基于MATLAB微型風電網的建模和仿真研究

沈正元，初翠平

(東北電力大學研究生院，吉林吉林132012)

風能是取之不盡用之不竭的清潔能源，是我國綠色能源發展的重要部分，也為邊遠的農村、海島居民提供了高效清潔的能源。風力發電的輸出受很多的約束，具有明顯的周期性和不可預測性，負荷的隨機性也很大。這就需要利用儲能裝置來控制功率的波動。當微電源發出的功率有多余時，多余的能量可以儲存在電池中;反之，就把系統儲存在電池中的能量釋放出來，保持系統的供需平衡。當微電網處于孤島運行狀態時，儲能設備對其能否起到一次調頻的作用，是微電網正常運行的關鍵因素。

微型風電網和大電網結合供電具有明顯的優點［1-2］。微型風電網可以看作是未來新型電力系統的一種可選結構，作為輸電網和配電網后的第三級電網。常用的微型風電網控制方法有:基于電力電子基礎下的即插即用與對等控制［3］、微網功率管理控制［4］和基于多代理技術的微電網控制［5］。

本文研究了微電網系統的控制策略和并網條件下的穩定性。在基于MATLAB/Simulink的環境下，通過對該微電網運行模式切換的仿真分析，驗證了控制策略的有效性和正確性。

1 微型風電網運行方式

微型風電網有孤島和并網2種運行模式。并網模式是指:在系統正常運行的情況下，微型風電網與常規電網相連，并進行能量交換，微型風電網向電網提供自身多余的電能，或者從電網得到電能，彌補本身電能的缺失。孤島模式是指:微型風電網和主電網斷開，由分布式電源向微電網內部供電，大大提高了整個系統的可靠性。

1.1 并網模式下微型風電網的運行特性

微型風電網在并網模式下運行時，大電網對微型風電網是一個支撐:首先體現在對微型風網頻率的調節和平衡;其次，大電網還維持了微電網內部功率的平衡。分布式電源內部的滲透率高，因此，一旦缺少了對局部電壓有效而迅速地控制，大電網內部系統就會有電壓振蕩和偏移。那么電網中電壓的控制就希望無功電流不存在于各分布式電源之間;并網時，分布式電源為大電網提供輔助局部電壓支持。

1.2 孤島模式下微型風電網的運行特性

孤島運行分為計劃內和計劃外孤島運行2種模式:出現未知狀況時，例如大網故障或者電能質量出現問題，這時的微網進入了計劃外孤島，這個方法極大提高了微型風電網和大電網的可靠性;為了取得更高的效益，微型風電網主動脫離大電網獨立運行，這時稱為計劃內的孤島運行。對孤島下微電網控制，難度最大的是控制其頻率。

2 微型風電網控制方法

微型風電網相對于主網來說，是一個可控的模塊化單元，主要的控制設備有:DG系統控制器、可控負荷管理器、中央能量管理器、繼電保護裝置。

根據DG的不同，一般的可控制方法有PQ并網控制和孤島U/f，Droop控制策略以及可控負荷策略。等效電網的綜合控制法有基于U/f的多主微電網控制、U/f主從控制的微型風電網系統VPD/FRB的協調控制策略、基于多代練系統的控制方法。

相對于微型風電網整體來說，微電網的控制策略可分為主從控制和對等控制。

3 微型電源及儲能控制方法

微型電源在孤島模式和并網模式運行狀態下的控制模式是不同的，不同方法的采取和微型電源的種類相關。微型風電網系統內部含有大量電力電子控制器件，常用的有3種控制方法:并網模式下的P/Q控制、孤島模式下的調差控制和U/f控制。

微型風電網在并網模式下通常使用的是P/Q控制法。此時，大電網的頻率和電壓對微電網內部進行支撐。一般而言，使用電力電子逆變器的DG有2種P/Q控制法。

第1種控制策略針對的是有功控制和無功控制的不同對象。該策略是通過設定微型電源的原動機有功參數來對系統進行有功功率調節(如圖1所示)，根據直流電壓控制器輔助調節系統的內部電壓，而系統的無功功率則按參考數值控制。系統的有功控制則由直流逆變器、電壓控制器和DG控制器一起完成。控制的主要方式:首先給出原動機初始參考值Psetpoint，根據參考值得出在原動機自身功率調節器作用下的有功功率輸出;然后保證直流電壓在控制器PI1控制調節的情況下是恒定不變的，從而輸出DG的有功功率。無功功率輸出的控制主要是由控制逆變器決定:首先測量并計算出逆變器端口電壓與電流信號，求得輸出無功功率Q;接著通過PI2的控制，求出無功功率參考值Qref與實測的逆變器無功功率輸出Q之間的差值;最后通過調節逆變器控制信號中無功電流的幅值，來實現恒定無功功率調節。

圖1 P/Q控制策略

第2種控制策略是直接控制電力電子逆變器實現P/Q控制。在這個控制策略中，首先選取一個同步旋轉軸，通過PARK變換將逆變器輸出電壓的abc分量轉換為成dq0分量。其中設q軸電壓分量ugq=0，根據以下公式可求得逆變器輸出功率［6］:

