基于冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的微電網(wǎng)建模及仿真

孫健秧，郭建釗，金鵬

(1.國(guó)網(wǎng)泉州供電公司，福建省泉州市362000；2.華北電力大學(xué)，北京市102206)

基于冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的微電網(wǎng)建模及仿真

孫健秧1，郭建釗1，金鵬2

(1.國(guó)網(wǎng)泉州供電公司，福建省泉州市362000；2.華北電力大學(xué)，北京市102206)

建立了內(nèi)部包含冷熱電三聯(lián)供、儲(chǔ)能以及光伏發(fā)電等多種分布式電源的微電網(wǎng)數(shù)學(xué)模型，提出了考慮經(jīng)濟(jì)性的運(yùn)行控制策略，并采用DIgSILENT軟件進(jìn)行了仿真分析。在此基礎(chǔ)上，研究了微電網(wǎng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島運(yùn)行和光伏系統(tǒng)出力大幅變化時(shí)分布式電源功率、微電網(wǎng)電壓和頻率的變化情況，分析了運(yùn)行模式轉(zhuǎn)變對(duì)微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響，驗(yàn)證了模型與控制策略的有效性。

微電網(wǎng)；分布式電源；控制策略；建模仿真

0 引 言

世界范圍內(nèi)三大化石能源的儲(chǔ)量正在日趨枯竭，能源危機(jī)已經(jīng)成為人類面臨的最大挑戰(zhàn)。隨著可再生能源越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，微電網(wǎng)作為可再生能源的主要接入方式之一，已經(jīng)成為電網(wǎng)的研究熱點(diǎn)。微電網(wǎng)是由負(fù)載和電源組成的獨(dú)立可控系統(tǒng)，既可與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可在電網(wǎng)故障時(shí)與主網(wǎng)斷開(kāi)單獨(dú)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)多種能源形式電能的高可靠供給[1-2]。盡管微電網(wǎng)優(yōu)點(diǎn)突出，但微電網(wǎng)中的分布式電源多利用可再生資源，能量輸出受地理、氣候等外界因素影響較大，微電網(wǎng)與主網(wǎng)間功率交換具有間歇性和不可預(yù)知性，因此，大規(guī)模微電網(wǎng)接入勢(shì)必會(huì)對(duì)系統(tǒng)電壓、頻率造成影響[3]。另外，與傳統(tǒng)電網(wǎng)不同，微電網(wǎng)中主要以逆變器接口的分布式電源為主，這類電源普遍慣性較小，因此，研究微電網(wǎng)控制策略及其接入對(duì)系統(tǒng)的影響勢(shì)在必行。

微電網(wǎng)控制從整體控制策略上可分為主從控制和對(duì)等控制：主從控制是由上層主控制單元向下層從控制單元發(fā)出控制命令；對(duì)等控制是基于“即插即用”的思想，即微電網(wǎng)中的各臺(tái)設(shè)備以對(duì)等的模式進(jìn)行控制，接入或去掉其中1個(gè)不會(huì)對(duì)微電網(wǎng)中其他微型電源產(chǎn)生影響[4]。從分布式電源的控制方法上，逆變器接口的分布式電源控制策略通?？煞譃楹愎β士刂啤⑾麓箍刂坪秃銐汉泐l控制。下垂控制是對(duì)等控制中一種常見(jiàn)的控制策略，對(duì)于采用逆變器并網(wǎng)的分布式電源，下垂功率控制器根據(jù)電網(wǎng)頻率偏差調(diào)節(jié)有功功率的輸出，根據(jù)電壓偏差調(diào)節(jié)無(wú)功功率的輸出[5-6]。

目前大多數(shù)微電網(wǎng)控制仿真只針對(duì)某種特定類型的分布式電源或控制策略，建立的模型不具有代表性和通用性。本文在DIgSILENT仿真環(huán)境下，對(duì)微電網(wǎng)中的冷熱電三聯(lián)供、光伏發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了建模和仿真，并通過(guò)算例仿真分析了微電網(wǎng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島運(yùn)行和光伏系統(tǒng)出力大幅變化時(shí)分布式電源功率、微電網(wǎng)電壓和頻率的變化規(guī)律。

1 分布式電源模型

1.1 冷熱電三聯(lián)供

冷熱電三聯(lián)供是一種將熱機(jī)、發(fā)電機(jī)、熱回收和制冷裝置作為整體，通過(guò)統(tǒng)一管理制冷、供熱及供電過(guò)程，實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用的新型能源利用方式[7]。

微型燃?xì)廨啓C(jī)是聯(lián)供系統(tǒng)的核心部件，通常采用徑流式葉輪機(jī)械或空氣軸承技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)組尺寸小，可產(chǎn)生大量品質(zhì)極佳的余熱煙氣，是目前微型分布式發(fā)電系統(tǒng)特別是小型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿υO(shè)備，其原動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示[8-9]。

