基于風(fēng)力與光伏混合發(fā)電的微網(wǎng)建模和仿真技術(shù)研究

牛問(wèn)濤

（內(nèi)蒙古能源發(fā)電投資集團(tuán)新能源有限公司,呼和浩特010010）

1 前言

通常而言，微電網(wǎng)主要是由儲(chǔ)能系統(tǒng)以及分布式電源、監(jiān)控保護(hù)裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、負(fù)荷等部分共同構(gòu)成，其為規(guī)模較小的發(fā)電、配電、用電系統(tǒng)，細(xì)化來(lái)說(shuō)分布式電源包括光伏電池以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池等，儲(chǔ)能系統(tǒng)則包括超級(jí)電容器和蓄電池、飛輪儲(chǔ)能等，微電網(wǎng)可謂擁有自我能量管理及控制的自治系統(tǒng)，其跟外部電網(wǎng)的運(yùn)行方式既能夠并網(wǎng)運(yùn)作，又能獨(dú)立完成操作。縱觀可知，目前發(fā)展最為迅猛的新能源發(fā)電方式為風(fēng)力與光伏混合發(fā)電，其對(duì)應(yīng)發(fā)電技術(shù)較為成熟，可獲取廣闊開(kāi)發(fā)空間，在微電網(wǎng)發(fā)展進(jìn)程當(dāng)中，風(fēng)力與光伏混合發(fā)電逐步占領(lǐng)主導(dǎo)地位。

2 風(fēng)力與光伏混合發(fā)電微電網(wǎng)模型構(gòu)建

如上圖所示，主要表示的是風(fēng)能與光伏混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)整流逆變裝置和變壓器 可將直驅(qū)型變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行工頻交流母線的合理接入；運(yùn)用蓄電池作為是主要的儲(chǔ)能裝置，基于接口逆變器完成有功功率雙向流通；基于光伏逆變器可以使光伏陣列向配電網(wǎng)并入。直驅(qū)型同步發(fā)電機(jī)為主要的變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)備，直接耦合風(fēng)力機(jī)，沒(méi)必要配備風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)齒輪箱，如此一來(lái)，大大降低發(fā)電機(jī)設(shè)備實(shí)際維護(hù)工作量。

基于勵(lì)磁調(diào)節(jié)作用，直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)機(jī)端位置電壓可實(shí)現(xiàn)有效維持，將不可控二極管整流器應(yīng)用在變流器前端位置，通過(guò)六個(gè)絕緣柵雙極型功率開(kāi)關(guān)的接入可共同構(gòu)成電源逆變器設(shè)備，LC濾波器在后端位置，作用為將所形成的濾波合理濾除。儲(chǔ)能蓄電池模型多選用直流電壓，旨在實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化分析，在此無(wú)需針對(duì)蓄電池充放電過(guò)程進(jìn)行考慮，P/V以及Q/f下垂控制策略為蓄電池主要策略，若光伏跟風(fēng)能混合微電網(wǎng)可完成并網(wǎng)運(yùn)行工作，則通過(guò)外部電網(wǎng)支持提供相應(yīng)頻率，蓄電池只是針對(duì)輸出有功進(jìn)行調(diào)節(jié)，作用在于光伏陣列輸出以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)有功波動(dòng)所造成的電壓變化情況實(shí)施抑制；微電網(wǎng)在孤島運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中選用的主控單元是蓄電池，與此同時(shí)針對(duì)蓄電池?zé)o功功率以及有功功率輸出展開(kāi)合理調(diào)節(jié)。需注意的是在孤島運(yùn)行進(jìn)程中應(yīng)針對(duì)配電網(wǎng)相電壓參考正弦波當(dāng)作是主要的蓄電池逆變器鎖相環(huán)輸入實(shí)施有效模擬行為，旨在確保系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性得以充分維持。

