基于MATLAB微型風電網(wǎng)的建模和仿真研究

沈正元，初翠平

(東北電力大學研究生院，吉林吉林132012)

風能是取之不盡用之不竭的清潔能源，是我國綠色能源發(fā)展的重要部分，也為邊遠的農(nóng)村、海島居民提供了高效清潔的能源。風力發(fā)電的輸出受很多的約束，具有明顯的周期性和不可預測性，負荷的隨機性也很大。這就需要利用儲能裝置來控制功率的波動。當微電源發(fā)出的功率有多余時，多余的能量可以儲存在電池中;反之，就把系統(tǒng)儲存在電池中的能量釋放出來，保持系統(tǒng)的供需平衡。當微電網(wǎng)處于孤島運行狀態(tài)時，儲能設備對其能否起到一次調頻的作用，是微電網(wǎng)正常運行的關鍵因素。

微型風電網(wǎng)和大電網(wǎng)結合供電具有明顯的優(yōu)點［1-2］。微型風電網(wǎng)可以看作是未來新型電力系統(tǒng)的一種可選結構，作為輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)后的第三級電網(wǎng)。常用的微型風電網(wǎng)控制方法有:基于電力電子基礎下的即插即用與對等控制［3］、微網(wǎng)功率管理控制［4］和基于多代理技術的微電網(wǎng)控制［5］。

本文研究了微電網(wǎng)系統(tǒng)的控制策略和并網(wǎng)條件下的穩(wěn)定性。在基于MATLAB/Simulink的環(huán)境下，通過對該微電網(wǎng)運行模式切換的仿真分析，驗證了控制策略的有效性和正確性。

1 微型風電網(wǎng)運行方式

微型風電網(wǎng)有孤島和并網(wǎng)2種運行模式。并網(wǎng)模式是指:在系統(tǒng)正常運行的情況下，微型風電網(wǎng)與常規(guī)電網(wǎng)相連，并進行能量交換，微型風電網(wǎng)向電網(wǎng)提供自身多余的電能，或者從電網(wǎng)得到電能，彌補本身電能的缺失。孤島模式是指:微型風電網(wǎng)和主電網(wǎng)斷開，由分布式電源向微電網(wǎng)內部供電，大大提高了整個系統(tǒng)的可靠性。

1.1 并網(wǎng)模式下微型風電網(wǎng)的運行特性

微型風電網(wǎng)在并網(wǎng)模式下運行時，大電網(wǎng)對微型風電網(wǎng)是一個支撐:首先體現(xiàn)在對微型風網(wǎng)頻率的調節(jié)和平衡;其次，大電網(wǎng)還維持了微電網(wǎng)內部功率的平衡。分布式電源內部的滲透率高，因此，一旦缺少了對局部電壓有效而迅速地控制，大電網(wǎng)內部系統(tǒng)就會有電壓振蕩和偏移。那么電網(wǎng)中電壓的控制就希望無功電流不存在于各分布式電源之間;并網(wǎng)時，分布式電源為大電網(wǎng)提供輔助局部電壓支持。

1.2 孤島模式下微型風電網(wǎng)的運行特性

孤島運行分為計劃內和計劃外孤島運行2種模式:出現(xiàn)未知狀況時，例如大網(wǎng)故障或者電能質量出現(xiàn)問題，這時的微網(wǎng)進入了計劃外孤島，這個方法極大提高了微型風電網(wǎng)和大電網(wǎng)的可靠性;為了取得更高的效益，微型風電網(wǎng)主動脫離大電網(wǎng)獨立運行，這時稱為計劃內的孤島運行。對孤島下微電網(wǎng)控制，難度最大的是控制其頻率。

2 微型風電網(wǎng)控制方法

微型風電網(wǎng)相對于主網(wǎng)來說，是一個可控的模塊化單元，主要的控制設備有:DG系統(tǒng)控制器、可控負荷管理器、中央能量管理器、繼電保護裝置。

根據(jù)DG的不同，一般的可控制方法有PQ并網(wǎng)控制和孤島U/f，Droop控制策略以及可控負荷策略。等效電網(wǎng)的綜合控制法有基于U/f的多主微電網(wǎng)控制、U/f主從控制的微型風電網(wǎng)系統(tǒng)VPD/FRB的協(xié)調控制策略、基于多代練系統(tǒng)的控制方法。

