微型電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的四象限運(yùn)行動態(tài)特性研究

李栩 郭軍煒

摘要：本文主要研究一個與城市供電并聯(lián)的微型電網(wǎng)在功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)四象限運(yùn)行條件下的動態(tài)特性，以城市供電系統(tǒng)、微電源、功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)、靜態(tài)負(fù)載、以及其他系統(tǒng)組件組成的系統(tǒng)為研究對象。首先建立系統(tǒng)組件的數(shù)學(xué)模型，利用Matlob/Simulink的SimPowerSystems模塊進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明：此功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)能在不影響其他組件的情況下進(jìn)行四象限輸出控制，且該微型電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各電源運(yùn)行也符合預(yù)期，為功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計提供重要參考。

關(guān)鍵詞：微型電網(wǎng)；微型電源；太陽能發(fā)電系統(tǒng)；功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2016.1.016

微型電網(wǎng)是將一定區(qū)域內(nèi)的負(fù)載與微型電源整合成可控制的系統(tǒng)以提供電力給用戶。微型電網(wǎng)技術(shù)主要包括微汽輪機(jī)、燃料電池、風(fēng)力機(jī)、太陽能光電、儲能技術(shù)等，其特點(diǎn)包括即插即用、規(guī)?？勺?、余熱發(fā)電、可在孤立和并聯(lián)運(yùn)行間平穩(wěn)轉(zhuǎn)換。此外，微型電網(wǎng)應(yīng)能提供設(shè)備即插即用的功能，即系統(tǒng)內(nèi)模塊可任意變動位置而不需調(diào)整任何監(jiān)測參數(shù)與保護(hù)設(shè)定閾值。微型電網(wǎng)孤立運(yùn)行時，因可再生能源機(jī)組系統(tǒng)內(nèi)大都含有變頻器，除傳統(tǒng)的過電流保護(hù)方式和保護(hù)協(xié)調(diào)觀念需要調(diào)整外，分散式電源控制、電力潮流控制以及系統(tǒng)擾動下的卸載控制等，均需作相應(yīng)的調(diào)整^[1-2]。

本文主要研究一個與城市供電并聯(lián)的微型電網(wǎng)在功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)四象限運(yùn)行條件下的動態(tài)特性、通過數(shù)學(xué)模型構(gòu)建微型電網(wǎng)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型、系統(tǒng)組件模型，然后利用MATLAB的SimPowerSystems模塊對各模型進(jìn)行動態(tài)特性模擬，所得結(jié)果可作為功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用的重要參考^[3]。

1 微型電網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

1.1狀態(tài)空間表示法

狀態(tài)空間法是利用一組首階微分方程構(gòu)建系統(tǒng)組件及整個系統(tǒng)的動態(tài)模型，此法可將組件模塊化后進(jìn)一步加以連接，如此可使研究的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有彈性且多元化。利用狀態(tài)空間法、系統(tǒng)組件可表示為^[4-5]：

p|x|=|4||x|+|B||u|（1）

式中，[x]是n維狀態(tài)參數(shù)矩陣，[u]是，m維輸入矩陣，[A]、[B]分別為nxn維系數(shù)矩陣和nxm維控制矩陣，p是微分算子。

1.2微型電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

假設(shè)與城市供電系統(tǒng)并聯(lián)的微型電網(wǎng)由一套容量為68kW的微型汽輪機(jī)系統(tǒng)，一套容量為32kW的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，一套容量為98kW的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，靜態(tài)負(fù)載以及其他組件構(gòu)成。其中微型汽輪機(jī)系統(tǒng)由微型汽輪機(jī)、永磁式發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)換器和控制機(jī)構(gòu)組成；太陽能系統(tǒng)由太陽能光板、轉(zhuǎn)換器和控制機(jī)構(gòu)組成：功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)由蓄電池、轉(zhuǎn)換器和控制機(jī)構(gòu)組成。在一定程度上，各系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換器和控制機(jī)構(gòu)都是相似的。兩組靜態(tài)負(fù)載功率均為27.5kW，外加一組選擇性負(fù)載，功率為19kW。圖1為系統(tǒng)組件功率潮流，圖中各組件的實功與虛功關(guān)系可表示為：P_{MG=-（PMTGl+PPV1，+PPCS）+PL1+PL2+PL3}

