯(lián)型直流變壓器作為中壓直流變壓器主設(shè)備進(jìn)行可靠性建模預(yù)測(cè)。

基于雙主動(dòng)橋的直流固態(tài)變壓器由n個(gè)DAB模塊構(gòu)成,單個(gè)DAB模塊由2個(gè)全橋結(jié)構(gòu)(AC/DC)、2個(gè)電容(C)以及1個(gè)高頻變壓器串聯(lián)構(gòu)成,相應(yīng)的DAB模塊的可靠性評(píng)價(jià)模型如圖1所示。

圖1 DAB模塊的可靠性評(píng)價(jià)模型

基于DAB模塊的可靠性評(píng)價(jià)模型,采用部件計(jì)數(shù)法得到相應(yīng)的單元可靠性預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 DAB單元的可靠性預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)

為保障設(shè)備在實(shí)際工作環(huán)境下可靠運(yùn)行,大功率的直流固態(tài)變壓器通常采用DAB單元的冗余設(shè)計(jì)方式。各個(gè)模塊的外部運(yùn)行環(huán)境一致時(shí),采用K/N(G)模型實(shí)現(xiàn)冗余電力電子元件的可靠性建模計(jì)算。K/N(G)模型定義如下:假定直流變壓器中DAB元件總的個(gè)數(shù)為n,其中k個(gè)或k個(gè)以上DAB元件完好(沒有故障),直流變壓器就能夠正常工作。假定DAB元件壽命服從指數(shù)分布,單個(gè)模塊故障率為常數(shù),直流變壓器的可靠性函數(shù)為

(2)

直流變壓器的平均無(wú)故障工作時(shí)間為

(3)

因此,直流變壓器的等值故障率為

(4)

考慮中壓等級(jí)直流變壓器連接±10 kV直流配電網(wǎng),DAB元件高壓側(cè)工作電壓為1 kV,則至少需要20個(gè)DAB單元工作,采用K/N(G)計(jì)算模型,20%元件冗余,則中壓直流變壓器的等值故障率為0.312 757 3次/a。當(dāng)發(fā)生故障之后通過(guò)修復(fù)元件以及備用替換兩種方式實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)正常供電,由于缺少實(shí)際工程運(yùn)用,修復(fù)時(shí)間難以預(yù)測(cè),因此參考電壓等級(jí)相近的交流變壓器,采取備用替換時(shí)間10 h。

1.2.2 直流斷路器可靠性建模

交直流配電網(wǎng)的構(gòu)建目標(biāo)是為高可靠性需求的大負(fù)荷量的電力用戶提供可靠的供電方案,但當(dāng)前直流側(cè)系統(tǒng)的故障隔離技術(shù)是制約直流側(cè)配電網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,因此發(fā)展直流斷路器進(jìn)行故障隔離是配電網(wǎng)理想的故障處理方案。本文采用混合式直流斷路器進(jìn)行可靠性建模預(yù)測(cè)。

對(duì)混合式直流斷路器進(jìn)行建模分析,其可靠性評(píng)價(jià)模型硬件部分由機(jī)械開關(guān)(MS)、固態(tài)開關(guān)(SSS)、緩沖吸收回路(CC)以及限流電抗器(R)構(gòu)成。由于混合式直流斷路器采用電力電子元件,同時(shí)需要配合系統(tǒng)的故障識(shí)別過(guò)程,因此直流斷路器還應(yīng)配置相應(yīng)的保護(hù)控制系統(tǒng)(CP)。設(shè)備整體的可靠性評(píng)價(jià)模型如圖2所示。

圖2 設(shè)備整體的可靠性評(píng)價(jià)模型

根據(jù)直流斷路器整體的可靠性評(píng)價(jià),采用PCRP對(duì)設(shè)備進(jìn)行可靠性預(yù)測(cè),相應(yīng)的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 直流斷路器可靠性預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)

直流斷路器的等值故障率為0.288 083 2次/a,參照相近電壓水平的交流斷路器,故障發(fā)生時(shí)采用備用替換的方式,因此其元件修復(fù)時(shí)間取10 h。

1.2.3 模塊化多電平換流器可靠性建模

換流器是實(shí)現(xiàn)交、直流系統(tǒng)能量傳輸轉(zhuǎn)化的重要設(shè)備。本文選擇模塊化多電平換流器(MMC)作為中壓等級(jí)交、直流配電系統(tǒng)換流設(shè)備進(jìn)行可靠性建模。模塊化多電平換流器由ABC三相組成,每一相可以分為上下兩個(gè)橋臂。每一個(gè)橋臂又由多個(gè)子模塊以及橋臂電抗構(gòu)成,常見的子模塊類型有半橋子模塊和全橋子模塊。本文選擇半橋子模塊作為建模的基本單元。

