【微电网可靠性评估研究17000字】

微电网可靠性评估研究目录第1章绪论 11.1课题研究背景和意义 11.2国内外发展现状 31.2.1微电网发展现状 31.2.2微电网可靠性发展现状 51.3本文的研究内容 8第2章微电网可靠性评估基础 92.1微电网的基本概念 92.1.1微电网的定义 92.1.2微电网的分类 92.2微电网可靠性的评估指标 102.3微电网中各分布式电源模型 112.3.1柴油发电机模型 112.3.2风力发电机模型 112.3.3光伏机组的模型 122.3.4储能装置的模型 132.4元件可靠性模型 142.4.1基本概念 142.4.2风电机组的可靠性模型 142.4.3光伏机组的可靠性模型 152.4.4储能装置的可靠性模型 162.5微电网可靠性评估方法 172.5.1蒙特卡洛模拟法 172.5.2Well-being理论在微电网中的应用 172.6本章小结 19第3章孤岛型微电网的可靠性评估 193.1考虑多种因素的元件故障率 193.1.1考虑运行时间的元件故障率 203.1.2考虑天气状况的元件故障率 213.2考虑多种因素的元件修复时间 223.3微电网孤岛运行时的控制方式 233.4元件故障对于孤岛运行的微电网的影响 253.5孤岛型微电网可靠性评估流程 263.6本章小结 27第4章并网型微电网的可靠性评估 284.1并网型微电网的特点 284.2故障对于并网型微电网的影响 294.3并网型微电网的控制方式 304.3.1对等控制方式 304.3.2主从控制方式 304.4并网型微电网停电的原因 314.5并网型微电网可靠性评估流程 324.6本章小结 32第5章结论与展望 345.1结论 345.2展望 34参考文献 35

第1章绪论1.1课题研究背景和意义随着社会经济的高速发展，电气化程度的日益加深，人们对于电力的需求也很大程度的增加。传统的电力工业虽然可以满足人们的需求，但是由于其过分地依赖煤、石油、天然气等化石能源，加之近年来全球能源与环境问题日益严重，导致了继续传统的电力工业的生产模式运行就必须承担能源与环境危机的双重压力。国内外学长经过深入的探讨和研究，提出发展可再生能源，诸如太阳能、风能等，作为一次能源，从而解决了传统的电力工业供电集中、污染环境的突出问题。关于新能源发电初期，由于各种发电装置的成本较高、技术不够完善、对于电网的不良影响不能很好的解决等问题，新能源发电并没有进入传统的电力工业。经过了众多学者多年的研究，各种新能源发电的技术有了飞速的发展，他们的发电成本也随着技术的发展有了大幅的降低，已经达到了可以承担电网发电任务的能力。这一现象也使得全球各国大力开发本国内的可再生能源，构建有分布式电源加入的新型电网系统[1]。为了顺应这一能源发展趋势，我国出台了一系列的建设和指导文件，将可再生能源发展作为我国的能源战略调整以及节能减排的核心部分，光伏发电和风力发电等新能源发电技术受到了国家大力支持，可再生能源发电技术得到了飞快的发展。分布式电源是可再生能源的最为广泛的利用形式，可以接入中压和低压配电系统[2]中承担供电任务，从而缓解了传统的电力工业所承担的能源压力和环境压力。分布式电源可以就近给负荷供电，增加电能的利用率，更加的节省能源，增加电网可靠性。不仅如此，分布式电源的应用，可以灵活消纳电能，从而降低系统各环节的成本，同时可以与外部大电网相辅相成，互相支撑，可以改善系统的结构和峰谷特性。但是，分布式电源具有随机性，不确定性，分散性。当分布式电源与电网相接时，会给电网系统带来不利因素。由于不同的DG在发电波动、影响因素等方面有很大的差异，因此当电网系统的DG渗透率不断增长的时候，就肯定会使配电系统在安全性、可靠性、稳定性方面受到不断增加的冲击。研究表明，当以可再生能源为基础的分布式电源在系统中逐渐增加时，到达一定程度时，其使得系统运行更加复杂，增加更多的不确定性，其缺点明显大于优点，不能满足电网安全运行和可靠供电的要求。为解决这一弊端，提出了一种特殊形式的电网—微电网。微电网是由负荷、DG、储能装置、电力电子器件、测量装置、监控和保护系统的小型发电系统。微电网是一个可以独立的自治系统。它可以自我控制，保护和管理。微电网的优势可以从两角度进行阐述：其一，微电网可以满足对于供电可靠性和电能质量要求高的用户，还可以满足希望电价便宜的用户。其二，微电网的可控性可使DG安全可靠的接入配电系统，提高电网的可靠性。可靠性是电力系统电网规划最基本要求，我们要减少微电网中可再生能源发电的不确定性和随机性的危害。确保电力系统稳定运行，同时保障发生故障时停电范围最小。因此我们要对微电网进行可靠性评估，从而满足供电的可靠性和稳定性。因此，建立一套完善的微电网可靠性评估体系，分析微电网系统中的各种影响因素，研究不利条件对于微电网可靠性的冲击，以实现对微电网系统的功能评估是一项必须完成的工作。1.2国内外发展现状1.2.1微电网发展现状2002年，美国可靠性技术解决方案协会（TheConsortiumforElectricReliabilityTechnologySolutions，CERTS）提出了一种特殊形式的电网—微电网，其可以充分发挥DG潜能并削弱DG对于大电网的冲击。