（2）

功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的四象限運(yùn)行動態(tài)特性為：

2.1太陽光電系統(tǒng)模型

太陽能光電系統(tǒng)由許多太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)或并聯(lián)組成，太陽能電池由多個P-N結(jié)半導(dǎo)體組成，將光能轉(zhuǎn)化成電能。如圖2所示，用一個電流源表示太陽能模塊的等效電路，其中電流源l_{ph為太陽能板經(jīng)光照后產(chǎn)生的電流，Rs和RSH為材料內(nèi)部的等效串聯(lián)和并聯(lián)電阻，Ipv，Vpv表示光電板輸出的電流和電壓，RL為外加負(fù)載。一般情況下，為簡化分析將Rs和RSH忽略不計，太陽能電池輸出電流、電壓的關(guān)系為^[6-7]：}

式中，I_{pv，Isc分別為太陽能電池輸出電流和短路電流，vocVmp，Imp分別為太陽能電池開路電壓，最大功率處的電壓及電流，Ett，Est為太陽能日照強(qiáng)度和參考強(qiáng)度，α，β為太陽能電池溫度系數(shù)和電壓溫度系數(shù)，Ta為環(huán)境溫度^[8]。}

對于大部分微電網(wǎng)系統(tǒng)，風(fēng)力發(fā)電與太陽能發(fā)電系統(tǒng)均具適和最大功率點(diǎn)追蹤的控制策略。根據(jù)典型太陽能電池P-V曲線，最大功率追蹤根據(jù)功率與電壓的變化斜率來調(diào)整電壓以追蹤最大功率點(diǎn)。當(dāng)dP/dV_{p0時，電壓vp增加，當(dāng)dP/dVp<0時，電壓vp減少。圖3為據(jù)此準(zhǔn)則設(shè)計最大功率追蹤控制器結(jié)構(gòu)。}

2.2功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型

本文使用的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)搭建在一個低壓轉(zhuǎn)換平臺上，通過彈性與高模組化的電力電子結(jié)構(gòu)提供較寬的頻帶特性。通過功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的寬頻特性強(qiáng)化和提高智能電網(wǎng)的性能、品質(zhì)及可靠度。本功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)需求調(diào)節(jié)控制實功率和虛功率。在市網(wǎng)停電條件下，設(shè)定系統(tǒng)孤島運(yùn)行模式或關(guān)閉系統(tǒng)，繼續(xù)為負(fù)載供電。當(dāng)市電恢復(fù)供電后，功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)重新并聯(lián)，允許無縫連接到市電。而圖4為一個功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)實功率與虛功率控制策略示意圖，包括轉(zhuǎn)換器、直流連接界面、市電與耦合單元以及需量控制器。在此控制模式下，P_{ref，Qref為設(shè)定值，通過這兩個設(shè)定值，可使功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)達(dá)到四象運(yùn)行。微型電網(wǎng)在固定功率模式下，Pref，Qref可由式（2），（3）求得。}

2.3微汽輪機(jī)模型

微型汽輪機(jī)模型與汽輪機(jī)模型相似，模塊結(jié)構(gòu)包括汽輪機(jī)和控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)包括速度控制、溫度控制、加速度控制和燃料控制系統(tǒng)。通過改變汽輪機(jī)速度控制參數(shù)，并控制原動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，使汽輪機(jī)在設(shè)定參數(shù)下運(yùn)行。溫度控制可預(yù)防原動機(jī)超溫，當(dāng)溫度過高時溫度控制傳輸信號至燃料系統(tǒng)降低燃料輸入。加速度控制是當(dāng)原動機(jī)啟動或加速到額定轉(zhuǎn)速時，傳送控制信號至燃料系統(tǒng)使轉(zhuǎn)速不會持續(xù)上升，燃料控制系統(tǒng)主要控制輸送至汽輪機(jī)燃料的多少。

