基于Matlab的微電網孤島運行仿真研究

摘要： 微電網技術是 21世紀電網發展的一個重要方向.這種全新的供配電形式，不僅更適合于新能源接入，而且人性化地賦予了電力用戶更多的選擇和管理空間.利用Matlab/Simulink軟件模擬搭建了一個由風能和水能提供電源的微電網仿真平臺，并對平臺在遇到主網故障時的兩種運行模式（關閉/開啟孤島運行）進行了仿真.結果表明，關閉孤島運行模式時，微電網將在大電網故障時承受長時間及大幅值的功率與電壓波動；開啟孤島運行模式時，微電網的功率與電壓波動將有所減弱，能較好保證微電網的供電穩定和設備安全.研究表明，微電網的孤島運行機制是有效且必要的.

關鍵詞：

微電網； 孤島運行； 分布式電源； 仿真

中圖分類號： TM 74文獻標志碼： A

近年來，大機組、大電網憑借其在發電量和調配能力上的優勢快速發展，并組成了我國電力供應的主要構架.但是，隨著現代社會的發展，無論是城市還是鄉村，對電力供應的要求都在不斷提高，且這樣的提高不僅僅限于電力需求量的增加，還在于供電過程中穩定性及可靠性等指標的提升.而不斷擴大中的電廠和超高壓輸電網正逐漸暴露出環境危害大、運行難度大及維護成本高等一系列問題，越來越難以滿足當前用戶綠色且多樣化的電力需求.因此，伴隨著新電力時代前行的浪潮，微電網技術孕育而生，且逐漸受到世界各國的重視與扶持[1].

作為未來智能電網的重要組成部分，微電網最鮮明的特點之一就是擁有孤島運行機制.當大電網發生故障或其電能質量不符合系統標準時，微電網可以脫離大電網進入孤島運行模式，保護自身的正常運行，提高微網的供電可靠性和安全性.本文利用Matlab/Simulink軟件模擬搭建了一個由風能和水能提供電源的微電網仿真平臺，并對其在遇到主網故障時的兩種運行模式（關閉/開啟孤島運行）進行了仿真和分析.

1微電網簡介

1.1微電網的概念和意義

微電網（microgrid）也稱微網，是智能電網的一種新型網絡結構，由分布式電源（多為可再生能源）、儲能裝置、監控裝置和負荷構成，既可孤島運行，又可并入大電網，是一套能夠實現自我管理與保護的自動供能系統.

在微電網中就近建設分布式電源（distributed generation，DG）不僅大大減少了電能在傳輸過程中的損耗，而且也為新世紀綠色發電的推廣和接入提供了一條有效途徑.當微電網中負荷增大時，本地電源無法滿足的電能需求可由公共電網提供；當負荷減小時，微電網中多余的電量可通過向大電網輸電的方式來消化.靈活的能源傳輸與利用使微電網真正成為一種區別于傳統電網的供配電新途徑[2].

1.2微電網發展現狀

目前美國和日本等發達國家都已經完成了對微電網的基礎理論研究，也建成了一些分布式電源及微電網的實驗模型和平臺，完成了微電網控制、保護策略和通信協議等方面規范的制定，并通過實驗室和示范工程進行了驗證，且已經開始出現微電網的商業化和規模化趨勢.微電網的應用范圍和等級也在不斷擴大與提升，大多已從原來的兆瓦級以下單建筑微電網，發展到510 MW多建筑商業區或工業園微電網，并開始探索向10～30 MW級饋線、30 MW級以上的變電站以及地理范圍更大的農村配網發展.我國對微電網的研究起步較晚，目前還處于理論、仿真和實驗研究階段，但我國已將“分布式供能技術”列入2006—2020年中長期科學和技術發展規劃綱要，頒布了863H973計劃支持微電網領域的研究，并在深圳和內蒙古各建有一個微電網示范性工程[3].

1.3微電網展望

未來的微電網不僅可以建在醫院、軍隊、科研院所等重點供電單位，以保證這些用戶在公共電網遭遇自然或人為破壞時仍能獲得穩定的電力供應，還可以在居民小區中推廣，將住宅及屋頂電源（風能、太陽能等）連接起來，升級為智能電力社區.這樣的社區不僅能滿足新時代用戶的綠色用電需求，而且能在社區電量富余時向大電網售電，為住戶創造利潤.

2微電網建模

2.1微電網結構

本文的微電網系統采用10 kV配網模型，通過一個35 kV/10 kV的變壓器和公共連接點（PCC）與主網連接.該系統頻率為50 Hz，電源為小型風力發電機組（WT）和小型水力發電機組（HT）.實際情況中負荷較多、較雜，此處將負荷集中簡化為三個簡單大負荷（負荷1、負荷2、負荷3），均采用恒定有功模型，不考慮無功.微電網結構如圖1所示.微電網的電源和負荷如表1所示.

