微電網(wǎng)中分布式電源簡化模型

馬川，劉迎澍

(天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，天津市 300072)

微電網(wǎng)中分布式電源簡化模型

馬川，劉迎澍

(天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，天津市 300072)

基于當(dāng)前微電網(wǎng)研究領(lǐng)域熱點，在某些不考慮具體設(shè)備暫態(tài)過程的仿真研究中，為縮短建模時間和仿真時間，濾除仿真結(jié)果中的諧波干擾，針對分布式電源詳細(xì)模型的本質(zhì)特點，對其組成部分原動機(jī)和逆變器分別進(jìn)行簡化，提出相應(yīng)的簡化模型。在光伏并網(wǎng)的仿真場景下，建立整體仿真模型，將詳細(xì)模型與簡化模型進(jìn)行對比可知：簡化模型不僅在穩(wěn)態(tài)時達(dá)到了與詳細(xì)模型相同的結(jié)果，而且暫態(tài)響應(yīng)優(yōu)于詳細(xì)模型，達(dá)到了預(yù)期的對簡化模型的要求。

微電網(wǎng)；分布式電源；簡化模型；光伏并網(wǎng)

0 引 言

當(dāng)前環(huán)境問題日益加重，霧霾天氣嚴(yán)重威脅著人們健康。霧霾產(chǎn)生的主要原因就是化石能源的使用消耗，包括煤的燃燒，汽車尾氣等。清潔能源的使用可以大大減少對化石能源的依賴，減輕對環(huán)境的破壞，很長時間以來成為能源領(lǐng)域研究的重要課題。如今，利用可再生能源發(fā)電的技術(shù)日趨成熟，但是對可再生能源發(fā)出的電能進(jìn)行安全可靠和有效的使用，仍是一個亟待解決的問題?？稍偕茉窗l(fā)電，包括光伏電池、風(fēng)力發(fā)電等，具有對環(huán)境條件很強(qiáng)的依賴性，輸出電能受環(huán)境條件影響很大，包括溫度、光照、風(fēng)速等等，造成了其輸出電能的不穩(wěn)定性和不可預(yù)測性。針對這個問題，微電網(wǎng)的概念被提出，隨之眾多學(xué)者對其進(jìn)行了廣泛的研究，目的在于解決分布式電源，主要是可再生能源的使用[1-2]。

微電網(wǎng)系統(tǒng)的仿真研究是微電網(wǎng)研究領(lǐng)域的一個重要方面，是實現(xiàn)驗證微電網(wǎng)控制方式、實施能量管理策略、演算優(yōu)化算法等目標(biāo)的重要手段。文獻(xiàn)[3-5]通過建立微電網(wǎng)中各組件的詳細(xì)模型，對各種控制策略進(jìn)行了仿真研究，得到微電網(wǎng)的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)反應(yīng)結(jié)果。在仿真過程中，模型的建立至關(guān)重要，影響到仿真過程的順利進(jìn)行以及結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。一般來說，模型包括詳細(xì)模型和簡化模型。詳細(xì)模型雖然反映了不同分布式電源具體的特點，包括穩(wěn)態(tài)階段和暫態(tài)階段，但是詳細(xì)模型不僅建模繁瑣，仿真時間長，模型冗繁，易于出錯，而且不同模塊組合時需要考慮兼容性問題。重要的是，在不考慮具體設(shè)備暫態(tài)過程仿真研究時，由于微電網(wǎng)中大量電力電子設(shè)備的使用，大量諧波的引入影響了對仿真目標(biāo)的實現(xiàn)和觀測。文獻(xiàn)[6]指出，分布式電源、電力電子變流裝置及相應(yīng)的控制器建模是微電網(wǎng)系統(tǒng)仿真研究必須面對的重要問題，但是在含大量分布式電源和電力電子變流裝置的微電網(wǎng)系統(tǒng)仿真研究中，針對不同的研究目的和應(yīng)用場合，并不是總需要對所有研究對象都采用詳細(xì)模型。這時，在一定條件下建立的簡化模型就可以滿足系統(tǒng)仿真的需要。

本文在對分布式電源構(gòu)成分析的基礎(chǔ)上，分別建立其構(gòu)成模塊原動機(jī)和逆變器的簡化模型，為了驗證其可行性和優(yōu)越性，在光伏并網(wǎng)的仿真環(huán)境下，將簡化模型和詳細(xì)模型作仿真對比。

1 分布式電源簡化模型

1.1 分布式電源構(gòu)成

微電網(wǎng)中的分布式電源可以分為兩類：一類是基于同步發(fā)電機(jī)或是異步發(fā)電機(jī)的分布式電源，如微型燃?xì)廨啓C(jī)等；另一類是基于逆變器功率變換接口的分布式電源，如光伏電池、燃料電池等等[7]。微電網(wǎng)中的儲能裝置如果采用逆變器接口，也可以將其歸為第二類。本文研究的分布式電源為第二類，即逆變器接口型分布式電源。

