含分布式电源的配电网潮流计算毕业设计(44页).doc

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1、-含分布式电源的配电网潮流计算毕业设计-第 44 页 毕业论文设 计 题 目： 含分布式电源的配电网潮流计 算 毕业论文含分布式电源的配电网潮流计算开题报告系部：专 业：学 生 姓 名：班 级：指导教师姓名：题目：含分布式电源的配电网潮流计算1. 结合课题任务情况，根据所查阅的文献资料，撰写1000字以上的文献综述。一、分布式发电方式的发展主要经历了三个阶段（1)早期的电力系统采用分布式发电方式即在负荷附近建立小型容量发电厂，主要是由于当时技术不发达，用电量低；（2）20世纪初，随着负荷的增加和技术的进步，大机组、大电网、高电压为主要特征的集中式单一供电系统成为主流发电方式，它的大容量、巨型化

2、发电能够满足当时社会的发展和用户的需求。但是，近年来屡屡发生的电力危机及大面积停电事故，暴露出庞大的电力系统存在“笨拙”而又“脆弱的缺点”。（3)到了20世纪中晚期，人们认识到灵活、可靠的发电方式的重要性，于是分布式与集中式相结合不仅能够克服集中式单一供电的缺点，而且还能够满足日益增长的能源需求以及解决环境污染问题。自上个世纪90年代以来，可再生能源得到了快速发展，世界上很多国家都将可再生能源作为能源政策的基础，且分布式能源的发展被世界各国认为是可持续发展的标尺。二、分布式发电前景在美国、欧洲的一些国家，他们的工业发达，用电负荷大，分布式电源的发展比中国要早一些，但发展也属于初始阶段。近年来我

3、国政府高度重视可再生能源的利用开发，将“能源总量控制”的重点集中在煤炭总量的控制，并纳入“十二五”能源规划，这标志着分布式发电在我国将达到一座新的里程碑。可再生能源“十二五”规划提出了 “十大可再生能源重点工程”，其中包括千万千瓦级风电工程、可再生能源示范城市等。预计建设目标：风机装机目标9000万kW （含海上风电500万kW ），电量1800亿kWh。天然气分布式能源装机5000kW。生物质能装机容量将达到1300万kW，电量650亿kWh。太阳能发电将达到500万kWh，发电量75亿kWh。分布式发电在我国未来的发展方向：以分布式多联供技术为核心，结合可再生能源构建“小型化区域能源网络”

4、，形成智能电网与智能冷热气网互补的多能融合方式；区域型能源系统的优势在于可以提高能源利用率，通过引进高效热电机组，实现了电、燃气、热、冷的最优匹配；实现建筑物之间、企业之间的连接和能源共享，有效融入一些清洁能源，如：太阳能发电、生物质发电、地热利用等，从而有效的抑制二氧化碳排放。如今我国正在经济高速发展的时期，如何合理的开发利用可再生能源和新能源且提高能源的利用率，同时加强环境保护等是我国能源工业实现可持续发展、支持国家现代化建设的关键所在。三、分布式发电研究趋势分布式发电(distributed generation，DG)接入配电网后，改变了系统潮流的特性，对系统网损和稳态电压分布产生了很

5、大的影响。含分布式发电的系统潮流与分布式发电的接入位置、负荷大小以及网络拓扑结构等因素有关。含分布式发电的潮流计算常用来评估其并网后对系统的影响，同时它也是分析分布式发电对电网静态稳定性影响等其它理论研究工作的基础。因此有必要对含配电网潮流计算方法进行深入研究。分布式发电作为国际上电力系统的一个前沿研究方向，对其研究的重点集中在其对电力系统的影响上。含分布式电源的配电网潮流计算方法的研究主要是对不同类型的分布式电源建立模型，使之能够模拟到已有的计算方法中去。它的未来研究趋势是：使得算法能够处理含不同性能的分布式电源在不同运行状态的系统，计算过程更高效、通用性更好。四、本文所做的主要工作有 （1

