微電網(wǎng)的系統(tǒng)模型分析概述目錄TOC\o"1-2"\h\u27867微電網(wǎng)的系統(tǒng)模型分析概述 1183531.1微電源出力模型 1194281.2風(fēng)力發(fā)電模型 1288281.3光伏發(fā)電系統(tǒng)模型 3246261.4蓄電池模型 7253821.5微型燃?xì)廨啓C(jī)模型 81.1微電源出力模型本文主要是研究了微電網(wǎng)絡(luò)中的兩種發(fā)電單元:風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng),由于每種微源都具備其獨(dú)特的運(yùn)行原理和特性,且這些發(fā)電單元的出力原理是由各種發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行原理、參數(shù)配置和發(fā)電能源本身的特點(diǎn)所決定的,因此我們需要針對(duì)不同微源的運(yùn)行原理和特點(diǎn)進(jìn)行綜合分析,構(gòu)建相應(yīng)的發(fā)電模型,以便更加適合使用。一步深入地研究了微電網(wǎng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化以及調(diào)度。1.2風(fēng)力發(fā)電模型在倡導(dǎo)實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的大背景下,風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)展現(xiàn)了其得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn):環(huán)境保護(hù)性和資源可再生性。風(fēng)能取之不盡用而不竭,它是當(dāng)今世界上最豐富的再生能源之一，地球上可開發(fā)利用的風(fēng)能是可開發(fā)水能資源的十倍，大概是200億瓦。風(fēng)力發(fā)電是可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，發(fā)展前景光明。根據(jù)科學(xué)研究來(lái)看，風(fēng)力發(fā)電機(jī)有異步型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，包括籠型異步發(fā)電機(jī)、繞線式雙饋異步發(fā)電機(jī)，同步型風(fēng)力發(fā)電機(jī)包括永磁同步發(fā)電機(jī)、電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要由風(fēng)輪機(jī)、傳動(dòng)軸、塔臺(tái)、變速箱及發(fā)電控制系統(tǒng)組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。圖1.1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖風(fēng)力發(fā)電的原理是利用風(fēng)使葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)能，再通過(guò)齒輪箱帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠向電網(wǎng)輸出交流電，不會(huì)消耗化石能源，其輸出功率受到外界環(huán)境因素的影響，只能作為主電源，不能作為備用電源。其出力主要決定于風(fēng)速，它的輸出功率隨著風(fēng)速的改變而發(fā)生改變。風(fēng)電是一種不可控制的電源，它的輸出特性受到所在地的氣候條件、地理環(huán)境和機(jī)組類型的影響。因此,風(fēng)的高度隨機(jī)性流動(dòng)導(dǎo)致了水力風(fēng)電系統(tǒng)的通風(fēng)輸出不穩(wěn)定,有著明顯的高度間歇性和高度波動(dòng)性,科學(xué)家的研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,風(fēng)力發(fā)電的額定輸出通風(fēng)功率和發(fā)電機(jī)組額定風(fēng)速之間的波動(dòng)關(guān)系可以采用隨機(jī)分段功率函數(shù)公式來(lái)精確表示:這也即就是當(dāng)通風(fēng)輸入的額定風(fēng)速始終位于發(fā)電機(jī)組額定的輸出風(fēng)速和發(fā)動(dòng)機(jī)組通風(fēng)切出的額定風(fēng)速之間時(shí),風(fēng)電發(fā)動(dòng)機(jī)組的額定輸出通風(fēng)功率始終保持在機(jī)組額定值附近。例如,當(dāng)切入風(fēng)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)位于風(fēng)電機(jī)組的最大切入額定風(fēng)速與風(fēng)電機(jī)組的額定輸出風(fēng)速之間時(shí),風(fēng)電驅(qū)動(dòng)機(jī)組的額定輸出驅(qū)動(dòng)功率和切入風(fēng)速就可能會(huì)隨之呈現(xiàn)非線性的波動(dòng)關(guān)系;而又例如,當(dāng)切入風(fēng)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)不要小于一個(gè)風(fēng)電機(jī)組內(nèi)的切入額定風(fēng)速或者速度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一個(gè)風(fēng)電機(jī)組內(nèi)的切出額定風(fēng)速,則那么該機(jī)組風(fēng)電驅(qū)動(dòng)機(jī)組的額定輸出驅(qū)動(dòng)功率將會(huì)轉(zhuǎn)變成零。