半橋子模塊硬件部分由2個(gè)IGBT模塊以及1個(gè)電容組。利用PCRP計(jì)算半橋子模塊的可靠性預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 半橋子模塊可靠性預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)

模塊化多電平換流器的單個(gè)橋臂由多個(gè)子模塊構(gòu)成。當(dāng)橋臂在正常工作條件下沒有配置相應(yīng)的冗余子模塊時(shí),其中任意一個(gè)子模塊發(fā)生故障,剩余的子模塊無(wú)法提供換流器正常運(yùn)行所需的直流電壓,因此設(shè)備無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行,需要對(duì)相應(yīng)故障橋臂進(jìn)行維修。因此,在實(shí)際工作情形下,可以采用K/N(G)模型計(jì)算冗余子模塊的等值故障率。根據(jù)圖3所示的模塊化多電平換流器可靠性評(píng)價(jià)模型,可以計(jì)算相應(yīng)的設(shè)備等值故障率。模塊化多電平換流器可靠性預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 模塊化多電平換流器可靠性預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)

設(shè)備的故障修復(fù)時(shí)間參照現(xiàn)有VSC換流站的修復(fù)時(shí)間預(yù)測(cè)為4.791 3 h。

1.2.4 柔性電力電子變壓站可靠性建模

基于配電網(wǎng)現(xiàn)實(shí)需求,本文以某柔性交直流示范工程中提出的柔性電力電子變電站進(jìn)行可靠性建模。柔性變電站以電力電子變壓器為基礎(chǔ),除常規(guī)電能變壓功能外,還具備交直流轉(zhuǎn)換和功率調(diào)節(jié)等功能,對(duì)于分布式電源、儲(chǔ)能裝置和電動(dòng)汽車蓄電池等雙向負(fù)荷的接入更加靈活,還能夠有效調(diào)控交直流配電網(wǎng)運(yùn)行方式[10],提高電網(wǎng)狀態(tài)參數(shù),使新能源發(fā)展與配電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展相結(jié)合,為當(dāng)前配電網(wǎng)面臨的主要矛盾提供了一條科學(xué)可靠的解決方案。

柔性變電站的核心設(shè)備為多功能交直流電力電子變壓器。交直流電力電子變壓器采用三級(jí)結(jié)構(gòu),包括輸入級(jí)鉗位雙子模塊(CDSM)、隔離級(jí)DC/DC變壓器以及輸出級(jí)DC/AC和DC/DC模塊。因此,交直流電力電子變壓器的可靠性評(píng)估模型可以劃分成三部分分別進(jìn)行可靠性評(píng)估,而后利用串聯(lián)等值模型獲得設(shè)備整體的可靠性參數(shù)。

首先是輸入級(jí)中基于鉗位雙子模塊的模塊化多電平換流器的可靠性建模,由5個(gè)IGBT、5個(gè)反并聯(lián)二極管、2個(gè)直流電容器以及2個(gè)獨(dú)立的二極管構(gòu)成。利用PCRP計(jì)算,鉗位雙子模塊的可靠性預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 鉗位雙子模塊可靠性預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)

參照上述模塊化多電平換流器模型,預(yù)測(cè)鉗位雙子模塊多電平換流器的可靠性參數(shù)。同時(shí)由于鉗位雙子模塊的額定電壓是半橋子模塊的2倍,單橋臂的額定子模塊數(shù)量為10個(gè),單橋臂配置2個(gè)冗余模塊。箝位雙子模塊多電平換流器整體的可靠性預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 箝位雙子模塊多電平換流器可靠性預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)

對(duì)于中間隔離級(jí)直流變壓器,考慮采用上述的雙主動(dòng)橋直流固態(tài)變壓器,相應(yīng)等值故障率為0.312 757 3次/a。輸出級(jí)整流模塊參考交流配網(wǎng)統(tǒng)計(jì)參數(shù),相應(yīng)整流器故障率為0.004 5次/a。因此,柔性交直流電力電子變壓器的可靠性預(yù)測(cè)參數(shù)如表7所示。

表7 柔性交直流電力電子變壓器可靠性預(yù)測(cè)參數(shù)

交直流電力電子變壓器設(shè)備的故障修復(fù)時(shí)間參照現(xiàn)有VSC換流站的修復(fù)時(shí)間預(yù)測(cè)為4.791 3 h。