6、）查阅相关文献，了解现今分布式电源配电网潮流计算的最新状况，形成论文构思； （2）总结归纳经典含分布式电源的配电网潮流计算方法，包括阐述各种计算方法的理论基础和计算步骤，分析各自的优点、缺点、适用范围；（3）详细描述不同分布式电源在潮流计算中的数学模型、节点处理，以及含分布式电源的配电网潮流计算方法，包括配电网潮流计算、含分布式电源的的配电网潮流计算、整个配网潮流计算过程的流程图等；（4）利用软件实现上述方法；（5）算例验证所上述方法的有效性。五、主要文献资料1 梁有伟，胡志坚，陈允平.分布式发电及其在电力系统中的应用研究综述J.电网技术，2003.2 王志群，朱守真，周双喜等.分布式发电对配

7、电网电压分布的影响J.电力系统自动化，2004.3 杨华，吴政球，涂有庆，等.分布式发电及其并网技术综述J.电网技术，2008.4 陈海焱，陈金福，段献忠.含分布式电源的配电网潮流计算J.电力系统自动化，2006.5 Michelangelo Celozzi.分布式发电及其与电网的关系J.能源工程，2003.6 江兴月.含分布式电源的配电网潮流和短路统一分析方法D.天津：天津大学，2007.7 代凤仙.分布式电源对配电网保护的影响分析及对策J.天津：天津大学，2008. 8 白明，许敏，崔新雨，董红海.基于可再生能源的分布式发电技术的应用及前景M.研究探讨，2008.9 Naveen Jain

8、，文福拴.分布式发电当前趋势与将来挑战.电力科学与技术学报，200810 罗建中.分布式微型电网并网研究D.长沙：湖南大学，2009.11 杨文宇，杨旭英，杨俊杰.分布式发电及其在电力系统中的应用研究综述J.电网与水力发电进展，2008.12 王志群，朱守真，周双喜，分布式发电对配电网电压分布的影响J.电力系统自动化，2004.13 彭彬，刘宇，吴迪.配电网潮流计算中的分布式电源建模M.电力系统及其自动化学报，2011.14 李丹，陈皓勇.分布式电源混合并网的配电网潮流算法研究D.华东电力，2011.15 张立梅，唐魏.计及分布式电源的配电网前推回代潮流计算J.电工技术学报，2010.16 赵

9、晶晶，李新，许中.含分布式电源的三相不平衡配电网潮流计算M.2009.17 李新，彭怡，赵晶晶等.分布式电源并网的潮流计算M.电力系统保护与控制，200918 Shi qiong Tong and Karen Miu.A Participation Factor Model for Slack Busesin DistributionSystemswith DGs.IEEE.2003.19 杨桂恒，强生泽，张颖超，郑勇.太阳能光伏发电系统及其应用J.北京：化学工业出版社，2011.20 冯垛生，王飞.太阳能光伏发电技术图解指南J.北京：人民邮电出版社，2011.21 O. Wasynczuk.

10、 Modeling and Dynamic Performance of a Line-commutated PhotovoltaicInverter System, IEEE Transactions on Power Conversion, Vol. 4, No.3,September 1989.22 L Zhang, A Al-Amoudi, Yunfei Bai. Real-time Maximum Power Point TrackingforGrid-Connected Photovoltaic Systems, Power Electronics and Variable Spe

11、edDrives, September 2000.23 周德佳，赵争鸣，吴理博等.基于仿真模型的太阳能光伏电池阵列特性的分析M.清华大学学报（自然科学版），2007.24 ShigenoriNaka,Takamu Genji,Yoshikazu Fukuyama.Practical Equipment Models for Fast Distribution Power Flow Considering Interconnectionof DistributedGenerators.inPowerEngineeringSocietySummerMeting. 2001.25 衣宝廉.燃料电池现

12、状与未来J.电源技术，1998.2. 选题依据、主要研究内容、研究思路及方案。一、选题依据 由于分式电源的引入，电源的节点类型出现了 PQ、 PI、 PV、 PQ(V)节点，传统的牛顿拉夫逊算法已不再适用，于是提出了一种改进的前推回代算法。二、 主要研究内容 1.研究不同种类的分布式电源（如光伏发电、风力发电、微型燃气轮机、燃料电池）的不同供电原理并建立相应的并网数学模型。 2.给出了各种分布式电源的处理方法，同时给出了 PV节点处理方法，根据PV节点迭代电压不变性和PV节点有功功率不变性，求解PV节点注入电流。 三、研究思路及方案： 首先，分析了分布式电源的工作原理和运行方式，并根据它们并网