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)速輸出風(fēng)機(jī)功率與輸入風(fēng)速之間的一種數(shù)學(xué)相互關(guān)系框圖如式1.2所示:Pw=0v≥v0orv≤a=prvr?v0 b=?avi 該式中，Pw為機(jī)組的輸出功率，pr為機(jī)組的額定功率，vi、v0、風(fēng)速的變化不具有一般規(guī)律性，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的出力也隨著風(fēng)速的變化而變化，不適宜風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)律性研究，為了找到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的出力規(guī)律需要利用國(guó)際上常用的威布爾分布來(lái)描述風(fēng)速并進(jìn)行建模，其概率密度函數(shù)如下所示：fv=kcvck?1exp?式中：k其其為小于模型的平均形狀尺度系數(shù),為大于模型的平均風(fēng)速,c其中為小于模型測(cè)量尺度值的系數(shù)。其中的平均形狀標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)和平均大小風(fēng)的尺度標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)分別是通過(guò)平均最大風(fēng)速和尺度標(biāo)準(zhǔn)值之間的最大風(fēng)速差之比計(jì)算出來(lái)得到,表達(dá)式為下如下：k=σv?1.086c=vΓ1+1k若已知風(fēng)速,對(duì)于風(fēng)速的概率密度函數(shù)進(jìn)行積分則可以得到風(fēng)速的概率密度函數(shù)公式如下所示:fvv=1?exp(?((vc)k當(dāng)?shù)玫侥骋粫r(shí)刻的風(fēng)速，隨機(jī)生成[0,1]之間的一個(gè)數(shù)fv,便可得到對(duì)應(yīng)的風(fēng)速。1.3光伏發(fā)電系統(tǒng)模型太陽(yáng)能已經(jīng)取之不盡,用而不竭,實(shí)現(xiàn)了綠色節(jié)約低碳環(huán)保,它們是一種新型的可再生能源。目前,太陽(yáng)能系統(tǒng)通過(guò)光伏發(fā)電、光熱發(fā)電兩種方法被廣泛地應(yīng)用于電網(wǎng)中,其中光熱發(fā)電成本過(guò)高,此篇文章主要研究了通過(guò)光伏發(fā)電的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。光伏混合發(fā)電成套系統(tǒng)主要由光伏和蓄電池板、光伏逆流器、變壓器和匯流箱組成，其組成如下圖所示：圖1.8光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖光伏光能發(fā)電技術(shù)系統(tǒng)主要原理是通過(guò)利用碳化硅與矽晶體光能半導(dǎo)體的光電驅(qū)動(dòng)效應(yīng)將大量輻射太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化成光伏電能,硅與矽晶體發(fā)光二極管的空洞pn-s區(qū)連接點(diǎn)聯(lián)結(jié)在大量輻射太陽(yáng)光的直接照射下從而直接產(chǎn)生負(fù)載電子-黑洞空穴相互作用耦合,同時(shí)負(fù)載電子在勢(shì)壘力和電壓的強(qiáng)大影響下,電子在空洞n-p小s區(qū)繼續(xù)聚集,空穴在空洞p-p小s區(qū)繼續(xù)聚集,p-p小s區(qū)和空穴n-s區(qū)分別連接形成負(fù)載電子的兩個(gè)正負(fù)極,在負(fù)載電池外部再重新添置并加上一個(gè)充電負(fù)載而使之形成的放電回路,回路中再次放電形成光能所生成的電流,電池其內(nèi)部輸出的電功率最大可以給所有負(fù)載電池提供大量電源。在光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成中,光伏電池是其核心。一般來(lái)說(shuō),光伏太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就是由多塊光伏電池進(jìn)行串聯(lián)或者是并聯(lián)而形成,因此,光伏太陽(yáng)能電池系統(tǒng)的最大輸出功率應(yīng)該等于全部光伏電池的最大輸出功率。光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸入和功率易于受到外部環(huán)境的干擾或者是干擾，外部環(huán)境中主要受到輻射傾斜度、光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等因素的影響。