邢智博，任家智，辛鑫，王永垚，劉子源

（山西能源學(xué)院，山西 太原 030001）

近年來，環(huán)境污染、能源稀缺等問題日益嚴(yán)峻，如何充分利用清潔能源成為業(yè)內(nèi)人士研究的重點。智能微電網(wǎng)的出現(xiàn)，使能源利用率得到了大幅提高。作為由微電網(wǎng)、智能電網(wǎng)組合而成的全新電力系統(tǒng)，智能微電網(wǎng)可兼具孤島及并網(wǎng)模式，這也決定其可以對風(fēng)能和光伏等常見能源進行充分利用。若將其用于偏遠地區(qū)，可以有效控制鋪設(shè)電纜的規(guī)模，降低項目投資費用。將其應(yīng)用于城鎮(zhèn)地區(qū)，則能夠通過減輕用電負荷的方式有效提升大電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

1 研究背景

本文所研究的微電網(wǎng)可以拆分成光伏發(fā)電、儲能元件、小水電站和風(fēng)力發(fā)電等部分，通常需要經(jīng)由上述構(gòu)件控制頻率電壓并提供無功/有功功率，這也決定了一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，便有可能造成負荷停電。目前，可能造成負荷停電的情形主要包括以下幾種：一是分布式電源出現(xiàn)故障。故障發(fā)生后，通常需要花費數(shù)小時或數(shù)天進行維修方可恢復(fù)正常。二是電源受故障影響而跳機。此時需要工作人員重啟電源，重啟前重要負荷始終處于停電狀態(tài)，自動重啟的用時通常為數(shù)秒，而手動重啟的用時則會達到數(shù)小時。若出現(xiàn)無功/有功過載，將會使負荷大范圍波動，進而導(dǎo)致電源跳開。出現(xiàn)該問題后，既要重啟電源，同時還要甩負荷，兩項工作的耗時往往較重啟電源更長。三是由于電壓跌落或其他電能質(zhì)量問題，致使設(shè)備跳機。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，開關(guān)動作、閃點以及故障均會造成電壓跌落，若分布式電源所接入的負荷較多，則需要頻繁開關(guān)，負荷可靠性也會受到影響［1］。

2 可靠性分析內(nèi)容

微電網(wǎng)的本質(zhì)是由負荷、分布能源和儲能裝置共同組成的發(fā)配電系統(tǒng)。智能電網(wǎng)則具有與供電網(wǎng)路相同的作用，即：以既有傳感器為依托，實時收集設(shè)備參數(shù)，向控制系統(tǒng)下達相應(yīng)指令，由此達到對電力系統(tǒng)進行科學(xué)管理的目的［2］。要想使智能微電網(wǎng)所具有價值得到最大化實現(xiàn)，關(guān)鍵是要確保其性能優(yōu)異且可靠，對微電網(wǎng)所具有的可靠性加以分析勢在必行?？煽啃苑治鲋饕婕鞍踩院统湓６葍煞矫娴膬?nèi)容。對常規(guī)配電系統(tǒng)進行分析可知，雖然影響系統(tǒng)可靠性的因素較多，但充裕度的影響明顯強于其他因素，這是因為配電系統(tǒng)多采取鏈?zhǔn)竭\行模式，任一元件出現(xiàn)故障，均會造成供電中斷，進而給用戶工作或生活產(chǎn)生影響。對本文所討論的智能微電網(wǎng)而言，其可靠性主要取決于互聯(lián)系統(tǒng)，要想使系統(tǒng)得到穩(wěn)定、可靠的運行，關(guān)鍵是要對動態(tài)問題進行深入分析，根據(jù)分布式電源的性能，評估系統(tǒng)可靠性。為保證分析所得出的結(jié)論具有實際意義，技術(shù)人員需要以可靠性計算所具有的特點為依據(jù)，創(chuàng)造性地引入負荷數(shù)據(jù)、等效動態(tài)模型等，希望在保證分析結(jié)果有效的前提下，有效降低分析難度。

3 可靠性分析過程及結(jié)果

本文所討論微電網(wǎng)由小水電、光伏和儲能等部分組成，對其可靠性加以評估所考慮的要素如圖1所示。

圖1 可靠性評估要素

考慮到在某些情況下，微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的聯(lián)系并不緊密，因此，要想使微電網(wǎng)得到穩(wěn)定且獨立的運行，關(guān)鍵是要接入小水電。其作用主要體現(xiàn)在兩個方面，一是為微電網(wǎng)持續(xù)供電，二是對儲能電站進行協(xié)調(diào)，使電力負荷和發(fā)電系統(tǒng)始終處于供需平衡的狀態(tài)［3］。

