微電網(wǎng)中太陽能分布式發(fā)電的建模與仿真

李東東，覃子珊

(上海電力學(xué)院電力與自動化工程學(xué)院，上海 200090)

在智能電網(wǎng)的發(fā)展過程中，將微電網(wǎng)整合進來是其重要環(huán)節(jié)，微電網(wǎng)系統(tǒng)可以提高分布式電源或再生能源占整體發(fā)電量的比例，因此分布式發(fā)電和微電網(wǎng)技術(shù)是智能電網(wǎng)中配電系統(tǒng)、用電系統(tǒng)，以及推動智能電網(wǎng)發(fā)展的重要組成部分［1］.目前，以太陽能光伏發(fā)電為基礎(chǔ)的分布式發(fā)電技術(shù)已得到快速發(fā)展，但同時這種依賴于自然條件的發(fā)電方式所產(chǎn)生的出力隨機波動對系統(tǒng)的影響也日益顯著.本文重點研究了分布式發(fā)電中光伏發(fā)電的特性與隨機潮流，建立了光伏發(fā)電的隨機分析數(shù)學(xué)模型(該模型考慮了太陽能電池有功出力與光照強度之間的函數(shù)關(guān)系)，然后將此模型引入接有分布式發(fā)電的IEEE34配電系統(tǒng)，并進行隨機潮流計算.

1 微電網(wǎng)定義

微電網(wǎng)是一組負荷和微能源集合在一起的小型發(fā)配電系統(tǒng)，它們可以以單個系統(tǒng)的方式運行，提供熱和電.微電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護和管理的自治，可分為不可控、部分可控和全控3種.既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運行，也可以獨立運行，并可冷、熱、電3聯(lián)供.

相對于原有分散、獨立的分布式電源，微電網(wǎng)具有以下優(yōu)勢:能有效集成應(yīng)用各種分布式電源，具備獨立分布式電源系統(tǒng)所擁有的優(yōu)點;作為一個獨立的整體配網(wǎng)，不會對大電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響，不需要對大電網(wǎng)的運行策略進行調(diào)整;理想的微電網(wǎng)架構(gòu)中，設(shè)備之間是對等的，因而不需要主控設(shè)備，而且能做到即插即用;當上一級電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，可以獨立運行，供電可靠性較高.

2 太陽能光伏發(fā)電

2.1 太陽能光伏發(fā)電原理

太陽能光伏發(fā)電是利用太陽電池受到太陽光照時產(chǎn)生光伏效應(yīng)，將太陽能直接轉(zhuǎn)換成直流電能.其優(yōu)點是:無噪聲，無污染，能量隨處可得，不受地域限制，不消耗燃料，運行成本低，建設(shè)周期短，規(guī)模設(shè)計自由度大，可就地使用，不需長距離輸送，且方便與建筑物相結(jié)合等，這是常規(guī)發(fā)電方式所不能比擬的.特別是隨著太陽能電池成本的下降，光伏發(fā)電已有了較快的發(fā)展.

光伏電池工作原理如圖1所示.

圖1 光伏發(fā)電基本工作原理

2.2 基于光強變化的光伏輸出功率建模

太陽能電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心，其輸出功率與光照強度密切相關(guān)，由于光強具有隨機性，因此輸出功率也是隨機的.據(jù)統(tǒng)計，在一定時間段內(nèi)(一個小時或幾個小時)，太陽光照強度可以近似看成 Beta 分布［2，3］，其概率密度函數(shù)為:

式中:r，rmax——這一時間段內(nèi)的實際光強和最大光強，W/m;

α，β——Beta分布的形狀參數(shù);

?！狦amma函數(shù).

對網(wǎng)絡(luò)中的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，由在一定時段內(nèi)的光照強度平均值μ和方差σ可以得到光強Beta分布的參數(shù)，其關(guān)系為:

得到了太陽光強的分布后，就可以通過太陽能發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率與光強之間的近似關(guān)系得出輸出功率的隨機分布.