除上述關(guān)鍵設(shè)備的可靠性參數(shù)外,交流配電網(wǎng)以及柔性直流配電網(wǎng)的其他元件設(shè)備參數(shù)參考相關(guān)文獻(xiàn),直流配電網(wǎng)元件基礎(chǔ)可靠性參數(shù)如表8所示。

2 交直流配電網(wǎng)可靠性評(píng)估方法

2.1 配電網(wǎng)可靠性評(píng)估方法

適用于柔性直流配電系統(tǒng)的可靠性分析方法不僅需要考慮直流系統(tǒng)具備多端供電的特征,還要充分考慮單/雙極運(yùn)行方式切換、直流負(fù)荷的接入以及分布式電源的接入對(duì)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的影響。目前對(duì)于配電網(wǎng)的可靠性評(píng)估方法主要包括解析法與模擬法。針對(duì)直流配電系統(tǒng)典型特點(diǎn),本文選用解析最小割集法作為交直流配電網(wǎng)可靠性評(píng)價(jià)方法,其主要具備以下兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。

表8 直流配電網(wǎng)元件基礎(chǔ)可靠性參數(shù)

(1) 柔性直流配電網(wǎng)與傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)常用的輻射狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比,其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,而最小割集法可以將復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算和分析。

(2) 與蒙特卡羅模擬法相比,解析最小割集法在處理小系統(tǒng)時(shí)具有計(jì)算速度快、內(nèi)存需求少的優(yōu)點(diǎn)。

最小割集法通過(guò)搜索各負(fù)荷點(diǎn)的最小割集,可將復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楹?jiǎn)單的元件串并聯(lián)關(guān)系計(jì)算系統(tǒng)的等值可靠性指標(biāo)。一階割集由單個(gè)元件構(gòu)成,因此一階割集的等值故障率λe以及修復(fù)時(shí)間re和元件的參數(shù)一致。而割集之中的元件關(guān)系是并聯(lián)的,因此可得一個(gè)二階割集的等效故障率和修復(fù)時(shí)間分別表示如下:

(5)

式中:λe,re,Ue——二階割集的等值故障率、等值故障平均修復(fù)時(shí)間、等值年平均停運(yùn)時(shí)間。

得到負(fù)荷點(diǎn)在系統(tǒng)中所有的一階割集和二階割集之后,由于系統(tǒng)中割集與割集為串聯(lián)關(guān)系,可以計(jì)算負(fù)荷點(diǎn)的可靠性指標(biāo):

(6)

式中:S——一階和二階供電割集的集合。

2.2 計(jì)及單、雙級(jí)運(yùn)行方式可靠性評(píng)估方法

在直流配電網(wǎng)系統(tǒng)中通常采用金屬導(dǎo)線回流方式。直流電流在線路正常工作時(shí)主要流過(guò)兩極線路,只有少量的不平衡電流流過(guò)中間線路;當(dāng)線路發(fā)生單極接地短路或單極開路時(shí),直流斷路器通過(guò)倒閘迅速將線路切換到單極與金屬回路運(yùn)行,使得該負(fù)荷點(diǎn)恢復(fù)正常供電,提高了直流配電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性。在直流配電網(wǎng)可靠性評(píng)估方法中引入這種影響時(shí),需要相應(yīng)的對(duì)直流線路模型的可靠性參數(shù)進(jìn)行修正。假定直流線路單位長(zhǎng)度單極運(yùn)行方式下故障率為λl1,故障修復(fù)時(shí)間為rl1,那么正常工作狀態(tài)下的故障率為λl,故障修復(fù)時(shí)間為rl,系統(tǒng)直流線路長(zhǎng)度為L(zhǎng),則考慮單極運(yùn)行方式下的線路的故障率以及故障修復(fù)時(shí)間為

λ′l=λl-λl1

U′l=Ul-Ul1=λlrl-λl1rl1

(7)

將原有的線路可靠性參數(shù)替換為修正后的線路可靠性參數(shù),并代入直流配電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)求解過(guò)程,即可得到考慮了直流線路單極運(yùn)行這一特殊運(yùn)行方式后的直流配電網(wǎng)系統(tǒng)可靠性。

