蘇毅，杭乃善，盧橋，劉柏江，黃瓏

（廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西南寧 530004）

隨著社會的發(fā)展，人們對用電量的要求也越來越大。1996年突破1萬億kW·h，2004年突破2萬億kW·h，2008年達到3萬億kW·h。由這3年我國居民用電量的分析可知，居民的用電量是呈指數(shù)型增長的，且居民用電普遍具有隨意性。針對居民用電的情況，人們通過統(tǒng)計得出居民用電早、晚高峰的特點。對該特點進行分析，可知早、晚高峰現(xiàn)象是由行業(yè)的生產(chǎn)制度跟人們生活的規(guī)律來決定的。因而如何在居民用電高峰期時緩解電網(wǎng)的負荷保證電網(wǎng)的安全，成為了電網(wǎng)安全考慮的重要問題。

當前在用電高峰期來臨之際，電網(wǎng)公司通常采取以下措施維護電網(wǎng)的安全運行。首先，錯峰用電，其中可分為自覺錯峰和強制錯峰。其次，有序用電，優(yōu)先保障居民生活、醫(yī)院、學(xué)校、黨政機關(guān)、機場、鐵路等重要場所用電。再次，轉(zhuǎn)移用電負荷。

上述的措施幾乎都是通過集中調(diào)度減少電網(wǎng)負荷，從而保證電網(wǎng)的安全。在滿足負荷增長需求下，本文針對用電有功無功的需求，提出利用太陽能光伏燈具的儲能與智能電網(wǎng)并聯(lián)進行統(tǒng)一調(diào)度，以此作為緩解用電高峰期電網(wǎng)負荷的一種方法。本文通過原理分析，Matlab仿真，Powerworld運行進行驗證。

1 太陽能光伏燈具的工作機理

要將太陽能光伏燈具并網(wǎng)，必先要了解它的構(gòu)造和工作機理。一般的太陽能燈具由4部組成，分別是太陽電池組件、蓄電池、控制器和電光源。如圖1所示。

太陽能燈具自動照明系統(tǒng)的基本工作機理可分為2部分：

1）在有光照的情況下，太陽能電池板把光能轉(zhuǎn)變成電能對蓄電池充電，并將電能儲存在蓄電池中。太陽能電池的等效電路如圖2所示。

圖1 太陽能光伏燈具的構(gòu)成Fig.1 The composition of the solar photovoltaic lighting

圖2 太陽能電池的等效電路圖Fig.2 The equivalent circuit diagram of the solar cell

根據(jù)其等效電路圖構(gòu)建太陽能電池板的數(shù)學(xué)模型。

式中，I為太陽能電池的輸出電流；U為電池端電壓；Iph為光生電流；S為光照強度；T為電池溫度（K）；Id為二極管反向電流；Rs為串聯(lián)電阻；Rsh為分流電阻；CT為溫度補償系數(shù)；Eg為禁帶寬度電壓；K為波爾茲曼常數(shù)；q為電子量；CD為溫度系數(shù)；A為光伏電池中半導(dǎo)體器件的P-N結(jié)系數(shù)；Isc為光伏電池短路電流。太陽能電池板的輸出電流I通過電路給蓄電池充電。

2）夜晚，蓄電池中的電能為半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED充電發(fā)光起到照明的效果。其過程如圖3所示。

設(shè)發(fā)光二極管LED的內(nèi)阻為RL，則發(fā)光二極管發(fā)光過程的數(shù)學(xué)模型為

式中，I為發(fā)光二極管的充電電流；R為線路電阻；U（t）為蓄電池的放電電壓。

當前的太陽能燈具自動照明系統(tǒng)一般都采用聲、光或延時控制方式。如果將該系統(tǒng)進行聯(lián)網(wǎng)并采取統(tǒng)一調(diào)度的方式，不僅可以做到“人在燈亮，人走燈滅還可極大地提高能源的利用率，維護電網(wǎng)的安全。