假設(shè)給定一太陽能電池方陣，具有M個電池組件，每個組件的面積和光電轉(zhuǎn)換效率分別為Am和 ηm，m=1，2，…，M，則該太陽能電池方陣總的輸出功率為:

由此，得到的太陽能電池方陣輸出功率的概率密度函數(shù)也成Beta分布:

式中:RM——方陣最大輸出功率，RM=Aηrmax.

光伏發(fā)電系統(tǒng)由電容器組來保證功率因數(shù)基本為一常數(shù)，因此在潮流計算中可看作一PQ節(jié)點，其隨機分布也成Beta分布.

3 算例及仿真分析

本文以文獻［4］提供的標準IEEE34節(jié)點配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為例，在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入分布式電源，進行計及分布式發(fā)電配電系統(tǒng)隨機潮流計算算法的仿真分析.

配電系統(tǒng)接線圖如圖2所示.

圖2 IEEE34節(jié)點配電系統(tǒng)接線示意

該系統(tǒng)的基準電壓Ub=24.9 kV，根節(jié)點電壓Uroot=25.647 kV，系統(tǒng)基準容量Sb=1 MW.為方便起見，將原有系統(tǒng)的24.9/4.16 kV的變壓器簡化為一條線路，并取消原線路中的電壓調(diào)整器，這樣系統(tǒng)就可簡化為一個電壓等級.算例原始數(shù)據(jù)參見文獻［5］.

本文采用的太陽能電池組件型號為PILKINGTON SFMl44Hx250wp，每個組件的面積為2.16 m2，每個組件的光電轉(zhuǎn)換率為13.44%，一個光伏方陣的組件個數(shù)為400.所采用的光照強度數(shù)據(jù)由HOMER軟件對中國上海地區(qū)(緯度為31.08。N，經(jīng)度為 121.35。E)的日平均值進行模擬，得到每小時的光強數(shù)據(jù).

圖3和圖4分別給出了上海地區(qū)冬季和夏季某一天光強的變化曲線.

圖3 上海地區(qū)冬季1月27日光強變化曲線

圖4 上海地區(qū)夏季7月19日光強變化曲線

根據(jù)文獻［6］提供的上海地區(qū)日負荷曲線模擬，得到的每小時的負荷變化曲線見圖5和圖6.

圖5 上海地區(qū)冬季日負荷的變化曲線

圖6 上海地區(qū)夏季日負荷的變化曲線

在知道了1天內(nèi)每小時光照強度的平均值后，通過光強與光伏有功功率間的關(guān)系，就可以求出光伏系統(tǒng)的有功初始值.然后通過Matpower軟件包對IEEE34配電系統(tǒng)進行潮流計算，得出系統(tǒng)正常運行情況下的潮流分布.

為了更好地說明分布式發(fā)電的隨機出力對系統(tǒng)潮流的影響，本文分兩種情況進行討論:

(1)系統(tǒng)不加任何分布式電源，只考慮負荷的隨機變化;

(2)在系統(tǒng)末端第18節(jié)點和第33節(jié)點處分別加入4個額定功率為100 kW的太陽能電池方陣.

結(jié)合上述兩種情況，分別研究冬、夏兩季(這里只選其中比較有代表性的兩天)平衡節(jié)點(第34節(jié)點)無PV和加入PV后有功功率的變化情況，如圖7和圖8所示.

圖7 1月27日平衡節(jié)點有功出力比較

圖8 7月19日平衡節(jié)點有功出力比較

由圖7可知，在第一種情況下，配電網(wǎng)均通過平衡節(jié)點34為負荷提供出力，高峰時間出現(xiàn)在下午和晚上，早晚波動較大;在第二種情況下，冬季的有效光強時間為6:00～17:00，即太陽能光伏電池的工作時間.在光伏電池未工作時，接入的光伏系統(tǒng)對電網(wǎng)并無影響;在投入光伏系統(tǒng)后，平衡節(jié)點的出力開始降低，且幅度隨著光強的增大而增大，這充分說明光伏系統(tǒng)作為分布式電源在向系統(tǒng)供電，從而減輕了平衡節(jié)點的出力.但由于冬季光強較弱，不足以提供整個系統(tǒng)對功率的需求，只能相對減輕上級電網(wǎng)的出力.因此，分布式電源的加入對減輕系統(tǒng)負擔(dān)有著顯著作用.