CERTS给出微电网的定义：微电网是可以同时供电、供热，包含负荷和微型电源的系统；微电网借助电力电子器件进行控制和能量的转换；微电网是大电网的一个单位，并且具有可控性，可以对用户提供优质可靠的电能。图1-SEQ图1-\*ARABIC1CERTS的微电网结构图图1-1展示了CERTS微电网结构图，微电网中的电源包括光伏发电、微型燃气轮机和燃料电池，负荷有热负荷、敏感负荷、可中断负荷、可调节负荷等。其中还配备了能量管理器和潮流控制器，实现了控制和优化整个微电网。欧盟成员国普遍重视微电网的发展，大力投资微电网的研究开发以满足用户对于多种电能质量的需求。并且，微电网清洁性、能量多元性、稳定性成为欧盟追求的目标。欧盟第五框架计划由希腊雅典国立大学（NTUA）领导，多个国家组织参与，建立了微电网实验平台，重点研究如何将分散的小电源组合成一个微电网，最后实现与配电系统的连接。欧盟第六框架计划仍有希腊雅典国家大学领导，并与诸多公司合作，其重点研究是配电网与多个微电网连接后的控制系统、协调管理措施、整体保护和经济调度策略，还有微电网对于大电网的影响。图1-SEQ图1-\*ARABIC2欧盟微电网结构图我国微电网技术的发展与欧美等发达国家相比相对较慢，但是我国政府对于可再生能源的发展高度重视，出台了很多关于可再生能源和微电网的指导和建设文件，并且国家“863计划”、“金太阳工程”等都大力支持。在此背景下，我国微电网技术迅猛发展，在微电网的理论、技术、实验仿真等各方面均已经趋向成熟，全国各地试点工程不断建立起来，对于改善我国电力工业的能源结构发挥了重大作用。我国的微电网技术发展利用和工程建设还有待推广，并结合我国的能源现状以及基本国情，制定更切合电力系统发展的规划，从而更好的服务我国经济社会的高速和可持续发展。1.2.2微电网可靠性发展现状1.2.2.1微电网可靠性电源模型微电网主要是由负荷、DG、储能装置等构成的小型发电系统，微电网的特殊性就在于其电源是由可再生能源组成的DG，因此，对于微电网电源可靠性模型的研究就是微电网可靠性评估的基础。而微电网电源可靠性模型的研究，首先就是要明确微电网中各个DG的电源特性。在电源特性中，出力特性又是重中之重，这关系到微电网系统的供电能力，而且很大程度上影响到微电网的可靠性水平。在微电网中，通过研究，发现其中主要存在两类不同出力特性的电源[5]，包括恒定出力电源和非恒定出力电源（又称间歇出力电源）。在分析微电网的可靠性时，恒定出力的电源通常有柴油发电机，以同步发电机来等效这类电源。在研究这类DG时，通常只考虑其停运的影响，因此将此类DG分为运行状态和停运状态，并对这两种状态进行建模。至于停运时间，可以借助于同步发电机相同的指数分布获取。这样就完成了对于恒定出力电源模型的建立。非恒定电源主要由可再生能源电源，例如风电机组、光伏发电等组成，这类电源模型的建立不能如上简单完成，而需要考虑很多的因素，比如其出力有时候受天气影响十分明显，具有很强的随机性、不确定性等等。这样就使得非恒定出力电源的建模并不是单纯地采用两种状态模型进行描述，而需要考虑相关的概率分布问题。目前，已经有许多学者针对上述问题展开了研究，普遍认同的观点是以风力发电机作为一种典型的可再生能源DG进行该问题的研究。首先，风能在全球分布广泛，并且我国部分地区的风能资源相当丰富，有足够的代表性；其次，风能清洁无污染，方便使用；最后，风力发电机经过长期的发展，目前技术已趋于成熟，可以广泛投入生产实践。经过大量的实验研究，发现风力发电机的出力与风速之间的关系可以通过分段函数的形式进行描述。研究中，通过数据统计获得Weibull分布的参数，然后使用Weibull分布对于一般呈现正偏态的风速概率分布函数进行描述。还有一种可以实现广泛应用的可再生能源DG就是光伏发电。众所周知，太阳能是取之不尽，用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、安全性、广泛性、充足性等优点，而且光伏发电经过长期的发展技术已经完善，在我国已经得到了推广和应用。研究表明，光伏发电出力的最大影响因素就是太阳辐射量的变化，显而易见，光照充足的地区和季节，光伏发电的出力较大，而在光照不良的地区阴雨天，光伏发电的出力较小。对于太阳辐射量的变化，通常采用Beta分布来描述此随机特性，进而可以得出光伏发电的出力特性，从而对DG中的光伏发电进行建模。综上所述，微电网可靠性的电源模型的建立，要充分考虑微电网中电源的特点，建模时要充分体现可再生能源电源的不确定性、随机性，从而使模型符合实际。而且，上述已有的对于非恒定出力电源的建模，只考虑了风力发电机和光伏发电，显然这不足以完全描述出可再生能源组成的DG出力的不确定性、间断性，所以，在微电网可靠性评估体系研究中，还需要解决DG可再生能源概率分布的多样性对建立DG可靠性模型的影响。1.2.2.2微电网可靠性评估方法长期以来，各国学者进行了大量关于电力系统可靠性的实验研究，目前，已经形成了一系列较为完善的针对电网可靠性的评估方法。