2 太陽能光伏燈具與智能電網(wǎng)并網(wǎng)的可行性

對于太陽能光伏燈具來說，電能的轉(zhuǎn)換主要由太陽能電池決定。而目前應(yīng)用和研究的太陽能電池主要有硅太陽能電池、化合物半導(dǎo)體電池和染料敏化太陽能電池。硅太陽能電池是目前太陽能光伏電池的主流，且光電轉(zhuǎn)換效率相對較高。因而本文在選擇太陽能光伏燈具的電池時，也選擇了硅太陽能電池。

下面以型號為SL-G01-04E18的太陽能路燈為例，理論分析計算太陽能路燈作為分布式電源可以提供的電能，再通過Matlab的仿真太陽能路燈并網(wǎng)后負荷曲線的變化，最后用Powerworld對得到的結(jié)果運行分析，驗證太陽能路燈的并網(wǎng)不會造成電力系統(tǒng)的崩潰。

2.1 對太陽能燈具并網(wǎng)的理論分析

一盞型號為SL-G01-04E18的太陽能路燈在平均照度為8Lux下日照12 h，可連續(xù)工作3天。由于太陽能電池板的功率參數(shù)和各地日照時不同而有所差別，當日照的平均照度不為8Lux時，由式（2.1）可算出其充電電流。再根據(jù)蓄電池的充電電壓方程算出其充電電壓Ut為

式中，V1為最終蓄電池充電達到的電壓值；Vt為t時刻蓄電池上的電壓值；V0為蓄電池的初始電壓；R為電阻值；C為電容。

則蓄電池的蓄能P為

式中，Vt為t時刻蓄電池上的電壓值；I為充電電流。

且為了節(jié)省電能，系統(tǒng)根據(jù)人們的作息規(guī)律采取每天亮燈時間前5 h全功率，后7 h半功率。下面舉一實例進行論證分析。為了方便計算，設(shè)南方的某地平均照度為8lx。由式（8）得，一盞型號為SL-G01-04E18的太陽能路燈在除掉自身發(fā)光消耗的電能外，一天還能蓄能0.303 kW/h。而一個中等城市大約有12萬盞路燈，假如這些路燈全為太陽能路燈，那么通過計算可知這些太陽能路燈所蓄的電量相當于一臺0.15萬kW的發(fā)電機組一天的發(fā)電量。若將這些太陽能路燈經(jīng)逆變器并聯(lián)到智能電網(wǎng)，并由調(diào)度中心向太陽能路燈發(fā)出信號進行統(tǒng)一調(diào)度。當用電高峰期來臨時，調(diào)度中心向太陽能路燈發(fā)出放電的信號。這時的太陽能路燈相當于一臺千萬瓦的發(fā)電機組并聯(lián)到電網(wǎng)，從而實現(xiàn)對電網(wǎng)負荷的緩解。其工作過程如圖4所示。這里假設(shè)逆變和整流裝置的耗能都較低，以此展開分析。

圖4 太陽能燈具并網(wǎng)的工作圖Fig.4 Working drawing of the solar lamps connected to the grid

2.2 太陽能燈具并網(wǎng)的Matlab仿真計算

將太陽能路燈并網(wǎng)后，可得新的有功功率日負荷曲線圖與無功功率日負荷曲線。由于有功和無功的日負荷曲線的用電高峰期是不同時出現(xiàn)的，有功功率的日負荷曲線的最大波峰通常出現(xiàn)在20時，無功日負荷曲線的最大波峰通常出現(xiàn)在11時。對有功日負荷曲線分析，在曲線的最高波峰出現(xiàn)時，調(diào)度中心向太陽能路燈發(fā)出并網(wǎng)信號，太陽能路燈作為發(fā)電機組并聯(lián)到電網(wǎng)發(fā)出電能，下面為蓄電池的放電公式。

式中，P為電網(wǎng)發(fā)出的實時的有功功率；Pmax為電網(wǎng)發(fā)出的最大有功功率；ΔP為太陽能蓄電池發(fā)出的功率。

由式（10）知，在用電的最高峰時，電網(wǎng)發(fā)出的實時功率約為最大功率，因而P和Pmax基本不變，將太陽能燈具并網(wǎng)可以使得式（10）的分母變大，從而使得負荷的比值減小，達到緩解電網(wǎng)負荷作用。

