研究生课程考核试卷

科 目： 电力系统可靠性 教 师： 姓 名： 学 号： 专 业： 类 别： 上课时间：

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重庆大学研究生院制

分布式光伏发电系统可靠性评估综述

摘要：近年来光伏发电逐渐受到广泛的关注，光资源的波动性和间歇性特性使得准确评估其可靠性十分重要。本文首先引入电力系统可靠性评估方法与评估指标，然后分析了分布式光伏发电系统的结构以及出力特点，对太阳能辐射预测方法及光伏电站可靠性模型研究方法进行对比，分析各方法优缺点及适用范围。最后研究了综合考虑能源约束和系统结构特点的马尔科夫多状态可靠性模型，详细分析了光伏发电系统结构故障情况，介绍了综合考虑能源约束和系统结构特点的光伏发电系统六状态可靠性模型，涵盖不同季节、天气以及不同部件故障情况下的系统状态并研究了光伏发电系统可靠性指标体系。本文对光伏发电系统中可靠性评估方法进行比较、分析，最后得出最优可靠性评估方案。

关键词：电力系统可靠性，光伏发电，评估，六状态模型

引言

近年来，太阳能光伏发电技术持续快速发展，并网光伏发电的装机容量迅速增长。截止2012年底，我国光伏累计装机容量已达4.9GW，预计到2020年，光伏发电装机容量将突破20GW[1]。随着光伏发电容量的增加，其出力的随机性和间歇给系统增加的不确定因素已不容忽视。为了准确衡量光伏发电对电力系统的贡献，必须对光伏发电系统的可靠性展开研究。

光伏发电系统的可靠性分析，国内外已有一些研究。文献[2]提出了一种含光伏系统的电力系统可靠性分析方法，在考虑光伏系统的多状态模型情况下用卷积方法构造有效负载持续时间曲线，并且提出了利用历史太阳辐射数据构造辐射概率分布函数的方法，给出了应用算例。文献[3]给出了光伏发电系统的标准术语，提出了基本的时间指标以及可靠性指标体系。文献[4]提出了一种光伏系统的马尔可夫模型，并建立了全寿命周期模型以进行经济性评估。文献[5]描述了一种主要基于部件的故障以及系统的可靠性结构图的大型光伏发电系统的可靠性和可用性综合评估方法。文献[6]提出了一个考虑天气影响的光伏发电系统的三状态可靠性模型，给出了一种评估含分布式光伏系统的配电网系统的可靠性方法。文献[7]提出了一种考虑新能源不确定性的新可靠性指标——有效安装备用率。

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然而，文献[2，6，7]考虑了能源输入的影响，但没有考虑系统故障的影响；文献[3]给出了基础性的定义和术语，但缺少对系统特点的详细分析，缺少与具体的模型的结合；文献[4，5]考虑了系统的结构模型与故障情况，但并未对一般的光伏发电系统给出通用的故障分析方法，同时缺少对太阳能不确定性的考虑。总体而言，目前国内外已有研究侧重分析光资源波动性对可靠性的影响，未能充分考虑光伏电站内部的设备故障对光伏发电出力的影响，缺少综合考虑光资源波动和光伏发电系统结构特点的可靠性模型，也缺乏相应的评估指标。

本文在国内外已有研究基础上，首先介绍了电力系统可靠性的评估方法与评估指标，然后对比分析了常用的光伏发电系统可靠性评估方法和优缺点，在此基础上最后详细分析了一种综合考虑能源约束和系统结构特点的光伏发电系统六状态可靠性模型，研究了光伏发电系统可靠性指标体系。

