摘  要：分布式光伏电站的大量出现是实现太阳能广泛利用的重要环节，本研究对分布式光伏电站的运行风险进行计算和分析，主要研究内容如下：

分析分布式光伏电站的风险评估方法。基于对分布式光伏电站的发电原理及其关键技术的研究，分析分布式光伏电站相较于其他电站的特点及优势。对基于知识的分析方法、综合分析方法、基于仿真模拟的分析方法进行对比分析，选出对于分布式光伏电站最切实、有效的方法。

构建分布式光伏电站的运行风险评估指标体系。应用停、断电事故为顶事件的事故树求解最小割集和各基本事件的结构重要度，确定主要影响电站运行的因素。基于层次分析法，计算电站运行关键参数的权重，为各影响因素的重要度进行排序。选择两个应用实例，对监测大数据进行预处理，为下文模拟数据的选取以及风险分析判断提供参考。

数值计算和分析分布式光伏电站的运行风险。应用基于EXCEL平台的Crystal Ball软件进行风险模拟，对主要影响因素的数据统计值进行各因素的分级风险值判断并制定赋值标准。进一步定义决策单元和预测单元、拟合各影响因素的分布类型、定义风险值计算函数、确定模拟次数，应用电站运行监测数据对分布式光伏电站运行风险进行数值计算，分析其风险值频数图、累计频率图，判断电站的整体运行状态，基于敏感度图及其敏感度数据判断该月各主要因素对电站运行风险的影响程度。

基于水晶球计算的分布式光伏电站的风险值的定量分析，评估当月该分布式光伏电站系统的运行状态，从而及时正确了解电站运行状况，可依据评估结果对电站运行进行微调，以确保电站持续的安全平稳运行。

1 绪论

1.1 课题研究的意义

在全球资源日渐衰减，使用日趋紧张的大环境下，曾有学者预言，一种基于信息技术和清洁能源相辅相成的新一轮资源革命即将来到，而太阳能作为当今主流能源，也作为核能的可再生性辅助新能源,也必将在不远的将来拥有自己的一席之地。分布式光伏电站的大量建立及广泛推广便是实现太阳能充分利用的关键环节。

使用太阳能为资源进行发电的电站称之为光伏电站。光伏电站主要分为分布式光伏电站和集中式光伏电站两种。

集中式光伏电站主要利用大荒漠地域大量且相对稳定的太阳能资源为基础，来构建大型光伏发电站，并接入高压输电系统以提供电能给远距离用户用电。其优点有选址灵活，光伏输出稳定，并且充分利用了太阳辐射的正调峰特性，已达到削弱峰值的作用。

分布式光伏电站主要基于建筑物表面（例如屋顶），近距离解决用户的用电问题，同时通过并网以实现供电差额的弥补与外放。分布式光伏电站优点众多，首先，光伏电源位于用户侧，当地负荷用电由其供给，被看作负载，这样就有效地减少了用户对于电网供电的依赖，也减少长距离供电的线路损耗。其次，分布式光伏电站充分利用建筑物外表面，为了减少光伏电站的占地面积，完全可以将光伏阵列作为建筑材料的一部分。最后，分布式光伏电站与智能电网、微电网之间的有效接口，运行非常灵活，一定条件下可以脱离电网独立运行。

相较于集中式光伏电站，分布式光伏电站不依赖长距离的输电线路来送电入网，同时，集中式光伏电站本身就是电网的一个巨大的干扰源，将会凸显输电线路的损耗、电压坠落等问题，而分布式光伏电站就不具备这样的缺点。而且，集中式光伏电站往往属于大容量电站，相较于需要大量变换装置组合运行，需要大量人力、物力进行有效的管理的集中式光伏电站，小容量的分布式光伏电站更易管理，甚至可以进行无人智能报警监控管理。集中式光伏电站要求有LVRT新技术来保障电网接入，但是这项技术还不够成熟与孤岛监测相冲突，对于安全运行十分有威胁，相较之下，分布式光伏电站的运行更为简单，技术要求也不是那么复杂。

光伏发电兼具波动性和间歇性的特点，因此分布式光伏电站运行极有可能会对电力系统的安全稳定运行及经济收益造成破坏。倘若能对电站的输出进行前瞻性预测将有助于电站调度部门进行统筹安排，便能促使常规能源和太阳能源相互协调配合，并网运行合理、稳定。一方面，可以大幅地降低光伏接入对发电的影响，提高安全运行的稳定性，另一方面降低光伏发电系统的运行成本，以充分利用太阳能资源，获取更大的经济效益。

因此，安全性能及其可靠性是未来分布式发电系统主要的关注点。想要综合评估相关系统风险必须考虑正常或极端环境下的偶然事件。环境因素显著影响配电系统的运行表现的原因，不仅仅是可再生能源发电器份额的逐渐上身，还包括可以破坏或使电网元件显著退化的环境偶然事件。在文章中，将极端气象条件考虑在内的，对于分布式发电系统的概率风险及风险成本最优化的发展框架是论文的主要创新点。