光伏電池板的設(shè)定角度影響著光伏組件的能源轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)我國(guó)所處的經(jīng)緯度，推斷出Hay模型在理想條件下的最優(yōu)輻射傾斜角。在最優(yōu)輻射傾斜角的條件下，光伏組件接收的輻射量為：（1.9）式中，和是指太陽(yáng)光直射到無(wú)角度平面的輻射強(qiáng)度和散射強(qiáng)度，代表有傾斜角度和無(wú)傾斜角度下直接輻射強(qiáng)度的比值，是無(wú)角度平面在真空下的輻射強(qiáng)度，是傾斜角的余弦值。光伏發(fā)電系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下,光照強(qiáng)度的多寡及其大小直接決定了光伏電池板的輸入和功率,在環(huán)境中溫度規(guī)律一定時(shí),光伏電池的輸入和功率成正比。例如,當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí),光伏電池板模塊的組件溫度也就會(huì)隨之發(fā)生變化,其輸入功率就會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生改動(dòng)。一般單晶體二氧化硅電池,溫度一旦升高,其最大的輸出功率將會(huì)逐漸減小。外界環(huán)境中的溫度和光伏動(dòng)力蓄電池構(gòu)成零件溫度之間的關(guān)系圖如下表所示:（1.10）式中：為光伏發(fā)電池組件的溫度；為環(huán)境溫度；為光照強(qiáng)度。在已知光伏電池組件溫度和光照強(qiáng)度的條件下，單塊光伏電池的輸出功率如下所示： （1.11）式中：為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件（STC）下，光伏電池輸出的最大測(cè)試功率；為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下（STC）的光照強(qiáng)度，通常取1000；為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件（STC）下光伏電池組件溫度，一般取25攝氏度；K為功率溫度系數(shù)，一般取值為-0.0047。由上述兩種方法我們可以得知,光伏電池的最終輸出能量和功率主要是依賴于環(huán)境的光照強(qiáng)度和溫度,其中,光照的強(qiáng)度主要受到了季節(jié)、天氣、時(shí)間等各種環(huán)境因素的影響,它們有著很大的隨機(jī)性和波動(dòng)性,但是在特定的時(shí)間段內(nèi)光照強(qiáng)度的近似性就服從貝塔分布,貝塔分布的概率密度函數(shù)表達(dá)式如下所示： （1.12）式中：為該特定時(shí)間段內(nèi)的最大太陽(yáng)光照射強(qiáng)度；為確定實(shí)際的光照強(qiáng)度，且滿足0<<，、為貝塔分布的形狀參數(shù)，可由該區(qū)域在同一個(gè)時(shí)間段內(nèi)實(shí)際光照強(qiáng)度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算得到。 （1.13） （1.14）取標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的光照強(qiáng)度為為1000，光伏電池組件溫度為25°℃，光伏電板的最大輸出功率為500kW，如果已知光照強(qiáng)度分布和光伏發(fā)電系統(tǒng)周圍的環(huán)境溫度，可根據(jù)式3.7、式3.8確定光伏電池板的出力。通過(guò)以上分析可得，在特定時(shí)段內(nèi)光照強(qiáng)度近似服從貝塔分布，根據(jù)光照強(qiáng)度的概率密度函數(shù)可利用蒙特卡洛法隨機(jī)生成某一時(shí)刻的光照強(qiáng)度，結(jié)合由氣象部門獲取該時(shí)刻的氣溫?cái)?shù)據(jù)可以確定該時(shí)刻光伏電板的出力。根據(jù)生產(chǎn)某一時(shí)刻的風(fēng)速方法，生產(chǎn)某一特定時(shí)刻的光照強(qiáng)度，再利用蒙特卡洛法生成[0，1]之間的一個(gè)隨機(jī)數(shù)，將其帶人貝塔分布反函數(shù)中得到與之對(duì)應(yīng)的光照強(qiáng)度。取某一確定數(shù)值，再根據(jù)蒙特卡洛法生成可以滿足貝塔分布的光照強(qiáng)度的分布曲線圖，如下圖所示：圖1.15光照強(qiáng)度分布曲線圖通過(guò)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T可以獲取某日光伏發(fā)電系統(tǒng)所在地的環(huán)境溫度，如下所示：圖1.16環(huán)境溫度的時(shí)間分布在已知光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度的分布情況下，利用光伏發(fā)電的出力模型便可得到光伏電池板的出力曲線圖，如下圖所示：圖1.17光伏出力曲線圖1.4蓄電池模型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)由于容易受到外部環(huán)境不穩(wěn)定的影響，具有很大的隨機(jī)性和波動(dòng)性，不利于并網(wǎng)運(yùn)行，如果將其直接并入微電網(wǎng)或者大電網(wǎng)中運(yùn)行，給微電網(wǎng)或者大電網(wǎng)帶來(lái)嚴(yán)重的不穩(wěn)定性和負(fù)擔(dān)。