CN104701842A - 一种独立微网供电***及其供电可靠性评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种独立微网供电***及其供电可靠性评估方法。将独立微网供电***划分为不同的馈线区域,读取***内可再生能源发电机组、不可再生能源发电机组和储能装置的电源设备运行参数和故障参数,不仅考虑了容量不平衡对供电可靠性的影响,还考虑了设备故障和网架结构对供电可靠性的影响,能够更精确的评估独立微网供电***供电可靠性,能更有效实现多种能源互补,提高整个***的能源利用率和供电可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种独立微网供电***及其供电可靠性评估方法,特别是涉及一种适用于基于潮流平衡的供电可靠性评估方法。
背景技术
随着能源需求的不断增长,温室效应愈加明显,利用风能、太阳能等的可再生能源发电技术迅速成为当今应对能源和环境危机的重要手段。独立微网供电***能将多种类型的分布式发电单元组合在一起,有效实现多种能源互补,提高整个***的能源利用率和供电可靠性。在偏远和海岛地区,独立微网供电***是解决其供电问题的有效手段之一。
可再生能源往往具有随机性、间歇性的特点。在独立微网供电***规划设计中,如何在充分利用可再生能源的同时保证***的供电可靠性是需要关注的关键问题之一。现有规划方法中通常只是将容量不平衡度作为***的可靠性指标。为进一步考虑设备故障影响,需要在规划设计中加入可靠性评估环节,采用合适的可靠性评估方法评价***的可靠性水平。
然而,目前独立微网供电***的可靠性评估方法基本只围绕独立***中的发电-负荷容量平衡进行可靠性评估,不能满足独立微网的规划设计需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种供电可靠性评估更精准的独立微网供电***及其供电可靠性评估方法。
随着独立微网供电***规模的增加,在可靠性评估中还应该考虑网架结构的影响,现有独立微网供电***供电可靠性评估中,并没有考虑设备故障带来的影响,由于网架结构复杂、负荷节点较多,中压独立微网供电***在结构上更接近含分布式电源的配电***。目前已经存在一些针对含分布式电源的配电***的研究,在考虑***网架结构的基础上,分析了分布式电源与储能装置接入对配电***可靠性的影响。但不同的是,含分布式电源的配电***长期并网运行,而独立微网供电***却始终处于离网状态,需要完全依靠微网内的电源实现电力平衡。这一特点决定了中压独立微网供电***的电压问题比配电***更为突出,由于配电线路中较高的阻性,因此电压同时受有功平衡和无功平衡的双重影响。而在这一点上,现有方法均只考虑***内的有功平衡,忽略了***内无功平衡及其带来的电压问题。
本发明采用的技术方案如下:
一种独立微网供电***,其特征在于:将独立微网供电***划分为不同的馈线区域;主控电源采用集中接入方式,经变压器与不同的馈线区域相连;还包括可再生能源发电机和或储能装置,设置在变压器高压侧相连的母线上或设置在馈线区域内部。
还包括自动保护装置,设置在变压器高压侧和馈线区域入口,用于故障时自动切断故障区域与供电***其它区域的连接。
还包括手动隔离开关,设置在供电***网架结构的分支上,用于对相应负荷点的切除操作。
一种基于上述独立微网供电***的供电可靠性评估方法,包括容量不平衡供电可靠性评估,其特征在于:还包括设备故障供电可靠性评估;具体方法步骤为:
一、将独立微网供电***划分为不同的馈线区域,读取***内可再生能源发电机组、不可再生能源发电机组和储能装置的电源设备运行参数和故障参数,以及馈线区域的基本潮流信息和故障信息;
二、根据所有电源设备和馈线区域的故障参数,对所述电源设备和馈线区域进行时刻状态抽样,得到所述电源设备和馈线区域的状态变化循环序列;
三、将所述状态变化循环序列与***的拓扑结构相结合,得到***在各仿真步长下的正常联通区域;
四、根据所述***正常连通区域内的可调度电源种类,选择协调运行策略初步判断***的有功平衡,并记录不可再生能源发电机组的开启台数、储能装置的充放电功率和可再生能源发电机组的过剩功率的有功调度信息;
五、根据所述有功调度信息,利用潮流计算得到***的有功功率缺额和无功功率缺额;