相對于微型風電網(wǎng)整體來說，微電網(wǎng)的控制策略可分為主從控制和對等控制。

3 微型電源及儲能控制方法

微型電源在孤島模式和并網(wǎng)模式運行狀態(tài)下的控制模式是不同的，不同方法的采取和微型電源的種類相關。微型風電網(wǎng)系統(tǒng)內部含有大量電力電子控制器件，常用的有3種控制方法:并網(wǎng)模式下的P/Q控制、孤島模式下的調差控制和U/f控制。

微型風電網(wǎng)在并網(wǎng)模式下通常使用的是P/Q控制法。此時，大電網(wǎng)的頻率和電壓對微電網(wǎng)內部進行支撐。一般而言，使用電力電子逆變器的DG有2種P/Q控制法。

第1種控制策略針對的是有功控制和無功控制的不同對象。該策略是通過設定微型電源的原動機有功參數(shù)來對系統(tǒng)進行有功功率調節(jié)(如圖1所示)，根據(jù)直流電壓控制器輔助調節(jié)系統(tǒng)的內部電壓，而系統(tǒng)的無功功率則按參考數(shù)值控制。系統(tǒng)的有功控制則由直流逆變器、電壓控制器和DG控制器一起完成。控制的主要方式:首先給出原動機初始參考值Psetpoint，根據(jù)參考值得出在原動機自身功率調節(jié)器作用下的有功功率輸出;然后保證直流電壓在控制器PI1控制調節(jié)的情況下是恒定不變的，從而輸出DG的有功功率。無功功率輸出的控制主要是由控制逆變器決定:首先測量并計算出逆變器端口電壓與電流信號，求得輸出無功功率Q;接著通過PI2的控制，求出無功功率參考值Qref與實測的逆變器無功功率輸出Q之間的差值;最后通過調節(jié)逆變器控制信號中無功電流的幅值，來實現(xiàn)恒定無功功率調節(jié)。

圖1 P/Q控制策略

第2種控制策略是直接控制電力電子逆變器實現(xiàn)P/Q控制。在這個控制策略中，首先選取一個同步旋轉軸，通過PARK變換將逆變器輸出電壓的abc分量轉換為成dq0分量。其中設q軸電壓分量ugq=0，根據(jù)以下公式可求得逆變器輸出功率［6］:

由此可以得內環(huán)電流的dq軸參考值為

dq軸的電流參考值igd，ref和igq，ref與實際測量的電壓值igd、igq的差，通過PI控制器，得到逆變器輸出電壓參考值u'id，ref和u'iq，ref。根據(jù)逆變器的Lt，設置控制dq軸電壓的參考分量，uid，ref和uiq，ref經(jīng)過反PARK變換，轉化成 abc分量，完成逆變器的控制［7］，其控制策略如圖2所示。

4 微型風電機組的原理及其模型

本文的風機選擇無齒輪箱結構的永磁直驅發(fā)電機。為了使風機最大限度的吸收風能，發(fā)電機選擇恒頻變速策略。雙PWM控制系統(tǒng)不僅可控制風機的輸出，也可以對風機的有功和無功進行解耦，按需求輸出了功率，也調節(jié)了功率因數(shù)，保證了輸出電能符合負荷端的要求。風力發(fā)電機原理結構如圖3所示。

圖2 P/Q控制策略框圖

圖3 風力發(fā)電機結構圖

系統(tǒng)的工作流程:風帶動風機葉片，使風機的葉片轉動帶動風機，風機切割磁感線，將風能轉化成電能，電流經(jīng)過整流和逆變，將電能輸出;為了保證風能最大限度地被利用，風機將通過最大功率跟蹤法實現(xiàn)最大輸出，風機盡量工作在最大點。

5 微型風電網(wǎng)的建模和仿真

5.1 基于MATLAB/Simulink的微電網(wǎng)仿真模型

系統(tǒng)仿真如圖4所示，其中DG1、DG2、DG3、 DG4和負荷構成微型風電網(wǎng)，再通過線路、斷路器與配電網(wǎng)相連［8］。假設4個微電源均為直流源或經(jīng)過整流后的直流源，再經(jīng)SVPWM逆變器逆變?yōu)槿嘟涣麟?。當微電網(wǎng)處于聯(lián)網(wǎng)運行模式時，4個微電源均采用PQ控制，控制其輸出的功率為恒定;當微電網(wǎng)與主網(wǎng)斷開處于孤島模式運行時，主控型分布式電源DG1和DG2都采用U/f控制，以保證母線1和母線2的電壓恒定，功率源型分布式電源DG3和DG4采用PQ控制，保證輸出功率恒定。負荷1和負荷2為敏感性負荷，運行時應保證其供電的可靠性;負荷3為普通負荷，必要時可以切除。LC低通濾波器用于高次諧波的去除。