逆變器接口型分布式電源包括2個部分：原動機(jī)部分和逆變器部分，示意圖如圖1所示。

圖1 分布式電源構(gòu)成示意圖

原動機(jī)部分的作用是將一次能源，如光能等，轉(zhuǎn)化為二次能源，即電能，相應(yīng)的應(yīng)用實例為光伏電池等。原動機(jī)輸出的電能不能夠直接并網(wǎng)或是用于負(fù)載，還需要經(jīng)過一系列的電力電子裝置，最終變換成電壓和功率為額定值的交流電。這里的電力電子變換裝置包括DC/DC變換器和DC/AC變換器，前者一般為boost斬波電路，主要是由于原動機(jī)輸出的直流電壓較低，不能滿足直流交流變換器對輸入電壓的要求，需要通過boost斬波電路升壓。后者通常稱為逆變器。本文研究分布式電源簡化模型時，將DC/DC變換器和原動機(jī)視為同一部分，作用是為逆變器提供滿足輸入電壓要求的直流電源，將逆變器視為另一獨立部分，作用是將原動機(jī)部分輸出的直流電變換為負(fù)載可用的交流電。

當(dāng)研究電力系統(tǒng)問題時，相對于分布式電源的內(nèi)部特性，研究人員更關(guān)心它們的外部輸出特性，這是本文研究分布式電源簡化模型的基礎(chǔ)。本文建立的分布式電源簡化模型也包括2個部分：原動機(jī)簡化模型和逆變器簡化模型。

1.2 原動機(jī)簡化模型

1.2.1 原動機(jī)輸出特性分析

在分析分布式電源特性以及研究微電網(wǎng)整體系統(tǒng)時，可以近似使用直流源代替原動機(jī)輸出，即將直流源作為分布式電源的輸出源。直流源包括電壓源和電流源兩種。傳統(tǒng)微電網(wǎng)對分布式電源控制策略仿真研究時，逆變器直流側(cè)通常接電壓源，原因如下：

(1)一般地，微電網(wǎng)中分布式電源的直流側(cè)會并聯(lián)儲能裝置，這樣其直流側(cè)的電壓基本保持恒定；

(2)經(jīng)過逆變器逆變的分布式電源的原動機(jī)與逆變器之間的電容可以在暫態(tài)時提供系統(tǒng)所需要的電能，用以維持分布式電源的輸出電壓，起到功率緩沖作用，而且對于分布式電源來說，環(huán)境條件如光照、溫度、風(fēng)速等對其輸出影響較大，在暫態(tài)反應(yīng)的微小時間段內(nèi)輸出電壓可以認(rèn)為是不變的，其影響可以不予考慮。

然而，這里將電壓源作為原動機(jī)的簡化模型是有條件限制的，即原動機(jī)的輸出側(cè)需并聯(lián)儲能裝置[8]，用以維持電壓穩(wěn)定，前提是在儲能裝置充放電允許范圍內(nèi)可彌補(bǔ)原動機(jī)產(chǎn)生功率和逆變器輸出功率的差額，這對儲能裝置的容量也有一定的要求。多個小功率分布式電源組成微電網(wǎng)時，儲能裝置的配置對成本影響很大。同時在仿真實驗過程中，電壓源作為原動機(jī)不能反映分布式電源的功率源特性。

所謂功率源特性是指，在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，分布式電源原動機(jī)在不同環(huán)境條件的影響下，可輸出的最大功率是一定的，為了效率最大化，通過控制電力電子裝置，使得分布式電源實時追蹤最大功率點，獲得最大功率輸出，本質(zhì)上原動機(jī)可以等效為一個功率源，即在環(huán)境條件不變的情況下輸出功率為定值。

總結(jié)得出微電網(wǎng)中分布式電源逆變器直流側(cè)原動機(jī)的輸出特性:輸出端電壓穩(wěn)定，無突變；輸出功率可控。

分布式電源原動機(jī)簡化模型建立的原則是功率等效原則，即簡化模型模擬分布式電源的功率輸出，任意時刻輸出的功率與實際電源相等即可，忽略電能的具體產(chǎn)生過程和接口直流功率變換器的變流過程。

1.2.2 原動機(jī)簡化模型

基于分布式電源原動機(jī)最大功率輸出的功率源輸出特性，原動機(jī)簡化模型建立的原則為功率等效原則，即簡化模型模擬原動機(jī)的功率輸出，任意時刻輸出的功率與實際電源相等即可，忽略電能的具體產(chǎn)生過程和電源接口變換器的功率變換過程。