13、的特点分别建立各自的数学模型；其次，对分布式电源并网时归为哪一类节点进行了理论分析，并对不同类型的分布式电源进行等效处理。在IEEE 33系统中进行了实例计算，计算数据表明本文提出的算法能够统一处理各种分布式电源。3.工作进度及具体安排。第一阶段：下达毕业任务，熟悉要求，查找资料。 第二阶段：查阅图书资料，收集相关电机设计资料图。 第三阶段：完成研究内容得出设计方案。 第四阶段：撰写论文。 第五阶段：毕业论文的验收答辩。4.指导教师意见（对课题方案的可行性、深度、广度及工作量的意见）。指导教师： 年 月 日5.教研室意见教研室主任： 年 月 日说明：开题报告作为毕业设计（论文、创作）答辩委员会

14、对学生答辩资格审查的依据材料之一，此报告应在指导教师的指导下，由学生填写，将作为毕业设计（论文、创作）成绩考查的重要依据，经指导教师审查后签署意见生效。摘 要 在分布式电源系统当中，主要是它和大电网的供电系统起到了一个相互补充和协调的作用，主要是利用了现有的综合设备以及资源，从而可以给用户提供一个更为良好的并且可靠的电能应用方式。因为分布式电源通过了并网以后，它对于在各个地区的电网运行和在其结构当中都发生很大的变化，有一定的影响，所以，分布式的电源潮流计算就能起到了一定的作用，这也是作为评估的重要方式之一，作为优化电网运行重要的理论基础，通过长期的研究证明，技术已经较为成熟，有利于电网长足的发

15、展。现在，新能源开发利用的分布式发电技术已经成为了电力工业一个新的研究热点。目前，国内外在研究基于分布式电源的潮流计算方法主要围绕在牛顿拉夫逊法（newton-raphson method，NR）、前推回代法、高斯Zbus 3 种方法。在配电网潮流计算方面，本文分局接口的模型的不同将DG分为PQ,PV,PI和PQ(V)等四种节点类型，并为每种节点类型DG建立了潮流计算模型。在传统潮流计算方法的基础上，结合各点类型DG的潮流计算模型，提出了适用于含不同类型DG的配电网潮流计算方法，并以IEEE33算例验证了算法的可行性。关键词：配电网，分布式电源，潮流计算ABSTRACT In the dist

16、ributed power system, mainly it and large power grid power supply system to a mutual supplement and coordination role, mainly is the use of existing integrated equipment and resources, and can provide users with a more good and reliable electricity can be used.Because of the distributed power supply

17、 through the grid after it for power grid operation in various regions and in the structure have taken place great changes, certain influence, so distributed power flow calculation will be able to play a certain role, it is also regarded as one of the important ways to evaluate the, as an important

18、theoretical basis for power grid operation optimization, through long-term research proof, technology has been more mature, is conducive to the rapid development of the grid. Now, new energy development and utilization of distributed generation technology has become a new research focus in the power

19、 industry. At present, research at home and abroad based on distributed power flow calculation method mainly focus on Newton Raphson (Newton-Raphson，NR), forward and backward substitution method, ZBUS Gauss 3 kinds of methods. In terms of power flow calculation, this paper divides DG into PQ, PV, PI

20、 and PQ (V) and other four kinds of node types, and establishes the power flow calculation model for each node type DG. In the traditional power flow calculation method based on, combined with the trend of the type of DG calculation model, is proposed, which can be used with different types of DG di

21、stribution network power flow calculation method, and the IEEE 33 examples to verify the feasibility of the algorithm.Keywords: Distribution Network, Distributed Power Supply, Power Flow Calculation目 录摘 要IIIABSTRACTIV目 录V第一章 绪论71.1选题背景及意义71.2含分布式电源的配电网研究的现状81.2.1 分布式电源的发展及应用概况81.2.2 分布式电源的潮流算法研究现状91