圖1 微燃機(jī)原動(dòng)機(jī)模型

微燃機(jī)原動(dòng)機(jī)模型包含轉(zhuǎn)速控制、溫度控制、加速控制、燃料系統(tǒng)以及壓氣機(jī)渦輪系統(tǒng)等部分。后級(jí)發(fā)電機(jī)采用三階模型對(duì)其進(jìn)行建模，數(shù)學(xué)模型如式(1)～(4)所示。

(1)

ud=xqIq-rId

(2)

(3)

Pe=Eq′Iq+ (xq-xd′)IdIq-r(Iq2+Id2)

(4)

微燃機(jī)并網(wǎng)逆變器側(cè)采用下垂控制策略，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 光伏電池

光伏電池是直接將光能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換器[10]，其等效電路的理想形式如圖3所示。等效電路中各變量的表達(dá)式如式(5)和(6)所示。

(5)

圖2 下垂控制結(jié)構(gòu)

圖3 光伏電池的等效電路

(6)

式中：I0表示光伏電池內(nèi)部等效二極管P-N結(jié)反向飽和電流；Ud表示光伏電池的開(kāi)路電壓；k表示波爾茲曼常量，值為1.38×10-13J/K；T為絕對(duì)溫度，K；A表示P-N結(jié)的曲線常數(shù)，其值為1～2，這里取1.3;Rs為等效串聯(lián)電阻；Rsh為等效并聯(lián)電阻；Iph為光生電流；Id為光伏模塊的反向飽和電流；IL為光伏輸出電流；U為光伏輸出電壓；q為單位電子電荷。

目前對(duì)光伏電池一般都采用最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略，始終使之處于最大功率輸出狀態(tài),這里采用較為常用的增量電導(dǎo)法。光伏逆變器的控制系統(tǒng)采用SPWM調(diào)制技術(shù)。逆變器具有2個(gè)獨(dú)立的控制變量，即調(diào)制比M和移相角δ。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，通過(guò)控制變量逆變器可以獨(dú)立地控制有功功率類物理量和無(wú)功功率類物理量。圖4為逆變器控制系統(tǒng)框圖。

圖4 光伏逆變器控制框圖

1.3 儲(chǔ)能裝置

儲(chǔ)能裝置的逆變器控制策略采用PQ控制，即本地控制裝置接受監(jiān)控平臺(tái)PQ指令輸出有功功率和無(wú)功功率，如圖5所示。

圖5 儲(chǔ)能裝置控制框圖

通過(guò)改變線路電流Id、Iq既可改變U2d、U2q，進(jìn)而改變U2abc的幅值以及它與U1abc間的功角，實(shí)現(xiàn)有效的功率控制。有功和無(wú)功輸出整定值P1set和Q1set對(duì)應(yīng)的參考電流d軸分量和q軸分量也可以簡(jiǎn)化表示為

Idset=P1set/U1d

(7)

Iqset=Q1set/(-U1d)

(8)

式中：U1d為U1abc經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換后的d軸分量。

利用參考電流實(shí)時(shí)跟蹤線路電流，并通過(guò)PI控制器使其逼近參考值，即：

U2d=U1d+jωL1(Iq+ΔIq)

(9)

U2q=jωL1(Id+ΔId)

(10)

式中：ΔIq和ΔId分別為d和q軸比例積分控制器的輸出值;ω為交流同步角速度；L1為輸出濾波電感。

在此基礎(chǔ)上，利用派克反變換得到對(duì)應(yīng)的三相電壓U2abc，經(jīng)過(guò)折算，將其輸出作為PWM的控制輸入，控制逆變器的觸發(fā)脈沖，實(shí)現(xiàn)功率控制。

2 微電網(wǎng)系統(tǒng)模型

本文微電網(wǎng)系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)如圖6所示。該微電網(wǎng)的電源包括三聯(lián)供發(fā)電機(jī)、光伏電池板、蓄電池組以及市電；負(fù)荷包括一級(jí)負(fù)荷、二級(jí)負(fù)荷和三級(jí)負(fù)荷；提高電能質(zhì)量的設(shè)備包括無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備(電容器)和有源濾波裝置[11]。

圖6 微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

微電網(wǎng)通過(guò)一臺(tái)10 kV/0.4 kV變壓器和PCC快切開(kāi)關(guān)與系統(tǒng)連接，利用電力系統(tǒng)仿真分析軟件DIgSILENT對(duì)該微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行建模，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真計(jì)算。

3 微電網(wǎng)系統(tǒng)典型運(yùn)行方式仿真結(jié)果

3.1 并網(wǎng)模式向孤島模式轉(zhuǎn)換動(dòng)態(tài)仿真

微電網(wǎng)的典型運(yùn)行方式有并網(wǎng)和孤島模式2種[12]，本文仿真了微電網(wǎng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島運(yùn)行模式過(guò)程，驗(yàn)證本文運(yùn)行控制策略的有效性。

