風光儲微電網系統建模仿真

黃國維，鄧偉鋒，朱智成

（安徽理工大學 電氣與信息工程學院，淮南 232001）

可再生能源發電已經成為世界電力能源發展的主流趨勢，這種轉型的背景是能源危機以及環保問題的突出，使用可再生能源發電可以減輕對常規化石能源的依賴，減少溫室氣體的排放[1-7]。微電網提供了一種將這些分布式能源整合并網的方案，有效解決了負荷增加，以及偏遠地區例如山區、海島等輸電困難問題[1-3]。風光儲微電網是一個主要由光伏電池板、風力發電機以及儲能裝置構成的混合互補的小型電力系統，具有并網和孤島運行能力。風光儲微電網作為新型的電力供應方式，也有自身的局限性，風能與光能量密度低，且受天氣影響大，必須搭配額外的控制和平衡系統，合理配置風光儲的容量，使得風能、光能、蓄電池能夠相互補充，有效提升新能源發電的可靠性與持續性[8]。

目前，我國正在大力開展新能源發電，風光儲微電網也處于研究與試運行階段，目前，我國已經建成多個試點項目，包括100 MW風力發電機組、50 MW太陽能光伏發電陣列、20 MW化學電池儲能的一體化風光儲微電網工程，具有廣闊的市場前景與環保價值。因此建立準確的風光儲微電網仿真模型，有助于對微電網的運行與控制進行深入研究，并對實際工程項目具有指導意義[9]。

文獻[10-15]對微電網并網和孤島狀態切換進行仿真分析。文獻[16]設計了一種應用于偏遠地區的風光儲微電網孤島方案，滿足局域用戶的基本用電需求。文獻[17-18]建立了基于Matlab/Simulink對光儲微電網的模型，模擬了光伏電池的最大功率跟蹤。文獻[19]研究了微電網中的逆變器的運行情況，并且在Matlab/Simulink中建立了下垂控制、V/f控制模型。文獻[20]在PSCAD環境下搭建并分析了風力和光伏混合并網模型。

本文首先用Matlab軟件模擬了太陽能以及風能的變化情況，然后在Matlab/Simulink環境下搭建了雙饋異步風力發電機、光伏電池、以及蓄電池的控制模型，然后用仿真實現了光伏電池和風力發電機各自的最大功率跟蹤運行，并且制定了蓄電池的充放電控制策略，最后對風光儲混合模型進行仿真，仿真涵蓋了風光儲微電網運行過程中幾種常見情形，仿真結果證明了所搭建微電網模型的正確性，以及所采用控制策略的有效性。

1 光伏及風力資源特性

風能和太陽能為風光儲微電網的能量來源，且存在周期性的波動，用Matlab編寫m文件模擬了一周內的光輻射水平變化情況，如圖1所示，圖2為同期氣溫及風速變化情況。

圖1 光輻射強度變化Fig.1 Light radiation intensity curve

圖2 溫度及風速變化Fig.2 Temperature and wind speed curve

可以看出，太陽光輻射水平、環境溫度以及風速都是在不斷波動中的。這種變化將直接影響到光伏發電、風力發電的功率輸出，進而引起所連接饋線上的電壓波動。因此，在仿真模擬時，要選擇較合適的模擬步長，這樣可以仿真結果中捕獲細微變化。例如，變壓器的有載分接開關（OLTC）會因為母線電壓突破閾值而產生切換，在實際的配電網中，對于變壓器抽頭的切換有著嚴格的限制，這樣有利于系統穩定。另一方面儲能裝置對于功率變化的響應時間，蓄電池通過雙向變換器對微電網功率的存儲和補充，控制策略不同，響應時間也有差別，影響著儲能裝置的性能。

風光儲微電網由光伏電池、風力發電機、儲能系統、負載以及其他換流器組成，并網時整合連入大電網和其他負荷，其拓撲結構如圖3所示。

圖3 風光儲微電網結構圖Fig.3 Structure of wind/PV/storage hybrid microgrid

2 PV建模

光伏電池原理模型可由圖4表示。

圖4 光伏電池簡化模型Fig.4 Photovoltaic cell simplified model

輸出電壓V以及電流I根據環境溫度和光輻射強度的變化而產生變化，其I-V特性方程可由式（1）～式（6）給出：

式中：α，β分別為指定輻射水平下，電流和電壓的溫度系數；ISC為短路電流；UOC為開路電壓；U為對應光伏陣列電壓；Rref為參考光輻射強度，為1 kW/m2；Tref為參考環境溫度，取25℃；RS為光伏模塊電路串聯等效電阻；Im，Um分別為對應最大功率點時的電流和電壓。

