風(fēng)光蓄交流微電網(wǎng)的控制與仿真

韓肖清，曹增杰，楊俊虎，韓雄

（太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院，太原 030024）

風(fēng)光蓄交流微電網(wǎng)的控制與仿真

韓肖清，曹增杰，楊俊虎，韓雄

（太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院，太原 030024）

為了對微電網(wǎng)控制策略以及DG輸出功率變化對微電網(wǎng)運行的影響進行深入研究，利用Matlab/ Simulink仿真軟件建立了風(fēng)、光、蓄交流微電網(wǎng)仿真系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，蓄電池儲能裝置采用V/f控制策略，以維持微電網(wǎng)孤島運行時的電壓和頻率的穩(wěn)定；風(fēng)力發(fā)電單元和光伏發(fā)電單元采用PQ控制策略，以獲取可再生能源的最大利用率。仿真結(jié)果表明，在孤島和聯(lián)網(wǎng)兩種模式下，采用該控制策略的微電網(wǎng)能向用戶不間斷的供應(yīng)電力，并且模式切換過程穩(wěn)定可靠。

微電網(wǎng)；孤島模式；聯(lián)網(wǎng)模式；PQ控制；V/f控制

近年來，隨著環(huán)境問題的日益凸出以及人們對電力需求的不斷增長，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等分布式電源DG（distributed generator）憑借其投資少、發(fā)電方式靈活、環(huán)境友好等優(yōu)點得到人們很大的關(guān)注。然而，由于受到風(fēng)速、光照、溫度等自然條件的影響，大量的分布式電源的并網(wǎng)對電網(wǎng)的穩(wěn)定運行和電能質(zhì)量產(chǎn)生了諸多不利影響。為了更加合理、有效地利用DG，學(xué)者們提出了微電網(wǎng)的概念[1]。微電網(wǎng)通過一個公共連接點接入大電網(wǎng)，并采用協(xié)調(diào)控制策略，使得微電網(wǎng)既可以與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行，又可以與大電網(wǎng)斷開連接，進入孤島運行模式繼續(xù)向用戶供應(yīng)電能[2～5]。

微電網(wǎng)中的DG大都通過逆變器接入微電網(wǎng)，微電網(wǎng)控制的關(guān)鍵就是對這些逆變器的控制[1，2]。近年來國內(nèi)外許多學(xué)者對微電網(wǎng)中逆變器的控制策略進行了研究。文獻[6]提出了一種微電網(wǎng)孤島運行時的頻率二次控制；文獻[7]提出了一種基于聯(lián)絡(luò)線通信系統(tǒng)的大電網(wǎng)與微電網(wǎng)之間逆變器的控制策略；文獻[8，9]提出了微電網(wǎng)孤島運行時的V/f控制策略，避免了DG之間的相互通信；文獻[10]分析了微電網(wǎng)中逆變器并聯(lián)運行時的下垂控制策略并驗證了逆變器的功率輸出，但沒有考慮DG輸出功率及負荷變化時的情況。

本文針對不同的DG類型采用了不同的控制策略，并通過Matlab/Simulink搭建風(fēng)、光、蓄交流微電網(wǎng)的仿真模型，對微電網(wǎng)的兩種運行模式以及切換過程進行了仿真分析，驗證了采用該種控制策略的微電網(wǎng)能夠穩(wěn)定可靠運行。

1 微電源模型

本文所研究的系統(tǒng)是由永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機、光伏系統(tǒng)、蓄電池儲能裝置及負荷組成的交流微電網(wǎng)，如圖1所示。永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機通過AC/DC/AC變流器接入微電網(wǎng)；光伏系統(tǒng)采用單級式光伏陣列，通過三相并網(wǎng)逆變器接入微電網(wǎng)；蓄電池儲能裝置由容量為234 kC的蓄電池和雙向DC/DC電路所組成。微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓等級為380 V，經(jīng)變比為0.38/10.5 kV的變壓器升壓后，接入10 kV配電網(wǎng)。

圖1 風(fēng)光蓄交流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1Structure of wind-PV-battery AC microgrid

1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)模型

光伏陣列的電壓電流特性是非線性的[11]，有

式中：udc、ipv分別為光伏陣列的輸出電壓和輸出電流；ns、np分別為光伏陣列中光伏電池的串聯(lián)個數(shù)與并聯(lián)個數(shù)；Irs為PN結(jié)的反相飽和電流；q為電子電荷；k為玻耳茲曼常量；T為PN結(jié)的溫度；A1為PN結(jié)的理想因子；iph為光生電流；Iscr為參考條件下，光伏電池的短路電流；KI為溫度系數(shù)；Sr為光照強度。

