含储能光伏电站并网运行可靠性评价仿真

朱东垣，孙一飞，田有文

(沈阳农业大学信息与电气工程学院，辽宁 沈阳 110866)

1 引言

现阶段，随着各类轻重工业及化工产业的不断发展，环境污染问题变得越来越严峻，各类能源及环保问题备受关注。利用风能、太阳能等自然能源进行发电是目前节能环保的主要措施之一，储能类的光伏发电站作为实施的重要设备，对其并网运行可靠性分析也成为光伏发电领域的研究热点和重点。如果并网发电中的电压、频率以及相位保持不一致，出现了偏差，就会导致发电终止，因此，对这三个参数进行计算、明确其相互联系的可靠性，才能保证电能可以源源不断地输送，确保电站运作稳定及安全。

本文通过分析含储能光伏电站在并网时状态、直交电流以及母线电压等各项指标的运行特点，计算在缺电和电容量不足期间电站随频率、电压而变化的停运概率。随后推导计算在停运概率最高和最低时，电站发电频率和电压的上下限值，通过该值准确判定在各状态期间下电网运行的可靠性。实验证明，所提可靠性分析算法，可在最大程度上减少电站设备损耗、增强稳定性和使用寿命，并对电力数据具有较高的敏感性，整体分析过程直观简单，参数清晰准确，对电力产业的发展具有一定的参考意义。

2 含储能光伏电站并网运行特性分析

一般情况下，含储能光伏发电站在并网运行时，都需要进行电流交互[1]，即让电站中的直流电能转换为交流电能。计算交互时所产生的电流、电压、电容量[2]以及输出频率[3]等参数，是后续对并网停运可靠性分析的前提和基础，可提高分析的准确性，减少关键参数的计算误差，直交电流转换矩阵为

(1)

(2)

式中，Ude表示并网电站中直流电路的母线电压，也是整体总线的电压[5]。从式(1)和式(2)可以得出，光伏电站并网直交电流的输出电压，是由电站母线电压和实时状态电压共同决定的。所以，在进行可靠性分析时，需要考虑电站并网时的运行电压，适当结合并网输出的频率和负荷量，这样才能实现统一化分析。同时光伏电站在并网过程中，由于外界不可抗力因素的影响，会出现各种电流谐波及噪声，干扰电压、频率以及运行状态矢量的判定。此时，就需要保证参数协调配合性，才能提高并网可靠性分析的效率。

3 可靠性评估指标

含储能光伏电站并网运行可靠性评估指标的作用，主要就是用于反映电站在不同情况下，电力运行及供应的情况。所以，本文将以电站在断电期间、电容量不足期间频率、电压以及承载负荷的变化作为评估指标，计算电站停运的概率[6]，以此准确判定含储能光伏电站并网运行的可靠性。评估指标的具体设置步骤如下：

1)断电期间的频率、电压评估指标。初始定义为电站在断电期间，频率和电压是否能满足既定的负荷要求，计算负荷所需的小时和天数期望值[7]，具体表达公式为

(3)

式中，LOLE表示电站在断电期间的指标期望值；Pi表示当电站处于i状态时的频率不足概率；Ui表示当电站处于i状态时的电压不足概率；i∈S*表示在给定时间内，电站能不能满足负荷需求的状态数据集。

2)电容量不足期间的频率、电压以及承载负荷评估指标。定义电站在该期间内会发生电容量不足现象，在此基础上，频率和电压可能损失的期望值，表达公式为

(4)

式中，LOLE表示电站在电容量不足期间的指标期望值；i∈kW·h/a表示时间和运行负荷的乘积；Ci表示当电站处于i状态时的总体负荷损失。

3)将上述过程建立的可靠性评估指标集进行数据标准化，根据各指标的量化分量[8]，对分布较为混乱、数据异构特性等不同类型的指标进行标准化处理，减少可靠性分析的误差性。首先，建立分析数据与指标一一对应的分布函数，在函数中提取符合正态分布的数据，不符合高斯正态分布的数据变化，运用标准化公式拟合转化，公式为

(5)

4 基于频率、电压的光伏电站并网运行停运概率计算

根据上述建立的电站在断电期间、电容量不足期间频率、电压以及承载负荷变化的评估指标集，作为可靠性分析基础，计算电站并网运行停运的概率，实现可靠性分析的准确判定。

当光伏电站并网运行时，频率和电压都会发生大幅度的变化，升高或降低至一个额定的保护值。此时电站的自动保护装置[9]就会启动，对电路进行低压、高压、高周以及低周[10，11]的保护操作，减少电站损耗。在进行停运概率计算时，需要将这些因素都考虑在内，才能保证可靠性分析的准确性，具体操作步骤如下：

