分布式電源不同數學模型對系統潮流分布的影響

彭先萌

(湖北工業職業技術學院，湖北 十堰 442000)

0 引 言

分布式電源主要由小型發電機或者發電機組實現供電。因為發電設備的體格較小，能夠作為終端直接為用戶提供服務，因此形成了分布式特點。由于發電設備的體格相對較小，通常分布式電源的發電功率不大，一般在幾十千瓦至幾十兆瓦左右。此時，發電功率已經能夠滿足普通用戶的日常需求，因此應用價值較高。

1 分布式電源概述

分布式電源不僅具有良好的技術功能性，在經濟性上也有良好的表現，所以此項技術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保功能，通常會采用環保性較強的發電能源，如光伏發電、風能發電、微型燃氣輪機等。因此，下面將簡要分析分布式電源的應用效果。

1.1 電網穩定性增強

從很多實踐應用中可以看出，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。在輔助電源的應用下，只要主電源電能供給出現問題，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的穩定運行[1]。

1.2 電網效率增強

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

2 不同數字模型的分布式電源

不同分布式電源發電能源的發電原理并不相同，其中的數學模型也不相同，產生的電能潮流也會存在差異。

2.1 風力發電數字模型

風力發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，即獨立供電系統接入逆變器轉換應用和直接與大電網并網運行的應用。根據國外研究可知，風力發電的分布形式較多。但是，我國通常采用的威布爾雙參數分布理論。該理論結構簡單，與實際風速分布擬合概率相比有良好的優勢。風力發電數學模型為：

(A+BV+CV)=Pr

(1)

其中Pr代表風機額定功率；A為系數；BV是在系數B下的風速狀態；CV是在系數C下的風速狀態。

2.2 光伏發電數字模型

光伏發電是一種利用太陽光能進行發電的分布式電源應用，具有很高的環保價值。現階段，太陽光能被認為是“取之不盡，用之不竭”且不會造成環境污染的高清潔度能源，因此應用價值較高。光伏發電同樣具有兩種類型，即離網型光伏發電和并網型光伏發電。離網型光伏發電主要應用于地區偏遠、大電網難以覆蓋的地區。采用獨立光能接收裝置與光伏轉化系統可以實現供電。在大電網覆蓋面廣闊的前提下，此方式應用次數并不多。并網型光伏發電是較為常見的光伏發電應用，主要采用變流器將電源并入大電網，再依靠光伏吸收裝置接收光能，之后將光能傳輸到全橋逆變器和電感濾波器，最后通過升壓變壓器將電流隔開即可直接運行[3]。光伏發電的數字模型為：

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代表光伏系統的出力。

2.3 燃料電池

燃料電池是一種應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電，原理都是通過氧化物的化學能來實現電能轉化，通過相應的裝置將其并入大電網中。在燃料電池應用中，并入電網之后存在有功、無功兩種形態。燃料電池有功數學模型為：

其中P代表燃料電池的有功額定數值；X代表燃料電池與電網之間的連接線路線阻；Us代表系統母線的電壓；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。

燃料電池無功數學模型：

其中Q代表燃料電池的無功額定數值，其他參數與上述有功模型相同。

2.4 微型汽輪機

微型汽輪機的應用較為常見，主要利用離心壓氣機對高壓空氣進行預熱，之后將空氣傳輸到燃料室。因燃料室中存在大量吸氧燃料，當空氣進入燃料室后會迅速附著在燃料上，然后點燃燃料即可產生大量的高溫燃氣，高溫燃氣能夠通過向心渦輪做功，從而帶動發電機發電，最終通過AC-DC-AC變換的轉化，使電能轉化為工頻交流電，即可直接并入電網中進行應用。

微型汽輪機數據模型為：

其中Pn代表原動機功率；PC代表電機輸出功率；dt代表原動機輸出功率；MD代表原動機輸入功率。

3 不同數字模型分布式電源對電網系統潮流分布的影響

3.1 潮流計算方法

主要采用牛頓潮流計算法，計算不同數字模型分布式電源對潮流的影響。

(1)首先形成節點導納矩陣，再給各節點設定初始值，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)依照規范需求，對比上述中各不平衡量。如果不平衡低于規范需求，需要進行第二次計算。如果滿足需求，可以直接計算平衡節點的功率和線路功率。

3.2 風力發電對潮流的影響

根據上述的計算方法可知，風力發電在并入電網后，因為風能分布存在不穩定現象，會加大電壓不平衡量。具體來說，風力電能本身存在功率上的波動。假設并入大電網后的初始輸出功率為100 V，隨著風力發電的波動，初始輸出功率會出現相應增長，此時大電網系統潮流會受到相應影響，導致供電不穩定。

3.3 光伏發電對潮流的影響

光伏發電相對穩定，因此不會出現風力發電中的問題。離線模式下，因為大電網沒有接入，所以不存在潮流影響。但是，問題存在于并網模式中。在光伏發電與大電網并網運行后，會加大大電網電路潮流的速率、功率等。而大電網電路對于潮流的承受能力有限，如果電路潮流過大，可能引發大電網線路短路等問題。所以，在采用光伏發電并網模式時，應針對光伏發電的輸出功率進行計算，再結合大電網電路對電路潮流的承受能力，判斷并網模式是否適用。如果不適用，應當將并網模式作為應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能產生電能，再通過一系列轉化才能被應用。從上述計算方法得知，燃料電池的電能在進入大電網后，會直接產生與光伏發電相同的問題，并且在影響程度上更勝光伏發電。造成此現象的主要原因是燃料電池主要以儲備能源來實現供電，但是儲備能源量要大于光伏發電，且燃料電池的電能多數為直流電，因此接入時很容易造成原本潮流斷開，引發短路等問題。

3.5 微型汽輪機對潮流的影響

微型汽輪機在各方面表現都相對優異，但是發電流程較為復雜。所以，發電效率、電能傳輸效率相對較慢。當微型汽輪機電能與大電網潮流并網后，可能會拖慢大電網潮流的速率，影響供電的效率。

4 結 論

綜上所述，主要分析分布式電源不同數學模型對系統潮流分布的影響。首先介紹分布式電源的優勢，之后分析不同種類的分布式電源和數學模型，最后簡單分析了牛頓潮流算法的步驟，結合計算方法和不同種類的分布式電源發電方式，分析其對潮流的影響。