2.3 計(jì)及含分布式電源配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法

將風(fēng)機(jī)、光伏等分布式電源接入配電網(wǎng),將會(huì)改變配電系統(tǒng)的運(yùn)行方式以及系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),分布式電源采用并網(wǎng)運(yùn)行方式,配電系統(tǒng)由上級(jí)電源和分布式電源共同向負(fù)荷供電;當(dāng)系統(tǒng)主供電線路發(fā)生故障,系統(tǒng)開關(guān)操作將故障隔離后會(huì)導(dǎo)致下游負(fù)荷點(diǎn)與主電源供電路徑切斷。通過(guò)開關(guān)動(dòng)作使下游失電區(qū)域切換至孤島運(yùn)行方式,由分布式電源就近向負(fù)荷供電。當(dāng)下游失電系統(tǒng)切換至孤島運(yùn)行狀態(tài)時(shí),由于風(fēng)力、光照等資源受到地理或氣候等因素的影響,所以風(fēng)力發(fā)電以及光伏發(fā)電等新能源發(fā)電的輸出功率具有間隙性以及波動(dòng)性等特點(diǎn)。同時(shí),負(fù)荷功率具備一定的波動(dòng)性,因此失電范圍內(nèi)的分布式電源在某些情形下無(wú)法保障給予負(fù)荷點(diǎn)足夠的功率支持。在一定的供電恢復(fù)方式以及轉(zhuǎn)供電源容量約束下,定義下游失電負(fù)荷獲得電力供應(yīng)支撐的概率為負(fù)荷轉(zhuǎn)供概率。此時(shí)考慮分布式電源接入配電系統(tǒng),假定失電區(qū)域負(fù)荷轉(zhuǎn)供率為Prs,則失電范圍內(nèi)負(fù)荷點(diǎn)的可靠性指標(biāo)將修正為

λ′i=(1-Prs)λi

U′i=(1-Prs)Ui

(8)

可靠性指標(biāo)的修正將會(huì)減小不同故障場(chǎng)景下失電區(qū)域負(fù)荷點(diǎn)的故障停電率以及故障停電時(shí)間。當(dāng)前配電網(wǎng)故障負(fù)荷恢復(fù)策略制定為下游失電范圍的分布式電源聯(lián)合為失電范圍內(nèi)負(fù)荷供電。由于分布式電源出力以及負(fù)荷具備一定的隨機(jī)性,為便于實(shí)際計(jì)算,采用蒙特卡洛抽樣方法,對(duì)DG出力和負(fù)荷功率進(jìn)行抽樣,當(dāng)抽樣的數(shù)量足夠大的時(shí)候,認(rèn)定負(fù)荷轉(zhuǎn)供的抽樣概率作為概率的無(wú)偏估計(jì)。

在先前的可靠性計(jì)算流程的基礎(chǔ)上,添加了分布式電源與負(fù)荷功率的抽樣部分,根據(jù)抽樣計(jì)算的結(jié)果修正負(fù)荷點(diǎn)的可靠性指標(biāo),進(jìn)而修正系統(tǒng)可靠性指標(biāo),其中含分布式電源的配電網(wǎng)可靠性評(píng)估流程如圖4所示。

2.4 計(jì)及直流負(fù)荷可靠性評(píng)估方法

隨著城市配電網(wǎng)的發(fā)展,大規(guī)模通信中心、數(shù)據(jù)中心、電動(dòng)汽車、工業(yè)園區(qū)直流負(fù)載以及分布式電源等占比日益提升。采用直流配電方式,可以節(jié)省配電網(wǎng)的換流設(shè)備,減少換流損耗。為直流負(fù)載提供相應(yīng)的供電通道是當(dāng)前柔性直流配電系統(tǒng)發(fā)展的一大優(yōu)勢(shì)?？紤]配電網(wǎng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中,為接納直流負(fù)荷,在低壓側(cè)負(fù)荷點(diǎn)應(yīng)具備交流、直流兩個(gè)供電通道分別向交流、直流負(fù)荷供電。

將直流負(fù)荷用戶數(shù)在負(fù)荷點(diǎn)整體占比定義為Kdc,在系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)可靠性指標(biāo)計(jì)算的結(jié)果上考慮直流負(fù)荷的占比,修正負(fù)荷點(diǎn)的可靠性指標(biāo):

(9)

