微電網中太陽能分布式發電的建模與仿真

李東東，覃子珊

(上海電力學院電力與自動化工程學院，上海 200090)

在智能電網的發展過程中，將微電網整合進來是其重要環節，微電網系統可以提高分布式電源或再生能源占整體發電量的比例，因此分布式發電和微電網技術是智能電網中配電系統、用電系統，以及推動智能電網發展的重要組成部分［1］.目前，以太陽能光伏發電為基礎的分布式發電技術已得到快速發展，但同時這種依賴于自然條件的發電方式所產生的出力隨機波動對系統的影響也日益顯著.本文重點研究了分布式發電中光伏發電的特性與隨機潮流，建立了光伏發電的隨機分析數學模型(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關系)，然后將此模型引入接有分布式發電的IEEE34配電系統，并進行隨機潮流計算.

1 微電網定義

微電網是一組負荷和微能源集合在一起的小型發配電系統，它們可以以單個系統的方式運行，提供熱和電.微電網能夠實現自我控制、保護和管理的自治，可分為不可控、部分可控和全控3種.既可以與外部電網并網運行，也可以獨立運行，并可冷、熱、電3聯供.

相對于原有分散、獨立的分布式電源，微電網具有以下優勢:能有效集成應用各種分布式電源，具備獨立分布式電源系統所擁有的優點;作為一個獨立的整體配網，不會對大電網產生不利影響，不需要對大電網的運行策略進行調整;理想的微電網架構中，設備之間是對等的，因而不需要主控設備，而且能做到即插即用;當上一級電網出現故障時，可以獨立運行，供電可靠性較高.

2 太陽能光伏發電

2.1 太陽能光伏發電原理

太陽能光伏發電是利用太陽電池受到太陽光照時產生光伏效應，將太陽能直接轉換成直流電能.其優點是: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，建設周期短，規模設計自由度大，可就地使用，不需長距離輸送，且方便與建筑物相結合等，這是常規發電方式所不能比擬的.特別是隨著太陽能電池成本的下降，光伏發電已有了較快的發展.

光伏電池工作原理如圖1所示.

圖1 光伏發電基本工作原理

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電系統的基礎和核心，其輸出功率與光照強度密切相關，由于光強具有隨機性，因此輸出功率也是隨機的.據統計，在一定時間段內(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］，其概率密度函數為:

式中:r，rmax——這一時間段內的實際光強和最大光強，W/m;

α，β——Beta分布的形狀參數;

?！狦amma函數.

對網絡中的太陽能光伏發電系統，由在一定時段內的光照強度平均值μ和方差σ可以得到光強Beta分布的參數，其關系為:

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

假設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也成Beta分布:

式中:RM——方陣最大輸出功率，RM=Aηrmax.

光伏發電系統由電容器組來保證功率因數基本為一常數，因此在潮流計算中可看作一PQ節點，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節點配電網絡系統為例，在該系統的基礎上加入分布式電源，進行計及分布式發電配電系統隨機潮流計算算法的仿真分析.

配電系統接線圖如圖2所示.

圖2 IEEE34節點配電系統接線示意

該系統的基準電壓Ub=24.9 kV，根節點電壓Uroot=25.647 kV，系統基準容量Sb=1 MW.為方便起見，將原有系統的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整器，這樣系統就可簡化為一個電壓等級.算例原始數據參見文獻［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，每個組件的光電轉換率為13.44%，一個光伏方陣的組件個數為400.所采用的光照強度數據由HOMER軟件對中國上海地區(緯度為31.08。N，經度為 121.35。E)的日平均值進行模擬，得到每小時的光強數據.

圖3和圖4分別給出了上海地區冬季和夏季某一天光強的變化曲線.

圖3 上海地區冬季1月27日光強變化曲線

圖4 上海地區夏季7月19日光強變化曲線

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

圖5 上海地區冬季日負荷的變化曲線

圖6 上海地區夏季日負荷的變化曲線

在知道了1天內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系，就可以求出光伏系統的有功初始值.然后通過Matpower軟件包對IEEE34配電系統進行潮流計算，得出系統正常運行情況下的潮流分布.

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

(1)系統不加任何分布式電源，只考慮負荷的隨機變化;

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

結合上述兩種情況，分別研究冬、夏兩季(這里只選其中比較有代表性的兩天)平衡節點(第34節點)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日平衡節點有功出力比較

圖8 7月19日平衡節點有功出力比較

由圖7可知，在第一種情況下，配電網均通過平衡節點34為負荷提供出力，高峰時間出現在下午和晚上，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，接入的光伏系統對電網并無影響;在投入光伏系統后，平衡節點的出力開始降低，且幅度隨著光強的增大而增大，這充分說明光伏系統作為分布式電源在向系統供電，從而減輕了平衡節點的出力.但由于冬季光強較弱，不足以提供整個系統對功率的需求，只能相對減輕上級電網的出力.因此，分布式電源的加入對減輕系統負擔有著顯著作用.

由圖8可看出，在第一種情況下，系統的負荷水平整體高于冬季，峰值較高，電網承擔了較大的壓力;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，太陽能光伏系統向電網反送有功;而在負荷較高的情況下，太陽能光伏系統也大大降低了平衡節點的有功出力，減輕了系統的負擔，“削峰”效果顯著.

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

圖9 1月27日配電網系統線損比較

圖10 7月19日配電網系統線損比較

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后，整個配電網的線路損耗明顯下降，表明分布式電源對配電網線損的減少起著積極有效的作用.

4 結語

通過仿真結果的比較可以明顯看到，光伏電池陣列的輸出功率與環境因素密切相關，對系統影響也相應多樣化.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供電，使平衡節點的有功出力逐漸減小，甚至可以向系統倒送功率，這極大地減輕了網絡的負擔.同時，隨著潮流的改變，配電網的線損也發生了明顯變化，當光伏電池工作時，整個配電網的線損明顯減小，電能質量顯著提高.

與傳統電網相比，將太陽能光伏發電系統作為分布式電源接入的智能電網，其網絡拓撲由輻射狀變為網狀，功率的提供與支持也由集中發電轉變為集中和分布式發電并存的形式，網絡線損大大降低，整個網絡更加堅強、可靠、靈活.

［1］孫禔，孫鵬.分布式發電與微電網技術在多種一次能源中的應用［J］.應用技術，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.上海市市區供電局季節性負荷分析［J］.電網技術，1999，23(12):16-19.