由式（1）得光伏陣列的輸出功率為

1.2 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機模型

由空氣動力學(xué)原理可知，風(fēng)力機捕獲的機械功率為

式中：ρ為空氣密度；R為風(fēng)力機葉輪半徑；β為槳葉的槳距角；λ為葉尖速比；Cp為風(fēng)力機的功率系數(shù)。

同步旋轉(zhuǎn)dq坐標系下永磁同步發(fā)電機的定子電壓方程為

式中：isd、isq和usd、usq分別為永磁同步發(fā)電機定子輸出電流、電壓的d軸和q軸分量；Rs和Ls分別為發(fā)電機的定子電阻和電感；ψ0為永磁體的磁鏈；ωs為同步電角速度；Te為發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩。

AC/DC/AC變流器由兩個完全一樣的PWM變流器和中間的濾波電容組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。發(fā)電機側(cè)變流器與發(fā)電機定子直接相連，將發(fā)電機發(fā)出的交流電整流成直流，網(wǎng)側(cè)變流器將直流電逆變成交流電輸送到電網(wǎng)。因此，可以將風(fēng)力發(fā)電機和機側(cè)變流器等效為一個DG單元。

1.3 蓄電池模型

作為儲能設(shè)備，蓄電池在微電網(wǎng)中起著非常重要的作用，描述蓄電池狀態(tài)的兩個重要參數(shù)是出口電壓Vb和充電狀態(tài)（SOC）[12]，可分別表示為

式中：Rb為蓄電池內(nèi)阻；Vo為蓄電池的開路電壓；ib為蓄電池充電電流；K為極化電壓；Q為電池容量；A、B為蓄電池特性常數(shù)。

2 微電源逆變器的控制

DG單元并網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 DG單元并網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意Fig.2Structure sketch of a DG connected to the grid

微電網(wǎng)中光伏發(fā)電單元和風(fēng)力發(fā)電單元的輸出功率具有明顯的間歇性和波動性，其控制目標是保證可再生能源的最大利用率，多采用PQ控制策略；而對于蓄電池儲能裝置，在微電網(wǎng)孤島運行時，它作為主控DG，起到維持微電網(wǎng)的頻率和電壓穩(wěn)定的作用，通常采用V/f下垂控制方法。

2.1 PQ控制

圖2中逆變器輸出的有功功率和無功功率在dq坐標系下的表達式為

在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標系中，如果選取參考軸使得Vq=0，則上式變?yōu)?/p>

根據(jù)給定的參考功率Pi_ref、Qi_ref及測量所得的饋線電壓，可計算出從逆變器流向饋線的參考電流id_ref、iq_ref分別為

由式（11）可以看出，通過對逆變器輸出電流的控制就實現(xiàn)了對逆變器輸出功率的解耦控制，如圖3所示。

圖3 PQ控制結(jié)構(gòu)Fig.3PQ control structure

微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，風(fēng)力發(fā)電單元和光伏發(fā)電單元運行于on-MPPT模式，逆變器的PQ控制系統(tǒng)中的有功功率的參考值Pi_ref按追蹤最大輸出功率獲得，無功功率的參考值Qi_ref通常設(shè)定為零；微電網(wǎng)孤島運行時，風(fēng)力發(fā)電單元和光伏發(fā)電單元可根據(jù)負荷的大小運行于on-MPPT模式或者off-MPPT模式。

2.2 V/f控制

當微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，頻率由外部大電網(wǎng)提供支持，蓄電池僅調(diào)節(jié)輸出有功，以抑制風(fēng)力發(fā)電機和光伏陣列輸出有功波動引起的電壓變化[13]；而當微電網(wǎng)孤島運行時，作為主控DG的蓄電池，按照V/f下垂控制策略調(diào)節(jié)其逆變器的有功功率和無功功率輸出，跟蹤DG輸出功率和負荷的波動，從而維持微電網(wǎng)的頻率和電壓穩(wěn)定。

在線路阻抗近似呈純阻性的低壓微電網(wǎng)中，DG輸出的有功功率主要與輸出電壓幅值有關(guān)，而無功功率主要與輸出電壓相角有關(guān)[14]。此時，下垂特性方程可表達為