然而，随着电力系统的发展，微电网的推广，迫切需要研究讨论出一套适用于评估微电网可靠性的方法。目前，电力系统可靠性分析有两种基本方法：模拟法和解析法。模拟法的核心是蒙特卡洛方法，虽然其随机抽样会耗费很长的时间，但是原理上可以通过仿真实现。蒙特卡洛模拟法的原理同样适用于微电网的可靠性评估，通过系统中各元件状态的随机抽样，借助仿真计算出系统的停电时间、停电概率等，最终用立足用户角度、电网角度的可靠性指标来反映微电网系统的可靠性。在较小的系统中，如果系统的模型搭建的较为精准，且有正确的计算方法，那么解析法就更为合适。解析法有较快的计算速度，并且可以得到更为准确的计算结果，不足之处就在于不能够分析系统中以频率和时间为变量的可靠性指标，这也对系统可靠性评估的完整性、可信度有一定负面影响。解析法在传统配电系统的可靠性分析已经成熟，通过对于系统各个环节的解析、融汇，从而得到系统的等值模型，最终计算系统的相关可靠性指标。然而，解析法在微电网可靠性中的应用并不能完全照搬，而是需要针对这个独特的电网系统进行研究，具体化解析法的应用方式。微电网，顾名思义，一个小规模的电网系统，对此，通常只需要考虑供需平衡这个问题，计算发电量和用电量之间的差值，作相应的分析就可以符合其可靠性的评估要求。目前仍需要探究的问题就是如何具体化解析法在微电网中的应用，从而满足可靠性评估的需要。目前已有诸多关于此问题的研究，各个研究优势互补，已经形成了一套较为完善的可靠性评估体系。综合考虑恒定出力特性电源、非恒定出力特性电源的建模，诸如各种风机模型的建模、光伏出力的模型等等，加之基于蒙特卡洛的模拟法等分析方法，得出了具有很强说服力的可靠性评估结果。然而，目前的研究中虽然已经对各种类型的DG建立了较为准确、符合实际应用的模型，但是缺乏对于储能装置的考虑。如前文所说，日本的微电网示范工程Aichi就采用了大量的储能装置作为系统中的主要电源，这样不仅符合电力储存的发展趋势，还有利于系统的稳定运行以及可靠供电。由此可见，微电网可靠性的评估体系中，也应该充分考虑到储能装置的影响，使其更加贴近如今的微电网工程在实际生产中的发展。经过大量学者的研究，得到普遍认同的是采用序贯蒙特卡洛模拟法去有针对性地分析微电网中储能装置具有时序性的荷电状态。储能装置的充放电过程对于系统运行的影响，在一些相对规模较小的独立系统中已经有了研究。在微电网系统中，需要进一步考虑储能装置在已经拥有了各种DG下运行的建模复杂性。并且，关于可靠性的评估方法，也需要根于模拟法和解析法的优缺点进行合适的选择，以得到更为准确的结果。综上所述，微电网系统虽然与传统大电网相比规模较小，但是其可靠性分析不仅要考虑停电、运行两种工作状态和元件故障的问题，还要针对其电源种类繁多、电源出力不确定性、储能装置的影响、具有孤岛和并网运行两种模式等问题进行深入具体研究。1.3本文的研究内容本文主要研究微电网可靠性评估体系，先是从背景上介绍了微电网产生的意义，描述了微电网与传统电网的优势互补，同时又总结了微电网所具有的特殊性、其得到广泛应用后所带来的影响，通过目前的关于微电网可靠性的研究现状作为向导，在不同DG的出力特性基础之上建立各电源的可靠性模型，并介绍不同的可靠性评估方法，最后构建了孤岛型微电网和并网型微电网的可靠性模型以及分析方法。具体工作如下：第2章先是介绍了微电网的基本概念，包括目前得到广泛认可的定义以及微电网的分类，在此基础上总结了微电网所具有的特点；然后提出并定义了适用于当前微电网的可靠性评估的指标；接下来分析了微电网系统中各个电源的出力模型并以此为基础建立了其可靠性模型，进而得到了各个装置的等效故障率和修复率；最后，介绍了蒙特卡洛模拟法和Well-being理论[6]在微电网可靠性评估中的应用。第3章首先在第2章的元件故障率上进行了改进，提出了考虑多种因素的元件故障率，使结果更接近工程实践，并顺着这个思路研究了考虑多种因素的元件修复时间；然后，介绍了孤岛型微电网的控制方式，对比了三种控制方式的内容；接着分析了元件故障对于孤岛型微电网的影响；最后提出了孤岛型微电网的可靠性评估流程。第4章一开始介绍了并网型微电网的运行特点，即正常情况并网运行，故障情况转为孤岛运行；接着分析了并网型微电网各个故障对其的影响；然后分析对比了两种控制方式，并针对两个控制方式，研究各自导致负荷停电的原因；最后提出了并网型微电网的可靠性评估流程。本文末尾进行了总结和展望，介绍了本文的研究成果以及不足，同时提出该课题需要进一步研究的问题和重心。第2章微电网可靠性评估基础2.1微电网的基本概念2.1.1微电网的定义微电网这一概念是在全球经济快速发展的同时，能源与环境危机加剧的大背景之下诞生的，由美国可靠性技术解决方案协会（CERTS）与2002年提出。目前获得广泛认可的微电网的定义如下：微电网是由一种新型的电力网络，由微电源（DG）、负荷、储能装置和控制系统组成的系统单元，有孤岛运行和并网运行两种方式。