六、根据所述***有功功率缺额和无功功率缺额,对不可再生能源发电机组和储能电池的调度指令进行修正,并调用可中断负荷的负荷削减表,得到***中全部负荷点在各仿真步长下的停电情况;
七、根据所述负荷点在各仿真步长下的停电情况,统计各负荷点在每个周期内的停电频率、停电时间和停电量,并根据所述负荷点所在区域,统计各馈线区域与整个***在每个周期内的停电时间和停电量,进而得到负荷点、馈线区域和***三级可靠性指标。
所述步骤二中,利用序贯蒙特卡洛模拟法进行所述时刻状态抽样。
所述步骤七中,根据每个负荷点在各仿真步长下的停电状态与停电量,统计各负荷点在每个周期内的停电频率、停电时间和停电量作为负荷点可靠性指标。
所述步骤七中,根据所述负荷点的停电状态、停电量及其所属馈线区域,得到各馈线区域在各仿真步长下的停电状态与停电量,并统计各馈线区域在每个周期内的平均停电时间和平均停电量作为馈线区域可靠性指标。
所述步骤七中,根据所述馈线区域的停电状态、停电量,得到所述***在各仿真步长下的停电状态与停电量,并统计所述***在每个周期内的平均停电时间和平均停电量作为***可靠性指标。
所述周期为1年,所述仿真步长为1小时。
一与现有技术相比,本发明的有益效果是:不仅考虑了容量不平衡对供电可靠性的影响,还考虑了设备故障和网架结构对供电可靠性的影响,能够更精确的评估独立微网供电***供电可靠性,能更有效实现多种能源互补,提高整个***的能源利用率和供电可靠性。
附图说明
图1为本发明其中一实施例的***结构示意图。
图2为本发明供电可靠性评估方法其中一实施例的流程示意图。
图3为本发明其中一实施例的硬充电策略流程示意图。
图4为本发明其中一实施例的修成策略流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征,除非特别叙述,均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即,除非特别叙述,每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图1所示,一种独立微网供电***,将独立微网供电***划分为不同的馈线区域;在本具体实施例中可再生能源发电机为风力发电机,不可再生能源发电机为柴油发电机;作为***主控电源的柴油发电机采用集中接入方式,经变压器与不同的馈线区域相连;风力发电机WT和储能装置EA(在本具体实施例中为蓄电池储能装置)设置在变压器高压侧相连的母线上或设置在馈线区域内部(在本具体实施例中设置在馈线区域内部)。
在本具体实施例中,考虑到变压器故障和馈线区域内的线路故障,变压器高压侧和馈线区域入口处均装有自动保护装置。当故障发生时,自动保护装置能及时检测到***内的不正常运行状态,通过跳闸操作迅速切断故障区域与***其它区域的连接,从而实现故障区域的隔离。
在本具体实施例中,各馈线区域内部均为树状网络,根节点与区域入口处自动保护装置相连,负荷点分散在网络的干支和分支上。树状网络的某些分支上设有手动隔离开关,能够支持相应负荷点的切除操作,但各馈线区内部不含自动保护装置。
如图2所示,基于上述独立微网供电***的供电可靠性评估方法,包括容量不平衡供电可靠性评估,还包括设备故障供电可靠性评估;在本具体实施例中,以1年为周期,1小时为步长来进行可靠性评估,具体方法步骤为:
一、将独立微网供电***划分为不同的馈线区域,读取***内可再生能源发电机组、不可再生能源发电机组和储能装置等电源设备运行参数和故障参数,以及馈线区域的基本潮流信息和故障信息;
在图1所示***中,变压器高压侧和各馈线区域入口处均设有自动保护装置。该结构下,馈线区域中的所有元件均在其入口处自动保护装置的保护范围内,当区域内任意元件发生故障时,相应自动保护装置将迅速动作令整个馈线区域隔离,从而导致该区域内的所有负荷停电。当某区域被隔离时,该区域中所有可再生能源发电设备和储能装置的供电都将切断。综上所述,***内任意线路的故障都可等效为相应馈线区域的故障,从而可将馈线区域作为一个整体进行建模,以有效减少故障抽样的时间。以图1所示的独立微网供电***为例,整个***可根据自动保护装置的位置分为4个区域。区域0为柴油发电机与变压器组成的主控电源区域,区域1~3为不同的负荷区域。
二、根据所有电源设备和馈线区域的故障参数,对所述电源设备和馈线区域进行时刻状态抽样,得到所述电源设备和馈线区域的状态变化循环序列;
在本具体实施例中,基于序贯蒙特卡洛模拟法,对***内各元件进行状态抽样,产生各元件的运行状态序列。
