风力并网配电系统安全性指标的研究与算例分析

刘涛，富鹏浩，高阳，张柳

(1.吉林省地方水电有限公司，吉林 长春 130000;2.华北电力大学，北京 102206;3.沈阳工程学院，辽宁 沈阳 110136)

1 引言

随着风力发电技术的发展，尤其是随着风电在世界各地开发力度的加大，风电场的规模和单机容量越来越大，风电场接入电网技术、风电场对整个电网运行的影响也日益突出，由于风电场大多建设在电网的末梢，网络结构相对薄弱的地方，风电场并网运行必然会给电网的安全稳定运行带来相应的影响。因此对含风力发电的配电系统进行安全性评估就显的非常重要。

2 风电机组的建模

目前风电机组的运行方式主要有两类:一类是独立运行供电系统，即在电网没有能通达的偏远地区，使用风电机组和小型的蓄电池组为当地提供电能;另一类是作为常规电网的电源与电网并列运行。建模方法主要有以下两种。

2.1 将风电机组作为变电站考虑

这种模型将分布式电源作为普通的配网变电站进行考虑，在这种模型下分布式电源的功率输出不受本身发电设备的限制。其分析方法与传统的配电网相同，只不过相当于在配网系统中多接入几个发电容量较大的机组，由于风电机组的容量没有限制，因此不必进行孤岛的划分，当某段馈线发生故障时，通过断路器跳闸将故障段隔离，而在系统中原来与风电机组相连的部分可由风电机组继续供电。这种模型对配网可靠性的提高很大，但由于与实际使用的风电机组的发电状况差别很大，实际应用价值不大。

2.2 将风电机组作为随机电源考虑

这种模型将风电机组等效为一个有多个运行状态的发电机，即除了额定功率输出外，还有多个非额定运行状态。由于风电机组受到各类随机因素的影响较大，输出功率的波动性也较大。这种模型需要考虑其形成孤岛的概率问题，一般由历史负荷和风电机组的功率输出数据统计得到。此种模型比较符合风电机组的实际情况。因此本文将风电机组采用这种模型进行研究。

3 风力并网配电系统安全性评估指标的建立

安全性评估最终是要建立可以表征系统风险水平的指标，通过风险指标可以比较不同系统的风险程度。因此，完整的安全性评估指标不只是概率，而应当是概率和后果的综合结果。本文提出的安全性评估指标即是从系统故障概率和故障后果的评估两个方面对风力并网配电系统进行安全性评估，其基本流程如图1所示。

图1 安全性评估的流程图

3.1 系统事故后果严重度指标

3.1.1 事故后能量损失率

系统事故的后果严重程度可以通过一系列量化指标来加以描述，在系统事故发生后通过对系统损失掉的瞬时能量(即:损失掉的用户功率)来对其后果进行定量分析。

由此，定义具有时间特性的事故后能量损失率指标ELR:

式中:λk为系统中第k条支路的故障率;Lk为系统第k条支路的长度;Ti为第i个损失用户的停电持续时间;NS为系统中支路数;SS为系统负荷容量;SL为事故后损失的负荷容量;Si第i个损失用户的容量;Sj为系统第j个用户的容;φSC为系统用户集合;φLC为事故后损失的用户集合。

从式(1)可以看到，ELR的分子和分母都具有能量的表达式，分子表述出系统在评价周期内发生故障所造成的损失掉的能量，而分母是系统在评价周期内所需要的总能量，它们两个比值正好能从能量的角度来体现出该系统在发生故障后对系统造成的能量损失百分比，也恰恰体现了后果严重度的一个方面。

3.1.2 事故后用户损失率

事故后果的严重程度并不能简单的用能量损失率来描述，对于用户而言，用户数量、故障率等等多少也能从另外一个侧面反映事故后果的严重程度。为此按照能量损失率的定义逻辑，定义了事故后用户损失率CLR:

从式(2)可以看出，在指标中不仅含有用户数量和等级的信息，而且将用户发生的故障概率和评价周期也考虑其中，能正确反映出受故障影响到的停电用户在系统总用户中所占到的比例，能够从损失用户数量的方面了解到系统故障对系统造成的后果严重程度。

3.1.3 系统事故后果严重度指标

分别对式(1)和(2)进行化简，可以得到:

为反映评价侧重点的不同定义了能量损失率和用户损失率的权重系数，分别为ρ1和ρ2(ρ1+ρ2=1)，之后将偶然事故后能量损失率ELR和CLR用户损失率加权求和，同时，在不同的系统中，可以根据对系统故障后对能量损失和用户损失的侧重程度对权重系数做调整，在这里定义两者同时取0.5，即得到了系统事故后果严重度指标A'SD:

3.2 风力并网对配电系统安全性指标的影响

在配电系统含有风力发电机组时，如果系统发生故障，系统中的部分用户可以由风力发电机组单独供电，形成孤岛，保证这些用户的持续供电。因此，风力发电的加入会对系统故障后果的安全性有很大大的改善，为了衡量分布式电源对系统安全性的影响，我们就必须要对以上建立的严重度指标加以修改，使其含有风力发电的带来的影响量。由于风力发电本身功率输出的波动性，这里就必须对在系统发生故障时，孤岛的形成情况进行分析。

对于一个固定的系统，可以分析系统中风力发电机组的供电范围内的负荷波动情况与风力发电机组本身的发电功率曲线就能分析出，在系统发生故障时，孤岛能否形成的概率，根据历史数据或者预测数据，如果风力发电机组可以发出的功率大于其供电范围内的负荷功率则孤岛在系统发生故障时可以形成，此时孤岛内的用户不受故障支路影响由风力发电机组继续供电，当故障支路修复完成后在接入主网中继续由主电源和风力发电机组同时供电。反之，则不能形成孤岛供电系统，当故障发生时由于风力发电机组的发电量小于供电范围内的负荷要求，因此该范围内的用户与其他用户一样停电，此处的用户风险水平是没有变化的。

设在系统发生故障时，系统中孤岛形成的概率为PG，则可以对上述公式进行修正，使其含有风力发电机组的影响，得到以下指标。

(1)修正后的故障后能量损失率:

(2)修正后的故障后能量损失率:

其中，φUGC为系统中不受风力发电机组影响的用户集合;φGC为系统中受风力发电机组影响的用户集合，即形成孤岛时属于风力发电机组供电范围内的用户。

总后由式(8)和(9)得到含有分布式电源的系统严重度指标ASD:

改进后的ASD系统严重度指标，包含了风力发电机组在系统发生故障时对系统能量损失和用户损失的影响，能够准确的映出含有风力发电的系统在发生故障时，对系统造成的不利后果的程度。

3.3 风力并网配电系统安全性指标

安全性评估是系统发生故障的概率与故障后严重程度的乘积，所以可以建立系统安全性评估指标为:

其中，SU为系统不可用率指标，在这里反映系统发生故障的概率;ASD故障后果严重度指标，在这里反映系统故障后果的严重程度。将SU和ASD综合起来，得到评价风力并网配电系统安全性的指标。这个指标不仅能说明风力并网配电系统的概率，而且能描述出风力并网配电系统发生故障后对系统造成的不利影响有多大，对风力并网配电系统的规划和网络评估都有一定的指导意义。

4 风力并网配电系统安全性指标的实际算例分析

选取吉林市丰满区江南变电所中所带负荷比较复杂的4条10kV的主干线，四水线、塑料线、恒山线、轴配线为例，进行分析。图2是其简化拓扑结构图，其中每个节点上都带有相应的负荷。

图2 简化后的4条主馈线拓扑图

以下各表是在可靠性计算中需要的部分参数。

表1 系统中支路属性

表2 4馈线系统的已知参数

4.1 原系统不含有风力发电机组的情况

通过以上参数，同样可以建立系统的故障模式后果分析表，之后利用公式求得不含风力发电机组的系统各项指标，如表3、表4所示。

表3 可靠性指标计算结果

表4 严重度指标计算结果

最后得到不含风力发电机组的系统风险指标为:

4.2 系统模拟加装风力发电机组后的情况

在原系统中，选择第7和第12节点，也就是恒山线的联大分支路首端节点和轴配线市政分支路首端节点模拟加装风力发电机组作为电源，从ETAP潮流分析来看，原系统的节点电压得到很好的改善，尤其是末端节点。

图3 模拟增加风力发电机组后的4条主馈线拓扑图

表5 可靠性指标计算结果

表6 严重度指标计算结果

在对含有风力发电机组的网络进行能量损失率和用户损失率进行求解时，需要得到在系统发生故障时，系统中孤岛形成的概率为PG，这一数据可以根据负荷预测数据和风力发电机组发电功率预测数据得到，在此PG取0.9来进行计算。

最后得到含风力发电机组的系统风险指标为:

从潮流分析来看，对系统的各节点电压尤其是末端节点有一定程度的改善效果，而以上风力并网配电系统安全性指标的计算，很好的反映出了这一点。因此该套风力并网配电系统安全性指标具有实用价值。

5 结论

本文主要研究了风力并网配电系统安全性评估的方法，提出了一系列风力并网配电系统安全性指标，最后以吉林市的部分实际配电网络为算例进行了安全性指标的计算。通过对网络进行潮流分析，发现在其电压较低的部分模拟加装风力发电机组，对其网络电压等等都有较大改善作用。而该套风力并网配电系统安全性指标的计算值也反映出这一点，因此可以明显地看出该套风力并网配电系统安全性指标在反映配电系统的供电安全性方面是可行的，具有的实用价值。

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