微电网中太阳能分布式发电的建模与仿真

李东东，覃子珊

(上海电力学院电力与自动化工程学院，上海 200090)

在智能电网的发展过程中，将微电网整合进来是其重要环节，微电网系统可以提高分布式电源或再生能源占整体发电量的比例，因此分布式发电和微电网技术是智能电网中配电系统、用电系统，以及推动智能电网发展的重要组成部分［1］.目前，以太阳能光伏发电为基础的分布式发电技术已得到快速发展，但同时这种依赖于自然条件的发电方式所产生的出力随机波动对系统的影响也日益显著.本文重点研究了分布式发电中光伏发电的特性与随机潮流，建立了光伏发电的随机分析数学模型(该模型考虑了太阳能电池有功出力与光照强度之间的函数关系)，然后将此模型引入接有分布式发电的IEEE34配电系统，并进行随机潮流计算.

1 微电网定义

微电网是一组负荷和微能源集合在一起的小型发配电系统，它们可以以单个系统的方式运行，提供热和电.微电网能够实现自我控制、保护和管理的自治，可分为不可控、部分可控和全控3种.既可以与外部电网并网运行，也可以独立运行，并可冷、热、电3联供.

相对于原有分散、独立的分布式电源，微电网具有以下优势:能有效集成应用各种分布式电源，具备独立分布式电源系统所拥有的优点;作为一个独立的整体配网，不会对大电网产生不利影响，不需要对大电网的运行策略进行调整;理想的微电网架构中，设备之间是对等的，因而不需要主控设备，而且能做到即插即用;当上一级电网出现故障时，可以独立运行，供电可靠性较高.

2 太阳能光伏发电

2.1 太阳能光伏发电原理

太阳能光伏发电是利用太阳电池受到太阳光照时产生光伏效应，将太阳能直接转换成直流电能.其优点是:无噪声，无污染，能量随处可得，不受地域限制，不消耗燃料，运行成本低，建设周期短，规模设计自由度大，可就地使用，不需长距离输送，且方便与建筑物相结合等，这是常规发电方式所不能比拟的.特别是随着太阳能电池成本的下降，光伏发电已有了较快的发展.

光伏电池工作原理如图1所示.

图1 光伏发电基本工作原理

2.2 基于光强变化的光伏输出功率建模

太阳能电池是光伏发电系统的基础和核心，其输出功率与光照强度密切相关，由于光强具有随机性，因此输出功率也是随机的.据统计，在一定时间段内(一个小时或几个小时)，太阳光照强度可以近似看成 Beta 分布［2，3］，其概率密度函数为:

式中:r，rmax——这一时间段内的实际光强和最大光强，W/m;

α，β——Beta分布的形状参数;

Γ——Gamma函数.

对网络中的太阳能光伏发电系统，由在一定时段内的光照强度平均值μ和方差σ可以得到光强Beta分布的参数，其关系为:

得到了太阳光强的分布后，就可以通过太阳能发电系统的输出功率与光强之间的近似关系得出输出功率的随机分布.

假设给定一太阳能电池方阵，具有M个电池组件，每个组件的面积和光电转换效率分别为Am和 ηm，m=1，2，…，M，则该太阳能电池方阵总的输出功率为:

由此，得到的太阳能电池方阵输出功率的概率密度函数也成Beta分布:

式中:RM——方阵最大输出功率，RM=Aηrmax.

光伏发电系统由电容器组来保证功率因数基本为一常数，因此在潮流计算中可看作一PQ节点，其随机分布也成Beta分布.

3 算例及仿真分析

本文以文献［4］提供的标准IEEE34节点配电网络系统为例，在该系统的基础上加入分布式电源，进行计及分布式发电配电系统随机潮流计算算法的仿真分析.

配电系统接线图如图2所示.

图2 IEEE34节点配电系统接线示意

该系统的基准电压Ub=24.9 kV，根节点电压Uroot=25.647 kV，系统基准容量Sb=1 MW.为方便起见，将原有系统的24.9/4.16 kV的变压器简化为一条线路，并取消原线路中的电压调整器，这样系统就可简化为一个电压等级.算例原始数据参见文献［5］.

