基于孤岛运行特性的微电网可靠性分析ABSTRACT: Microgrid as a part of smart grid, can improve reliability and safety with the flexible and effective use of distribution generation, which is an important development direction in the future of grid. With the sequential model of micro-power, load and constraints of energy storage system charging and discharging, a practical and engineered reliability evaluation algorithm is presented based on full sequential simulation of microgrid islanding taking into factors such as state switching of grid to off-grid, coordinated operation of micrgrid component and load shedding strategies considering the importance and location. On the other hand, the indexs of average operation time to first load shedding and rate of steady operation in islanded mode are proposed to evaluate microgrid island health according to the features of the island. Finally, the reliability of modified RBTS Bus6 is evaluated to verify the correctness and effectiveness of the proposed model and algorithm.KEY WORDS: microgrid; full sequential simulation; reliability analysis; load shedding摘要：微电网作为智能配电网的有机组成部分，可灵活、高效地利用分布式电源，改善用户供电可靠性和安全性，是未来电网的一个重要发展方向。
本文计及微电网中新能源机组出力间歇性、储能充放电约束等因素，提出了一种基于全时序模拟的孤岛微电网可靠性评估方法。
在可靠性评估过程中所有微电源出力、负荷及储能充放电状态等都采用时序模型，模拟时可综合计入各类影响因素，如微电网由并网向孤岛运行状态的切换，孤岛期间各元件的协调运行，综合考虑负荷重要程度和开关位置影响的负荷削减策略等，使得模型更为贴近工程实际，实用性较强。
另外，论文针对孤岛运行特性，提出了孤岛平均首次持续运行时间和运行稳定率两个新的可靠性指标，以评判孤岛的健康度。
最后基于改进的RBTS Bus6系统进行算例分析，验证所提模型和算法的正确性和有效性。
关键词：微电网；全时序模拟；可靠性分析；负荷削减0 引言微电网以分布式电源（DG，Dsitribution Generation）为基础，将储能系统（ESS，Energy Storage System）、控制装置及负荷紧密联系在一起。
储能作为微电网中不可或缺的装置，其故障会对微电网造成极大的影响[1]。
在不考虑传统电源的情况下，储能故障后微电网内部没有可以平衡功率波动的电源，电能质量下降，可控性及可调度性降低，直接影响供电可靠性[2-3]。
微电网在紧急情况下脱离主网孤岛运行，以持续稳定供电为主要目标[4]。
当微电网内部输出功率不足时，需要削减负荷以保证剩余负荷正常供电。
因此，孤岛模式下的负荷削减策略对用户用电需求有重要作用。
另一方面，传统的配电系统可靠性指标偏重统计数据或经验数据；而分布式电源及负荷的随机性较大[4-5]，波动变化明显，对于孤岛微电网的可靠性评估略欠适用。
目前国内外对DG进行了大量研究，但对DG 组成的微电网系统研究较少。
在可靠性模型方面，主要集中在风力发电和光伏发电，多数文献忽略了储能对可靠性的影响。
在可靠性评估算法方面，主要分为解析法和模拟法。
文献[6-7]主要应用蒙特卡洛模拟法对含有DG或微电网的配电网进行可靠性分析，但对其内部元件及储能系统的工作情况却未考虑。
文献[8-9]均采用最小路法分析含有DG的配电网的可靠性，但对DG的随机出力特性及储能充放电过程未详细讨论。
文献[10]通过建立风光蓄元件的时序模型和状态转移模型，分析了含风光蓄的配电系统的故障效果影响及系统可靠性。
文献[11]主要建立了分布式电源和储能联合发电系统的可靠性模型。
文献[4-5]则重点分析了微电网孤岛状态的可靠性。