3 風(fēng)力與光伏混合發(fā)電微電網(wǎng)運(yùn)行仿真

在風(fēng)力與光伏混合發(fā)電微電網(wǎng)運(yùn)行仿真進(jìn)程當(dāng)中，假設(shè)本地負(fù)荷是恒功率負(fù)荷，線路及模型可選用阻抗元件，對(duì)應(yīng)單位阻抗參數(shù)是（0.642+j0.083），那么在并網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)最大有功功率輸出確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)及光伏陣列，將其無(wú)功功率參考值確定為零，本地負(fù)荷是（15+j3）kVA。舉例說(shuō)明，當(dāng)風(fēng)速在逐步減弱時(shí)，風(fēng)力機(jī)輸出有功以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速同樣在不斷降低，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出無(wú)功功率維持在零左右。隨著光照強(qiáng)度的變化光伏陣列輸出有功功率也在變化，當(dāng)光照強(qiáng)度值為1000W/m2時(shí)，光伏陣列輸出功率是9.5千瓦，結(jié)合不同光照強(qiáng)度可使用MPPT控制器針對(duì)直流母線電壓實(shí)施有效調(diào)節(jié)，旨在完成光伏陣列最大功率運(yùn)行點(diǎn)的合理追蹤。隨著時(shí)間變化風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏陣列輸出有功功率隨之波動(dòng)，基于P/V下垂特性蓄電池可針對(duì)有功輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)，負(fù)荷電壓保持穩(wěn)定，與此同時(shí)，在配電網(wǎng)中所注入的有功功率同樣發(fā)生變化。因?yàn)楣夥约帮L(fēng)能微電源無(wú)功輸出均是0，因此配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器、負(fù)荷、線路消耗無(wú)功功率的全部提供，若系統(tǒng)輸出有功功率存在變化，則基于蓄電池電壓調(diào)節(jié)，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓有效值在1.0p.u.左右，實(shí)際變化范圍處于±0.06赫茲之內(nèi)，對(duì)應(yīng)頻率值約為五十赫茲。

觀察風(fēng)力發(fā)電機(jī)、蓄電池、光伏電池、配電網(wǎng)在切換到孤島運(yùn)行之后所輸出的有功功率波形以及無(wú)功功率波形，假設(shè)切換中所形成負(fù)荷值不發(fā)生任何變化，在時(shí)間為六秒的時(shí)候?yàn)槲㈦娋W(wǎng)進(jìn)入孤島運(yùn)行，針對(duì)蓄電池實(shí)施的有效控制從電壓調(diào)節(jié)方式變化為頻率調(diào)節(jié)方式，基于下垂特性實(shí)施的輸出陣列調(diào)節(jié)依然參考最大有功進(jìn)行輸出，蓄電池有功輸出降至四千瓦。當(dāng)蓄電池實(shí)現(xiàn)較為穩(wěn)定的孤島運(yùn)行的時(shí)候，其頻率變化范圍控制在±0.1赫茲內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜合探討風(fēng)力與光伏混合發(fā)電微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行以及孤島運(yùn)行相關(guān)特性仿真之后可以知道，為實(shí)現(xiàn)可再生能源的優(yōu)化利用，可選用最大功率跟蹤控制策略應(yīng)用于光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電兩個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中，光伏風(fēng)能混合微電力網(wǎng)為實(shí)現(xiàn)間隙性電源功率波動(dòng)有較好平滑度則會(huì)利用蓄電池設(shè)備，一旦變換為孤島運(yùn)行，根據(jù)低壓配電網(wǎng)下垂特性，蓄電池可針對(duì)有功功率輸出以及無(wú)功功率輸出實(shí)施條件，完成風(fēng)力與光伏混合發(fā)電微電網(wǎng)從并網(wǎng)模式向孤島狀態(tài)的快速平滑切換。

[1]陶思鈺，葛曉慧，陳健.含混合能源的并網(wǎng)型微網(wǎng)優(yōu)化配置[J].浙江電力,2014(02).

[2]鞠平，秦川，黃樺，吳峰，金宇清.面向智能電網(wǎng)的建模研究展望[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2012(11).

[3]李海平，唐巍.風(fēng)/光/儲(chǔ)混合微電網(wǎng)的詳細(xì)建模與仿真[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2012(18).

[4]范鵬翔.風(fēng)-光-燃?xì)饣旌衔㈦娋W(wǎng)的建模和仿真分析[J].科技資訊,2014(24).