設(shè)定微電網(wǎng)某時(shí)刻運(yùn)行狀況為三聯(lián)供發(fā)出功率15 kW/3 kvar，光伏組件發(fā)出功率10 kW/0 kvar，蓄電池0出力。一級(jí)負(fù)荷17 kW(功率因數(shù)0.9)；二級(jí)負(fù)荷2.4 kW(功率因數(shù)0.8)；三級(jí)負(fù)荷30 kW(功率因數(shù)0.95)。設(shè)定3 s時(shí)斷開(kāi)微電網(wǎng)與配電網(wǎng)連接的快切開(kāi)關(guān)，同時(shí)斷開(kāi)二級(jí)負(fù)荷母線與一級(jí)負(fù)荷母線之間母聯(lián)開(kāi)關(guān)，由于蓄電池模式轉(zhuǎn)換時(shí)間較快，一級(jí)負(fù)荷母線平滑切換至孤島運(yùn)行模式。圖7是一級(jí)負(fù)荷母線頻率、電壓的變化情況。

圖8為蓄電池功率的變化。由仿真曲線可知，由于蓄電池快速響應(yīng)，在微電網(wǎng)由并網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換成孤島模式時(shí)，一級(jí)負(fù)荷母線頻率和電壓經(jīng)過(guò)短時(shí)間波動(dòng)后迅速恢復(fù)到正常水平并保持穩(wěn)定。

3.2 孤島時(shí)光伏出力波動(dòng)對(duì)微電網(wǎng)的影響

由于光伏發(fā)電為間歇式隨機(jī)性電源，其功率輸出情況受光照輻射、溫度等環(huán)境因素影響較大，并網(wǎng)時(shí)光伏出力的波動(dòng)由大電網(wǎng)承擔(dān)，系統(tǒng)頻率和電壓維持恒定；當(dāng)電網(wǎng)故障，微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，光伏出力波動(dòng)對(duì)微電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)一定的影響。本文仿真了微電網(wǎng)孤島運(yùn)行模式下，光伏出力大幅下降的情況。設(shè)定在6 s時(shí)光伏出力突降為0，圖9為三聯(lián)供燃?xì)廨啓C(jī)的響應(yīng)情況，圖10為二級(jí)負(fù)荷母線的電壓和頻率變化情況。

圖7 一級(jí)負(fù)荷頻率和電壓的變化圖Fig.7 Changes of frequency and voltage of primary load

圖8 蓄電池功率變化Fig.8 Power change of battery

圖9 燃?xì)廨啓C(jī)功率響應(yīng)Fig.9 Power response of gas turbine

圖10 二級(jí)負(fù)荷頻率和母線電壓變化情況Fig.10 Change of frequency and voltage change of secondary load

由圖9～10可知，在微電網(wǎng)當(dāng)前運(yùn)行方式下，光伏出力大幅下降對(duì)微電網(wǎng)運(yùn)行影響較小，當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)備用容量較大時(shí)，其快速出力響應(yīng)可以使二級(jí)負(fù)荷母線電壓和頻率在小幅震蕩后維持一個(gè)較為穩(wěn)定的水平，保證二級(jí)負(fù)荷正常供電。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)含多種分布式電源的微電網(wǎng)運(yùn)行控制問(wèn)題，研究了微電網(wǎng)中冷熱電三聯(lián)供、光伏電池和儲(chǔ)能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和控制方法，通過(guò)DIgSILENT軟件建立了微電網(wǎng)整體模型。仿真分析了微電網(wǎng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島模式以及微電網(wǎng)孤島模式下光伏出力大幅下降2種典型微電網(wǎng)運(yùn)行方式對(duì)微電網(wǎng)的影響。結(jié)果顯示，本文采用的控制方法在微電網(wǎng)運(yùn)行模式轉(zhuǎn)變過(guò)程中能良好地協(xié)調(diào)控制內(nèi)部各臺(tái)分布式電源，使微電網(wǎng)系統(tǒng)保持安全可靠運(yùn)行。

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(編輯：張小飛)

ModelingandSimulationofMicrogridBasedonCooling-Heating-PowerSupplySystem

SUN Jianyang1, GUO Jianzhao1, JIN Peng2

(1. State Grid Quanzhou Power Supply Company, Quanzhou 362000, Fujian Province, China;2. North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

The mathematical models of distributed generations in microgrid were established, including cooling-heating-power supply, energy storage, photovoltaic power generation, etc. The control strategies were proposed with considering economy, and the DIgSILENT software was used for the simulation analysis. On this basis, the transform of operation mode from grid-connection to island was tested, and the changes of distributed generation, microgrid voltage and frequency were studied under the significantly fluctuation of PV output. Finally, the impact of operation mode on the stable operation of microgrid was analyzed, and the effectiveness of models and control strategies was verified.

microgrid; distributed generation; control strategy; modeling and simulation

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(973計(jì)劃)(2009CB219706)。

TM 712

： A

： 1000-7229(2014)06-0022-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.005

2013-12-16

：2014-01-20

孫健秧(1967)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行，E-mail：sun-jy@163.com;

郭建釗(1964)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡姎夤こ滔嚓P(guān)領(lǐng)域，E-mail：guojianzhao3208@163.com;

金鵬(1984),男，博士，研究方向?yàn)槲⒕W(wǎng)控制，E-mail:jpjsdx@163.com。