22、.3本文主要工作10第二章 分布式电源的建模102.1 太阳能光伏发电112.1.1 光伏发电的工作原理112.1.2 光伏发电的模型112.2 燃料电池142.2.1燃料电池的工作原理142.2.2 燃料电池的模型152.3 风力发电152.3.1 风力发电的工作原理162.3.2 风力发电的模型16第三章 配电网潮流计算183.1 配电网潮流计算的概述193.1.1 配电网潮流计算的基本要求193.2基于回路分析法的配电网潮流计算203.2.1回路分析法基础203.3基于回路分析法的潮流直接算法21第四章 含分布式电源的配电网潮流计算234.1分布式电源的模拟244.1.1 PQ恒定型分布

23、式电源244.1.2 PI恒定型分布式电源244.1.3 PQ(V)分布式电源254.1.4 PV恒定型分布式电源254.1.5 分布式电源的处理方法264.2含DG的潮流计算方法274.2.1 配电网拓扑结构的矩阵描述274.2.2 潮流算法的实现284.2.3 潮流算法的流程304.2.4 含DG配电网潮流计算方法的实现314.3算例分析32结 论33参考文献34附录36致 谢37第一章 绪论1.1选题背景及意义随着负荷的快速增长以及电力市场的逐步推行，传统的集中式发电已经不能满足当今社会对电力及能源供应的需求。近些年来，集中式发电受到它自身缺陷的限制，对电力供应的稳定和安全带来了不可忽视

24、的影响。为了解决这类问题，我们找到了一种可靠、灵活、高效、经济的发电方式，即分布式发电技术。分布式发电与集中式发电相结合将是21世纪电力工业的优先发展方向。其不但可以解决集中式发电投资大、建设周期长、调节不灵活及事故范围大等弊端，还能使得日益枯竭的能源危机和环境污染得到了较大的改善。 分布式发电技术通常是指发电功率在数千瓦至数百兆瓦的小型模块化且分散布置在用户附近的高效、可靠、清洁、可持续发展的发电技术1。分布式电源(Distributed Generators, DGs)主要包括微型燃气轮机(Micro-turbines)、燃料电池(Fuel Cell)、光伏发电和风力发电等一些新能源领域。

25、按发电能源是否可再生，可将其分布式发电分为两类：一类是用不可再生能源的分布式发电，主要是采用化石燃料作为能源；另一类是用可再生能源的分布式发电，它不会造成污染，属于绿色电力。比如：风能、太阳能都是取之不尽用之不竭的自然资源，其他分布式发电装置使用的大多数如：天然气、沼气、生物质能等清洁燃料，而传统发电燃料主要是以煤为主；这些装置还应用了现代污染物控制技术，从而控制废水、废渣等的排放量。此外，分布式电源的开发、研究和建设，还有如下重要的意义： （1）因为城市的大规模发展，使得新的配电线路走廊开辟越来越困难，而直接在用户旁安装分布式电源是一种很有效的替代方案。 （2）对于偏远地区，可以依靠当地丰富

26、的自然资源，从而选择合理的分布式发电方式能够有效的节约筹建投资大的电网。分布式电源设备，无论是燃气轮机还是内燃机，都可以供电、供热（冷）服务，能够解决边远山区、矿区、旅游区的用电问题。 （3）随着电力市场的逐步推行，用户对供电可靠性、电能质量以及电价的关注日益增加，而采用分布式发电则有利于降低用户电价，提高电能的质量和供电的可靠性，同时满足用户多方面的要求，为用户用电提供更多的选择。 （4）分布式电源已经成为了一种以电网最大经济为目的调频、调峰的手段，不但可以利用储能设备的储电能力实现补峰填谷和调频，还还可以利用它来控制电网高峰和低谷时的发电功率（除可再生能源外）。 （5）随着经济的快速发展和

27、人民生活水平的不断提高，从而促进了电力负荷的快速增长，导致了某些地方出现了比较严重的电力缺口。如果采用集中式发电来平稳渡过这一时期是不可能的，但分布式电源具有投资小、建设周期短等优点就可以满足电力负荷增长后的要求。 （6）伴随新型发电技术和新型储能技术的发展，分布式电源（除可再生能源外）采用热效率在65%-95%的设备，增加了能源利用率，从而减少了对一次能源的消耗。 因为分布式电源的引入，从而电源的节点类型出现了 PQ、 PI、 PV、 PQ(V)节点。另外，因为系统中还有PV节点及少量环网的存在，使得基于传统的辐射状网络的前推回代算法已经不再适用。 含分布式电源的配电网潮流计算的功能是计算线