(6)

2)当电站发电机因并网，导致频率过高超越极限值时，此时发电机的停运概率F(FG)为1，表达式如下

(7)

式中，FG，max表示停运概率的最大值；FG，min表示停运概率的最小值。

3)当电网发电机的运行频率处于正常值和极限值范围内时，此时电站停运的频率就会逐渐趋于极限值，运用直线拟合法对此概率F(FG)进行计算，具体表达公式为

(8)

根据以上假设算法，可得出含储能光伏电站并网停运概率随频率变化曲线，如下图1所示。

图1 电站停运概率随频率变化曲线

通过上述过程原理推导计算停运概率F(F/UG)随电压UG的变化，具体表达公式如下所示

(9)

(10)

(11)

图2 电站停运概率随电压变化曲线

5 仿真研究

5.1 实验设置

本文将以某光伏发电站并网系统作为主要的仿真环境，其中，并网系统中共包含5台储能电机、5台光伏发电机、37个监测节点、10条母线电路和5条总线电路，并且该系统已经连续运行15年，具体布局如图3所示。

图3 光伏发电站并网系统示意图

本次实验一共给出三种测试情况：一是储能发电机组在进行并网时，停运概率的变化情况；二是光伏发电机组在进行并网时，停运概率的变化情况；三是发电站在出现电路故障时，供电可用率的变化情况。其中，停运概率可作为可靠性分析的一个量化数值，其数值越高，表示电站骤停、运作中断几率越大，并网运行可靠性越低；反之停运概率越低，就表示电站骤停、运作中断几率越小，并网运行可靠性越高。供电可用率作为电站运行的基本指标，其数值越高表示电站可利用能源量越高，可靠性越强；反之则越差。第三种情况的电路故障参数如下表1所示。

表1 含储能光伏电站模拟电路故障参数

5.2 并网停运概率计算结果分析

下图4和图5为发电站随频率和电压变化下的停运概率分析结果。

图4 储能发电机组并网时停运概率分析结果

图5 光伏发电组并网时停运概率分析结果

从图4中可以看出，随着电站负荷量的不断上升，储能发电机组的停运概率也在不断升高，说明该光伏发电站的承载能力不强、强负荷能力较差、可靠性不强。判定其在近几年内可能会发生故障导致设备停运，需及时进行报修维护处理。将本文分析结果与实验预设数据相比，符合电站已连续运行15年的前提条件，整体电路老化严重，故障发生率较高。这说明本文的分析算法准确率较高，与实际情况相匹配。

从图5中可以看出，光伏发电组的停运情况与储能发电较为相似，都是随着承载负荷的不断增加停运概率越来越高。但是从图中可以看出，在负荷量增长到80时，停运概率变化幅度降低，逐渐趋于一个稳定值。这是因为，光伏发电组属于发电站中的最为重要的电力设备，主要将采集的光源转换为电能在进行输送。所以为了保证电力系统的安全，此类电机一般会设立自动停机保护设备，一旦发现负荷量或电压、电功率超过了既定值，就会自动停机保证线路安全。

5.3 电网运行可靠性分析

由于发电机出现电路故障时的可靠性比正常运行状态下要低，数值一般为0，一般方法难于准确表述。所以本文将通过电路故障模拟，主动控制故障程度，判定在各种程度下其内部线路以及元件的供电可用率、运行频率以及电压，分析整个线路运行的可靠性，具体的实验结果如下图6所示。

图6 各故障状态下可靠性指标

从图6中可以看出，当发电机出现电路故障时，发电站的电压和运行频率均在可承受范围之内。这是因为电路有一定的运行惯性和剩余能量，不会在短时间内迅速停机。供电可用率的曲线在不断下降，一旦电站的供电不足，就会借助剩余发电机供电出力，此时的整体负荷不断上升停运可能性较大，可靠性水平较低。该分析结果符合实验预设情况，说明本文可靠性分析算法正确率较高。

6 结论

本文针对含储能光伏电站并网运行的状态、电路电流及电压进行了具体分析，计算各参数的矢量表达数据，并进行统一化管理，剔除干扰数据、减少后续可靠性分析的误差。建立电站的缺电和电容量不足期间频率和电压的评估指标集，将评估集标准化处理，使其符合正态分布，提高分析的准确性。

最后，通过计算电站在并网运行的各期间内停运概率的变化，得出停运概率高、电网运行可靠性低的结果。在保证实时性和计量性的基础上，具体分析影响电站可靠性的原因，是下一步的研究方向。