5.2 系統(tǒng)仿真參數(shù)的設置

表1-表3為仿真系統(tǒng)的主要參數(shù)。

表1 微電源參數(shù)

表2 負荷參數(shù)

圖4 系統(tǒng)仿真結構圖

表3 系統(tǒng)其它參數(shù)

5.3 微型風電網(wǎng)系統(tǒng)的仿真結果分析

為了驗證微型風電網(wǎng)通過合理的控制保證可靠運行，分別針對微型風電網(wǎng)處于并網(wǎng)運行或孤島運行及兩種運行模式來回切換時進行仿真。

微型風電網(wǎng)在0～0.1 s處于并網(wǎng)運行狀態(tài)。0.1 s時，微型風電網(wǎng)與主網(wǎng)斷開;0.1～1 s時，系統(tǒng)轉換成孤島模式下運行;1 s時，微型風電網(wǎng)重新與主網(wǎng)相連，進行功率交換。仿真結果如圖5所示。

圖5 微電網(wǎng)模式切換時運行特性

從圖5a和圖5b中看出，在0～0.1 s時，4個DG的有功功率輸出和無功功率的輸出曲線之間有功率差額。此時，可以得出DG1和DG2是在PQ控制下保持了有功和無無功輸出的穩(wěn)定，外網(wǎng)承擔了系統(tǒng)內部的功率差額，分別提供了2.4 kW的有功和3.0 kVar的無功。在0.1～1 s內，微型風電網(wǎng)與外電網(wǎng)處于斷開狀態(tài)，它們之間不存在能量交換。這個階段即為孤島運行，此時，DG1與DG2轉換由U/f控制法控制，由圖5a和圖5b可以看出，DG1和DG2輸出的有功功率和無功功率都相應的增加，目的是彌補原本大電網(wǎng)對微網(wǎng)運行時承擔的差額功率，DG1和DG2根據(jù)自身的容量通過下垂系數(shù)調節(jié)所承擔的功率。在1 s時，微型風電網(wǎng)重新并入主網(wǎng)，此時圖中線段值又增大，說明輸出功率增加。在這個轉換過程中，并網(wǎng)時，DG通過PQ控制保證穩(wěn)定的有功和無功輸出;進入孤島時，主控型的微電源通過U/f控制并根據(jù)其自身下垂系數(shù)自動地調節(jié)功率輸出，補償大電網(wǎng)脫網(wǎng)后對微型風電網(wǎng)產(chǎn)生的功率差額，從而使系統(tǒng)維持平衡。

圖5c表示在切并網(wǎng)過程中母線1和母線2的電壓的變化?？梢钥闯?，在0～0.1 s，0.1～1 s，1 s后三個時間區(qū)間內，母線1和母線2上的電壓大小一直維持在380 V上下，0.1 s刻斷開時，電壓有小幅度的增加。圖5d表示系統(tǒng)內頻率的變化，當斷開聯(lián)網(wǎng)后，系統(tǒng)的頻率也有所增加。在1 s時，重新并網(wǎng)，電壓和頻率與大網(wǎng)匹配，在微型風電網(wǎng)并網(wǎng)、脫網(wǎng)、再并網(wǎng)的過程中，電壓和頻率的變化不大，滿足系統(tǒng)的要求。

圖5e所指的是系統(tǒng)中電流的響應曲線。0～1 s，PCC點處的電流沒波動;在1 s時，系統(tǒng)再并網(wǎng)，有一個較小的電流波動，說明在并網(wǎng)過程中沒有產(chǎn)生很大的沖擊電流。

圖5f和圖5g為敏感負荷1和敏感負荷2的電壓及電流的波形。從圖中可以看出，DG1和DG2的電壓波形以及電流的波形十分光滑，表明在合理的控制策略下，微型風電網(wǎng)由并網(wǎng)轉為孤島，再重新并網(wǎng)的過程是可以平滑過渡的。

6 結束語

本文概述了微型風電網(wǎng)的研究發(fā)展現(xiàn)狀，對微型風電網(wǎng)內關鍵技術的發(fā)展和微型風電網(wǎng)的控制方法進行了系統(tǒng)研究。在基于MATLAB/Simulink的環(huán)境下，通過對該微電網(wǎng)運行模式切換的仿真分析，驗證了控制策略的有效性和正確性。

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