现有电网可以满足从集中式高能发电单元（如热电厂、核电厂等）到各类终端用户（如工厂、商场、居民住宅等）的传常规电力传输的要求。欧洲及世界各地面对的能源危机正在改变发电系统的面貌。可再生能源，一种在地理学上讲与传统发电能源相去甚远的能源，正在逐渐以  分布式电源的形式进入分布式网络，例如光生伏打板、风力发电机组等。由于这些资源分布的随机性，分布式电源与传统发电机差异显著，并且给发电系统运行带来了巨大的不确定性。而这些不确定性也给决策者对于结合了分布式电源的现代发电网络进行适当的风险评估带来一定压力。

不同于主要依据例如系统平均故障周期指数、系统平均故障平率指数^[1]等来反映在一段时间内提供足够电力服务的能力的发电系统可靠性评估^[2]，概率性风险评估旨在评估系统运行出现扰乱的可能性（获频率）以及其后果^[3]。这两个因素（指可能性、频率）组成了风险。极端天气，例如强风、雷暴、暴雪等可以通过提高发电元件失效的频率或对其严重破坏而显著影响系统的风险性^[4]。

我们把可以定量的风险作为意外事件发生概率极其相关后果所产生的结果。因此，从长远眼光发展，需要建立分布式光伏电站运行风险定量评估体系，建立分布式电站功率、电流、电压、电能等主采集的大数据的稳定监测方法，获取电站安全健康运行量化方法及评估模型，从而构建分布式光伏电站风险综合评估系统，实现数据采集—模型分析—预警预报—反馈调整功能， 这样不仅能保障分布式光伏电站运行的安全性及可靠性，同时还能在前期投资巨大获得收益缓慢的现状下实现电站系统运行收益最大化。

1.2 国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

1839年，法国物理学家（Becqurel）在一次偶然的机遇下历史性地发现了光生伏打效应（photovoltaic effect）。随后在此理论基础上Charles Fritts于1880年发明了世上首个以硒为基础载体的光伏电池（solar cell）。

1839年“光生伏打效应”的首次发现以及19世纪中期第一块实用的光伏电池诞生，自此之后，太阳能光伏发电系统及其技术在世界范围内迅速进展并取得了长足的进步。同时，1973年爆发的“石油危机”和90年代的全球环境污染问题又极大地促进了太阳能光伏发电产业的迅猛发展，为其飞速地推广应用推波助澜。

伴随着人们对能源紧张和环境污染问题的意识不断觉醒、提高，光伏发电技术也愈加得到世界各国政府的注意并给与了高度重视，对其科研经费的投入不断增加，并不断出台政策以鼓励和推进光伏产业的发展。以1997年美国总统克林顿推出的“百万太阳能光伏屋顶计划”这一项目为标志，日本以及欧洲的德国、英国、西班牙、丹麦、意大利等国也加入光伏大军，纷纷出台本国的可再生能源法案，大大刺激了太阳能光伏产业的光速发展。

进入21世纪，光伏产业的发展目光转向了更高台阶。在大量光伏电站建立的大背景下，许多国外学者专家对于如何维护光伏发电系统相继作出了研究并取得了突破。Volkanovski团队通过故障树分析进行电压降级及电流情况下的电网可靠性研究^[5]。相反的，Guikema团队和Nateghi团队致力于通过统计工具来解释分析历史数据从而研究飓风对于分布式网络的伤害^[6-7]。Gabbar团队打算构造一个针对配备分布式电源的微电网的基于风险的行为分析的综合体系^[8]。在过去数十年，众多发电系统风险评估的研究工作有条不紊地进行，许多研究致力于传输系统，而分布式网络风险分析也被运用于分析保护装置（或系统）的反应。

就在近期，Alvehag和Soder已经在进行考虑极端天气（如强风、雷电）的配电系统可靠性评估^[9]。更直观地说，在他们的模型中，极端天气通过导致架空线故障从而来影响系统。Kirschen和Jayaweera也观察到在一定天气条件下架空线的表现可以显著影响系统^[10]。与此同时，学者专家还发现对于电网内的分布式电源进行优化整合可以产生一定益处，如减少电力损耗及优化电压分布。分布式电源的优化整合需要将多元对立的目标考虑在内，决策者以此才能找到令人满意的折衷解决方案。Mena及其团队在模拟与最化的可靠性成本及双目标框架下使分布式电源的分配尽可能有效^[11]。Niknam 及其团队在考虑到成本、排放及损耗最小化的目标下尽可能使分布式电源的尺寸及分配最优化^[12]。Rocchettac在其发表的论文中也有所涉及^[13]。