儲(chǔ)能系統(tǒng)由于自身能量的雙向流動(dòng)性，一定程度上可以緩解風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)帶來(lái)的不穩(wěn)定性、波動(dòng)，因此，儲(chǔ)能裝置在微電網(wǎng)系統(tǒng)中占據(jù)著重要地位。蓄電池可以作為一種儲(chǔ)能設(shè)備,當(dāng)我們使用的風(fēng)能、太陽(yáng)能等資源相對(duì)不足或者使用戶的電價(jià)相對(duì)過(guò)高時(shí),給大量負(fù)荷地供能,提高可再生型新能源的綜合利用效益,一定程度上緩解了風(fēng)力發(fā)電、光伏等各種發(fā)電的隨機(jī)性和波動(dòng)性對(duì)微電網(wǎng)造成的沖擊，有利于可再生新能源的并網(wǎng)運(yùn)行；當(dāng)風(fēng)能、太陽(yáng)能資源超過(guò)正常需求時(shí)，儲(chǔ)存過(guò)多的能量。目前市場(chǎng)上主要流行的蓄電池有鎳鎘蓄電池、鎳鐵蓄電池、鉛酸蓄電池、鈉硫電池等眾多電池，在這些蓄電池中，市場(chǎng)上使用最普遍的是鉛酸蓄電池。蓄電池快充是一種為供電系統(tǒng)持續(xù)供電而需要設(shè)計(jì)和進(jìn)行儲(chǔ)存的充電裝置,其主要的充電性能參數(shù)主要有含蓄電池容量、循環(huán)使用壽命、荷載放電變化狀態(tài)以及SOC。鋰離子動(dòng)力電池。該電池的容量為標(biāo)況下,蓄電池從100%的電量開始放電到達(dá)至終止值的電壓為止所能夠提供。（2）循環(huán)壽命。循環(huán)壽命一般用一個(gè)完整壽命期限內(nèi)蓄電池總充放電循環(huán)次數(shù)來(lái)衡量。其除了和自身的品牌特性有關(guān)之外還和蓄電池的使用方式密切聯(lián)系。（3）荷電狀態(tài)SOC。蓄電池的荷電狀態(tài)SOC是指蓄電池中現(xiàn)有的電量和最大電壓之間的比率。在一定條件下，一般把電池充滿電時(shí)，SOC=100%；當(dāng)把電池放盡電時(shí)，SOC=0%，實(shí)際工程應(yīng)用上為了盡可能延長(zhǎng)蓄電池的壽命，應(yīng)避免過(guò)度充放電，一般選擇在0.2-0.8之間，其計(jì)算模型如下： (1.18)式中：剩余電量、額定總?cè)萘?、放電電流分別是、、。蓄電池在1時(shí)刻的狀態(tài)與1-1時(shí)刻的剩余電量及t-1到t時(shí)刻的功率變化有關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)電量大于負(fù)荷電量時(shí)，蓄電池充當(dāng)負(fù)荷被充電；當(dāng)用電負(fù)荷大于系充發(fā)電總量且電池還具備放電能力時(shí)，蓄電池充當(dāng)電源，釋放電能。本文不考電池的自放電，其在t時(shí)刻的荷電量可按如下公式計(jì)算：(1)蓄電池放電構(gòu)成電源向外界釋放電能 (1.19)(2蓄電池充電充當(dāng)負(fù)荷向外界吸收電能 (1.20）式中：和分別為蓄電池在1和1-1時(shí)刻的電量；、為微網(wǎng)可提供的負(fù)荷及微電網(wǎng)所消耗的負(fù)荷；、為蓄電池的充、放電效率。由于蓄電池可以充電又可以放電，其運(yùn)行維護(hù)成本的計(jì)算模型如下： （1.21）式中：為運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用系數(shù)，為運(yùn)行維總費(fèi)用。1.5微型燃?xì)廨啓C(jī)模型微型燃?xì)廨啓C(jī)模具（MG）是一種同時(shí)提供電能和熱能的小型熱力發(fā)電機(jī)，它的出力范圍是25至300KW，其基本特性：利用葉輪機(jī)械、回?zé)嵫h(huán)工作。燃?xì)廨啓C(jī)不但可以在發(fā)電過(guò)程中做到燃燒后的廢熱回收再利用，也可以制冷和供熱。燃?xì)鈮嚎s渦輪增壓發(fā)電機(jī)組的主要工作結(jié)構(gòu)原理:利用葉輪式燃?xì)鈮嚎s機(jī)從外部直接加壓吸收燃燒空氣,壓縮后將其快速送入鍋爐燃燒室,同時(shí)將焚燒燃料快速噴射送到預(yù)熱鍋爐內(nèi)并與一定高溫下的壓縮空氣一起進(jìn)行加熱混合,在一定的低溫高壓下燃料即可成功進(jìn)行鍋爐燃燒。生成的各種高溫、低壓汽油煙氣經(jīng)過(guò)高壓蒸餾器加熱進(jìn)入汽輪燃?xì)獍l(fā)電汽輪后在發(fā)電機(jī)機(jī)內(nèi)膨脹后繼續(xù)作工,推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)的空氣動(dòng)力和大齒輪通過(guò)葉片向機(jī)內(nèi)高速旋轉(zhuǎn),廢氣被高速排入或送到自然大氣中或重新排放加以回收利用。微型燃?xì)廨啓C(jī)與光伏、風(fēng)機(jī)等發(fā)電具有極大的差異,其發(fā)動(dòng)機(jī)的容量與燃油消耗量密切相關(guān),是完全可以控制的,其特點(diǎn)與發(fā)電機(jī)組相近,并且可以進(jìn)行集中式調(diào)度。本文的計(jì)算模型選擇了市面上普遍使用capstone公司的c65型燃?xì)?/p>