三、将所述状态变化循环序列与***的拓扑结构相结合,得到***在各仿真步长下的正常联通区域;
抽样生成***内各电源与馈线区域的运行状态序列后,就能够依照***的拓扑结构得到***在每一时刻的连通区域(即未被自动保护装置隔离的区域)。以图1***为例,当***内无故障发生时,连通区域为整个中压独立微网供电***。当故障发生在区域0中时(变压器故障),所有柴油发电机均退出运行,连通区域为区域1、2、3,储能装置将暂时作为***的主控电源。当故障发生在区域1中时,分离发电机和储能装置均退出运行,连通区域为区域0、2、3。当故障发生在区域2(或区域3)时,连通区域为0、1、3(或0、1、2),柴油发电机将与风力发电机、储能装置相互配合,向无故障区域供电。
四、根据所述***正常连通区域内的可调度电源种类,选择协调运行策略初步判断***的有功平衡,并记录不可再生能源发电机组的开启台数、电池的充放电功率和可再生能源发电机组的过剩功率的有功调度信息;
基于***运行策略判断***的实时潮流平衡状态。本具体实施例在基于有功平衡的协调运行策略基础上,进一步提出基于潮流平衡的修正策略以同时计及有功平衡与无功平衡对***可靠性的影响。
在本具体实施的独立微网供电***中存在两种可调度电源:柴油发电机和蓄电池储能装置。根据可调度电源的选择,独立微网供电***的协调运行策略可划分为三类:储能调度策略、柴油发电机调度策略、储能与柴油发电机的协调调度策略。考虑到电源故障和区域故障的影响,本具体实施例在协调运行策略中同时计入上述三类情况:
浮充策略:若保护装置动作将柴油发电机所在区域隔离,***将以蓄电池储能作为主控电源,并配合风力发电机出力来满足负荷需求。采用浮充策略作为储能调度模式下的运行策略,其调度原则为:若***内可再生能源出力高于负荷需求,剩余功率为储能充电,当储能最大充电功率不能消纳剩余功率时,将多余功率记录为可再生能源弃功率EP(t);反之,若***内可再生能源出力低于负荷需求,不足部分由储能放电补充。
无储能策略:若保护装置动作将蓄电池储能所在区域隔离,***运行于柴油发电机调度策略下。采用的柴油发电机调度策略为:优先利用可再生能源发电向负荷供电,不足部分由柴油发电机提供。此策略下,***根据本步长的净负荷情况选择柴油发电机开启台数:若净负荷小于0,强制开启一台柴油发电机来保证***稳定运行,并记录可再生能源弃功率EP(t);若净负荷大于0,根据净负荷值大小选择适当的柴油发电机开启台数,若可用柴油发电机全部投入运行仍不能满足净负荷需求,令柴油发电机开启台数等于可用柴发台数。
硬充电策略:当独立微网内所有含电源区域均正常投入工作时,***在运行过程中需要协调柴油发电机、可再生能源发电和储能间的关系。为了尽可能减少柴油发电机的燃料消耗,更加充分地利用***内的可再生能源,选择硬充电策略作为该模式下的协调运行策略。该策略下,柴油发电机与蓄电池储能可轮流做主电源满足净负荷需求(***总负荷与可再生能源发电出力的差值),其流程如图3所示。
图3中,P1-P6分别代表***净负荷、计入***备用容量的净负荷、蓄电池最大充电功率、蓄电池最大放电功率、柴油发电机组最大出力、柴油发电机组最小出力(大于0)。该策略根据本步长中的***净负荷和备用容量,以及上一步长中的柴油发电机开启台数与储能充放电功率来计算本步长中应开启柴发台数nt,进而根据***净负荷计算蓄电池充放电功率Pbat(t)、***弃能量EP(t)等指标,为下一步的修正策略环节提供基本信息。需要说明的是,在协调运行策略中不计算***的缺供电量,而是在后续的修正策略中考虑***发电容量与负荷需求间的平衡关系。
五、根据所述功调度信息,利用潮流计算得到***的有功功率缺额和无功功率缺额;
六、根据所述***有功功率缺额和无功功率缺额,利用修正策略对不可再生能源发电机组和储能电池的调度指令进行修正,并调用可中断负荷的削减策略,得到***中全部负荷点在各仿真步长下的停电情况;
在上述基于有功平衡的协调运行策略基础上,本发明进一步提出了基于潮流平衡的修正策略。修正策略流程如图4所示:
为计算***潮流,需要给定***的节点、支路和发电机信息,本发明选择以馈线区域为基本单位存储上述信息,以便于对潮流输入信息进行重组。需要强调的是,蓄电池储能***中的双向变流器能够在四个象限运行,即它可以在变流器容量限制内,根据***需求吸收或放出有功功率和无功功率。因此对于无功容量有限的独立微网供电***,在其运行策略中必须计及蓄电池储能的无功能力。此外,考虑到可再生能源发电功率高于负荷需求时带来的节点电压抬升问题,本发明计及可再生能源出力的削减,即协调运行策略结果中的弃功率EP(t)不作为风力发电机的有效出力计入潮流计算中。
在修正策略中,独立微网供电***对各电源下发的指令与***实时的有功缺额Plack(t)和无功缺额Qlack(t)有关,其计算方式分别如下:
Plack(t)=max(0,Ps.re(t)-Ps.max(t)) (1)
Qlack(t)=max(0,Qs.re(t)-Qs.max(t)) (2)
式中,Ps.re(t)、Qs.re(t)为潮流结果中平衡节点应提供的有功、无功出力;Ps.max(t)、Qs.max(t)为主电源所能提供的最大有功、无功功率,当柴油发电机或储能***作为主电源时,其计算分别如下:
式中,Pdis.max(t)为储能***的最大放电功率;Sdg为柴油电机额定容量;Scon为储能双向变流器额定容量;Pbat(t)和Pdg(t)分别为储能装置、柴油发电机有功出力,它们的初始值由协调运行策略给出,并在修正策略中不断更新。
以有功缺额Plack(t)、无功缺额Qlack(t)为依据,本发明提出的修正策略原则如下:当储能***作为主电源时,若存在功率缺额,开启一台待命状态的柴油发电机来弥补该缺额;当柴油发电机作为主电源时,若存在功率缺额,优先调用储能***的有功、无功电能来弥补该缺额,当储能***不足以补充缺额时,再选择开启一台待命状态的柴油发电机来弥补该缺额;若***内所有电源都已处于满发状态,但仍存在功率缺额,此时需要调用负荷削减策略。
所述负荷削减策略为:确定独立微网供电***中的可中断负荷,并按照有功负荷量从小到大和或按照重要程度从轻量级到重量级的顺序构建负荷削减表。
所述负荷削减策略还包括,当进行负荷削减时,以所述负荷削减表为依据,按顺序同时切除可中断负荷点的有功和无功负荷,在每一次切除后对当前***的有功总负荷和无功总负荷进行更新,重新判断主控电源额定容量是否能满足更新后的***总负荷,能则负荷削减终止,***恢复供电,记录下可中断负荷的切除总量,否则继续执行负荷削减策略,直至满足所述判断或所有可中断负荷均被切除为止。
所述负荷削减策略还包括,若切除所有可中断负荷后仍不能满足所述判断依据,***内所有负荷点均停电。
考虑到网架结构的影响,各馈线区域内所有经手动隔离开关与干线相连的负荷点均被视为可中断负荷,当发电容量不足时可在负荷削减策略中予以切除。在潮流平衡条件下,应同时关注可中断负荷点的有功和无功功率。本具体实施例只考虑单一的负荷类型,例如全部负荷均为居民负荷,因此负荷削减顺序仅与负荷量有关。为提高模拟速度,本文采取启发式负荷削减策略:首先假定所有负荷点均不削减,调用协调运行策略与修正策略来模拟***的运行状态。当出现***发电容量不足的情况时,负荷总量最小的可中断负荷优先被切除,重复此过程直到满足下式为止:
式中,Smp(t)为当前***主电源的额定容量。若该式满足,表明***可通过负荷削减策略恢复供电,此时***停电时间LT(t)记录为0,停电量UL(t)记录为可中断负荷削减总量Lcut(t)。
需要说明的是,由于***内可中断负荷数目有限,采取负荷削减策略并不一定能够确保***达到电力平衡。如果可中断负荷全部削减后仍不满足式(5)的要求,整个***将因发电容量低于负荷需求而完全停电。此时***停电时间LT(t)记录为1小时,停电量UL(t)记录为整个***的实时负荷L(t)。
七、根据所述负荷点在各仿真步长下的停电情况,统计各负荷点在每个周期内的停电频率、停电时间和停电量,并根据所述负荷点所在区域,统计各馈线区域与整个***在每个周期内的停电时间和停电量,进而得到负荷点、馈线区域和***三级可靠性指标。
得到各负荷点在一个周期内每个步长的停电情况后,相应馈线区域的实时状态就被确定下来。考虑到负荷削减策略的作用,根据下述方法判断各步长中馈线区域的状态:对任意馈线区域,若其中所有负荷点的供电均中断,该馈线区域处于故障状态,停电时间记录为一个步长,停电量记录为区域内负荷总量;若其中仅有可中断负荷点的供电中断,该馈线区域处于风险状态,不记停电时间,停电量记录为可中断负荷削减总量;若全部负荷点正常供电,该馈线区域处于正常状态,停电时间和停电量都为0。