3仿真模擬

為了進行比較，仿真實驗分兩套方案進行，即：當大電網發生故障時，采取方案一，

微電網不作出任何反應（PCC仍然閉合），微電網繼續與大電網相連；方案二，

微電網的檢測設備發現主電網異常并反饋到能量管理系統，該系統在0.2 s內作出反應（斷開PCC），微電網隨即進入孤島運行模式.

3.1方案一

微電網在35 s的仿真時間內始終運行在聯網狀態.故障發生前，微電網中風力發電及水力發電系統均穩定滿負荷運行，5 s時主電網側發生三相短路故障，1 s后故障排除，故障全程微電網未開啟孤島獨立運行模式.

經分析：0～5 s時微電網運行穩定，微電網中主干電壓有名值維持在10 kV（選10 kV為基準電壓，則標幺值為1 P.U.，P.U.代表該值處于標幺制換算狀態下），風力發電有功功率穩定輸出為9 MW，水力發電有功功率穩定輸出為32 MW，負荷2穩定吸收功率為12.5 MW（此處選擇負荷2作為樣本檢測對象）；5 s時，35 kV外部電網發生三相短路故障，電壓降為0.2 P.U.，故障發生1 s后恢復正常，但未作孤島運行處理的微電網系統在外網故障消除后的短時間內無法恢復到穩定運行狀態.圖4為關閉孤島運行模式時各電氣量的波形.

由圖中可以看出，從5 s開始，網中電壓持續振蕩，直到30 s時才恢復正常，期間最大電壓為1.9 P.U.，最低電壓為0.2 P.U..與此同時，風力發電和水力發電有功功率也都發生了劇烈振蕩，受此影響，負荷2有功功率也出現了長時間的高頻振蕩.

圖4關閉孤島運行模式時各電氣量的波形

Fig.4

Waveform of electrical parameters in the nonislanded operation mode

3.2方案二

微電網初始運行在聯網狀態，微電網中風力發電和水力發電系統均滿負荷穩定運行，5 s時主配電網側發生三相短路故障，5.2 s時，微電網監控系統作出反應，PCC斷開，微電網進入孤島運行模式；6 s時，主電網故障排除.

經分析：0～5 s時微電網運行穩定，網中10 kV主干電壓維持在1 P.U.，風力發電有功功率穩定輸出為9 MW，水力發電有功功率穩定輸出為32 MW，負荷2穩定吸收功率為12.5 MW；5 s時，35 kV外部電網發生三相短路故障，電壓降為0.2 P.U.；5.2 s時，微電網監控與能量管理系統作出反應（PCC斷開），進入孤島運行模式.圖5為開啟孤島運行模式時各電氣量波形.由圖中可以看出：及時與外網斷開后的微電網系統很快恢復穩定，電壓在5.5 s時恢復至正常值（1 P.U.），振蕩期間最大值達到1.72 P.U.，最小值為0.2 P.U.；風力發電有功功率輸出在5.71 s時恢復正常；水力發電有功功率輸出在6.25 s時結束較大幅度的振蕩后進入32±（1～2） MW范圍內的小幅振蕩，并在14.09 s時完全恢復正常，而且這次波動較小，最大波峰為47 MW，最小波谷為10 MW，相比孤島機制未開啟時其波動幅度已明顯減小；負荷2有功功率也在6.25 s時恢復正常.

4結論

對比兩個仿真方案可以得出：開啟孤島運行模式后，微電網在遇到主網發生故障時的抗干擾能力明顯增強.若遇到公共電網故障，方案一將會導致微電網中電壓與功率高頻振蕩，且振幅過大，恢復時間較長，對微電網中的DG和負荷會產生不良影響.如果在公共電網故障后，微電網的檢測及能量管理系統能快速發現問題，并斷開PCC，進入孤島運行狀態（方案二），那么來自外網的影響將會得到有效隔離.這不僅能使系統恢復時間明顯縮短，而且能使電壓及有功功率在受到擾動時的波動頻率及振幅都大大減小，微電網中的DG 和負荷都將得到有效保護，造成的影響將大幅降低.

參考文獻：

[1]李笑帆，張思青.基于風-光-水互補的云南微電網建設可行性探討[J].能源研究與信息，2012，28（4）：211-215.

[2]王帥，李鵬，崔紅芬.風電以微網的形式并入智能電網的研究[J].電氣技術，2010（8）：38-42.

[3]郭天勇，趙庚申，趙耀，等.基于風光互補的微電網系統建模與仿真[J].電力系統保護與控制，2010，38（21）：104-108.

[4]LI W，VANFRETTI L，CHOMPOOBUTRGOOL Y.Development and implementation of hydro turbine and governor models in a free and open source software package[J].Simulation Modeling Practice and Theory，2012，24：84-102.

[5]BAKOS G C.Feasibility study of hybrid wind/hydro power system for lowcost electricity production[J].Applied Energy，2002，72（3/4）：599-608.

[6]張建華，黃偉.微電網運行控制與保護技術[M].北京：中國電力出版社，2010.