28、路中的功率和电压，但有时也用来评估其并网后对配电系统所产生的影响，而且是分析分布式电源对电网静态稳定性影响等其他理论研究工作的基础，因而研究含分布式电源的配电网潮流计算具有一定的理论意义和实用价值。1.2含分布式电源的配电网研究的现状1.2.1 分布式电源的发展及应用概况 分布式发电方式的发展主要经历了以下三个阶段。 （1)早期的电力系统是采用分布式发电方式，在负荷附近建立小型容量发电厂，为用户提供小规模电源。这主要是因为当时技术不发达，用电量低；（2）20世纪初，随着技术的进步和负荷的增加，大机组、大电网、高电压为主要特征的集中式单一供电系统成为了主流的发电方式。它的大容量、巨型化发电能够满

29、足当时社会的发展和用户的需要。但是，由于近年来屡屡发生的电力危机和大面积停电事故，从而让我们深深地意识到庞大的电力系统存在既“笨拙”又“脆弱”的缺点。（3)到了20世纪中晚期，由于用电需求的大量增加，人们愈加了解灵活、可靠的发电方式的重要性，于是分布式与集中式相结合，不但能够克服集中式单一供电的缺点，而且还能够满足日益增长的能源需求和解决环境污染问题。自从上个世纪90年代以来，可再生能源已经得到了快速发展，世界上有很多国家都将可再生能源作为能源政策的基础，且分布式能源的发展被世界认为是可持续发展的标尺。而在美国，分布式发电的输出功率在20kW到10MW之间的市场已达11亿美元。在美国加利福尼亚

30、州的分布式电站发电量已经达到4GW-5GW ，并且在2010年将20%的新建办公、商用建筑都使用“热电冷三联产系统功能模式”，对5%的现有办公、商用建筑进行适当的改造。印度则在2012年可再生能源发电比例将要超过10%。欧盟各国以可再生能源为主体的分布式发电的发展更受到瞩目。丹麦将资源消耗、经济发展和环境保护这三方面进行了有机结合，在世界上成为可持续发展国家中的典范。现在，丹麦已经投建了15家大型生物直燃发电厂，提供全国约5%的电力供应，且年消耗农林废弃物近150万吨。近些年来，德国利用风能、太阳能、沼气、地热、水利等可再生能源发电、供热共2000亿kWh，占据能源供应市场份额的7.7%，能够

31、满足约1000万家庭的日常供电需要。日本不但是亚洲能源利用率最高的国家，而且在全世界也位居前列。日本的分布式发电是以热电联产和太阳能光伏发电为主，总装机容量约为3600万kW，占全国发电总装机容量13.4%。据相关资料显示，日本在2009年全球天然气贸易中所占比例大约为35%，成为了全球第二大液化天然气消费国。在美国、欧洲的一些国家，虽然他们的工业发达，用电负荷大，分布式电源的发展要比中国要早一些，但发展也还在初始阶段。近年来我国政府高度重视可再生能源的利用和开发，将“能源总量控制”的重点集中在煤炭总量的控制上，并纳入“十二五”能源规划，这标志着分布式发电在我国将达到一座新的里程碑。经过多年的

32、发展，我国可再生能源的开发利用已取得了很大进展。从风电资源开发来看，2003年底，全国并网风力发电装机容量为56.9万千瓦，风电装机容量位居世界第10位，已经基本掌握单机容量750千瓦以下大型风力发电设备的制造能力，正在开发兆瓦级的大型风力发电设备。从太阳能技术发展来看，到2003年底，全国太阳能热水器使用量达到5000万平方米，占全球使用量的40%以上。太阳能热水器生产量达1000万平方米，全真空玻璃管热水器在世界市场上占据主导地位。从沼气利用来看，我国的沼气技术开发始于上世纪50年代，70和80年代得到大规模发展，主要用于满足农村居民生活用能。全国有户用沼气池1000 多万口，年产沼气约3