光伏陣列輸出功率可以表示為

由式（7）就能得到任意外部環境條件下的I-V特性以及輸出功率。

光伏電池的發電效率受環境因素的影響，圖5為Matlab環境下模擬的不同條件下的光伏電池的功率輸出曲線，可見采用最大功率跟蹤控制（MPPT），能使得光伏電池輸出效率達到最高。

本文應用于光伏最大功率跟蹤采用的是電導增量法，圖6為該算法流程，理論上電導增量法能夠快速跟蹤光輻射強度變化，且跟蹤精度較好。

圖5 環境因素對光伏最大功率點的影響Fig.5 Influence of environmental factors on maximum power point of photovoltaic

圖6 電導增量法流程Fig.6 Conductance incremental method flow chart

在Matlab/Simulink環境下搭建光伏電池的控制仿真模型，光伏模塊設定功率為100 kW并運行仿真，仿真模型如圖7所示，設置仿真時間為3 s，環境溫度為25℃，加入可變光照強度，對應的功率輸出如圖8所示，仿真結果表明所搭建的光伏控制模型可以很好地跟蹤光照強度的變化，實現最大功率跟蹤。

3 雙饋異步風力發電機建模

本文在Simulink環境下搭建雙饋異步風力發電機仿真模型。風力發電機的受風面在承受自然風力時，風速的變化比較隨機，因此本文編寫S函數來制作隨機風速模型，該風速模型可接入雙饋異步發電機模型來模擬風機變轉矩輸入，圖9為所模擬的風速變化曲線。

圖7 光伏電池控制模型Fig.7 Control model of photovoltaic cell

圖8 光伏電池功率及端口電壓輸出Fig.8 Photovoltaic cell power and port voltage output

圖9 風速模擬仿真結果Fig.9 Wind speed simulation

另外本文采用比較成熟的定子磁鏈定向閉環控制方式，本文采用控制風機輸出有功功率的方式來改變電磁轉矩，進而調節風機轉速，從而實現最大風能跟蹤，這種方案如圖10所示。

圖10 最大風能跟蹤控制框圖Fig.10 Largest wind energy tracking control diagram

圖10中Pv為輸入風力扇葉的功率，Po為輸出功率，Ps為電機定子有功功率，、為電機的控制指令，電機的功率關系如式（8）：

式中：Pcu為銅耗；PFe為鐵耗；Pm為凈機械功率；Pms為機械損耗。如圖11所示在不同風速下，風機均有最大功率Pmax輸出，圖中虛線即為最佳功率曲線Popt，依據最大風能跟蹤原理，只需讓風機機械輸出功率處于最佳功率曲線上，將此時的定子有功 Ps設定為為，又如式（9）為控制指令的計算方法：

式中：kw為功率系數，以此為依據就能控制定子有功功率，實現最大風能跟蹤，先假設功率因數為1，那么此時=0。

圖11 機械輸出功率與轉速度關系Fig.11 Relationship between mechanical output power and rotational speed

在Matlab/Simulink環境下搭建了雙饋異步風力發電機的控制仿真模型，如圖12所示，仿真過程中，設置10 MW的異步風力發電機模塊，仿真在5 s處加入電壓干擾，并且在6 s～7 s內改變風速，將風速由原來的8 m/s增加到10 m/s，仿真時間為10 s，運行仿真，圖13給出了風力發電機出口母線電壓，有功及無功變化情況，均折算成標幺值顯示，仿真結果表明，搭建的仿真控制模型能夠很好地跟蹤風速變化且電壓質量良好。

圖12 雙饋異步風力發電機控制模型Fig.12 Doubly-fed induction wind turbine control model

圖13 風機出口電壓以及功率輸出Fig.13 Wind turbine outlet voltage and power output

4 蓄電池儲能系統建模

儲能系統是整個微電網系統中的關鍵設備，可以緩沖微電網運行模式切換過程中的沖擊，提升系統穩定性，能夠在微電網正常運行時，實現微電網與主網之間的功率交換平緩，削峰填谷；在孤島運行模式下，支撐系統電能質量，保證微電網系統持續穩定運行，支持微電網運行模式的無縫切換，且能發出無功功率，補償無功。