1.2.2 国内研究现状

我国是光伏资源大国，太阳能日照资源极其丰富，据相关统计^[14]，我国太阳能年辐照总量大于500万千焦/平方米，年日照时数在2300小时以上的区域约占国土总面积的2/3以上，具体分布可见表1.1。

表1.1太阳能年辐射地区分类

地区分类 全年日照时数 太阳年辐射总量MJ/m² 地区 一 3200~3300 6700~8400 宁夏北部、甘肃北部、新疆东南部、青海西部和西藏西部 二 3000~3299 5900~8400 河北北部、山西北部、内蒙古和宁夏南部、甘肃中部 三 2800~3000 5000~5900 青海东部、西藏东南部和新疆南部 四 1400~2200 4200~5000 江苏、安徽、湖北、湖南、江西、浙江、广西及广东北部、陕西南部、黑龙江 五 1000~1400 3400~4200 四川、贵州

近几十年来，我国紧紧抓住了我国是太阳能资源大国的机遇，在光伏发电的研究领域攻克了光伏发电系统的关键技术，取得了大量的科研成果，包括光伏系统各部件数学模型的建立、并网逆变技术、最大功率跟踪控制技术（MPPT）、并网光伏系统的性能研究等。

近几年，我国光伏产业也取得长足进步。汉能控股集团连续收购了三家知名的薄膜CIGS企业（solibro, miasole, global solar enenrgy) ，这三家企业全是行业内享有盛名的大公司，最近汉能控股集团又和美国的Alta公司（Alta是全球为数不多的拥有独特技术可以满足大规模化生产且GaAs效率最高的公司的公司）达成收购协议，这几项收购使汉能控股集团一跃已经成为全球最大的薄膜光伏公司。虽然单晶硅在光伏电池材料市场中占有超过90%以上的份额，但是这并不代表其他材料取法抢有一席之地或没有发展前途，薄膜PV (CIGS, a-Si 等）具备的轻巧特质、可弯曲等特性促成了其在小规模发电领域（如高校住宿楼顶部的铺设来给楼道供电等）得天独厚的优势。当然目前确实我国市场的开发还很不成熟，这样大规模的收购发展在最近大家普遍都认为国内光伏产业经济市场不景气的情况下确实罕见，也说明我们对光伏发展的认识也稍显不足、急于求成。

总的来说，国内光伏市场及企业正遭遇着前所未有的挑战。如果把我国光伏产业的发展进程放到光伏产业发展的国际大环境中考虑，我国的光伏产业每年的增长率不到世界光伏产业的一半。光伏发电是未来最重要的战略能源^[15]。而国内光伏市场占有率增长态势低迷，究其原因，政策扶持不够是主要外部环境因素。而且，光伏发电成本偏高，在成本方面与常规能源竞争时毫无优势，这也更需要政府制定针对性法规和政策以鼓励扶持我国光伏产业的大规模发展。当前，国内光伏的发展，机遇和挑战共同存在。

1.3 目前存在的问题及发展趋势

1.3.1 目前存在问题

首先，随着人类社会的迅速发展，接踵而来的是对能源的愈加渴求，随之也带来了能源衰竭、环境破坏、生态恶化等一系列问题，因此大力发展清洁能源迫在眉睫。太阳能资源便是摆在我们眼前最好的选择^[16]。中国虽然是目前世界上经济发展最为迅猛的经济体，但是在光伏发电领域的技术和应用只能算处于世界的下游水平。我国的光伏电站技术水平、发电量远远被日本、德国、美国等先天光照资源还不如我国的一些光伏大国甩在背后，这是我国的光伏发电的基本国情。截至2015年底，根据中电联快报数据，我国累计光伏装机容量虽然同比增长35%，但是总量数据不到同期德国数据的1/8。这些数据与我国的发电总装机容量位居世界第一的电力大国形象相距甚远，这也与我国光伏电池产量占据全球市场60%份额的情况形成巨大、鲜明的反差。

现阶段，我国过光伏电站行业还是以地面大规模电站形式为主，分布式光伏电站技术虽然技术早已出现，但是近几年才刚刚兴起，属于新兴事物。因此，我国尚处于分布式光伏电站的技术发展道路的起跑阶段，处于上升期，技术还不算成熟。但是，不管是分布式还是集中式，这两种类型都过份依赖国家政策补贴，经济收益甚微。尤其是分布式光伏电站，由其用户侧发电的特点来说，注定决定了其发电量不大，受众小，经济收益缓慢的特点。同时，国内对于分布式光伏电站运行风险评估也才刚刚起步，可以说是几乎一片空白，没有普遍适用的评估方法，，再加上其往往采取无人监控，及其报警的管理方式，更加速了分布式光伏电站运行风险评估的迫切需求，这是我国光伏电站发展中存在的问题。

运行风险包含的风险可分为固有风险和动态风险。