太阳能光伏灯具与智能电网并网的探讨

苏毅，杭乃善，卢桥，刘柏江，黄珑

（广西大学电气工程学院，广西南宁 530004）

随着社会的发展，人们对用电量的要求也越来越大。1996年突破1万亿kW·h，2004年突破2万亿kW·h，2008年达到3万亿kW·h。由这3年我国居民用电量的分析可知，居民的用电量是呈指数型增长的，且居民用电普遍具有随意性。针对居民用电的情况，人们通过统计得出居民用电早、晚高峰的特点。对该特点进行分析，可知早、晚高峰现象是由行业的生产制度跟人们生活的规律来决定的。因而如何在居民用电高峰期时缓解电网的负荷保证电网的安全，成为了电网安全考虑的重要问题。

当前在用电高峰期来临之际，电网公司通常采取以下措施维护电网的安全运行。首先，错峰用电，其中可分为自觉错峰和强制错峰。其次，有序用电，优先保障居民生活、医院、学校、党政机关、机场、铁路等重要场所用电。再次，转移用电负荷。

上述的措施几乎都是通过集中调度减少电网负荷，从而保证电网的安全。在满足负荷增长需求下，本文针对用电有功无功的需求，提出利用太阳能光伏灯具的储能与智能电网并联进行统一调度，以此作为缓解用电高峰期电网负荷的一种方法。本文通过原理分析，Matlab仿真，Powerworld运行进行验证。

1 太阳能光伏灯具的工作机理

要将太阳能光伏灯具并网，必先要了解它的构造和工作机理。一般的太阳能灯具由4部组成，分别是太阳电池组件、蓄电池、控制器和电光源。如图1所示。

太阳能灯具自动照明系统的基本工作机理可分为2部分：

1）在有光照的情况下，太阳能电池板把光能转变成电能对蓄电池充电，并将电能储存在蓄电池中。太阳能电池的等效电路如图2所示。

图1 太阳能光伏灯具的构成Fig.1 The composition of the solar photovoltaic lighting

图2 太阳能电池的等效电路图Fig.2 The equivalent circuit diagram of the solar cell

根据其等效电路图构建太阳能电池板的数学模型。

式中，I为太阳能电池的输出电流；U为电池端电压；Iph为光生电流；S为光照强度；T为电池温度（K）；Id为二极管反向电流；Rs为串联电阻；Rsh为分流电阻；CT为温度补偿系数；Eg为禁带宽度电压；K为波尔兹曼常数；q为电子量；CD为温度系数；A为光伏电池中半导体器件的P-N结系数；Isc为光伏电池短路电流。太阳能电池板的输出电流I通过电路给蓄电池充电。

2）夜晚，蓄电池中的电能为半导体发光二极管LED充电发光起到照明的效果。其过程如图3所示。

设发光二极管LED的内阻为RL，则发光二极管发光过程的数学模型为

式中，I为发光二极管的充电电流；R为线路电阻；U（t）为蓄电池的放电电压。

当前的太阳能灯具自动照明系统一般都采用声、光或延时控制方式。如果将该系统进行联网并采取统一调度的方式，不仅可以做到“人在灯亮，人走灯灭还可极大地提高能源的利用率，维护电网的安全。

2 太阳能光伏灯具与智能电网并网的可行性

对于太阳能光伏灯具来说，电能的转换主要由太阳能电池决定。而目前应用和研究的太阳能电池主要有硅太阳能电池、化合物半导体电池和染料敏化太阳能电池。硅太阳能电池是目前太阳能光伏电池的主流，且光电转换效率相对较高。因而本文在选择太阳能光伏灯具的电池时，也选择了硅太阳能电池。

下面以型号为SL-G01-04E18的太阳能路灯为例，理论分析计算太阳能路灯作为分布式电源可以提供的电能，再通过Matlab的仿真太阳能路灯并网后负荷曲线的变化，最后用Powerworld对得到的结果运行分析，验证太阳能路灯的并网不会造成电力系统的崩溃。

2.1 对太阳能灯具并网的理论分析

一盏型号为SL-G01-04E18的太阳能路灯在平均照度为8Lux下日照12 h，可连续工作3天。由于太阳能电池板的功率参数和各地日照时不同而有所差别，当日照的平均照度不为8Lux时，由式（2.1）可算出其充电电流。再根据蓄电池的充电电压方程算出其充电电压Ut为

