多能源發電系統控制策略建模研究

朱美玲，馬儀成，王熙，雷振鋒，王鵬

(1.許繼集團有限公司，河南許昌461000；2.許昌市公安局，河南許昌461000)

多能源發電系統控制策略建模研究

朱美玲1，馬儀成1，王熙2，雷振鋒1，王鵬1

(1.許繼集團有限公司，河南許昌461000；2.許昌市公安局，河南許昌461000)

應用DIGSILENT仿真軟件搭建含有多能源發電系統的仿真模型，主要包括光伏發電系統、風力發電系統和儲能系統。針對不同特性的微源，在運行過程中采用不同的控制策略。利用該模型模擬了電網電壓跌落下的風力發電系統輸出特性，仿真結果表明，采用的仿真分析方法切實有效，模型輸出與實際理論輸出相似，能夠快速地響應電網調度指令；利用該模型模擬了電網電壓跌落下光伏發電系統和儲能系統組成的微電網的輸出特性，仿真結果表明，模型輸出與工程運行相似，能夠支持母線頻率基本保持不變，提高供電可靠性。本模型可以用于實際多能源發電系統的并網分析，為實際工程研究奠定了基礎。

DIGSILENT；多能源發電系統；光伏發電系統；風力發電系統；儲能系統

隨著能源危機和環境污染的不斷加劇，新能源特別是風力和太陽能光伏發電等可再生能源發電成為世界熱點[1]。由于多能源發電具有建設周期短、規模小、占地小、經濟環保、運行維護方便等優點，已經成為當前國內外電力行業領域最具有前途的方法之一[2－3]。多能源發電系統將多種新能源、負荷、儲能裝置及控制裝置等集成于一體，實現一體化運行，充分發揮新能源的各項優勢，實現對新能源的有效利用，能有效解決電能質量、供電可靠性、能源和環保等方面出現的問題，是未來低碳型和智能型電網的重要組成部分，產生良好的社會效益和經濟效益[4－5]。

多能源發電系統的出現也帶來了新的問題和挑戰，比如電網電壓調整、能量管理、控制策略、電能質量、孤島檢測與安全等[6]。其中還包括多能源發電系統的特殊性：風力發電、太陽能發電等新能源具有間歇性和不穩定性；多能源發電系統中多種電源、能源、儲能和負荷的復雜匹配關系。傳統的控制策略已經不能滿足需要，所以多能源發電系統的控制問題是限制其發展的關鍵問題。

本文從多能源的控制方法及工程實例入手，DIGSILENT仿真平臺搭建了多能源的控制模型和多能源發電系統的工程實用模型，在此基礎上對該系統模型進行仿真分析。

1 多能源發電建模仿真

多能源發電系統的結構如圖1所示。圖1中包含3種能源系統：風力發電系統、光伏發電系統和儲能系統。光伏電池和蓄電池經PWM調制逆變器逆變成三相交流電，光伏發電系統、儲能系統和負荷組成微電網接入電網。

1.1 光伏發電系統

光伏發電系統主要有光伏組件、逆變器、升壓變壓器組成。逆變器采用最大功率點跟蹤模式，使光伏陣列始終工作在最大功率點。光伏電池是利用“光生伏特效應”將太陽能轉換為電能的元器件，等效于一個半導體光電二極管。光伏電池輸出的伏安特性為：

圖1 多能源發電系統結構

式中：I、V分別為光伏電池的輸出電流、電壓；Iph為光生電流；q為電子負荷；K為波耳茲曼常數；A為二極管指數；Is為光伏電池在無光照時的反向飽和電流；Rs、Rsh分別為串聯電阻和旁漏電阻。在理論研究基礎上進行兩點近似，得出光伏電池的工程實用數學模型：

式中：C1、C2為待定系數，分別為：

1.2 風力發電系統

風力發電系統主要由風力機、異步發電機、變流器組成，風力機從風能中得到能量，通過發電機轉換成電能，經過變流器傳輸到電網。

本文的發電機采用雙饋異步發電機，變流器采用PQ控制模式。

1.3 儲能系統

儲能單元可以維持短時的能量供需平衡，具有調節發電系統功率輸出、平穩功率、削峰填谷、實現能量緩沖，改善電能質量的作用，因此儲能系統對于多能源發電系統至關重要。

儲能系統主要有電池和PWM調制逆變器以及控制器組成。為了監測儲能系統的充放電過程，引入儲能單元的荷電狀態SOC，反應電池剩余電量的大小。

式中：qmax為電池容量，Ah。

式中：SOC(t)為t階段的剩余電量；d為儲能系統自放電率；pc、pd分別為儲能系統充、放電功率；hc、hd分別為儲能系統充放電效率；Ec為儲能的額定容量。

當SOC(t)≤SOCmin時，儲能系統不再進行放電。

2 多能源發電系統控制策略

光伏發電系統和儲能系統組成微電網，微電網采用主從控制策略。主從控制是在離網過程中各微源采用不同的控制方法，其中一個或者多個微源作為主控源，支撐微電網的系統頻率并保證系統電網的穩定；其他微源為從屬控制，不負責系統頻率電壓的穩定。

當微電網處于并網狀態時，光伏發電系統和儲能系統采用PQ控制，向電網輸送最大的功率；當電網中的設備需要進行檢修或大電網出現故障時，微電網與電網脫離，微電網由并網狀態進入孤島運行狀態。若微電網孤島運行時，儲能系統由PQ控制模式(圖2)切換到V/f控制模式(圖3)，以保障微電網頻率及電壓的穩定，光伏發電系統仍保持PQ控制方法繼續運行，控制輸出功率以維持微電網內部的功率平衡。

