分布式電源不同數(shù)學(xué)模型對系統(tǒng)潮流分布的影響

彭先萌

(湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 十堰 442000)

0 引 言

分布式電源主要由小型發(fā)電機(jī)或者發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)供電。因?yàn)榘l(fā)電設(shè)備的體格較小，能夠作為終端直接為用戶提供服務(wù)，因此形成了分布式特點(diǎn)。由于發(fā)電設(shè)備的體格相對較小，通常分布式電源的發(fā)電功率不大，一般在幾十千瓦至幾十兆瓦左右。此時，發(fā)電功率已經(jīng)能夠滿足普通用戶的日常需求，因此應(yīng)用價值較高。

1 分布式電源概述

分布式電源不僅具有良好的技術(shù)功能性，在經(jīng)濟(jì)性上也有良好的表現(xiàn)，所以此項(xiàng)技術(shù)受到了廣大電力工作者的青睞。分布式電源還具有良好的環(huán)保功能，通常會采用環(huán)保性較強(qiáng)的發(fā)電能源，如光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電、微型燃?xì)廨啓C(jī)等。因此，下面將簡要分析分布式電源的應(yīng)用效果。

1.1 電網(wǎng)穩(wěn)定性增強(qiáng)

從很多實(shí)踐應(yīng)用中可以看出，分布式電源不但可以作為主電源使用，也可以作為輔助電源。在輔助電源的應(yīng)用下，只要主電源電能供給出現(xiàn)問題，就可以通過分布式電源將儲備電源不斷輸送至主電源中，以此保持主電源電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

1.2 電網(wǎng)效率增強(qiáng)

因傳統(tǒng)電網(wǎng)的供電能力有限，在面對大規(guī)模用電需求的前提下，供電效率會下降。應(yīng)用分布式電源能夠增加電網(wǎng)的供電量，提高供電效率，說明了應(yīng)用分布式電源的必要[2]。

2 不同數(shù)字模型的分布式電源

不同分布式電源發(fā)電能源的發(fā)電原理并不相同，其中的數(shù)學(xué)模型也不相同，產(chǎn)生的電能潮流也會存在差異。

2.1 風(fēng)力發(fā)電數(shù)字模型

風(fēng)力發(fā)電是分布式電源中常見的一種方式。這種方式共有兩種類型，即獨(dú)立供電系統(tǒng)接入逆變器轉(zhuǎn)換應(yīng)用和直接與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的應(yīng)用。根據(jù)國外研究可知，風(fēng)力發(fā)電的分布形式較多。但是，我國通常采用的威布爾雙參數(shù)分布理論。該理論結(jié)構(gòu)簡單，與實(shí)際風(fēng)速分布擬合概率相比有良好的優(yōu)勢。風(fēng)力發(fā)電數(shù)學(xué)模型為：

(A+BV+CV)=Pr

(1)

其中Pr代表風(fēng)機(jī)額定功率；A為系數(shù)；BV是在系數(shù)B下的風(fēng)速狀態(tài)；CV是在系數(shù)C下的風(fēng)速狀態(tài)。

2.2 光伏發(fā)電數(shù)字模型

光伏發(fā)電是一種利用太陽光能進(jìn)行發(fā)電的分布式電源應(yīng)用，具有很高的環(huán)保價值。現(xiàn)階段，太陽光能被認(rèn)為是“取之不盡，用之不竭”且不會造成環(huán)境污染的高清潔度能源，因此應(yīng)用價值較高。光伏發(fā)電同樣具有兩種類型，即離網(wǎng)型光伏發(fā)電和并網(wǎng)型光伏發(fā)電。離網(wǎng)型光伏發(fā)電主要應(yīng)用于地區(qū)偏遠(yuǎn)、大電網(wǎng)難以覆蓋的地區(qū)。采用獨(dú)立光能接收裝置與光伏轉(zhuǎn)化系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)供電。在大電網(wǎng)覆蓋面廣闊的前提下，此方式應(yīng)用次數(shù)并不多。并網(wǎng)型光伏發(fā)電是較為常見的光伏發(fā)電應(yīng)用，主要采用變流器將電源并入大電網(wǎng)，再依靠光伏吸收裝置接收光能，之后將光能傳輸?shù)饺珮蚰孀兤骱碗姼袨V波器，最后通過升壓變壓器將電流隔開即可直接運(yùn)行[3]。光伏發(fā)電的數(shù)字模型為：

其中Ac代表光伏板面積、η代表效率；T、T'代表與光伏板的斜度以及所處的地理位置；Ppv代表光伏系統(tǒng)的出力。

2.3 燃料電池

燃料電池是一種應(yīng)用形式較多的分布式電源，主要包括熔融碳酸鹽燃料電池、有質(zhì)子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池等。無論采用哪一種燃料電池發(fā)電，原理都是通過氧化物的化學(xué)能來實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化，通過相應(yīng)的裝置將其并入大電網(wǎng)中。在燃料電池應(yīng)用中，并入電網(wǎng)之后存在有功、無功兩種形態(tài)。燃料電池有功數(shù)學(xué)模型為：

其中P代表燃料電池的有功額定數(shù)值；X代表燃料電池與電網(wǎng)之間的連接線路線阻；Us代表系統(tǒng)母線的電壓；UFC代表燃料電池輸出的直流電壓；m、δ代表逆變器控制參量。

