分布式电源不同数学模型对系统潮流分布的影响

彭先萌

(湖北工业职业技术学院，湖北 十堰 442000)

0 引 言

分布式电源主要由小型发电机或者发电机组实现供电。因为发电设备的体格较小，能够作为终端直接为用户提供服务，因此形成了分布式特点。由于发电设备的体格相对较小，通常分布式电源的发电功率不大，一般在几十千瓦至几十兆瓦左右。此时，发电功率已经能够满足普通用户的日常需求，因此应用价值较高。

1 分布式电源概述

分布式电源不仅具有良好的技术功能性，在经济性上也有良好的表现，所以此项技术受到了广大电力工作者的青睐。分布式电源还具有良好的环保功能，通常会采用环保性较强的发电能源，如光伏发电、风能发电、微型燃气轮机等。因此，下面将简要分析分布式电源的应用效果。

1.1 电网稳定性增强

从很多实践应用中可以看出，分布式电源不但可以作为主电源使用，也可以作为辅助电源。在辅助电源的应用下，只要主电源电能供给出现问题，就可以通过分布式电源将储备电源不断输送至主电源中，以此保持主电源电网的稳定运行[1]。

1.2 电网效率增强

因传统电网的供电能力有限，在面对大规模用电需求的前提下，供电效率会下降。应用分布式电源能够增加电网的供电量，提高供电效率，说明了应用分布式电源的必要[2]。

2 不同数字模型的分布式电源

不同分布式电源发电能源的发电原理并不相同，其中的数学模型也不相同，产生的电能潮流也会存在差异。

2.1 风力发电数字模型

风力发电是分布式电源中常见的一种方式。这种方式共有两种类型，即独立供电系统接入逆变器转换应用和直接与大电网并网运行的应用。根据国外研究可知，风力发电的分布形式较多。但是，我国通常采用的威布尔双参数分布理论。该理论结构简单，与实际风速分布拟合概率相比有良好的优势。风力发电数学模型为：

(A+BV+CV)=Pr

(1)

其中Pr代表风机额定功率；A为系数；BV是在系数B下的风速状态；CV是在系数C下的风速状态。

2.2 光伏发电数字模型

光伏发电是一种利用太阳光能进行发电的分布式电源应用，具有很高的环保价值。现阶段，太阳光能被认为是“取之不尽，用之不竭”且不会造成环境污染的高清洁度能源，因此应用价值较高。光伏发电同样具有两种类型，即离网型光伏发电和并网型光伏发电。离网型光伏发电主要应用于地区偏远、大电网难以覆盖的地区。采用独立光能接收装置与光伏转化系统可以实现供电。在大电网覆盖面广阔的前提下，此方式应用次数并不多。并网型光伏发电是较为常见的光伏发电应用，主要采用变流器将电源并入大电网，再依靠光伏吸收装置接收光能，之后将光能传输到全桥逆变器和电感滤波器，最后通过升压变压器将电流隔开即可直接运行[3]。光伏发电的数字模型为：

其中Ac代表光伏板面积、η代表效率；T、T'代表与光伏板的斜度以及所处的地理位置；Ppv代表光伏系统的出力。

2.3 燃料电池

燃料电池是一种应用形式较多的分布式电源，主要包括熔融碳酸盐燃料电池、有质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池等。无论采用哪一种燃料电池发电，原理都是通过氧化物的化学能来实现电能转化，通过相应的装置将其并入大电网中。在燃料电池应用中，并入电网之后存在有功、无功两种形态。燃料电池有功数学模型为：

其中P代表燃料电池的有功额定数值；X代表燃料电池与电网之间的连接线路线阻；Us代表系统母线的电压；UFC代表燃料电池输出的直流电压；m、δ代表逆变器控制参量。

燃料电池无功数学模型：

其中Q代表燃料电池的无功额定数值，其他参数与上述有功模型相同。

2.4 微型汽轮机

微型汽轮机的应用较为常见，主要利用离心压气机对高压空气进行预热，之后将空气传输到燃料室。因燃料室中存在大量吸氧燃料，当空气进入燃料室后会迅速附着在燃料上，然后点燃燃料即可产生大量的高温燃气，高温燃气能够通过向心涡轮做功，从而带动发电机发电，最终通过AC-DC-AC变换的转化，使电能转化为工频交流电，即可直接并入电网中进行应用。

微型汽轮机数据模型为：

其中Pn代表原动机功率；PC代表电机输出功率；dt代表原动机输出功率；MD代表原动机输入功率。

3 不同数字模型分布式电源对电网系统潮流分布的影响

3.1 潮流计算方法

主要采用牛顿潮流计算法，计算不同数字模型分布式电源对潮流的影响。

(1)首先形成节点导纳矩阵，再给各节点设定初始值，即 ei、fi。

(2)将初始值带入式(6)、式(7)中，得到功率不平衡量ΔPi、ΔQi以及电压不平衡量ΔUi。

(3)将初始值带入式(8)～式(12)中，得到雅可比矩阵中的各个元素。

(4)依照规范需求，对比上述中各不平衡量。如果不平衡低于规范需求，需要进行第二次计算。如果满足需求，可以直接计算平衡节点的功率和线路功率。

3.2 风力发电对潮流的影响

根据上述的计算方法可知，风力发电在并入电网后，因为风能分布存在不稳定现象，会加大电压不平衡量。具体来说，风力电能本身存在功率上的波动。假设并入大电网后的初始输出功率为100 V，随着风力发电的波动，初始输出功率会出现相应增长，此时大电网系统潮流会受到相应影响，导致供电不稳定。

3.3 光伏发电对潮流的影响

光伏发电相对稳定，因此不会出现风力发电中的问题。离线模式下，因为大电网没有接入，所以不存在潮流影响。但是，问题存在于并网模式中。在光伏发电与大电网并网运行后，会加大大电网电路潮流的速率、功率等。而大电网电路对于潮流的承受能力有限，如果电路潮流过大，可能引发大电网线路短路等问题。所以，在采用光伏发电并网模式时，应针对光伏发电的输出功率进行计算，再结合大电网电路对电路潮流的承受能力，判断并网模式是否适用。如果不适用，应当将并网模式作为应急分布式能源或者直接采用离线模式。

3.4 燃料电池对潮流的影响

燃料电池主要依靠化学能产生电能，再通过一系列转化才能被应用。从上述计算方法得知，燃料电池的电能在进入大电网后，会直接产生与光伏发电相同的问题，并且在影响程度上更胜光伏发电。造成此现象的主要原因是燃料电池主要以储备能源来实现供电，但是储备能源量要大于光伏发电，且燃料电池的电能多数为直流电，因此接入时很容易造成原本潮流断开，引发短路等问题。

3.5 微型汽轮机对潮流的影响

微型汽轮机在各方面表现都相对优异，但是发电流程较为复杂。所以，发电效率、电能传输效率相对较慢。当微型汽轮机电能与大电网潮流并网后，可能会拖慢大电网潮流的速率，影响供电的效率。

4 结 论

综上所述，主要分析分布式电源不同数学模型对系统潮流分布的影响。首先介绍分布式电源的优势，之后分析不同种类的分布式电源和数学模型，最后简单分析了牛顿潮流算法的步骤，结合计算方法和不同种类的分布式电源发电方式，分析其对潮流的影响。