本文首先研究分布式电源—风电机组(WTG，Wind Turbine Generation)的出力随机特性，计及储能运行策略、工作状态及其充放电约束，通过全时序模拟重点分析微电网孤岛模式的运行状态及可靠性；其次基于负荷分块的思想，综合考虑负荷重要程度及位置两方面因素，研究孤岛模式的负荷削减策略；最后提出微电网孤岛运行的可靠性指标，并采用改进的RBTS Bus6配电系统对提出的模型及算法进行验证。
1 微电网元件模型1.1 风速模型目前相关研究中，常用威布尔分布拟合实际风速概率分布。
其累计分布函数和概率密度函数[12]分别如下式所示：1()1exp[(/)]()/(/)exp[(/)]kk k F v v c f v k c v c v c -⎧=--⎪⎨=⋅⋅-⎪⎩ (1) 式中：v 为风速；k 和c 分别为威布尔分布的形状参数和尺度参数，根据参数估计可以求出k 和c 。
常用的估计方法[13]有最大似然估计（MLE ）和矩量法（MOM ）。
1.2 WTG 出力模型WTG 的功率输出取决于风速，风电机组的出力P 和风速V 之间具有明显的非线性关系，如图1所示。
ci r co图1 风电机组功率特性曲线Fig.1 Output power characteristic curve of WTG图1的数学表达式可用分段函数近似表示：2()0r ci rr r co P A B v C v V v V P P V v V ⎧+⨯+⨯≤<⎪=≤<⎨⎪⎩其他 (2) 式中：V ci 、V r 、V co 分别为WTG 的切入风速、额定风速和切出风速；P r 为风电机组的额定功率；A 、B 及C 为V ci 、V r 、V co 的表达式[14]。
1.3 储能系统模型储能系统用来平滑分布式电源的随机出力，在电网出现故障形成微电网孤岛运行时，内部负荷由孤岛电源及储能系统一起供电，以提高系统可靠性和改善电能质量[15]。
1.3.1 储能系统运行策略储能系统充放电模型的建立主要取决于运行策略，考虑WTG 出力、柴油机组出力（DGS ，Diesel Generating Set ）和负荷，采用的储能设备的运行策略[16]如下：WTG 和DGS 总功率输出大于负荷时，储能系统储存能量；小于负荷时，储能释放能量。
1.3.2 储能系统充放电模型计及储能系统最大充放电功率及容量约束，建立储能模型如下式所示。
maxmax ()()bat ch batdch P t P P t P --≤⎧⎨-≤⎩ (3) 00max min[(()())()]()()()[()(()())]()()()op op T in WTG DGS L L WTG DGST out L WTG DGS L WTG DGS remain in remain out Q P t P t P t dt P t P t P t Q P t P t P t dt P t P t P t Q Q Q Q Q Q ⎧=+-<+⎪⎪⎪=-+≥+⎨⎪+≤⎪⎪-≥⎩⎰⎰(4) 式中：P bat (t )为储能t 时刻的充（放）电功率，P ch-max 、P dch-dmax 分别为储能最大充、放电功率；Q in 、Q out 分别为储能的充、放电电量；Q remain 为储能的剩余容量；Q min 、Q max 分别为储能的最小、最大容量限制；T op 为孤岛运行时间；P WTG (t )、P DGS (t )、P L (t )分别为t 时刻WTG 、DGS 及负荷的功率。
1.4 孤岛全时序状态模拟及可靠性分析在微电网孤岛模式下，内部负荷与外电网脱离，其内部元件的工作状态将直接对孤岛系统可靠性产生影响。
本文主要计及微电网内电源及储能的一阶故障，通过全时序模拟分析孤岛的运行状态及内部负荷的供电可靠性，如图2所示。
负荷储能柴油机组风电机组图2 微电网孤岛全时序状态模拟图Fig.2 Full sequential state simulation of microgrid inislanded mode图2表示在孤岛模式下，微电网元件每一时段内的运行状态及负荷的可靠性。
横坐标代表孤岛运行时间，纵坐标为元件状态；风电机组和柴油机组中的“0”、“1”分别代表机组故障、正常；储能中“1”、“-1”、“0”分别代表储能充电、放电及故障。
P SUM 、P L 、P bat 分别为该时段的输出总功率、负荷需求及储能输出。
图2的微电网全时序状态模拟主要分为如下4种情况：1）WTG、DGS、ESS均正常运行。
此时微电网内部所有电源及储能系统都正常工作，储能根据输出功率与负荷需求的比较，进行充放电以保持功率平衡；若储能放电仍不能满足负荷，即需进行负荷削减。
如时段1、2所示。
2）WTG故障，DGS、ESS正常运行。
此时微电网主要由DGS对负荷供电，如时段3、4所示。
3）DGS故障，WTG、ESS正常运行。
此时ESS 平衡WTG的随机性出力，共同工作对微电网内部负荷供电。
如时段5、6所示。
4）ESS故障，WTG、DGS正常运行。
当ESS 故障时，虽然WTG正常运行，但由于失去了储能的平滑作用，仍不能独自对负荷进行供电，可认为此时的WTG类似故障状态。
所以，微电网内部负荷由DGS供电，需要切除与分布式电源WTG出力相当的负荷以保证剩余负荷正常供电。
如时段7所示。
2 负荷削减策略研究在孤岛模式下，当微电网元件故障或出力不足时，需要进行负荷削减以保证剩余负荷正常供电。