蓄電池等效電路模型可由恒定電阻串聯受控電壓源來代替，蓄電池在工作過程中主要考慮SOC、出口電壓U變化，因此蓄電池的特性方程可由式（10）～式（11）來表示：

式中：Rb為內阻；Uo為端口開路電壓；ib為短路電流；K為極化電壓；Q為容量；A，B為電池特性常數。

本文對蓄電池采用P/f和Q/V下垂控制方式，實時響應母線電壓和頻率變化，補償有功及無功功率，從而保持微電網系統的穩定性。圖14和圖15為蓄電池P/f和Q/V下垂控制控制原理圖。

圖14 P/f控制原理圖Fig.14 Control schematic diagram of P/f

圖15 Q/V控制原理圖Fig.15 Control schematic diagram of Q/V

5 風光儲混合模型仿真分析

正常情況下，微電網并網運行，在特殊情況下，斷開并網連接開關，微電網轉入孤島運行。本文模擬了微電網運行過程中的4種情形：①并網狀態下，微電網穩定運行，PCC交流側母線電壓、頻率、功率都處于穩定狀態；②并網狀態下，微電網由于調度需求，撤掉一部分負載；③斷開連接開關，由并網切換到孤島狀態，觀察PCC端交流側電能參數變化；④孤島狀態下，再次改動負荷，進一步觀察電能質量的變化，分析微電網的孤島運行特性。通過觀察公共聯結點（PCC）處的電壓、頻率、以及功率變化，分析所搭建的風光儲混合模型的運行特性。

將仿真時間設置為10 s，前6 s微電網處于并網狀態，6 s時斷開并網開關，微電網轉入孤島狀態，直到仿真結束，仿真過程中4種情形分別對應為0～3 s為情形①，3～6 s為情形②，6～8 s為情形③，8～10 s為情形④。仿真結果如圖16～21所示，下面對仿真結果作出分析說明。

圖16 頻率曲線Fig.16 Frequency curve

圖17 PCC交流側單相電壓Fig.17 Single-phase voltage of PCC AC side

圖18 PCC交流母線功率Fig.18 Bus power of PCC AC

圖19 蓄電池發出的功率Fig.19 Battery power

圖20 光伏電池發出的功率Fig.20 Photovoltaic cell power

圖21 風力發電機發出的有功及無功Fig.21 Power generated by the wind turbine

在仿真開始時，微電網初始狀態如下，0～6 s，微電網處于并網狀態，在并網階段，蓄電池恒功率放電，且由大電網支撐，所以PCC交流側母線電壓總能保持穩定；在3 s時，電網內負載變化，通過Simulink鎖相環模塊測量PCC交流側頻率只有輕微波動，幅度不超過0.05 Hz，見圖16，此時電壓仍然保持穩定。

在6 s時，微電網轉入孤島運行模式，PCC交流側頻率以及電壓均發生波動，其中頻率波動范圍不超過0.5 Hz，符合國標對電網頻率波動的要求，母線電壓幅值產生輕微波動，很快恢復穩定，這是因為蓄電池對微電網內無功的迅速補償；8 s時，在孤島狀態下再次撤去一個負載，母線電壓和頻率仍然穩定，仿真結果接近微電網對運行模式無縫切換的要求。

圖18為交流母線流過的功率，圖19為蓄電池逆變器端口發出的功率，可見蓄電池即發出有功，也能夠調節系統無功。從圖18可以看出，3 s時，微電網并網狀態切掉負荷，6 s時，微電網切換到孤島狀態，8 s時，微電網孤島狀態切掉負荷，母線有功及無功均保能持平衡，仿真結果說明，所搭建的風光儲混合微電網仿真模型，能夠滿足微電網對于并網及孤島運行時的有功及無功平衡的要求。

圖20與圖21分別為光伏電池和雙饋異步風力發電機所產生的功率，從功率波動情況來說，光伏電池和風力發電機在運行時功率輸出恒定。

6 結語

本文建立了風光儲微電網的Matlab/Simulink詳細仿真模型，基于光伏電池和風力發電機工作的環境，對溫度、光輻射強度、風速的變化均進行了模擬，并且對光伏電池以及雙饋異步風力發電機均采用有效控制策略，仿真結果顯示所采取的控制策略均能夠適應環境參數的實時變化，實現最大功率跟蹤，對于蓄電池采用P/f和Q/V下垂控制策略，仿真結果顯示PCC交流側的電壓及頻率質量良好，說明所搭建控制仿真模型的正確性與有效性。

在Matlab/Simulink仿真中，對于微電網運行中常見的4種情形進行了仿真，仿真結果分析表明，PCC端電壓、頻率、功率波動情況均達到理想狀態，驗證了所搭建的風光儲混合微電網模型的可行性，對進一步研究風光儲微電網的運行特性有一定的幫助。