微电网有以下特点：1）微电网是为了合理可靠地利用可再生能源而提出的，因此其包含了多种分布式电源，诸如风力发电、光伏发电等，这些DG的接入，提高了微电网出力系统的不确定性、间断性；2）微电网有孤岛运行和并网运行两种方式，可以实现对于重要负荷供电可靠性的很大提高。同时，两种运行方式可以灵活切换，与外部电网可以互为支撑，提高了系统运行的稳定性。2.1.2微电网的分类微电网作为新兴电网结构，以及受到世界各国的广泛认可和大力推广，是未来世界电网的发展趋势。通常对微电网进行以下分类：表2-SEQ表2-\*ARABIC1微电网分类分类依据种类能源传输交流微电网、直流微电网、混合微电网运行方式孤岛微电网、并网微电网地理位置海岛微电网、偏远地区微电网、城区微电网续表2-SEQ续表2-\*ARABIC1用途工业微电网、商企业及生态城微电网、民用微电网、校园微电网电压等级400V微电网、10KV微电网、35KV微电网2.2微电网可靠性的评估指标由于微电网系统是一种特殊的电网，且可以接入中低压的配电网系统中，所以，传统的配电网系统采用的各项可靠性指标也可以应用到微电网系统中进行可靠性分析。传统配电网主要采用以下指标来进行可靠性评估：系统停电频率的期望、系统停电持续时间的期望、负荷停电频率的期望、负荷停电持续时间的期望、缺电量的期望等。虽然微电网仍属于电网范畴，可以采用上述指标，但是微电网有其特殊性，其系统成员少，结构简单，拓扑清楚，且多为电源直接供应负荷，因此对于微电网可靠性的分析完全采用上述指标，不仅对于工程实践没有明显的指导意义，还会加大对系统进行评估的难度。经过研究，本文最终主要采用缺电量期望值和停电时间期望值来反映微电网的可靠性。1）缺电量期望值（LossOfEnergyExpectation，LOEE），反映了单位时间内系统内供应电量不能满足负荷需求所缺少的电量的期望，缺电量期望值=上式中，Ei为系统在第i年的缺电量，T为系统运行的总年数，LOEE反映了微电网系统的缺电量期望，单位kWh/h。2）停电时间期望（LossOfLoadExpectation，LOLE）,反映了单位时间内系统的平均停电时间，停电时间期望=上式中，ti是系统在第i年的停电时间，T为系统运行的总年数，LOLE反映了微电网系统发生停电事故的时间期望。2.3微电网中各分布式电源模型2.3.1柴油发电机模型柴油发电机在微电网中属于可控电源，可以持续稳定地提供电能并且控制其电能输出的大小。柴油发电机的出力受机组的额定功率限制，并且通常存在最小出力水平，即P式中，Pmin为柴油发电机的最小出力水平，Pout为机组的实际出力水平，PN为机组的额定出力水平。本文为了简化计算，设定了Pmin为0，即机组可以运行状态下0出力0≤2.3.2风力发电机模型目前已足够的研究风速[7]的模型主要由概率模型和时序模型，分别采用Weibull分布模型和ARMA模型表示，本文采用Weibull分布模型描述风速,可以得到任意时刻对应的风速模拟值vt。如此，就解决了影响风电机组输出功率的自变量—风速，并结合目前普遍认可的利用二次函数模拟风电机组输出功率的方法，就可以得到风电机组的出力特性，如下图。图2-SEQ图2-\*ARABIC1风电机组有功功率输出曲线某时刻的风速vt已知的前提下，利用功率转换公式就可以得到该时刻对应的风电机组的出力，公式如下：P式中，Pt是t时刻机组对应的出力，Pr是一台机组的额定功率，vci是风机的额定风速，vr是风机的切入风速，vco是风机的切出风速，其中，A、B、C为参数，用于描述风机出力的非线性部分。2.3.3光伏机组的模型经过长期的研究，发现光伏发电的出力水平受到光照强度、四周温度、光照入射角以及转换效率等诸多因素的影响。本文为了方便起见，光伏机组建立模型的时候只考虑了最重要的影响因素—光照强度，而忽略其他的因素。功率转换公式如下：P式中，Gt是t时刻的已知光照辐射度，Pt是t时刻的光伏机组的输出功率，Pm是光伏机组的额定功率，Gstd是标准的光照辐射度，取1kW/m2，Rc为特定光照辐射度，取0.15kW/m2。2.3.4储能装置的模型目前，越来越多的微电网试点工程中都应用了储能装置，为了贴近实际，对于微电网可靠性的研究中，储能装置的分析也必不可少。由于电网系统都要求供电负荷实时平衡，然而由于DG的不确定性和间歇性等问题，就导致了微电网系统中供电负荷实时平衡的概率很小，这时候，储能装置就可以发挥其作用。当微电网系统中，DG出力之和大于负荷时，储能装置将电能进行储存，充当微电网系统中的负荷；当系统中，DG出力小于负荷，即供不应求之时，储能装置就释放其储存的电能，充当微电网系统的电源。如今储能方式有蓄电池储能[8]、压缩空气储能等，较为成熟并得到广泛应用的是蓄电池储能方式，本文也选定蓄电池作为微电网中的储能装置。假设t时刻储能装置充放电功率P（t），储存电能B（t），则其充放电时间序列如下：B（t+1）=B（t）+储能装置的功率限制如下：PP式中，PB（t）的正、负分别对应充、放电的功率，Pfmax表示放电功率最大值，Pchmax表示充电功率最大值，Bmax表示最大容量，Bmin表示最小容量。