若要電壓源滿足功率源特性須改變輸出端電壓從而改變輸出功率，而一般的逆變器要求直流側(cè)電壓穩(wěn)定，故電壓源不適合。本文提出基于受控電流源作為原動機(jī)輸出源的簡化模型，示意圖如圖2所示。

圖2 原動機(jī)簡化模型示意圖

圖中，虛線框內(nèi)部分為原動機(jī)簡化模型，該簡化模型由一個受控電流源和一個穩(wěn)壓電容組成。其中，受控電流源根據(jù)反饋控制環(huán)節(jié)控制輸出電流從而控制輸出功率在指定值，電容的作用是穩(wěn)定輸出端電壓，使其不發(fā)生突變。

受控電流源通過改變輸出電流icont來改變輸出功率，若原動機(jī)簡化模型輸出小于指定值，icont增加，假定此時輸出側(cè)電流idc不變，電容上流過電流iC，輸出端直流電壓Udc增加，導(dǎo)致idc增大，原動機(jī)簡化模型增大到指定值；反之亦然。

這樣，本文提出的原動機(jī)簡化模型完全可以滿足前文所分析的原動機(jī)輸出特性，即輸出電壓穩(wěn)定，無突變且輸出功率可控。

1.2.3 原動機(jī)簡化模型控制

圖2中原動機(jī)簡化模型輸出功率為

Pdc=Udcidc

(1)

根據(jù)節(jié)點電流方程，有：

icont=idc+iC

(2)

替換idc，有：

(3)

式中：Pdc為控制輸出功率；icont為控制輸入電流；Udc為擾動輸入電壓。

根據(jù)上述動態(tài)方程構(gòu)建控制系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示[9]。

圖3 原動機(jī)簡化模型控制系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

這里，逆變器的輸入阻抗簡化為電阻R表示。控制補(bǔ)償器C(s)參數(shù)可以根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)在時域和頻域整定，這里不展開討論。

1.3 逆變器簡化模型

分布式電源逆變器的作用是將原動機(jī)產(chǎn)生的直流電變換成負(fù)載可用的交流電。通常其詳細(xì)模型采用三相橋式電路，如圖4所示。

圖4 逆變器詳細(xì)模型電路圖

上圖中虛線框內(nèi)為逆變器詳細(xì)模型電路，由3組橋式開關(guān)管反并聯(lián)二極管組成，輸出側(cè)接RL濾波器。開關(guān)管由SPWM控制產(chǎn)生的開關(guān)信號控制通斷，將輸入側(cè)直流電逆變成交流電，輸入電網(wǎng)或供給負(fù)載。

由開關(guān)電路構(gòu)成的逆變器詳細(xì)模型在仿真過程中，不僅減小了仿真步長，增加了仿真時間，而且引入大量的開關(guān)諧波，此時，需要構(gòu)建逆變器的簡化模型取而代之。由于三相逆變器可以由3個單相逆變器組成，為了簡化討論，本文以單相為例說明簡化過程。

首先建立逆變器基于開關(guān)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型。單相半橋逆變電路如圖5所示[10]。

圖5 單相半橋逆變電路圖

圖中，選擇直流電壓中點為零點電壓，那么：

(4)

開關(guān)管開關(guān)函數(shù)定義如下

(5)

而且：

(6)

逆變器輸出側(cè)電壓：

(7)

這里將逆變單路作理想化處理，即不考慮線損和開關(guān)阻抗，從而忽略了線路壓降和開關(guān)管壓降。

相應(yīng)的電流表示為

(8)

(9)

傳輸功率計算如下：

(10)

(11)

(12)

逆變電路交流側(cè)狀態(tài)方程如下：

(13)

下面由上述模型推導(dǎo)逆變器的平均值模型。

由于Ut(t)是周期函數(shù)，可以對其進(jìn)行傅里葉分解：

(14)

式中：

(15)

(16)

將式(14)代入式(13)可得：

(17)

(18)

(19)

這里：

(20)

(21)

這里，取平均值定義為

(22)

平均值模型本質(zhì)上就是忽略開關(guān)函數(shù)模型的周期分量，保留直流分量。開關(guān)函數(shù)模型里，周期函數(shù)主要是開關(guān)函數(shù)，將其寫成平均值形式如下：

(23)

(24)

式中：d為SPWM占空比，為表述簡便，令：

m=2d-1

(25)

將開關(guān)函數(shù)模型中相應(yīng)變量以平均值模型表達(dá)如下：

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

根據(jù)單相逆變電路的平均值模型，建立等效電路見圖6。

圖6 單相半橋逆變器平均值模型等效電路

上述等效電路是對逆變器詳細(xì)模型即開關(guān)電路的簡化，在數(shù)學(xué)模型上它忽略了相應(yīng)變量的周期分量，在電路表現(xiàn)形式上用受控電壓源和電流源取代了高頻脈沖控制的開關(guān)管。這樣，平均值模型既可以表現(xiàn)逆變器的動態(tài)特性，又不包括高頻分量即開關(guān)諧波，達(dá)到了本文預(yù)期的簡化目的。三相逆變電路可以由上述單相逆變電路組合而成，本文不再贅述。