圖2 P/Q控制模型

圖3 V/F控制模型

3 仿真分析

根據負荷情況和具體項目實際情況對多能源發電系統進行配置，主要參數如下：風力發電系統額定功率為20 MWp、額定電壓為0.69 kV、額定功率為50 Hz；光伏發電系統容量0.5MWp、參考光照為1 000W/m2、參考溫度為25℃、開路電壓為0.606 kV、工作電流為8.27 A；儲能系統容量為0.5 MVA、采用鉛酸電池，母線電壓為0.4 kV。

多能源發電系統仿真模擬時間為6 s，初始狀態微電網并網運行，各新能源采用P/Q控制。

T=0 s時，電網發生故障，電網電壓跌落70%；T=5 s時，電網恢復正常；T=6 s時仿真結束。

多能源發電系統運行仿真結果如圖4所示，圖4(a)～圖4(c)表明多能源發電系統在電網故障時有功、無功輸出；圖4(d)～圖4(e)表明光伏系統各儲能系統組成的微電網在電網電壓故障時，微電網的母線電流和頻率變化。

圖4多能源發電系統運行特性

圖4 (a)表明風力發電系統輸出的有功、無功功率。由于風力發電系統的逆變器控制器中加入了無功控制，在電壓跌落時可以發出一定的無功功率，因此在未加入無功控制電壓跌落到0.3 p.u的情況下，加入無功控制之后電壓只跌落到0.4 p.u，風力發電系統發出20MVar的無功功率。仿真結果說明了在逆變器的控制器中加入電壓無功控制，使得并網點電壓得到了一定程度的恢復。

圖4(b)表明光伏發電系統的有功功率、無功功率輸出。圖4(c)表明在電網故障時，儲能系統的有功輸出。電網故障時，光伏發電系統發出一定的無功功率，儲能系統作為主電源由P/Q轉換為V/F控制，發出一定的有功功率控制母線頻率和電壓，當光伏發電系統檢測到母線電壓正常后輸出有功功率供負載用電。圖4(d)～圖4(e)是儲能系統與光伏發電系統所在母線的頻率和電流，結果表明在電網故障時，在以儲能系統為主控制的模式下，交流側頻率基本保持不變，電流有所減少。這主要因為配置的儲能系統比較小，不能完全滿足負荷需求，但是電流的波形正常，能夠保證重要負荷的供電可靠性，這證明交流側頻率和電流控制的有效性。電網電壓恢復后，光伏發電系統和儲能系統在P/Q控制下共同為負荷提供電能，電網支持微電網運行工程中的電壓和頻率。

4 結論

本文建立了包含風力發電系統、光伏發電系統和儲能系統的多能源發電系統控制模型。對于風力發電系統，在電網電壓跌落時，能夠快速地響應有功調節控制指令，發出一定的無功功率，以支撐局部電網電壓，從而可減少靜止無功補償器等裝置，減少建設成本，具有一定的理論和現實意義；針對光伏發電系統和儲能系統組成的微電網采用主從控制模型，在并網和離網運行下采用不同的控制模式：在并網運行時光伏發電系統和儲能系統均采用P/Q控制；在離網運行下，儲能系統采用V/F控制，光伏發電系統采用P/Q控制，穩定交流側頻率和電壓，從而可以增加重要負荷的供電可靠性，具有一定的理論和現實意義。在digsilent仿真軟件中進行仿真分析，證明了系統模型的正確性，為驗證多能源發電系統的控制策略提供了有效的仿真平臺。

[1]DESHMUKH M K，DESHMUKH SS.Modeling of hybrid renewable energy system[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2008，12(1)：235-249．

[2]魯宗相，王彩霞，閡勇，等.微電網研究綜述[J].電力系統自動化，2007，31(19)：100-107.

[3]BENJAM IN K，LASSETER R H，TOSHIFUM I，et al.Making microgridswork[J].IEEE Power and Energy Magazine，2008，6(3)：85-87.

[4]丁明，徐寧舟，畢銳．負荷側新型儲能電站動態功能的研究[J]．電力自動化設備，2011，31(5)：1-7．

[5]吳紅斌，陳斌，郭彩云.風光互補發電系統中混合儲能單元的容量優化[J].農業工程學報，2011，27(4)：241-245.

[6]唐西勝，齊智平.應用于微電網的儲能及其控制技術[J].太陽能學報，2012，33(3)：517-524.

Modeling for controlstrategy ofmulti-energy power system based on DIGSILENT software

ZHUMei-ling1，MA Yi-cheng1，WANG Xi2，LEIZhen-feng1，WANG Peng1
(1.XJGroup Corporation，Xuchang Henan 461000，China;2.Xuchang's Public Security Bureau，Xuchang Henan 461000，China)

Themodeling ofmulti-energy power system was built based on DIGSILENT software，including the PV generation system，w ind generation system and energy storage system.According to the different characteristics of them icro-source，different control strategies were used.The output characteristic ofw ind generation system was simulated.The output characteristic ofwind power generation system under grid voltage dip was simulated by the model.The simulation results prove the validity of the proposed method.The model output is sim ilar with actual operation.It can be applied in paralleling operation analysis of multi-energy power system and makes a good groundwork for the practicalengineering research.

DIGSILENT;multi-energy power system;PV generation system;w ind generation system;energy storage system

TM 914

A

1002-087X(2016)07-1462-03

2015-12-01

作者簡歷：朱美玲(1986—)，女，河南省人，碩士，工程師，主要研究方向為新能源。