2.4元件可靠性模型2.4.1基本概念通常认定电力系统中的元件有三种状态：正常，故障，检修，本文在微电网可靠性评估中只考虑了正常和故障状态，其两种状态间的转换模型如下：图2-SEQ图2-\*ARABIC2元件的两种状态模型通过对于大量数据的统计，可以得到故障率λ和修复率μ，进而通过一定方法可以得到相应的正常运行时间和故障时间。2.4.2风电机组的可靠性模型我国风力发电在国家政策的大力支持下得到了飞速发展，据《2013-2017年中国风力发电机组行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》显示，风电机组已经在风能资源丰富的地区大范围应用。本文以直驱永磁风力发电机组为例建立可靠性模型，这种机组由风吹动的风轮带动机组发电，通过整流器、逆变器、升压装置等一系列电力电子装置输送到微电网母线上。直驱永磁风力发电机组不仅拥有噪音污染小、转换效率高的优点，而且可以省去滑环、电刷等配件，有很高的可靠性和很宽的调速范围，能够适应电网的大部分波动；其不足之处就在于整个机组的体积较大，电力电子装置的成本较高。为了简化且不影响结果真实性，本文只考虑了风力发电机、整流器、逆变器、滤波器四个模块，在此基础上建立风电机组的可靠性模型。通过已经进行的大量研究可以得出各部分的可靠性参数如下：表2-SEQ表2-\*ARABIC2风电机组各部分的可靠性参数各部分名称故障率λ，次/年修复率μ，次、小时风力发电机0.22000.0167整流逆变装置0.06700.0094滤波器0.00380.5000根据上表的数据，可以通过计算得出风电机组的可靠性模型，其等效故障率λ为0.2910次/年，修复率为0.0140次/小时。2.4.3光伏机组的可靠性模型目前，光伏机组[9]的网络结构主要有单级式和双级式两种。单级式结构主要是光伏阵列经过串联使电压达到合适的数值后，通过逆变器将直流电转变为交流电，与此同时，跟踪最大功率点，最后通过滤波器将电能接入微电网的母线。双级式结构与单级式结构最大的不同就在于其先通过DC/DC变换使得直流电电压达到合适数值后，在通过逆变器将直流电转变为交流电输入微电网母线中去。上述两种结构各有优缺点，如下表所示：表2-SEQ表2-\*ARABIC3两种结构优缺点对比优点缺点单级式结构所需器件较少，转换效率高逆变同时实现最大功率点的跟踪设计过程复杂双级式结构光伏阵列并联容易实现扩容，无需串联实现高电压水平，DC/DC变换器同时可以实现高频的隔离，控制容易所需器件较多，结构复杂，比单级式结构多了一次转换，效率偏低本文光伏机组的可靠性模型建立主要基于双级式结构的光伏机组，且只考虑DC/DC变换器、逆变器、滤波器、光伏阵列四个模块。通过已经进行的大量研究可以得出各部分的可靠性参数如下：表2-SEQ表2-\*ARABIC4光伏机组各部分的可靠性参数各部分名称故障率λ，次/年修复率μ，次/小时光伏阵列0.00440.0250DC/DC变换器0.01000.0250逆变器0.50000.0057滤波器0.00380.5000根据上表的数据，可以通过计算得出光伏机组的可靠性模型，其等效故障率λ为0.5180次/年，修复率为0.0060次/小时。2.4.4储能装置的可靠性模型目前，越来越多的微电网试点工程已经将储能装置投入使用，较为著名的有日本的Aichi微电网。因此，微电网可靠性的研究之中，储能装置对于系统的影响不得不加以考虑。现在，较为成熟并广泛使用的储能装置主要是蓄电池，本文为了实际运用，在分析储能装置的可靠性模型时以蓄电池储能为例。蓄电池主要有两种放电系统：单级式放电系统和双级式放电系统，其中单级式放电系统是指蓄电池的直流电直接通过逆变器变换为交流电后，经过电压的升降、滤波器的处理后接入微电网母线；而双级式放电系统则是蓄电池的直流电先通过DC/DC变换器变换到合适的电压等级后，再通过逆变器对电能进行交流化，最后通过滤波器接入微电网母线。虽然双级式发电系统成本较高，但是其相对而言省略了单级式所需要的变压器，而且电力电子装置的使用可以显著提高设备和系统的可靠性和可控性，同时可以减少故障的处理时间。本文对于储能装置可靠性的建模[10-11]，建立在采用双级式发电系统的蓄电池基础之上，且只考虑蓄电池、DC/DC变换器、逆变器、滤波器四个模块。通过已经进行的大量研究可以得出各部分的可靠性参数如下：表2-SEQ表2-\*ARABIC5储能装置各部分的可靠性参数各部分名称故障率λ，次/年修复率μ，次/小时蓄电池组0.00630.2500DC/DC变换器0.10070.2500逆变器0.17520.2500滤波器0.00380.5000根据上表的数据，可以通过计算得出光伏机组的可靠性模型，其等效故障率λ为0.2860次/年，修复率为0.2520次/小时。2.5微电网可靠性评估方法2.5.1蒙特卡洛模拟法蒙特卡洛模拟法[12]是一种计算机的随机模拟方法，以概率统计原理为基础。这种方法是通过计算机得到随机问题的抽样结果，并以此为依据计算统计量和参数的值，通过多次重复上述过程，得到统计量和参数的期望，这也就是这个随机问题较为准确的参数和统计量的值。