3.1 分析過程

3.1.1 建立模型

首先是建立小水電模型。實踐經(jīng)驗表明，導(dǎo)致小水電停運的原因有兩個，分別是機組存在故障和水位高度不滿足要求，鑒于此，在建立相關(guān)模型時，為避免建模步驟過于復(fù)雜，技術(shù)人員決定將水位高度不滿足要求劃入機組故障的范圍。若將水輪機所搭載機組數(shù)量設(shè)定為n，將任一機組出現(xiàn)停運事故的概率設(shè)定為r，可以得到以下模型公式：

上式中，k代表停運機組總數(shù)，Pk代表累計停運概率。在0～1范圍內(nèi)隨機抽取多組數(shù)據(jù)，對比所抽取數(shù)據(jù)和累計停運概率，就能夠準(zhǔn)確掌握既有機組的狀態(tài)和可穩(wěn)定運行機組的數(shù)量。隨后，針對機組運行情況、小水電出力情況所提出的要求為依據(jù)，參考狀態(tài)持續(xù)時長完成抽樣，便可以對小水電出力加以確定。

其次是建立裝置模型。評估光伏、儲能和風(fēng)電可靠性的模型首選兩態(tài)模型，如圖2所示。

圖2 兩態(tài)模型

上圖中，λ 代表修復(fù)轉(zhuǎn)移率，μ 代表故障轉(zhuǎn)移率。技術(shù)人員可以憑借蒙特卡羅法，快速確定MTTF和MTTR取值［4］。考慮到狀態(tài)持續(xù)時長所對應(yīng)抽樣值具有指數(shù)分布特征，可使用以下公式推算系統(tǒng)修復(fù)時長和無故障時長：

恒輪機床作為一家擁有120多年歷史的老牌德國機床企業(yè)，在如今全球，尤其是中國市場的制造業(yè)正處在轉(zhuǎn)型升級的時代中，依然保持著蓬勃的發(fā)展力及創(chuàng)造力。從數(shù)據(jù)上來看，恒輪機床在全球擁有超過2?000名員工，并且銷售業(yè)績也在持續(xù)地、穩(wěn)固地上升，我們有理由相信，恒輪機床在經(jīng)歷了超過100年的歷史后仍然是一家健康狀況十分良好的企業(yè)，而在產(chǎn)品創(chuàng)新方面也確實如此。

在上述公式中：MTTF代表無故障時長平均值；MTTR代表修復(fù)時長平均值；TTF代表無故障時長；TTR代表修復(fù)時長；U及U′均為隨機數(shù)，取值范圍是0～1。確定各項參數(shù)的取值后，便可以對強迫停運率進行計算，相關(guān)公式如下：

上式中，F(xiàn)OR代表強迫停運率。

最后是建立可靠性模型。在本文研究中，根據(jù)時序負荷情況建立了相應(yīng)的模型，簡單來說，就是在年負荷最大值確定的前提下，使用百分?jǐn)?shù)描述日負荷和周負荷的最大值。在上述工作結(jié)束后，便可以參考負荷峰值繪制出相應(yīng)的年度負荷曲線，如圖3所示。

圖3 年度負荷曲線

對負荷曲線進行分析可知，全年負荷峰值出現(xiàn)在51周。如果將冬季作為一年的開端，冬季負荷明顯高于其他季節(jié)。如果將夏季作為一年的開端，則代表夏季負荷高于其他季節(jié)。要想快速、準(zhǔn)確地計算出負荷期望值，應(yīng)建立以下表達式：

在上式中，Plst（t）代表負荷期望值，Plmax代表年負荷最大值，Pweek（t）代表周負荷最大值與年負荷最大值之比，Pday（t）代表日負荷最大值與周負荷最大值之比，Phour（t）代表小時負荷最大值與日負荷最大值之比。

3.1.2 確定可靠性指標(biāo)

對電力系統(tǒng)而言，其可靠性指標(biāo)往往包括兩類，分別是概率指標(biāo)和確定性指標(biāo)，其中確定性指標(biāo)難以對系統(tǒng)狀態(tài)進行全方位的表現(xiàn)，概率指標(biāo)則不存在該問題［5］。鑒于此，本文選擇以系統(tǒng)和負荷為切入點，圍繞可靠性指標(biāo)展開討論。