1 电力系统可靠性

1.1 可靠性评估方法

文献[8]给出电力系统可靠性的定义，是对电力系统按可接受的质量标准和所需数量不间断地向电力系统供应电力和电能能力的度量。根据研究目标的不同，可靠性可以分为充裕度和安全性两个方面的内容[9]。充裕度又称为静态可靠性，它所关心的问题是系统是否有足够的能力可以产生满足负荷需求的电量，以及输配电系统是否可以将优质电能连续的供应给负荷点，评估的时候只需要考虑静态条件，在这一角度，分析还可以进一步划分为暂态稳定性和静态稳定性两部分。暂态稳定性考虑大的干扰后各同步机保持稳定运行方式的能力，静态稳定性考虑小的干扰后，不会发生周期性失步自动恢复到起始运行状态的能力。

不同层面上的可靠性分析有着特定于该问题领域的评估方法，总体来说可以分为解析法和蒙特卡洛方法两种。

第一层评估的解析法，通常需要建立机组的解析模型，也就是容量停运概率表(COPT)，然后再得到一个离散的负荷概率分布，之后利用概率卷积方法计算相应的可靠性指标；第 2 层评估的解析法也可以称为状态枚举法，在评估过程中，通常是按照一定的规则，如故障严重程度或故障发生概率大小来先选取系统故障状态，然后对该状态下的系统进行潮流计算，通过预先设定的事故准则判断当前状态是否属于事故状态，如果是还要采取一定的措施对事故进行校正，采取一定措施后再进行判断，如果仍属于故障状态那么就要分析该事故所产生的后果，并评估它对可靠性产生的影响[10]。

解析法所具有的优点是计算速度快、模型精度高、物理概念清晰；缺点是

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对某些可靠性指标的计算存在困难，如频率和持续时间指标；其计算量通常和系统规模呈指数关系，因而更适用于小型电力系统[11]。

蒙特卡洛法是以概率统计理论为主要理论基础、以随机变量抽样为主要手段的统计实验方法。应用在电力系统可靠性评估中的蒙特卡洛方法根据抽样原理可以分为序贯和非序贯蒙特卡洛两种。其中非序贯蒙特卡洛方法又可以进一步分为状态采样方法和状态变换采样方法[12]。

状态采样方法通过对系统中所有元件状态进行抽样得到系统终态，在抽样过程中完全忽略事件发生的前后相继关系，每一个组件的行为都被认为是服从(0,1)区间上的均匀分布。这种方法的主要优点是实现相对较简单，计算时间短，占用内存空间也比较少[9]。它的最大缺点是无法计算频率和持续时间等相关指标。

状态变换采样方法将系统作为一个整体来考虑它的状态变换过程，而不是系统中所有组件的状态变换[14]。这种方法的主要优点是可以用来计算实际的频率指标，缺点是只能应用于元件状态持续时间服从指数分布的情况，而且计算耗时一般来说要比状态采样方法长。

序贯蒙特卡洛方法也称为状态持续时间采样方法，这种方法依照组件状态持续时间的分布函数进行抽样。每一次抽样所得到时间区间的结束就意味着下一个系统状态的开始。由于序贯蒙特卡洛仿真可以给出较为接近实际运行情况的元件时间相依运行历史，因而特别适用于发电容量严重依赖于运行状况且易受一些随机因素影响的电力系统组件，如水电机组和各种新兴的可再生能源发电技术等。由于仿真结果包含了系统随时间演进和发展的前后相继关系，因此几乎可以对任何感兴趣的可靠性指标进行评估，也是目前唯一可以用来得到可靠性指标分布情况的方法[15]。

1.2 可靠性评估指标

评价电网可靠性的指标从总体上来说可以分为确定性指标和概率性指标两类。而概率指标又可以进一步分为如下四类：

1）概率指标：通常用来衡量研究期间事件出现的概率。如失负荷概率(LOLP)、发电容量受阻概率(LOGP)、系统健康状况概率等。

2）频率指标：通常来来衡量研究时间段内事件出现的频率。如缺电频率(LOLF)、发电容量受阻频率(LOGF)、边际状态频率、系统平均停电频率(SAIFI)等。

3）平均持续时间指标：通常用来衡量研究区间内每个状态对应事件持续时间。如缺电持续时间(LOLD)、系统平均停电持续时间(SAIDI)等。

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