基于馈线区域的实时状态,***的实时状态也可以唯一地确定:若***内全部负荷区域运行于正常状态,则***也运行于正常状态;若***内有任何负荷区域处于故障状态,则***也处于故障状态。在此基础上,所提可靠性评估方法不仅能够获得各负荷点的停电时间与停电频率、各负荷区域的停电时间期望(LOLE)、电量不足期望(LOEE)指标,还能够获得整个***的LOLE、LOEE、平均停电频率(SAIFI)、平均停电时间(SAIDI)等指标:
LTsys(t)=max(LTi(t)) (10)
式中,下标i表示为馈线区域i的相关量;下标sys表示为***的相关量;LT(t)、UL(t)分别表示t步长内停电时间和停电量;Uj(t)、Ej(t)分别表示t步长内负荷点j的停电时间和停电量;λj、Uj和Nj分别表示负荷点j全年的停电频率、停电时间和用户数目;T表示可靠性评估经历的周期数(即年数);Zi表示馈线区域i中的负荷点集合;S表示整个***内的负荷点集合。
在本发明中,不仅考虑了容量不平衡对供电可靠性的影响,还考虑了设备故障和网架结构对供电可靠性的影响,能够更精确的评估独立微网供电***供电可靠性,能更有效实现多种能源互补,提高整个***的能源利用率和供电可靠性。
Claims (9)
1.一种独立微网供电***,其特征在于:将独立微网供电***划分为不同的馈线区域;主控电源采用集中接入方式,经变压器与不同的馈线区域相连;还包括可再生能源发电机和或储能装置,设置在变压器高压侧相连的母线上或设置在馈线区域内部。
2.根据权利要求1所述的独立微网供电***,其特征在于:还包括自动保护装置,设置在变压器高压侧和馈线区域入口,用于故障时自动切断故障区域与供电***其它区域的连接。
3.根据权利要求1或2所述的独立微网供电***,其特征在于:还包括手动隔离开关,设置在供电***网架结构的分支上,用于对相应负荷点的切除操作。
4.一种基于权利要求1所述独立微网供电***的供电可靠性评估方法,包括容量不平衡供电可靠性评估,其特征在于:还包括设备故障供电可靠性评估;具体方法步骤为:
一、将独立微网供电***划分为不同的馈线区域,读取***内可再生能源发电机组、不可再生能源发电机组和储能装置的电源设备运行参数和故障参数,以及馈线区域的基本潮流信息和故障信息;
二、根据所有电源设备和馈线区域的故障参数,对所述电源设备和馈线区域进行时刻状态抽样,得到所述电源设备和馈线区域的状态变化循环序列;
三、将所述状态变化循环序列与***的拓扑结构相结合,得到***在各仿真步长下的正常联通区域;
四、根据所述***正常连通区域内的可调度电源种类,选择协调运行策略初步判断***的有功平衡,并记录不可再生能源发电机组的开启台数、储能装置的充放电功率和可再生能源发电机组的过剩功率的有功调度信息;
五、根据所述有功调度信息,利用潮流计算得到***的有功功率缺额和无功功率缺额;
六、根据所述***有功功率缺额和无功功率缺额,对不可再生能源发电机组和储能电池的调度指令进行修正,并调用可中断负荷的负荷削减表,得到***中全部负荷点在各仿真步长下的停电情况;
七、根据所述负荷点在各仿真步长下的停电情况,统计各负荷点在每个周期内的停电频率、停电时间和停电量,并根据所述负荷点所在区域,统计各馈线区域与整个***在每个周期内的停电时间和停电量,进而得到负荷点、馈线区域和***三级可靠性指标。
5.根据权利要求4所述的供电可靠性评估方法,所述步骤二中,利用序贯蒙特卡洛模拟法进行所述时刻状态抽样。
6.根据权利要求4或5所述的供电可靠性评估方法,所述步骤七中,根据每个负荷点在各仿真步长下的停电状态与停电量,统计各负荷点在每个周期内的停电频率、停电时间和停电量作为负荷点可靠性指标。
7.根据权利要求4所述的供电可靠性评估方法,所述步骤七中,根据所述负荷点的停电状态、停电量及其所属馈线区域,得到各馈线区域在各仿真步长下的停电状态与停电量,并统计各馈线区域在每个周期内的平均停电时间和平均停电量作为馈线区域可靠性指标。
8.根据权利要求4所述的供电可靠性评估方法,所述步骤七中,根据所述馈线区域的停电状态、停电量,得到所述***在各仿真步长下的停电状态与停电量,并统计所述***在每个周期内的平均停电时间和平均停电量作为***可靠性指标。
9.根据权利要求4所述的供电可靠性评估方法,所述周期为1年,所述仿真步长为1小时。
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