式中：Vn、fn分別為微電網(wǎng)的額定電壓與額定頻率，Pn、Qn分別為逆變器有功功率和無功功率的設(shè)定參考值；a為頻率下垂系數(shù)；b為電壓下垂系數(shù)。V/f控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 V/f控制結(jié)構(gòu)Fig.4V/f control structure

3 仿真分析

依據(jù)上述控制策略，在Matlab/Simulink平臺搭建如圖1所示的微電網(wǎng)仿真模型。分別對所搭建的微電網(wǎng)模型在聯(lián)網(wǎng)模式、孤島模式及其切換過程進行仿真分析，以驗證微電網(wǎng)中各DG逆變器控制策略的可行性。相關(guān)的仿真參數(shù)見表1～表3。

表1 風(fēng)力發(fā)電單元仿真參數(shù)Tab.1Parameters of wind power generation unit

表2 光伏發(fā)電單元仿真參數(shù)Tab.2Parameters of PV power generation unit

表3 蓄電池仿真參數(shù)Tab.3Parameters of battery

3.1 聯(lián)網(wǎng)模式的仿真

初始運行時，微電網(wǎng)內(nèi)總的負荷有功需求為40 kW，DG總的有功輸出45 kW，微電網(wǎng)向大電網(wǎng)輸送有功功率5 kW。當t=0.3 s時，微電網(wǎng)的負荷增加了15 kW，保持風(fēng)速、光照強度及溫度不變；當t=0.5s時，光照強度由800W/m2上升為1000W/m2。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 聯(lián)網(wǎng)模式時的微電網(wǎng)運行仿真Fig.5Operation results of microgrid in grid-connected mode

由圖5（a）可以看出，在0.3 s之前，微電網(wǎng)向大電網(wǎng)輸送的功率為5 kW；t=0.3 s時，當負荷增加15 kW時，保持自然條件不變，由于風(fēng)力發(fā)電單元和光伏發(fā)電單元采用PQ控制，其輸出功率不變，結(jié)果微電網(wǎng)向大電網(wǎng)輸送的功率變?yōu)榱?10kW；t=0.5 s時，由于光照強度發(fā)生變化，光伏發(fā)電單元的輸出功率增加了5 kW，大電網(wǎng)向微電網(wǎng)輸送的功率也隨之減少了5 kW，實現(xiàn)了光伏發(fā)電單元的最大功率跟蹤控制。

以上分析可知，當微電網(wǎng)中風(fēng)力發(fā)電單元和光伏發(fā)電單元輸出功率之和小于負荷需求時，短缺的電能由大電網(wǎng)來供給；反之，當風(fēng)力發(fā)電單元和光伏發(fā)電單元輸出功率之和大于負荷需求時，多余的電能回送給大電網(wǎng)。

圖5（b）和圖5（c）是公共連接點（PCC）處的電流相位和波形的仿真結(jié)果。從圖5（b）中可以看出，在t=0.3 s時，電流相位變化了π rad，PCC處的功率流向發(fā)生變化。圖5（c）表明，PCC處三相電流隨負荷與電源功率的變化發(fā)生了相應(yīng)的變化。

3.2 孤島模式的仿真

初始運行時，微電網(wǎng)內(nèi)總的負荷有功需求為65 kW，風(fēng)力發(fā)電單元、光伏發(fā)電單元和蓄電池輸出的有功功率分別為17 kW、28 kW和20 kW，共計65kW。在t=0.3s時，微電網(wǎng)的負荷增加了4kW，在t=0.5 s時，微電網(wǎng)負荷減少了8 kW。整個運行過程中，保持風(fēng)速、光照強度及溫度不變。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 孤島模式時的微電網(wǎng)運行仿真Fig.6Operation results of microgrid in islanded mode

由圖6（a）可看出，在t=0.3 s時，微電網(wǎng)的負荷增加了4 kW，蓄電池的輸出功率也隨之增加4 kW。在t=0.5 s時，微電網(wǎng)負荷減少了8 kW，蓄電池的輸出功率也隨之減少。微電網(wǎng)在孤島運行時，微電網(wǎng)內(nèi)負荷的有功需求和無功需求是由各DG分擔(dān)。采用PQ控制的風(fēng)力發(fā)電單元和光伏發(fā)電單元，輸出功率恒定不變。采用V/f下垂控制的蓄電池則可以依據(jù)下垂特性調(diào)整其功率輸出，以滿足微電網(wǎng)中DG以及負荷有功和無功的變化，保證微電網(wǎng)內(nèi)的功率平衡。

