微网中分布式发电系统模型
2.1 引言
微单网中的分布式发电系统，是一种能够进行能量转换并处理控制的系统，与传统的发电厂相比，微电网内的分布式发电单元不仅种类繁多且各自的控制方式也不同，不可能能对每一种有可能并入电网的分布式电源都给出描述，所以本章对于典型的分布式系统进行研究建模。本文研究的离网型微电网的基本结构如图2-1：
图2-1 离网型风光柴储微电网结构
本文的研究中考虑的分布式系统为风力发电系统、光伏发电系统、柴油发电机系统、蓄电池系统。通过对以上分布式电源的研究，建立其各自出力模型，为调度模型建立基础。
2.2 风力发电系统
2.2.1 风力发电系统概述
风能是空气流动产生的能量。风能的密度以及分能年均可积累的小时数决定了风能资源的大小。风能的开发以及利用在近年来得到了发电行业极大的关注。风能具有如下优点：
(1)风能为洁净能源，绿色环保，无污染；
(2)风能的相关发电设备日趋进步，并且可以大量的生产、降低发电成本。如果安装的地点合适，风力发电成本低于其他类型发电机；
(3)风能可以满足长远能源发展需求。
其缺点如下：
(1)风能具有间歇性和波动性，无法储存（除非转换为其它形式的能量），风能也无法被驾驭以满足负荷曲线；
(2)风力发电站建设往往远离城市以及负荷中心；
(3)风力发电机运行时产生巨大的噪音会造成声污染。
能够将目标区域的风的动能通过某些装置进而转化成电网所需要的电能的系统称作风力发电系统，随着电力系统的不断发展，与微电网相关的大量风力发电系统已经经过研究投入实际运行，经过大量的研究，目前已经有许多种类的风力发电机[37]。风力机的早期形式是异步电动机，异步电动机的发电方式是将已经产生的电能通过变压器输入电网。但是电力电子技术不断发展，异步发电机的逐渐被同步发电机取代，同步电动机的应用日益增多。
2.2.2 风机输出功率模型
风力涡轮机(WT)的电能是通过存在于地球表面的风能转化而来，风力涡轮机的叶片可以捕捉到风能并转化为机械能，在风机内部机械能被机械驱动系统传输到发电机，之后获得机械能的发电机将其转化成为磁能进而转化为电能，根据Bates理论，风轮上能够通过的能量最大值可以通过下式表示：
（2-1）
在上式中左边的Pm 表示为风力涡轮机的输出功率；在等式右边的ρ 表示在该时刻该地点的空气的密度；风力涡轮机臂展的半径表示为 R 。输出功率时的实际风速是v 。Cp 表示是风能的利用率。根据Bates的极限理论表示，该系数的最大值一般是0.593.
风力机运行中有三种重要的风速：切入风速、额定风速和切出风速。当实际风速大于接入风速时，风机开始工作；能够使风力发电系统达到额定功率的风速叫做额定功率，如果实际的风速高于额定的风速，则风力发电机会为了保护自身而停止工作，使风力发电机停止工作的速度叫做切出风速。官方给出了各类型风机的输出功率曲线，利用相关资料，通过多项式拟合得到风力发电机功率特性方程如下：
（2-2）
式中，PWT 为风速为v 时风机的实际功率；Prated 为风机的额定功率；v 为风机轮毂高度处的风速；vi 、vr 、vc 分别为风机的切入风速、额定风速、切出风速。
2.3 光伏发电系统
2.3.1 光伏发电系统概述
太阳内核聚变反应产生的能量被称作太阳能，是一种洁净能源，其开发和利用几乎不会产生任何污染，根据统计来看，我国大部分的地区的太阳能资源丰富，且我国的太阳能资源在世界上也是名列前茅，年总的辐射量能够达到930至2330kWh每年，从长期来看，太阳能具有明显的经济价值。
2.3.2 光伏发电系统等效模型
光伏电池的内部实际损耗可以通过在等效理想模型中增加串并联的电阻来模拟，等效电路如下[38]：
图2-2 光伏电池单二极管等效电路
理想的光伏电池，它的等效的并联电阻Rsh 很大，但是等效串联电阻Rs 很小，因此在实际工程应用中往往忽略不计。
光伏电池的输出特性如下式：
（2-3）
（2-4）
式中，I 表示的是能够让光伏电池正常工作的电流；Iph 表示的是光生电流；在图中的二极管处也会有一个电流Id ；当光伏电池正常工作时其电压为V 。Rs 、Rsh 分别为串、并联电阻；I0 是反向饱和电流；T 是电池温度。k 为玻耳兹曼常数；q 为电子电荷量；n 为二极管的特性因子。
2.3.3 光伏发电系统出力模型
由于光伏发电单元的功率会收到一些自然条件例如天气、温度等影响，因此光伏发电单元的实际输出功率是一个非线性的，所以有关于光伏发电的研究中需要研究最大功率点的相关跟踪方法。
（2-5）
式中，fPv 为光伏发电系统的功率降额因数，可以理解为实际功率除以输出功率的值。；Prate 为光伏发电系统的额定功率，为标准测试条件（STC）下的输出功率；A 为实际辐照度；As 为标准辐照度；αP 为温度系数；T 为当表面温度；TSTC 为标准温度。
通过式（2-5），可以看出光伏电池的功率主要由温度以及辐照强度来决定，一年中每天的光照强度以及温度都是不确定的，但是光伏发电的安装成本以及发电成本都很低，因此在微电网系统中也应该将光伏发电系统首先考虑，最大限度地提高发电量。