式中，V1为最终蓄电池充电达到的电压值；Vt为t时刻蓄电池上的电压值；V0为蓄电池的初始电压；R为电阻值；C为电容。

则蓄电池的蓄能P为

式中，Vt为t时刻蓄电池上的电压值；I为充电电流。

且为了节省电能，系统根据人们的作息规律采取每天亮灯时间前5 h全功率，后7 h半功率。下面举一实例进行论证分析。为了方便计算，设南方的某地平均照度为8lx。由式（8）得，一盏型号为SL-G01-04E18的太阳能路灯在除掉自身发光消耗的电能外，一天还能蓄能0.303 kW/h。而一个中等城市大约有12万盏路灯，假如这些路灯全为太阳能路灯，那么通过计算可知这些太阳能路灯所蓄的电量相当于一台0.15万kW的发电机组一天的发电量。若将这些太阳能路灯经逆变器并联到智能电网，并由调度中心向太阳能路灯发出信号进行统一调度。当用电高峰期来临时，调度中心向太阳能路灯发出放电的信号。这时的太阳能路灯相当于一台千万瓦的发电机组并联到电网，从而实现对电网负荷的缓解。其工作过程如图4所示。这里假设逆变和整流装置的耗能都较低，以此展开分析。

图4 太阳能灯具并网的工作图Fig.4 Working drawing of the solar lamps connected to the grid

2.2 太阳能灯具并网的Matlab仿真计算

将太阳能路灯并网后，可得新的有功功率日负荷曲线图与无功功率日负荷曲线。由于有功和无功的日负荷曲线的用电高峰期是不同时出现的，有功功率的日负荷曲线的最大波峰通常出现在20时，无功日负荷曲线的最大波峰通常出现在11时。对有功日负荷曲线分析，在曲线的最高波峰出现时，调度中心向太阳能路灯发出并网信号，太阳能路灯作为发电机组并联到电网发出电能，下面为蓄电池的放电公式。

式中，P为电网发出的实时的有功功率；Pmax为电网发出的最大有功功率；ΔP为太阳能蓄电池发出的功率。

由式（10）知，在用电的最高峰时，电网发出的实时功率约为最大功率，因而P和Pmax基本不变，将太阳能灯具并网可以使得式（10）的分母变大，从而使得负荷的比值减小，达到缓解电网负荷作用。

20时之后，用电高峰期过去。太阳能路灯向调度中心发出自身的储能状况信号，调度中心根据收到的信号进行分析处理。如果分析得知太阳能路灯的储能不能满足后半夜的发光需求，调度中心会控制电网通过整流装置给太阳能充电。否则调度中心会切断太阳能路灯与电网的并联，防止由此带来的电网电压的不稳定。

同理对无功功率日负荷曲线进行同样的分析。综合式（10）的计算结果将其曲线拟合，并与原来的有功功率日负荷曲线比较可得图5所示的图形。同理可得新的无功功率日负荷曲线，如图6所示。

图5 太阳能路灯并网后的有功功率日负荷Fig.5 Daily load curve of the active power with the solar lamps connected to the grid

图6 太阳能路灯并网后的无功功率日负荷Fig.6 Daily load curve of the reactive power with the solar lamps connected to the grid

2.3 太阳能灯具并网的Powerworld安全分析

本文用57节点的电力系统网络来模拟一个中等城市的电网络结构，通过Powerworld运行分析验证太阳能路灯的并网不会造成电力系统的不稳定。如图7所示的节点网络，节点1为其平衡节点，现在若在节点母线12处接入一个发电机组，并设定它的发电功率为0.15万kW以此等价太阳能路灯的储能，通过调节57节点电力系统网络的负荷和发电机组的参数来模拟用电高峰期时电力系统的运行状况。参数设置好后，在运行模式下先将12节点处的断路器断开，Powerworld运行结果显示系统是安全的。再将12节点处的断路器合上，系统仍能够正常运作。仿真结果如表1所示。

由表1可知，在并入太阳能储能电池后，1-17、1-16、3-15、3-4、3-2、8-9、12-13、14-46线路的负载率有所下降，在一定程度上，缓解了这8条线路的重载情况；太阳能储能电池的接入导致了系统部分负载的转移，而这部分负载转移到了负载率较轻的线路（在表1为10-51、6-8、6-7线路），在一定范围内，导致其负载率有所增加，属于合理的情况。对仿真结果的分析表明，网络中的过负荷现象有所缓解。因而在满足负荷增长的需求时，将太阳能路灯并网会缓解用电高峰期电网的负荷，且不会对电网的安全造成不好的影响。

图7 电力系统节点网络图Fig.7 The network diagram of the power system nodes

表1 太阳能路灯的储能投入前后线路负载率比较Tab.1 Comparison of loads of the line before and after the energy storage of solar street lights is input

3 结论

太阳能光伏灯具与智能电网的并网，满足了负荷的增长，缓解了电网的负荷，保证了电网的安全，节约了能源。但是目前还存在着不少的问题。首先，太阳能光伏灯具没有统一的国家标准；其次，太阳能电池输出的是低压的直流，要并联到电网还需要经过变压和调频；太阳能光伏灯具的并网会给智能电网带来许多谐波的干扰；还有，地理环境和气候对太阳能蓄电池的影响较大。最后，智能电网的发展制约着太阳能光伏灯具的并网。

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