蒙特卡洛模拟法作为一种解决随机问题比较实用的方法，广泛应用在电力系统的可靠性评估中，对于问题是否具有实时性，又可以分为非时序蒙特卡洛模拟法和时序蒙特卡洛模拟法。在电力系统可靠性评估中，本文采用1小时为单位，即假设这1小时内系统各状态固定不变，则时序蒙特卡洛模拟法的各步骤如下：1）为系统中的各个元件编号，1、2、3、4、…n，系统开始时，所有元件均为正常运行；2）通过计算得到各个元件正常运行时间和故障时间；3）每个元件故障时，对电力系统的状态进行可靠性分析，即计算相应的可靠性指标；4）在整个模拟时间内，重复上述过程。在微电网系统中，大多数DG，诸如光伏发电、风力发电、储能装置等，都具有一定的时序性，并且，微电网自身的控制与运行也与时间有关，因此本文采用时序蒙特卡洛模拟法进行微电网可靠性的评估。第3章孤岛型微电网的可靠性评估3.1考虑多种因素的元件故障率在现有的很多微电网可靠性评估的研究中，都将元件的故障率以及修复率视为常数，这样做虽然简化了可靠性评估中的模型，但在一定程度上也影响了可靠性评估最终的结果。本文在分析微电网可靠性的时候，考虑了多种因素影响下的元件故障率，从而使得结果更加贴近实际工程应用。3.1.1考虑运行时间的元件故障率通常，元件的可靠性与其已经使用时间的长短有一定关系，在其服役时间内，其故障率通常也是不断变化着的。本文把元件的整个服役时间分为三个阶段：初始运行期、稳定运行期、损耗运行期。初始运行期，元件与系统各部分都处于一个磨合状态，容易发生事故，因此此时元件的故障率较大，且随着使用时间的增加逐渐减小；当过渡到第2阶段时，元件开始了稳定运行，极少发生故障，此时的元件故障率较小，并且近似为恒定值；在第3阶段，元件由于接近了服役结束时间，通常容易出现由于老化等导致的故障问题，此时加以适当的检修可以减小故障率。通过对于上述3个阶段的描述，可以得到下图：图3-SEQ图3-\*ARABIC1元件故障率与使用时间关系曲线如图所示，当考虑到了元件运行时间对其故障率的影响时，元件的故障就不是一个定值了。对此分析是，引入了一个时变因子θt（t）进行描述：λ其中，λ（t）表示元件故障率，λ0表示平均元件故障率（为一定值）。通过分析元件故障率与使用时间的关系曲线，可以得到θt（t）的变化趋势：1）初始运行期：起初阶段，元件的故障率较大，即θt（t）值较大，随着元件的继续运行，θt（t）逐渐衰减为1；2）稳定运行期：过渡到稳定运行时期，元件较为可靠运行，其故障率较小，此时θt（t）近似恒定为1；3）耗损运行期：此时元件接近退役，其老化等问题严重，需要各种检修维护来减小其故障率，θt（t）值以指数形式不断增加。3.1.2考虑天气状况的元件故障率容易理解，元件运行的故障率还有一个比较重要的影响因素就是天气状况，天气恶劣的时候，容易引发元件的故障。根据已有数据统计，恶劣天气发生的概率约元件总运行时间的1%，然而其导致的元件故障却占总故障的50％，并且由于电力系统中各元件联系紧密，容易出现“故障聚集”现象，即一个元件发生故障很有可能引发其他元件的联锁故障，导致一系列事故。从这一点看，天气对于元件故障率的影响不可忽视。通常，将影响元件故障率的天气分为正常天气、灾难天气、恶劣天气三类，引入一个时变因子θw（t）描述天气状况对于元件故障率的影响，如下：图3-SEQ图3-\*ARABIC2天气影响因子的变化曲线由于建立一个表征天气对于故障率的影响的函数非常困难，在可靠性评估过程中，通常随机抽样得到某时刻的天气状况，再确定此天气状况下的元件故障率，最终可以得出结果：λ其中，λ（t）表示元件故障率，λ0表示平均元件故障率（为一定值）。综合3.1.1和3.1.2的分析，认为λ0表示元件在不考虑运行时间以及天气状况下的平均元件故障率，假设天气影响因子θw（t），时变影响因子θt（t），那么在考虑了天气状况和运行时间后，元件故障率λ（t）如下：λ3.2考虑多种因素的元件修复时间之前一节，考虑了天气状况和运行时间对于元件故障率的影响，并且对于认为是常数的元件故障率进行了修正。对于实际的元件运行分析后，发现元件的修复率也会受到天气状况、修复条件的影响，容易理解，当天气状况比较恶劣，比如暴雨、台风等时候，元件的修复时间会有所增加，修复率也会降低；修复条件相对不利的时候，出于对于检修人员的安全着想，更是会停止元件的修复。天气状况对于修复时间的影响采用类似3.1.2小节的方式进行，修复条件对于修复时间的影响分析如下进行。本文考虑的修复条件是指对于元件修复过程所处的时间，比如在用电高峰时间，夜晚、休息日、夏天等，元件的修复时间会有所增加，引入修复条件影响因子θc（t），认为：θ其中，θweek（t）表示周影响因子，θday（t）表示日影响因子，θhour（t）表示小时影响因子。θweek（t）与季节有关，夏季和冬季会高一些，θday（t）与星期有关，休息日会高一些，θhour（t）一天各时段有关，晚间会高一些。