本文采用的太阳能电池组件型号为PILKINGTON SFMl44Hx250wp，每个组件的面积为2.16 m2，每个组件的光电转换率为13.44%，一个光伏方阵的组件个数为400.所采用的光照强度数据由HOMER软件对中国上海地区(纬度为31.08。N，经度为 121.35。E)的日平均值进行模拟，得到每小时的光强数据.

图3和图4分别给出了上海地区冬季和夏季某一天光强的变化曲线.

图3 上海地区冬季1月27日光强变化曲线

图4 上海地区夏季7月19日光强变化曲线

根据文献［6］提供的上海地区日负荷曲线模拟，得到的每小时的负荷变化曲线见图5和图6.

图5 上海地区冬季日负荷的变化曲线

图6 上海地区夏季日负荷的变化曲线

在知道了1天内每小时光照强度的平均值后，通过光强与光伏有功功率间的关系，就可以求出光伏系统的有功初始值.然后通过Matpower软件包对IEEE34配电系统进行潮流计算，得出系统正常运行情况下的潮流分布.

为了更好地说明分布式发电的随机出力对系统潮流的影响，本文分两种情况进行讨论:

(1)系统不加任何分布式电源，只考虑负荷的随机变化;

(2)在系统末端第18节点和第33节点处分别加入4个额定功率为100 kW的太阳能电池方阵.

结合上述两种情况，分别研究冬、夏两季(这里只选其中比较有代表性的两天)平衡节点(第34节点)无PV和加入PV后有功功率的变化情况，如图7和图8所示.

图7 1月27日平衡节点有功出力比较

图8 7月19日平衡节点有功出力比较

由图7可知，在第一种情况下，配电网均通过平衡节点34为负荷提供出力，高峰时间出现在下午和晚上，早晚波动较大;在第二种情况下，冬季的有效光强时间为6:00～17:00，即太阳能光伏电池的工作时间.在光伏电池未工作时，接入的光伏系统对电网并无影响;在投入光伏系统后，平衡节点的出力开始降低，且幅度随着光强的增大而增大，这充分说明光伏系统作为分布式电源在向系统供电，从而减轻了平衡节点的出力.但由于冬季光强较弱，不足以提供整个系统对功率的需求，只能相对减轻上级电网的出力.因此，分布式电源的加入对减轻系统负担有着显著作用.

由图8可看出，在第一种情况下，系统的负荷水平整体高于冬季，峰值较高，电网承担了较大的压力;在加入第二种情况后，夏季的有效光强时间为5:00～18:00，即太阳能光伏电池的工作时间.夏季阳光充沛，日照强度明显高于冬季，光伏电池的有功出力也将得到大幅度提高，在负荷低或负荷高且光强足够的情况下，太阳能光伏系统向电网反送有功;而在负荷较高的情况下，太阳能光伏系统也大大降低了平衡节点的有功出力，减轻了系统的负担，“削峰”效果显著.

电网的损耗主要取决于系统的潮流，DER影响系统的潮流分布，也必然影响电网的损耗.为了更形象地观察太阳能光伏发电系统加入前后对配电网线损的影响，根据仿真结果绘制的线损变化曲线如图9和图10所示.

图9 1月27日配电网系统线损比较

图10 7月19日配电网系统线损比较

由图9和图10可知，太阳能光伏电池作为分布式电源接入配电网后，整个配电网的线路损耗明显下降，表明分布式电源对配电网线损的减少起着积极有效的作用.

4 结语

通过仿真结果的比较可以明显看到，光伏电池阵列的输出功率与环境因素密切相关，对系统影响也相应多样化.当输出功率随着光照强度的升高而逐渐增大时，光伏电池作为电源向配电网供电，使平衡节点的有功出力逐渐减小，甚至可以向系统倒送功率，这极大地减轻了网络的负担.同时，随着潮流的改变，配电网的线损也发生了明显变化，当光伏电池工作时，整个配电网的线损明显减小，电能质量显著提高.

与传统电网相比，将太阳能光伏发电系统作为分布式电源接入的智能电网，其网络拓扑由辐射状变为网状，功率的提供与支持也由集中发电转变为集中和分布式发电并存的形式，网络线损大大降低，整个网络更加坚强、可靠、灵活.

［1］孙禔，孙鹏.分布式发电与微电网技术在多种一次能源中的应用［J］.应用技术，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］徐方龙，谢国栋，黄苏融，等.上海市市区供电局季节性负荷分析［J］.电网技术，1999，23(12):16-19.