3 算例分析

本文以某交直流配電網(wǎng)為例進(jìn)行配電網(wǎng)系統(tǒng)可靠性評(píng)估。在典型直流配電系統(tǒng)組成架構(gòu)和分布式電源接入下,柔性電力電子變電站具備4個(gè)端口,分別連接系統(tǒng)主電源、分布式電源以及負(fù)荷,在某交直流配電網(wǎng)本期工程中有2路交流進(jìn)線和1路直流進(jìn)線,分別為云計(jì)算110 kV、10 kV變電站和2.5 MW集中式光伏電站,其中2路交流進(jìn)線通過(guò)干式變壓器和電力電子變壓器向小2臺(tái)創(chuàng)新研發(fā)展示中心供電。直流進(jìn)線即集中式光伏站經(jīng)過(guò)架空線路接至電力電子變壓器的高壓DC接口上,最終輸出低壓與干式變壓器的低壓輸出構(gòu)成分段式單母線,共同為創(chuàng)新研發(fā)展示中心供電。在某交直流配電網(wǎng)示范工程中主要電源來(lái)自110 kV變電站以及光伏電站。110 kV變電站與大電網(wǎng)連接,相應(yīng)的供電可用率為100%,而光伏電站發(fā)電具備不確定性,因此光伏電源是間斷的,光伏電站出力時(shí)供電通道如圖5所示。

當(dāng)光伏電站可靠出力時(shí),主電源經(jīng)過(guò)云計(jì)算110 kV變電站、10 kV母線、干式變壓器和柔性電力電子變電站向創(chuàng)新中心負(fù)荷供電;集中式光伏電站經(jīng)直流升壓站接入柔性電力電子變電站向負(fù)荷側(cè)供電。當(dāng)集中式光伏電站沒有出力時(shí),柔性電力電子變電站在交直流配電網(wǎng)中起到能量核心樞紐作用,各類型分布式電源以及負(fù)荷通過(guò)柔性變電站構(gòu)建供電通道。考慮集中式光伏電站的出力對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響,因此將光伏電站分為有出力以及無(wú)出力兩種情況,計(jì)算相應(yīng)的概率,并比概率和相應(yīng)情況下的可靠性指標(biāo)的乘積累加和作為系統(tǒng)整體的可靠性指標(biāo),即

(10)

式中:Ti——1 a中光伏出力的小時(shí)數(shù);

TN——1 a的總小時(shí)數(shù)。

將某交直流配電網(wǎng)示范工程分為光伏出力和光伏無(wú)出力兩種情況,計(jì)算接入柔性電力電子變電站的交直流配電網(wǎng)中的小二臺(tái)創(chuàng)新研發(fā)展示中心可靠性指標(biāo),劃分光伏電站出力以及光伏電站不出力兩種情況,含柔性變電站的交直流配電網(wǎng)可靠性如表9所示,兩種配電網(wǎng)可靠性評(píng)估結(jié)果對(duì)比如表10所示。

表9 含柔性變電站的交直流配電網(wǎng)可靠性

表10 兩種配電網(wǎng)可靠性評(píng)估結(jié)果對(duì)比

由對(duì)比結(jié)果可知,以柔性變電站作為基礎(chǔ)架構(gòu)的交直流配電網(wǎng)故障率以及停電時(shí)間明顯低于由云計(jì)算110 kV變電站單一供電的配電網(wǎng)。柔性變電站作為核心設(shè)備,為小2臺(tái)創(chuàng)新展示中心負(fù)荷提供了多端口的供電通道。與傳統(tǒng)變電站相比,柔性變電站在運(yùn)行時(shí)具有靈活接入的優(yōu)勢(shì),在光伏電站可靠出力時(shí),整體系統(tǒng)的可靠性水平達(dá)到最高,全年停電時(shí)間不足1 min。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著分布式電源與電動(dòng)汽車的發(fā)展,交直流配電網(wǎng)勢(shì)必會(huì)成為未來(lái)配電網(wǎng)發(fā)展的一大趨勢(shì)。但對(duì)于目前來(lái)說(shuō),交直流配電網(wǎng)的建設(shè)還處于起步階段,因此,針對(duì)交直流配電網(wǎng)的可靠性評(píng)估研究具有重要的實(shí)際意義和價(jià)值。本文針對(duì)設(shè)備以及配電系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性評(píng)估,并以某交直流配電網(wǎng)為例進(jìn)行了系統(tǒng)可靠性分析。從評(píng)估結(jié)果可知,與傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)相比,柔性交直流配電網(wǎng)的多端口雙向連接特性在實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)靈活調(diào)控的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提升了系統(tǒng)整體的供電可靠性。在前人對(duì)于交流配電網(wǎng)和直流配電網(wǎng)方面的大量研究背景下,針對(duì)交直流配電網(wǎng)選用解析最小割集法進(jìn)行可靠性評(píng)估研究,與常用的蒙特卡羅模擬法相比,解析最小割集法在處理小系統(tǒng)時(shí)具有計(jì)算速度快、內(nèi)存需求少等優(yōu)點(diǎn)。