含分布式电源的配电网潮流计算

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k 玻尔兹曼常数=1.38×10-19 风速(m/sec) 整体日光辐射(Mw/cm2) 光伏电池反相饱和电流 基准温度下反向饱和电流=19.9693×l0-6(A) 电池短路电流=3.3( A) ws S Ij Ijr Iscr 光伏发电需要通过逆变器并网，上述模型是在逆变器的效率假定为恒定时的情况下建立的。而事实上输入功率的变化会引起逆变器的效率随着改变，这就要对逆变器的输入功率进行矫正，公式如下：

2Pinv??0.015?0.98Ppv?0.09Ppv (2-7) 其中：Ppv为光伏阵列的输出功率，Pinv为输入电网的功率。

通常情况下光伏并网发电系统根据控制逆变器的输出电流或输出电压

可分为电流控制模式和电压控制模式。（1） 若采用电流控制逆变器策略，则为输出的有功和注入的电流均是恒定的PI节点[23]；（2） 若采用电压控制型策略，则为输出的有功和电压均恒定的PV节点，当注入的电流达到边界值后转化为电流控制型来处理。图2.3为光伏发电并网示意图。

DCAC光伏电池控制逆变器配电网图2.3为光伏发电并网示意图

2.2 燃料电池

燃料电池(fuel cell FC)是一种将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的电化学反应装置[24]。燃料电池的工作方式与常规的化学电源不同，而更类似于汽油、柴油发电机。它的燃料和氧化剂是储存在电池外的储罐中，当燃料电池发电时，要不断的向电池内注入氧化剂和燃料并排除反应产物，而且还要排出大量的废热来保持电池工作温度的稳定。燃料电池只决定输出功率的大小，而其储能量则是由储罐内的燃料与氧化剂的量来决定。

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适用于分布式电源应用的FC有质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)、熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)和固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)，其中SOFC发电效率最高，适用范围最广。

2.2.1燃料电池的工作原理

燃料电池由阳极、阴极和电解质隔膜构成[25]。燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，从而完成整个电化学反应。以石棉膜型氢氧燃料电池为例，在阳极，氢气与碱中的OH在电催化剂的作用下，发生氧化反应生成水和电子：

????H2?2OH?H2O?2e (2-8) ?0?V???0.828电子通过外电路到达阴极，在阴极电催化剂的作用下，参与氧的还原反应：

????0.5O2?H2O?2e?2OH ?0 (2-9)

?V????0.4012.2.2 燃料电池的模型

燃料电池及其它储能系统发出的是直流电，需要通过电压源逆变器

并网[23-26]。并网燃料电池发电站常见等值电路如图2.4所示。

RFCVac??DCUFCm?XTlVs??电网P?jQ图2.4燃料电池发电站并网的等值电路

图2.4中：UFC为电池输出的直流电压；RFC为电池的内阻；m为换流器的调节指数；m为换流器点燃角（或超前角）；Vac为换流器输出的交流电压；XT了为变压器等值电抗；Vs为系统母线电压；?与?为电压的相角，且满足?????。Vac幅值与UFC有如下关系式：Vac?mUFC。由图和式可以推出下式：

P?VacVsmUFCVssin(???)?sin? (2-10) XTXT- 10 -

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VacVscos?Vs2mUFCVscos?V2 (2-11) Q????XTXTXTXT由公式(2-10)和(2-11)可得出以下结论：并网的燃料电池通过逆变器的控制参量m、?来控制有功和无功的输出，因此燃料电池可处理成PV节点。但逆变器无功输出是有上限的，当出现无功越限，则转化为PQ节点来处理。图2.5为燃料电池并网示意图。

DCAC燃料电池逆变器配电网图2.5燃料电池并网示意图

2.3 风力发电

人类把风能作为能源用于碾磨谷物、抽水、船舶等机械设施提供动力已经有千余年的历史[27]。风能是一种重要的自然能源，也是一种巨大的、清洁的、永不枯竭的可再生能源。与传统能源相比，风力发电不依赖矿物能源，没有燃料价格风险，所以其发电成本稳定，不包括碳排放等环境本。

空气的流动形成了风，正是由于空气的不稳定性，使得风能具有随机性并随高度的变化而变化。如今，风能的主要应用是风力发电，风力发电是通过风力发电机组实现风能到机械能，再到电能的转换。由于海上风速通常高于内陆，近几年来，海上风电将会扮演越来越重要的角色，其原因是风速对发电量影响极大，因此它是电量成本的主要决定因素。粗略的说，在风速为8m/s的地点开发风电场，电量成本约为风速为5m/s地点的1/3。下面分别介绍风机和风力发电机的模型。

2.3.1 风力发电的工作原理

风力发电技术是将风能转化为电能的发电技术，其工作原理是：风作用载风力机的叶片上产生转矩，该转矩驱动轮毂转动，通过齿轮箱高速轴、刹车盘和连轴器再与异步发电机转子相连，从而发电运行。

2.3.2 风力发电的模型

2.1.3.1 风机模型

风力发电的效能受风速大小、风力机叶片以及叶片受风面积等多个因素的影响。风力发电机输出的机械功率为：

Pm?0.5Av3?Cp (2-12)

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式(2-12)中，A是风力机的扫描面积(m2)；v3是风速(m/s)；?是空气密度(km/m3)；Cp 是风力机的风能利用系数，为叶尖率比和叶片桨距角的函数，它表明风轮机从风中获得的有用风能的比例。从公式(2-12)可以看出，理论上风力机产生的电力大小是与受风面积成正比，与风速的三次方成正比，其中?和v随地理位置、海拔、地形等因素而变化。将风力发电机组的有功出力视为风速的函数，若给出风力发电场所在地的风速，可以近似得到风力发电场输出的有功功率。在某一时刻对配电网进行潮流计算时，可以认为风力发电机组在该时刻的输出功率为一由该时刻风速所决定的定值。

在正常运行情况下，理想风力机吸收功率的特性可分为[28]；当风速在启动风速到额定风速范围内为线性段，风功率随风速增长而线性上升；当风速在额定风速到切出风速范围内为水平段，风功率与风速无关，保持为常量。通过对风力发电机的合理控制，可以使发电机在一定的风速范围内保持恒功率运行。

2.1.3.2 风力发电机模型

风力发电机组按照发电机类型可分为三类[29]：普通异步风机（无电力电子变频器）、双馈感应风机（采用部分功率电力电子变频器）和多级同步风机（采用全功率电力电子变频器）。

（1）异步风机并网

异步发电机自身没有励磁装置，因此它没有电压调节能力。考虑到异步发电机在输出有功功率的同时还要从系统吸收一定的无功功率，其吸收的无功功率大小与转差率S和节点电压U的大小密切相关，因而在潮流计算中既不能作为PQ节点也不能作为PV节点，需要特殊考虑。

x?IrIsUImxmRe?R/s

图2.6异步发电机的近似等效电路

图2.6所示为异步发电机的近似等效电路[30]，Is为定子电流(A)；Ir为转子电流(A)；Im为励磁电流(A)；s为转差率；U为发电机的节点电压幅值；R为转子电阻(?)；Re为机械负载等效电阻(?)；Xm为励磁电抗(?)；X?为漏电抗(?)。

由近似等效电路可以推出发电机输出电磁功率的计算式和功率因数角正切公式，分别为：

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