由此可以得內環電流的dq軸參考值為

dq軸的電流參考值igd，ref和igq，ref與實際測量的電壓值igd、igq的差，通過PI控制器，得到逆變器輸出電壓參考值u'id，ref和u'iq，ref。根據逆變器的Lt，設置控制dq軸電壓的參考分量，uid，ref和uiq，ref經過反PARK變換，轉化成 abc分量，完成逆變器的控制［7］，其控制策略如圖2所示。

4 微型風電機組的原理及其模型

本文的風機選擇無齒輪箱結構的永磁直驅發電機。為了使風機最大限度的吸收風能，發電機選擇恒頻變速策略。雙PWM控制系統不僅可控制風機的輸出，也可以對風機的有功和無功進行解耦，按需求輸出了功率，也調節了功率因數，保證了輸出電能符合負荷端的要求。風力發電機原理結構如圖3所示。

圖2 P/Q控制策略框圖

圖3 風力發電機結構圖

系統的工作流程:風帶動風機葉片，使風機的葉片轉動帶動風機，風機切割磁感線，將風能轉化成電能，電流經過整流和逆變，將電能輸出;為了保證風能最大限度地被利用，風機將通過最大功率跟蹤法實現最大輸出，風機盡量工作在最大點。

5 微型風電網的建模和仿真

5.1 基于MATLAB/Simulink的微電網仿真模型

系統仿真如圖4所示，其中DG1、DG2、DG3、 DG4和負荷構成微型風電網，再通過線路、斷路器與配電網相連［8］。假設4個微電源均為直流源或經過整流后的直流源，再經SVPWM逆變器逆變為三相交流電。當微電網處于聯網運行模式時，4個微電源均采用PQ控制，控制其輸出的功率為恒定;當微電網與主網斷開處于孤島模式運行時，主控型分布式電源DG1和DG2都采用U/f控制，以保證母線1和母線2的電壓恒定，功率源型分布式電源DG3和DG4采用PQ控制，保證輸出功率恒定。負荷1和負荷2為敏感性負荷，運行時應保證其供電的可靠性;負荷3為普通負荷，必要時可以切除。LC低通濾波器用于高次諧波的去除。

5.2 系統仿真參數的設置

表1-表3為仿真系統的主要參數。

表1 微電源參數

表2 負荷參數

圖4 系統仿真結構圖

表3 系統其它參數

5.3 微型風電網系統的仿真結果分析

為了驗證微型風電網通過合理的控制保證可靠運行，分別針對微型風電網處于并網運行或孤島運行及兩種運行模式來回切換時進行仿真。

微型風電網在0～0.1 s處于并網運行狀態。0.1 s時，微型風電網與主網斷開;0.1～1 s時，系統轉換成孤島模式下運行;1 s時，微型風電網重新與主網相連，進行功率交換。仿真結果如圖5所示。

圖5 微電網模式切換時運行特性

從圖5a和圖5b中看出，在0～0.1 s時，4個DG的有功功率輸出和無功功率的輸出曲線之間有功率差額。此時，可以得出DG1和DG2是在PQ控制下保持了有功和無無功輸出的穩定，外網承擔了系統內部的功率差額，分別提供了2.4 kW的有功和3.0 kVar的無功。在0.1～1 s內，微型風電網與外電網處于斷開狀態，它們之間不存在能量交換。這個階段即為孤島運行，此時，DG1與DG2轉換由U/f控制法控制，由圖5a和圖5b可以看出，DG1和DG2輸出的有功功率和無功功率都相應的增加，目的是彌補原本大電網對微網運行時承擔的差額功率，DG1和DG2根據自身的容量通過下垂系數調節所承擔的功率。在1 s時，微型風電網重新并入主網，此時圖中線段值又增大，說明輸出功率增加。在這個轉換過程中，并網時，DG通過PQ控制保證穩定的有功和無功輸出;進入孤島時，主控型的微電源通過U/f控制并根據其自身下垂系數自動地調節功率輸出，補償大電網脫網后對微型風電網產生的功率差額，從而使系統維持平衡。

圖5c表示在切并網過程中母線1和母線2的電壓的變化。可以看出，在0～0.1 s，0.1～1 s，1 s后三個時間區間內，母線1和母線2上的電壓大小一直維持在380 V上下，0.1 s刻斷開時，電壓有小幅度的增加。圖5d表示系統內頻率的變化，當斷開聯網后，系統的頻率也有所增加。在1 s時，重新并網，電壓和頻率與大網匹配，在微型風電網并網、脫網、再并網的過程中，電壓和頻率的變化不大，滿足系統的要求。

圖5e所指的是系統中電流的響應曲線。0～1 s，PCC點處的電流沒波動;在1 s時，系統再并網，有一個較小的電流波動，說明在并網過程中沒有產生很大的沖擊電流。

圖5f和圖5g為敏感負荷1和敏感負荷2的電壓及電流的波形。從圖中可以看出，DG1和DG2的電壓波形以及電流的波形十分光滑，表明在合理的控制策略下，微型風電網由并網轉為孤島，再重新并網的過程是可以平滑過渡的。

6 結束語

本文概述了微型風電網的研究發展現狀，對微型風電網內關鍵技術的發展和微型風電網的控制方法進行了系統研究。在基于MATLAB/Simulink的環境下，通過對該微電網運行模式切換的仿真分析，驗證了控制策略的有效性和正確性。

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