燃料電池?zé)o功數(shù)學(xué)模型：

其中Q代表燃料電池的無功額定數(shù)值，其他參數(shù)與上述有功模型相同。

2.4 微型汽輪機(jī)

微型汽輪機(jī)的應(yīng)用較為常見，主要利用離心壓氣機(jī)對高壓空氣進(jìn)行預(yù)熱，之后將空氣傳輸?shù)饺剂鲜?。因燃料室中存在大量吸氧燃料，?dāng)空氣進(jìn)入燃料室后會迅速附著在燃料上，然后點(diǎn)燃燃料即可產(chǎn)生大量的高溫燃?xì)?，高溫燃?xì)饽軌蛲ㄟ^向心渦輪做功，從而帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，最終通過AC-DC-AC變換的轉(zhuǎn)化，使電能轉(zhuǎn)化為工頻交流電，即可直接并入電網(wǎng)中進(jìn)行應(yīng)用。

微型汽輪機(jī)數(shù)據(jù)模型為：

其中Pn代表原動機(jī)功率；PC代表電機(jī)輸出功率；dt代表原動機(jī)輸出功率；MD代表原動機(jī)輸入功率。

3 不同數(shù)字模型分布式電源對電網(wǎng)系統(tǒng)潮流分布的影響

3.1 潮流計(jì)算方法

主要采用牛頓潮流計(jì)算法，計(jì)算不同數(shù)字模型分布式電源對潮流的影響。

(1)首先形成節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，再給各節(jié)點(diǎn)設(shè)定初始值，即 ei、fi。

(2)將初始值帶入式(6)、式(7)中，得到功率不平衡量ΔPi、ΔQi以及電壓不平衡量ΔUi。

(3)將初始值帶入式(8)～式(12)中，得到雅可比矩陣中的各個元素。

(4)依照規(guī)范需求，對比上述中各不平衡量。如果不平衡低于規(guī)范需求，需要進(jìn)行第二次計(jì)算。如果滿足需求，可以直接計(jì)算平衡節(jié)點(diǎn)的功率和線路功率。

3.2 風(fēng)力發(fā)電對潮流的影響

根據(jù)上述的計(jì)算方法可知，風(fēng)力發(fā)電在并入電網(wǎng)后，因?yàn)轱L(fēng)能分布存在不穩(wěn)定現(xiàn)象，會加大電壓不平衡量。具體來說，風(fēng)力電能本身存在功率上的波動。假設(shè)并入大電網(wǎng)后的初始輸出功率為100 V，隨著風(fēng)力發(fā)電的波動，初始輸出功率會出現(xiàn)相應(yīng)增長，此時大電網(wǎng)系統(tǒng)潮流會受到相應(yīng)影響，導(dǎo)致供電不穩(wěn)定。

3.3 光伏發(fā)電對潮流的影響

光伏發(fā)電相對穩(wěn)定，因此不會出現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電中的問題。離線模式下，因?yàn)榇箅娋W(wǎng)沒有接入，所以不存在潮流影響。但是，問題存在于并網(wǎng)模式中。在光伏發(fā)電與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行后，會加大大電網(wǎng)電路潮流的速率、功率等。而大電網(wǎng)電路對于潮流的承受能力有限，如果電路潮流過大，可能引發(fā)大電網(wǎng)線路短路等問題。所以，在采用光伏發(fā)電并網(wǎng)模式時，應(yīng)針對光伏發(fā)電的輸出功率進(jìn)行計(jì)算，再結(jié)合大電網(wǎng)電路對電路潮流的承受能力，判斷并網(wǎng)模式是否適用。如果不適用，應(yīng)當(dāng)將并網(wǎng)模式作為應(yīng)急分布式能源或者直接采用離線模式。

3.4 燃料電池對潮流的影響

燃料電池主要依靠化學(xué)能產(chǎn)生電能，再通過一系列轉(zhuǎn)化才能被應(yīng)用。從上述計(jì)算方法得知，燃料電池的電能在進(jìn)入大電網(wǎng)后，會直接產(chǎn)生與光伏發(fā)電相同的問題，并且在影響程度上更勝光伏發(fā)電。造成此現(xiàn)象的主要原因是燃料電池主要以儲備能源來實(shí)現(xiàn)供電，但是儲備能源量要大于光伏發(fā)電，且燃料電池的電能多數(shù)為直流電，因此接入時很容易造成原本潮流斷開，引發(fā)短路等問題。

3.5 微型汽輪機(jī)對潮流的影響

微型汽輪機(jī)在各方面表現(xiàn)都相對優(yōu)異，但是發(fā)電流程較為復(fù)雜。所以，發(fā)電效率、電能傳輸效率相對較慢。當(dāng)微型汽輪機(jī)電能與大電網(wǎng)潮流并網(wǎng)后，可能會拖慢大電網(wǎng)潮流的速率，影響供電的效率。

4 結(jié) 論

綜上所述，主要分析分布式電源不同數(shù)學(xué)模型對系統(tǒng)潮流分布的影響。首先介紹分布式電源的優(yōu)勢，之后分析不同種類的分布式電源和數(shù)學(xué)模型，最后簡單分析了牛頓潮流算法的步驟，結(jié)合計(jì)算方法和不同種類的分布式電源發(fā)電方式，分析其對潮流的影響。