33、0亿立方米。已建成大中型沼气工程1900多处，年产沼气约12亿立方米。 尽管我国可再生能源产业发展取得了很大进展，但与发达国家相比还有很大的差距，还远远不能适应我国能源发展战略的要求。可再生能源发展缓慢客观上是风力发 电、太阳能发电的成本难以与化石能源去竞争，但从国外的经验来看，关键是促进可再生能源发展的政策力度不够所至。发展可再生能源利在社会，意在长远，可再生能源很难与常规能源在市场上竞争，因此必须通过辅以特殊的能源政策，反映国家的意志，促进可再生能源的发展。如今我国正在经济高速发展的时期，如何在合理的开发利用可再生能源和新能源提高能源的利用率，同时加强环境保护等是我国能源工业实现健康可持续

34、发展、支持国家现代化建设的关键所在。1.2.2 分布式电源的潮流算法研究现状分布式发电作为国际上电力系统的一个前沿研究方向，对其研究的重点集中在其对电力系统的影响上。含分布式电源的配电网潮流计算方法的研究主要是对不同类型的分布式电源建立模型，使之能够模拟到已有的计算方法中去。它的未来研究趋势是：使得算法能够处理含不同的分布式电源在不同运行状态中同时运行的系统，计算过程更高效、通用性更好。在近年国内外的相关文献中，研究主要的问题有： （1）分布式电源模型的建立。因为分布式电源的潮流计算模型和传统发电机组计算模型不同，使得传统的潮流计算方法不能够适用于含分布式电源的配电网。传统的发电机节点在潮流计

35、算中一般取为PQ节点、PV节点或平衡节点。而分布式电源具有特殊性，其节点能否取为这3种类型需要全面考虑。正是因为各种分布式电源的运行方式和控制特性的不确定性，才使得在潮流计算中如何选取分布式电源的节点类型有待研究。现在最常用的方法是通过对不同类型的分布式电源分别建立模型，使得分布式电源可以用通用的形式加入到配电网系统的潮流计算中去。 （2）含分布式电源配网潮流计算的算法研究。在直接法的基础上，结合分布式电源本身的特点，文献14提出了一种基于灵敏度矩阵的补偿算法，该算法能够处理PV节点，并且还釆用了系统节点阻抗矩阵中的元素组成了灵敏度矩阵，使得求取过程简便。 文献把分布式电源的PV、 PQ(V)

36、以及PI节点转换为前推回代法可处理的PQ节点。考虑到PV节点难于转化为PQ节点，文献15提出了快速网络搜索法，对戴维南等值阻抗矩阵进行改进，通过形成与PV节点相关的节点阻抗矩阵的部分元素来修正PV节点注入的无功功率。文献16针对前推回代法对PV节点和环网失效的问题，提出了依据节点电阻矩阵、节点电抗矩阵及电压偏差对PV恒定型分布式电源和环网断点功率修正方法。1.3本文主要工作本文第一章主要叙述了选题背景和分布式电源的配电网的前景和研究意义。第二章介绍了各种分布式电源。第三章介绍了配电网的基本算法，并比较了其中的优劣性。第四章在含分布式电源配电网潮流计算方面，本文分局接口的模型的不同将DG分为PQ

37、, PV, PI和PQ(V)等四种节点类型，并为每种节点类型DG建立了潮流计算模型。在传统潮流计算方法的基础上，结合各点类型DG的潮流计算模型，提出了适用于含不同类型DG的配电网潮流计算方法，并以IEEE33算例验证了算法的可行性。第二章 分布式电源的建模2.1 太阳能光伏发电太阳能是由太阳中的氢经过聚变而产生的一种能源，它分布广泛，可自由利用，取之不尽，用之不竭，是人类最终可以依赖的可持续的能源之一。太阳能是以辐射的形式每秒向太空发射3.8l019MW能量，其中有22亿分之一的能量投射到地球的表面上。地球上一年接受到的太阳辐射能高达1.8l018kWh，是地球能耗的数万倍，由此可见太阳的能量

38、有多么巨大。现如今由于能源短缺和环境污染，各国都开始迅速大力发展光伏发电技术。美国提出“太阳能先导计划”意在降低太阳能光伏发电的成本，使其2015年达到商业化竞争的水平；日本也提出在2020年达到28GW的光伏发电总量计划；同时我国也大幅增加对光伏发电的投入，并降低光伏发电并网价格，等等显示了发展光伏发电已经成为全世界各国解决能源与经济，环境之间矛盾的最有效的途径之一。2.1.1 光伏发电的工作原理在自然界中，根据导电性能和电阻率的大小，可以将物体分为三类：导体、半导体和绝缘体。其中在阳光下的半导体p-n结器件光电转换效率最高，即在半导体吸收光能后，在其内部可以传导电流的载流子分布和浓度都将发