圖6（b）和圖6（c）分別為微電網(wǎng)在孤島運行時的頻率和電壓有效值的仿真波形，可以看出，當微電網(wǎng)負荷變化時，蓄電池儲能裝置快速響應(yīng)，使微電網(wǎng)的頻率和電壓均保持恒定，從而保證了微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

3.3 模式切換過程的仿真

初始條件與孤島模式時的初始條件相同。在t=0.2 s時，微電網(wǎng)由孤島運行模式切換至聯(lián)網(wǎng)運行模式。在t=0.4 s時，微電網(wǎng)又由聯(lián)網(wǎng)運行模式切換至孤島運行模式。在整個過程中，風(fēng)速、光照強度、溫度及負荷均保持不變。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 切換微電網(wǎng)運行模式時的仿真Fig.7Operation results of switching microgrid operation modes

從圖7（a）中可以看出，t=0.2 s時，當微電網(wǎng)由孤島模式切換至聯(lián)網(wǎng)模式，蓄電池的輸出功率由20 kW下降至零附近，而PCC處的功率由0變?yōu)?20 kW，微電網(wǎng)孤島時蓄電池提供的電能在并網(wǎng)時由大電網(wǎng)提供。t=0.4 s時，當微電網(wǎng)由聯(lián)網(wǎng)模式切換至孤島模式，蓄電池能夠快速響應(yīng)，提供微電網(wǎng)中短缺的20 kW電能。

圖7（b）和圖7（c）所示為微電網(wǎng)運行模式切換過程時，微電網(wǎng)的母線電壓有效值和系統(tǒng)頻率仿真波形。由圖可見，當微電網(wǎng)并網(wǎng)時，微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓和頻率有小范圍的波動，但很快就恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

（1）風(fēng)力發(fā)電單元和光伏發(fā)電單元的微電網(wǎng)接口逆變器采用PQ控制可以實現(xiàn)風(fēng)能、太陽能等的最大功率跟蹤控制，提高可再生能源的利用率。蓄電池采用V/f控制，微電網(wǎng)孤島運行時為微電網(wǎng)提供電壓和頻率支撐，維持微電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定。

（2）微電網(wǎng)在兩種運行模式下均能保持穩(wěn)定運行。但是，當微電網(wǎng)由孤島模式切換至聯(lián)網(wǎng)模式時，微電網(wǎng)的電壓和頻率會有較大的波動；當微電網(wǎng)由聯(lián)網(wǎng)模式向孤島模式切換時，微電網(wǎng)的電壓和頻率的波動較小，此時蓄電池能夠快速響應(yīng)，是微電網(wǎng)能夠穩(wěn)定運行的必要條件。

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Control and Simulation of Wind-PV-Battery AC Microgrid

HAN Xiao-qing，CAO Zeng-jie，YANG Jun-hu，HAN Xiong
（College of Electrical and Power Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

To research the control strategy of the microgrid and the impacts of the DG power change on the operation of the microgrid，a wind-PV-battery AC microgrid system is established by the Matlab/Simulink software.Different control strategies are designed for the different DGs.For battery energy storage device，V/f control strategy is used to ensure the stability of the voltage and frequency of the microgrid.For wind power generation unit and PV power generation unit，PQ control strategy is used to obtain the maximum utilization of the renewable energy.Simulation results show that the microgrid which uses these control strategies can supply power to users uninterruptedly both in islanded mode and grid-connected mode，and the switchover process is stable and reliable.

microgrid；islanded mode；grid-connected mode；PQ control；V/f control

TM76

A

1003-8930（2013）03-0050-06

韓肖清（1964—），女，教授，博士生導(dǎo)師，從事電力系統(tǒng)運行與控制、新能源發(fā)電的教學(xué)與研究工作。Email：hanxiaoqing@tyut.edu.cn

2012-02-13；

2012-03-20

國家國際科技交流與合作專項（2010DFB63200）

曹增杰（1984—），男，碩士研究生，研究方向為微電網(wǎng)的運行與控制。Email：shanxizengjie@163.com

楊俊虎（1986—），男，碩士研究生，研究方向為微電網(wǎng)的運行與控制。Email：yjh861103@163.com