由圖8可看出，在第一種情況下，系統(tǒng)的負荷水平整體高于冬季，峰值較高，電網(wǎng)承擔(dān)了較大的壓力;在加入第二種情況后，夏季的有效光強時間為5:00～18:00，即太陽能光伏電池的工作時間.夏季陽光充沛，日照強度明顯高于冬季，光伏電池的有功出力也將得到大幅度提高，在負荷低或負荷高且光強足夠的情況下，太陽能光伏系統(tǒng)向電網(wǎng)反送有功;而在負荷較高的情況下，太陽能光伏系統(tǒng)也大大降低了平衡節(jié)點的有功出力，減輕了系統(tǒng)的負擔(dān)，“削峰”效果顯著.

電網(wǎng)的損耗主要取決于系統(tǒng)的潮流，DER影響系統(tǒng)的潮流分布，也必然影響電網(wǎng)的損耗.為了更形象地觀察太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)加入前后對配電網(wǎng)線損的影響，根據(jù)仿真結(jié)果繪制的線損變化曲線如圖9和圖10所示.

圖9 1月27日配電網(wǎng)系統(tǒng)線損比較

圖10 7月19日配電網(wǎng)系統(tǒng)線損比較

由圖9和圖10可知，太陽能光伏電池作為分布式電源接入配電網(wǎng)后，整個配電網(wǎng)的線路損耗明顯下降，表明分布式電源對配電網(wǎng)線損的減少起著積極有效的作用.

4 結(jié)語

通過仿真結(jié)果的比較可以明顯看到，光伏電池陣列的輸出功率與環(huán)境因素密切相關(guān)，對系統(tǒng)影響也相應(yīng)多樣化.當輸出功率隨著光照強度的升高而逐漸增大時，光伏電池作為電源向配電網(wǎng)供電，使平衡節(jié)點的有功出力逐漸減小，甚至可以向系統(tǒng)倒送功率，這極大地減輕了網(wǎng)絡(luò)的負擔(dān).同時，隨著潮流的改變，配電網(wǎng)的線損也發(fā)生了明顯變化，當光伏電池工作時，整個配電網(wǎng)的線損明顯減小，電能質(zhì)量顯著提高.

與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)作為分布式電源接入的智能電網(wǎng)，其網(wǎng)絡(luò)拓撲由輻射狀變?yōu)榫W(wǎng)狀，功率的提供與支持也由集中發(fā)電轉(zhuǎn)變?yōu)榧泻头植际桨l(fā)電并存的形式，網(wǎng)絡(luò)線損大大降低，整個網(wǎng)絡(luò)更加堅強、可靠、靈活.

［1］孫禔，孫鵬.分布式發(fā)電與微電網(wǎng)技術(shù)在多種一次能源中的應(yīng)用［J］.應(yīng)用技術(shù)，2010(11):165-166.

［2］ABOUZAHR I，RAMAKANNAR R.An approach to assess the performance of utility-interactive photovoltaic systems［J］.IEEE Transactions Oil Energy Conversion，1993，8(2):145-153.

［3］KARAKI S H，CHEDID R B，RAMADAN R.Probabilistic performanceassessmentofautonomous solar-wind energy conversion systems［J］.IEEE TransactionsOilEnergy Conversion，1999，14(3):766-772.

［4］IEEE Distfibution Planning Working Group Report.Radial distribution test feeders［J］.IEEE Transactions on Power Systems，1991，6(3):975-985.

［5］CIRICR M，PADILHA-FELTRIN A.Observing the perforrnance of distribution systems with embedded generators［J］.European Trans on Electrical Power，2004，14(6):347-359.

［6］徐方龍，謝國棟，黃蘇融，等.上海市市區(qū)供電局季節(jié)性負荷分析［J］.電網(wǎng)技術(shù)，1999，23(12):16-19.