20時之后，用電高峰期過去。太陽能路燈向調(diào)度中心發(fā)出自身的儲能狀況信號，調(diào)度中心根據(jù)收到的信號進行分析處理。如果分析得知太陽能路燈的儲能不能滿足后半夜的發(fā)光需求，調(diào)度中心會控制電網(wǎng)通過整流裝置給太陽能充電。否則調(diào)度中心會切斷太陽能路燈與電網(wǎng)的并聯(lián)，防止由此帶來的電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定。

同理對無功功率日負荷曲線進行同樣的分析。綜合式（10）的計算結(jié)果將其曲線擬合，并與原來的有功功率日負荷曲線比較可得圖5所示的圖形。同理可得新的無功功率日負荷曲線，如圖6所示。

圖5 太陽能路燈并網(wǎng)后的有功功率日負荷Fig.5 Daily load curve of the active power with the solar lamps connected to the grid

圖6 太陽能路燈并網(wǎng)后的無功功率日負荷Fig.6 Daily load curve of the reactive power with the solar lamps connected to the grid

2.3 太陽能燈具并網(wǎng)的Powerworld安全分析

本文用57節(jié)點的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)來模擬一個中等城市的電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過Powerworld運行分析驗證太陽能路燈的并網(wǎng)不會造成電力系統(tǒng)的不穩(wěn)定。如圖7所示的節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點1為其平衡節(jié)點，現(xiàn)在若在節(jié)點母線12處接入一個發(fā)電機組，并設(shè)定它的發(fā)電功率為0.15萬kW以此等價太陽能路燈的儲能，通過調(diào)節(jié)57節(jié)點電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的負荷和發(fā)電機組的參數(shù)來模擬用電高峰期時電力系統(tǒng)的運行狀況。參數(shù)設(shè)置好后，在運行模式下先將12節(jié)點處的斷路器斷開，Powerworld運行結(jié)果顯示系統(tǒng)是安全的。再將12節(jié)點處的斷路器合上，系統(tǒng)仍能夠正常運作。仿真結(jié)果如表1所示。

由表1可知，在并入太陽能儲能電池后，1-17、1-16、3-15、3-4、3-2、8-9、12-13、14-46線路的負載率有所下降，在一定程度上，緩解了這8條線路的重載情況；太陽能儲能電池的接入導(dǎo)致了系統(tǒng)部分負載的轉(zhuǎn)移，而這部分負載轉(zhuǎn)移到了負載率較輕的線路（在表1為10-51、6-8、6-7線路），在一定范圍內(nèi)，導(dǎo)致其負載率有所增加，屬于合理的情況。對仿真結(jié)果的分析表明，網(wǎng)絡(luò)中的過負荷現(xiàn)象有所緩解。因而在滿足負荷增長的需求時，將太陽能路燈并網(wǎng)會緩解用電高峰期電網(wǎng)的負荷，且不會對電網(wǎng)的安全造成不好的影響。

圖7 電力系統(tǒng)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)圖Fig.7 The network diagram of the power system nodes

表1 太陽能路燈的儲能投入前后線路負載率比較Tab.1 Comparison of loads of the line before and after the energy storage of solar street lights is input

3 結(jié)論

太陽能光伏燈具與智能電網(wǎng)的并網(wǎng)，滿足了負荷的增長，緩解了電網(wǎng)的負荷，保證了電網(wǎng)的安全，節(jié)約了能源。但是目前還存在著不少的問題。首先，太陽能光伏燈具沒有統(tǒng)一的國家標準；其次，太陽能電池輸出的是低壓的直流，要并聯(lián)到電網(wǎng)還需要經(jīng)過變壓和調(diào)頻；太陽能光伏燈具的并網(wǎng)會給智能電網(wǎng)帶來許多諧波的干擾；還有，地理環(huán)境和氣候?qū)μ柲苄铍姵氐挠绊戄^大。最后，智能電網(wǎng)的發(fā)展制約著太陽能光伏燈具的并網(wǎng)。

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