上述公式中：LOEE代表電源發(fā)電量與負荷需求不符時，微電網(wǎng)所期望的電量；ENSi代表各抽樣年中均無法達到負荷需求的實際電量；LOLE代表微電網(wǎng)對電源與負荷需求不符時間的期望；LLDi代表各抽樣年中存在電力不足問題的時長。隨后，技術(shù)人員便可以充分利用評估指標(biāo)和已建立模型，對微電網(wǎng)各部分狀態(tài)進行判斷，并結(jié)合時序模擬分析所得到結(jié)果，確定微電網(wǎng)性能和既有負荷點是否可靠。

3.1.3 評估微電網(wǎng)可靠性

在本文研究中，依據(jù)蒙特卡羅法分析系統(tǒng)的可靠性，以小時為單位記錄系統(tǒng)電源運行參數(shù)和負荷變化情況。模擬總時長是365天，時間的間隔是1h，具體流程如下：第一步，以年為單位，獲取小水電、光伏以及負荷的相關(guān)數(shù)據(jù)，生成相應(yīng)的出力時序；第二步，以既有模型為基礎(chǔ)，使用現(xiàn)有公式推算電源的狀態(tài)時序；第三步，根據(jù)狀態(tài)時序、出力時序，對功率輸出時序加以確定；第四步，對比負荷需求、電源出力情況，對LOEE、LOLE取值進行計算，參考相應(yīng)的經(jīng)濟指標(biāo)，得出最終結(jié)論。評估流程如圖4所示。

圖4 評估流程

3.2 分析結(jié)果

3.2.1 負荷峰值與可靠性的關(guān)系

本文所研究智能微電網(wǎng)搭載有相應(yīng)的發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)可靠性極易被負荷波動所影響。對負荷峰值、系統(tǒng)可靠性之間的關(guān)系進行分析，能夠準(zhǔn)確掌握系統(tǒng)所能承受負荷的最大值，便于工作人員以微電網(wǎng)所展示的狀態(tài)為依據(jù)，對后續(xù)運行方案及策略加以調(diào)整，使發(fā)電系統(tǒng)以及微電網(wǎng)始終處于穩(wěn)定、高效的運行狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，負荷峰值在60kW以下時，各項可靠性指標(biāo)相對穩(wěn)定，這表示發(fā)電系統(tǒng)與負荷需求相符；負荷峰值超過60kW后，各項指標(biāo)均會發(fā)生明顯的變化，換言之，要想使系統(tǒng)得到穩(wěn)定且高效的運行，關(guān)鍵是要保證負荷值不超過60kW。

3.2.2 水庫容量與可靠性的關(guān)系

基于評估可靠性的模型模擬微電網(wǎng)所搭載電力系統(tǒng)，可以得到以下數(shù)據(jù)：首先，每組水電機組的容量都是30MW；其次，水庫原始水量能夠達到其容量的95%～97%；最后，結(jié)合某地所提供統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，水體徑流量的平均值在0.32m2/s左右，由此可見，水流量與水電機組所提出需求相符，這表示水流量可以維持水電機組穩(wěn)定運行。微電網(wǎng)元件故障情況統(tǒng)計表見表1。

表1 微電網(wǎng)元件故障情況統(tǒng)計表

隨后，本文圍繞水庫容積、系統(tǒng)可靠性之間的關(guān)系展開了研究。通過模擬不同容積的水庫，判斷容積給可靠性指標(biāo)所產(chǎn)生的影響。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，在負荷確定、上游水量確定的前提下，水庫蓄水量會隨著容積的增大而增多，與此同時，LOEE、LOLE的取值均會有所下降。水庫容積增大到15萬m3后，蓄水量差值將處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，LOEE、LOLE的下降速度有所減慢，并逐漸趨于平緩，同時既有水資源的利用率也較以往有所提高。由此可見，對本項目而言，要想使系統(tǒng)具有良好的可靠性，關(guān)鍵是要將水庫容積控制在約15萬m3。

4 結(jié)論

本文分別對儲能、小水電、風(fēng)電及光伏模型進行了建立，并以所建立的模型為依托，根據(jù)電源所展示的運行狀態(tài)，圍繞峰值負荷、水庫容積與系統(tǒng)可靠性之間的關(guān)系展開了討論。本文研究所得結(jié)論如下：第一，峰值負荷與系統(tǒng)可靠性密切相關(guān)，要想使本系統(tǒng)得到穩(wěn)定運行，應(yīng)保證峰值負荷始終不超過60kW；第二，水庫容積同樣會給系統(tǒng)可靠性產(chǎn)生影響，酌情增大水庫容積，既能夠使系統(tǒng)更加可靠，又可以為項目的經(jīng)濟價值提供保證，但若水庫容積增大過多，會給可靠性造成負面影響。