39、生改变，由此产生出电流和电动势的效应。当太阳光照在半导体p-n结上形成新的空穴-电子对时，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向P区，电子由P区流向n区，接通电路后就形成电流。光伏电池正是利用了半导体材料的光电特性，把光能直接转换成电能。光伏发电系统可分为两种类型：（1）独立运行的光伏发电系统；（2）并网运行的光伏发电系统。独立运行常用于小容量用户或无电地区，需要提供蓄电池等储能设备；并网运行主要用于大容量用户如公用建筑、住宅等，一般都是自发自用，可以不带储能装置，但必须和商用电网联网，在国家电网允许的情况下将多余的电向电力公司出售电力。其中并网运行的光伏发电系统又分为标准型（不能切换为独立型

40、）和防灾型（可切换为独立型），显而易见的是并网运行的光伏发电系统已经成为光伏发电的发展趋势。通常情况下，配电网是利用并网型光伏发电的有功功率，也就是说把太阳能通过光伏组件转换为直流，然后通过汇流箱和直流配电柜，经过逆变器将直流电转换为交流电输出，再通过变压器将电压升压输入更高电压的配电网中。然而在一些特定的情况下，可以损失一部分输出的有功功率来控制逆变器对配电系统进行无功优化，使得电网运行更加的经济和稳定。2.1.2 光伏发电的模型为了更有效的分析光伏电池的发电性能以及计算配电网的潮流数据，建立了一种常见太阳能光伏电池的数学模型。通过这些数学关系表达式，可以反映出太阳能光伏电池各项参数的实际变

41、化规律，图2.1为硅太阳能电池实际的等效电路。图2.1硅太阳能电池实际的等效电路通过电路分析可以得到一个光伏电池的数学模型： (2.1)其中 (2.2) (2.3) (2.4)式中参数见表2.1。光伏方阵是由大量的光伏组件串联或者并联组合而形成的。光伏组件串联可以升高系统的最高输出直流电压；而采用光伏电池并联则可以升高系统的最高输出直流电流。因而，若想得到最高输出直流电压或者最高输出直流电流就可以对光伏电池进行串、并联组合。于是就可以获得光伏组件的输出特性方程： (2.5) (2.6)其中：n为串联电池数，m为并联电池数，上述公式参数解析详见表2.1。光伏发电系统一般是自发自用，而多余的电力则

42、经过入网许可之后，可以并入国家电网公司和电力公司，将其多余电力卖给他们。但通常来说，最好是能够自发自用的光伏电站，因为远距离传输电力的技术发展还不是十分成熟。所以需要我们在建造光伏电站之前，需要考虑附近是否有需要其相应规模的用户需求。表2.1 光伏电池等效电路参数表参数名称描述电子的电荷量=1.610-19 （C）理想因子（1.53）太阳能电池的等效串联电阻太阳能电池的等效并联电阻基准温度=301.18( K)短路电流温度系数=0.0017( A)环境温度(0C)电池温度(K)硅原子频带间隙的能量(l-3eV)太阳能电池的输出电流太阳能电池的输出电压光生电流玻尔兹曼常数=1.3810-19风速

43、(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=19.9693l0-6(A)电池短路电流=3.3( A)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： (2.7)其中：为光伏阵列的输出功率，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；（2） 若采用电压控制型策略，则为输出的有功和电压均

44、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2.2为光伏发电并网示意图。图2.2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进行反应并排除反应产物，而且还要排出大量的废热来保持燃料电池工作温度的稳定程度。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。适用于分布式电源应用的FC有质子交换膜燃料电池

45、(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。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： (2.8)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： （2.9） 2.2.2 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。并网燃料电池发电站常见等值电路如图2.3所示。图2.3燃料电池发电站并网的等值电路图图2.3中：为电池输出的直流电压；为电池的内阻；为换流器的调节指数；为换流器点燃角（或超前角）；为换流器输出的交流电压；了为变压器等值电抗；为系统母线电压；与为电压的相角，且满足。幅值与有如下关系式：。由图和式可以推出下式： (2.10) （2.11）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、来控制有功和无