具体变化如下：图3-SEQ图3-\*ARABIC3周影响因子变化曲线图3-SEQ图3-\*ARABIC4日影响因子变化曲线图3-SEQ图3-\*ARABIC5小时影响因子变化曲线综上所述，认为不考虑以上因素时元件的修复时间为t0，修复条件影响因子θc（t），天气影响因子θw（t），那么当考虑了多种因素后，元件的修复时间t如下：t=3.3微电网孤岛运行时的控制方式微电网处于孤岛运行模型的时候，仍要满足系统的可靠稳定以及发电-负荷实时平衡，因此需要采用一定的控制方式去调节系统各个DG的出力与储能装置的工作状态，保证系统的电压和频率稳定。此时，不同的控制方式会使微电网系统中的电源出力水平不同，对于供电负荷平衡问题产生影响，进而影响微电网系统的可靠性，所以，对于微电网孤岛运行时微电网所采取的控制方式进行可靠性评估必不可少。目前，微电网的控制方式主要有两种：对等控制和主从控制，这两种方式互不相同，各具特点，如下表：表3-SEQ表3-\*ARABIC1两种控制方式对比控制方式控制过程优缺点对等控制对于分布式电源采用恒定功率控制，各个电源在电压、频率控制以及出力上具有同等的地位，都可以参与分配所需要的出力微电网中任一电源故障，不会影响全部负荷的供电主从控制选定一个可控电源作为主电源，采用压频控制，指导整个微电网的电压和频率。主电源跟随负荷变化，通过通信传递给下级电源进行出力的增减控制更加简便，容易操作；当通信系统或者主电源故障，系统全部负荷停电本文选用了以下3种控制方式：表3-SEQ表3-\*ARABIC2三种控制方式的对比条件内容方式1对等控制尽可能减少储能装置的充放电次数出力大于负荷，储能装置充电；出力小于负荷，储能装置放电；出力与储能装置之和小于负荷，部分负荷停电方式2一台可控DG作为主电源恒定功率控制，减小风光出力的波动性选定1年时间，风光出力的平均水平P0作为参考值，风光功率大于P0，储能装置充电，维持风光储功率P0；风光功率小于P0，储能装置放电，维持风光储功率P0；主电源以及风光储出力之和不满足负荷需求，部分负荷停电方式3储能装置作为主电源储能装置采用压频控制，其他电源采用恒定功率控制储能装置最大荷电状态，风光功率大于负荷，储能装置进行充电；风光功率小于负荷，储能装置承担额外负荷的20％；系统总出力小于负荷需求，部分负荷停电储能装置最小荷电状态，发电机额定功率运行，储能充电；系统总出力小于负荷需求，部分负荷停电储能装置处于最大最小荷电状态之间，风光功率大于负荷，储能装置进行充电；风光功率小于负荷，储能装置跟随之前状态；系统总出力小于负荷需求，部分负荷停电3.4元件故障对于孤岛运行的微电网的影响微电网系统由各个元件组成，因此有必要分析元件故障对于孤岛运行的微电网的影响，如下：变压器发生故障时，连接变压器的断路器跳开，变压器所带负荷停电，时间即为变压器的修复时间。线路发生故障时，连接线路的断路器跳开，本线路及其下游馈线所带负荷停电，时间为线路故障的修复时间。电源发生故障：1）各种DG故障时，故障机组退出运行，可能导致部分负荷停电，时间为机组修复并重新投入运行的时间；2）主电源故障时，对于方式2而言，全部负荷停电，时间为主电源修复并重新投诉运行的时间；3）储能装置故障，对于方式1和方式2而言，由系统内其他电源代替出力，可能有部分负荷停电；对于方式3而言，全部负荷停电。通信系统发生故障时，对于方式2和方式3而言，全部负荷停电。3.5孤岛型微电网可靠性评估流程综合之前的研究分析，考虑DG出力的不确定性、元件的故障率和修复率、控制方式等，提出了如下孤岛型微电网可靠性评估流程：1）求解风速的模型、各种电源的可靠性参数、储能装置充放电功率，选取光照辐射度；2）选择评估模型的模拟时间，随机抽取一个时刻；3）根据该时刻元件的运行时间以及天气状况计算元件故障率；4）确定发生故障的元件，并确定元件的修复时间；5）分析孤岛型微电网在控制方式1、控制方式2、控制方式3下的功率平衡问题；6）重复以上过程直到模拟时间结束；7）计算微电网系统的可靠性指标并分析其可靠性。3.6本章小结本章对于孤岛型微电网的可靠性评估[13-18]进行了研究，首先建立了考虑多种因素，包括运行时间和天气状况的元件故障率，进一步建立了考虑多种因素的元件修复时间；然后提出了孤岛型微电网的三种控制方式，并进行了比较。接着分析了各元件故障对于孤岛型微电网的影响；最后提出了一套适用于孤岛型微电网的可靠性评估流程。

第4章并网型微电网的可靠性评估4.1并网型微电网的特点并网型微电网正常运行情况下处于并网状态，与外部配电网连接。当微电网系统内总出力大于总负荷时，对外部电网表现为电源；当微电网系统内总出力小于总负荷时，对外部电网表现为负荷。基于并网型微电网的这一特点，既可以实现风力、光伏等清洁能源的充分消纳，提高分布式电源的开发利用率，又可以显著改善风光出力的不确定性[19]以及电源故障等问题对于内部负荷供电的影响，在确保系统安全稳定运行的情况下，微电网内连接的负荷正常用电，从而在一定程度上提高了微电网的供电可靠性。通常，传统的配电网采用单一电源的辐射型网络拓扑，设计方式是闭环，运行状态是开环。然而，当微电网系统接入配电网后，整个系统就要面对微电网中DG的存在所带来的出力不确定性问题，并且要面对微电网和配电网间潮流的双向流动，这两大问题的存在使得配电系统的运行和控制难度大大增加，因此有必要对此展开研究。