汽輪機(jī)等效模型包括溫度控制、速度控制、加速度控制以及燃料控制等四個主要控制系統(tǒng)。根據(jù)轉(zhuǎn)速誤差，通過比較速度控制信號、加速度控制信號及溫度控制信號，選擇最小值作為燃料控制信號，最后通過燃料控制系統(tǒng)控制輸入燃料量。汽輪機(jī)一方面輸出，另一方面產(chǎn)生廢熱，并通過溫度控制系統(tǒng)得到溫度控制信號。

2.4永磁發(fā)電機(jī)模型

永磁發(fā)電機(jī)常用于交流發(fā)電系統(tǒng)，如微汽輪機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等。永磁體發(fā)電機(jī)原理與同步發(fā)電機(jī)原理相似，不同之處在于使用永磁體代替同步發(fā)電機(jī)的激勵系統(tǒng)，并具有消除碳刷或滑環(huán)的好處。永磁體發(fā)電機(jī)動態(tài)方程可表示為：

式中V_{d，vq為d軸和q軸電壓，id，iq為d軸和q軸電流，Ld，lq為d軸和q軸漏電感，R為定子側(cè)電阻， ω為轉(zhuǎn)子角速度， λ為永磁體磁通量，P為極。}

3 動態(tài)特性模擬

3.1 SimPowerSystems模塊

與市電并聯(lián)的微型電網(wǎng)SimPowerSystems模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示，Zonel的SimPowerSystems模塊如圖6所示。

3.2模擬順序

圖7為模擬時序圖，O秒時所有系統(tǒng)組件均連接到系統(tǒng)，此時PCS在第1象限運(yùn)行，實功率為正，虛功率也為正。10-15秒時PCS運(yùn)行在第IV象限，實功率為正，虛功率為負(fù)。15-25秒時PCS運(yùn)行在第Ⅲ象限，實功率為負(fù)，虛功率為負(fù)。25-30秒時PCS運(yùn)行在第III象限，實功率為負(fù)，虛功率也為正。

3.3模擬結(jié)果

圖7為系統(tǒng)四象限參數(shù)運(yùn)行模擬的時序圖，圖7（a）和圖7（c）為具有相同功率輸出的兩條匯流排，差別在于69kV匯流排提供了較多的實功率給變壓器。圖7（g）為微型電網(wǎng)實功率在-90kW和30kW之間的變化情況，其值等于微電源、功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)、以及負(fù)載功率的總和。圖7（e）為在設(shè)定從輸出變成輸入時功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的實功率。圖7（i）和圖7（k）的實功率均為常數(shù)，這是因為這些組件的實功率并未受到功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)即系統(tǒng)輸出功率變動的影響。圖7（b）和圖7（d）為具有相同虛功率輸出的兩條匯流排，差別在于69kV匯流排提供了較多的虛功率給變壓器。圖7（h）為微型電網(wǎng)虛功率在-50kVAR與50kVAR之間的變化情況，其值等于微電源、功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)、以及負(fù)載功率的總和。圖7（f）為在設(shè)定從輸出變成輸入時功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的虛功率。圖7（j）和圖7（I）的虛功率幾乎為常數(shù)，這是因為這些組件的虛功率并未受到功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)即系統(tǒng)輸出功率變動的影響。

4 結(jié)論

本文探討了一個與市電并聯(lián)的微型電網(wǎng)系統(tǒng)在功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)四象限運(yùn)行情況下的動態(tài)特性。研究結(jié)果表明該功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)能在不影響其他系統(tǒng)組件的情況下進(jìn)行四象限輸出控制：此微電網(wǎng)系統(tǒng)也能穩(wěn)定運(yùn)行，各種微型電源運(yùn)行形態(tài)與預(yù)計完全符合，為功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用提供重要參考。

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