2.4柴油发电机系统
2.4.1 输出功率与油耗量关系模型
柴油发电机油耗量 F 与输出功率 Pgen 的关系可用下式表示为:
（2-6）
式中，发电机额定功率为Ygen ；F0 为柴油发电机的燃料曲线截距系数；F1 是发电机的燃料曲线斜率。一般来说考虑功率裕度的情况下，发电机的负荷会保持在0.3-0.75之间。
2.4.2 输出功率与燃料费用关系模型
（2-7）
式中，fPgen 是柴油发电机每小时的燃料费用，单位是元/h；a 、b 、c 都是成本函数的系数；Pgen 是输出功率
2.5 储能系统
2.5.1 储能系统性能比较及控制策略
在微电网的发电系统中，相关的大部分发电系统的资源为可再生资源，但是可再生资源的处理不稳定，为了平滑整个系统输出的稳定性，需要增加储能系统作为一个缓冲。在自然资源十分富足的情况下，微电网的发电量较大，富足的电能可以通过微电网系统中的储能单元储存起来；在自然资源匮乏的情况下，储能单元中储存的能量被释放，以补偿微电网所需的能量，从而保证微电网的平衡和稳定控制。因此，在微电网系统中储能系统十分重要，尤其是储能系统在保证无间断供电、提高电能质量和微电网稳定控制等方面发挥着重要作用。储能系统的主要作用如下；
(1)对于风能、太阳能等可再生能源，由于其间歇性，相关发电系统的出力也会随时发生变化甚至停止。
(2)在分布式电源出力波动很大很快的情况下，能够快速的稳定分布式发电系统的输出，对系统起到稳定作用。
(3)使不可调度的分布式电源作为可以调度的机组并网运行。
下表列出了目前一些主流的储能单元。
表2-1 目前主流的储能系统性能比较
| 储能器件 |
飞轮储能 |
超级电容 |
超导储能 |
蓄电池 |
| 能量密度(Wh/kg) |
5-50 |
1~10 |
<1 |
20~100 |
| 功率密度(W/kg) |
180~1800 |
7000~18000 |
1000 |
50~200 |
| 储能寿命(次) |
100 |
>100 |
106 |
100 |
| 储能效率(%) |
90~95 |
>95 |
90 |
80~85 |
| 成本 |
4 |
8 |
20 |
1 |
| 需维护性 |
较高 |
非常低 |
高 |
低 |
| 环境污染 |
低 |
低 |
低 |
高 |
| 安全性 |
不高 |
高 |
低 |
高 |
由于微电网系统与大电网系统特点不同，所以对于储能设备的要求较为特别，主要要求为：功率密度大、速度快、能量密度大、对环境的适应性好、效率高、环境友好。蓄电池（Storage Battery，SB）在微电网中引用最广泛，其安装和造价都比较低，应用灵活，既可以与每一个发电系统联合使用，也可以当作总储能装置。因此，蓄电池在微电网储能系统中得到了广泛的应用。其中，铅酸蓄电池以其较高的性价比被认为是微电网最合适的储能单元。电池的输出有不同的控制方法，主要有功率差控制和恒功率控制。本文对微电网系统采用功率差控制，根据电池的容量及其负载曲线，设定功率的上下限，以一个小时为一个时段，计算每个时间段的充放电量。
2.5.2 蓄电池数学模型
电池作为储能装置时，其储能具有时间耦合性，因此当前时刻的储能状态会受到前一时刻充电状态的影响。由充放电功率计算蓄电池的荷电状态模型如下：
充电过程为
（2-8）
放电过程为
（2-9）
式中，SOCt 是 t 时刻电量；SOCt-1 为第 t-1 时刻电量；δ 为剩余电量；PC 、Pd 分别为充、放电功率；ηc 、ηd 分别充、放电效率；Ec 是额定容量。
2.6 环境因素
长期以来，我国现代化工业迅速发展，虽然传统发电模式设备的价格低廉且燃料成本低，但我国发电费用只包括了建设费用、燃料费用等，环境污染也逐渐引起了人们的关注。按照可持续发展的观念，在使用能源时应考虑环境问题以维护发电行业的持续稳定发展，所以环境成本也应纳入总成本中。由于太阳能和风能为清洁能源，所以不考虑两者由于环境污染造成的成本[44]。本文将环境成本量化，建立的表达式为：
(2-10)
式中，Ce 是环境成本；污染源种类为 j ；Vej 是环境价值；Vj 是排放污染物的罚款；Mij 是一个时刻内排放的污染物质量。
表2-2 污染物排放参数表
| 污染物 |
CO2 |
CO |
氮氧化物 |
SO2 |
| 柴油排放 |
649 |
6.108 |
3.55 |
4.143 |
| 环境价值 |
0.002875 |
0.125 |
1.00 |
0.75 |
| 罚款 |
0.00125 |
0.02 |
0.25 |
0.02 |
柴油排放污染物单位为g/kWh，环境价值单位为元/kg，罚款单位为元/kg。
2.7 本章小结
本章主要对所研究的微电网结构进行介绍，并阐述了微电网中的风力发电系统、储能系统、光伏发电系统、柴油发电机系统的特性以及模型。确定了将光伏以及风力发电系统作为主要的发电系统以达到降低运行成本的目标。此外还根据可持续发展的思想考虑到在发电过程中环境成本的问题，并对其量化加入经济模型中。