当微电网或者配电网出现故障导致微电网与配电网的连接必须中断时，并网型微电网就要由并网运行状态转变为孤岛运行状态，从而保证微电网的重要负荷不至于因为系统故障而停电，当微电网中所有DG出力小于负荷需求时，部分负荷停电。综上所述，并网型微电网拥有两种运行状态，正常情况下并网运行，故障情况下孤岛运行，因此对于其可靠性评估，应该充分考虑两种运行方式的区别与联系。并网运行时，微电网要在保持频率和电压稳定的前提下，服从上级配电网的统一调度，保证微电网和配电网整个系统安全稳定运行。当微电网或者配电网发生事故不足以实现并网时，微电网就由并网运行转变为孤岛运行，保证微电网内部重要负荷的供电。孤岛运行模式下，微电网仍要有可控电源负责网内系统的频率和电压控制，保持频率和电压稳定，保证系统安全稳定提高优质电能。在微电网或者配电网的故障修复并正常运行后，微电网重新与上级配电网连接，进入并网运行状态。本文中，不考虑并网型微电网由于人为原因离网，并且故障也只考虑上级配电网故障对于微电网并网的影响，这样简化了分析的复杂程度，且也符合目前微电网试点工程的基本情况。4.2故障对于并网型微电网的影响并网型微电网系统中，主要包括如下元件：表4-SEQ表4-\*ARABIC1并网型微电网中的各元件分类成员非电源元件隔离开关、断路器、熔断器、线路、变压器、通信系统电源元件风电机组、光伏机组、柴油发电机、储能装置本文在可靠性评估中，认定微电网与上级配电网的公共连接点以及母线绝对可靠，考虑其他元件发生故障后产生的问题。通过对于相关故障的分析后，发现：1）上级配电网中，与目前相连的各条馈线支路的元件发生故障时，如果元件的上游没有熔断器、断路器等可以切断故障电流的开关时，母线的继电保护装置就会动作，进而停止对于微电网的供电，微电网转变为孤岛运行模式；2）上级配电网中，与母线直接相连的断路器、熔断器、隔离开关等故障时，母线的继电保护装置动作，进而停止对于微电网的供电，微电网转变为孤岛运行模式；3）上级配电网中，发生故障的馈线支路可以通过熔断器、断路器切断并隔离，这种状况下，母线继续正常运行，配电网可以安全向微电网供电，此时故障不影响微电网的运行，即微电网仍处于并网运行模式；4）微电网中，各种DG出现故障，其出口断路器动作，不影响微电网的并网运行模式，网内各负荷由上级配电网进行供电；5）微电网中，与连接公共连接点的母线直接相连的熔断器、断路器故障时，公共连接点断开，微电网转为孤岛运行模式；6）微电网中，各馈线支路的元件故障，其上游都有可以断开故障电流的熔断器、断路器，因此不会影响上级配电网对于微电网的供电，仍并网运行。4.3并网型微电网的控制方式之前已经介绍了微电网的有两种控制方式[20]：对等控制和主从控制。微电源的控制方式有恒定功率控制和压频控制。在并网型微电网由并网运行模式向孤岛运行模式转变时，其控制方式也要做相应的调整，进而有利于系统的安全稳定运行，因此，对于其控制方式的讨论不可或缺。4.3.1对等控制方式采用对等控制方式的并网型微电网，由于微电网系统内存在着具有很大不确定性的风力发电和光伏发电，然而各个电源又具有对等的地位，都参与频率和电压的调整，并且都可以分配输出功率，所以对于并网型微电网中的电源，通常采用以下两种控制方式：1）各电源均采用恒定功率控制，这样发生故障需要微电网转变为孤岛运行方式时，可控电源需要转变为压频控制方式；2）可控电源，如柴油发电机，采用压频控制，其他电源采用恒定功率控制，发生故障需要转变为孤岛运行方式时，不存在电源控制方式的变化。由以上两点可以发现，第2种控制方式不需要进行电源控制方式的转变，因此减少了转变控制方式失败的可能性，从而有更高的可靠性，本文也采用第2种控制方式进行可靠性的评估。4.3.2主从控制方式并网运行时，微电网服从上级配电网的控制调度，保持频率和电压恒定，微电源均采用恒定功率控制。当故障发生需要转入孤岛运行模式时，主电源的控制方式转变为压频控制，其他电源仍保持恒定功率控制，其中，主电源为整个系统提供电压和频率的参考，通过通信系统，调整控制各电源的出力以满足微电网系统内部负荷的需求，保证微电网孤岛运行时候的实时平衡。如果孤岛运行时微电网系统中的通信装置故障，则整个微电网系统不能正常运行，全部负荷停电。并网型微电网的主从控制方式切换，本文还考虑了控制方式转变失败的可能，具体的流程如下：图4-SEQ图4-\*ARABIC1主从结构微电网的控制方式切换流程图4.4并网型微电网停电的原因结合以上分析，可以得出并网型微电网中导致负荷停电的因素如下：1）上级配电网元件故障导致微电网需要转变为孤岛运行模式时，a.采用对等控制时，如果转变为孤岛运行模式后，微电网内总出力小于负荷需求，部分负荷停电；b.采用主从控制时，如果转变成功，微电网内总出力小于负荷需求，部分负荷停电；如果转变失败，全部负荷停电；2）微电网元件故障但是不导致其离网运行时，该元件所在馈线支路停电；3）微电网元件故障导致其转变为孤岛运行方式时：a.采用对等控制时，如果转变为孤岛运行模式后，微电网内总出力小于负荷需求，部分负