2 分布式電源簡化模型仿真驗證

前文詳細(xì)介紹了逆變器接口型分布式電源原動機(jī)簡化模型和逆變器簡化模型，二者組合便是分布式電源整體的簡化模型。為了驗證前文建立的分布式電源簡化模型的可行性和優(yōu)越性，這里建立光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的實際仿真背景[11-13]，將分布式電源的詳細(xì)模型與簡化模型的仿真結(jié)果進(jìn)行對比，仿真示意圖如7所示。

圖7 光伏并網(wǎng)仿真模型示意圖

這里，光伏電池額定功率設(shè)定為100 kW，接有具有MPPT控制算法的DC/DC功率變換器[14]，隨時追蹤最大功率點以保證最大功率輸出。相應(yīng)地分布式電源簡化模型設(shè)置與詳細(xì)模型相同的輸出參數(shù)。

仿真過程中設(shè)計光照強(qiáng)度在仿真過程中產(chǎn)生突變，在0.1 s時光照強(qiáng)度由1 000 W/m2下降到600 W/m2,光伏電池輸出功率改變，這樣可以將詳細(xì)模型與簡化模型的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行對比。

2種模型仿真結(jié)果對比如圖8～12所示。從仿真結(jié)果對比圖可以看出，分布式電源簡化模型在穩(wěn)態(tài)時得到了與詳細(xì)模型相同的仿真結(jié)果。 由圖8、9、10可以看出，光伏電池在光照發(fā)生突變時，由于MPPT算法需要重新追蹤最大功率工作點，暫態(tài)時間較長，并且影響到后面逆變器的輸出功率和直流側(cè)電壓的穩(wěn)定；而原動機(jī)簡化模型在環(huán)境條件改變時可以快速穩(wěn)定在新的工作狀態(tài)，略去了詳細(xì)模型具體的最大功

圖8 光伏電池輸出功率曲線

圖9 逆變器輸出功率曲線

圖10 直流側(cè)電壓曲線

圖11 逆變器輸出側(cè)線電壓曲線

圖12 逆變器輸出側(cè)三相電流曲線

率追蹤時間。由圖11、12可以看出，逆變器詳細(xì)模型輸出側(cè)電流電壓波形包含了大量的開關(guān)諧波，導(dǎo)致波形嚴(yán)重失真，不利于對仿真結(jié)果的觀察；而逆變器簡化模型由于采用平均值模型，濾除了開關(guān)諧波，使得輸出電壓電流波形比較接近理想的正弦波。從仿真結(jié)果的對比可以看出，分布式電源的簡化模型達(dá)到了預(yù)期的效果，相較于詳細(xì)模型優(yōu)勢明顯，在某些不需要考慮具體模型暫態(tài)反應(yīng)的仿真環(huán)境中，可以達(dá)到使用要求。

3 結(jié) 論

本文基于逆變器接口型分布式電源的構(gòu)成，在對詳細(xì)模型分析的基礎(chǔ)上，分別建立了原動機(jī)和逆變器的簡化模型，設(shè)定了光伏并網(wǎng)的具體仿真環(huán)境，將分布式電源的詳細(xì)模型和簡化模型作了仿真對比。對比結(jié)果表明，簡化模型具有可行性和優(yōu)越性。

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(編輯：張媛媛)

SimplifiedModelforDistributedPowerinMicrogrid

MA Chuan,LIU Yingshu

(Electrical and Automation Engineering Institute of Tianjin University, Tianjin 300072, China)

As microgrid becomes the current research hotpot in the filed of electricity, the specific device’s transient process is not be considered in some simulation studies. In accordance with a detailed model’s essential characteristics of a distributed power, this paper simplifies its components, namely prime mover and inverter, separately and proposes the corresponded simplified models, in order to shorten modeling time and simulation time and eliminate harmonic interference in simulation results. In the simulation background of photovoltaic grid-connected, through the establishment of an overall model of photovoltaic grid-connected, this paper makes a comparison between the detailed model and the simplified model, confirming that the simplified model not only gets the same results in the steady state with the detailed model, but also represents a better transient performance than the detailed model, which achieves the desired requirements for the simplified model.

microgrid; distributed power; simplified model; photovoltaic grid-connected

TM 743

： A

： 1000-7229(2014)06-0044-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.009

2014-04-29

：2014-05-08

馬川(1989)，男，碩士研究生，主要從事微網(wǎng)、智能電網(wǎng)方面的研究工作，E-mail：machuan01@126.com；

劉迎澍(1971)，男，博士，副教授，主要從事智能電網(wǎng)、基于Web的信息與控制技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用等方面的研究工作。