基于Matlab的微電網(wǎng)孤島運(yùn)行仿真研究

摘要： 微電網(wǎng)技術(shù)是 21世紀(jì)電網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)重要方向.這種全新的供配電形式，不僅更適合于新能源接入，而且人性化地賦予了電力用戶更多的選擇和管理空間.利用Matlab/Simulink軟件模擬搭建了一個(gè)由風(fēng)能和水能提供電源的微電網(wǎng)仿真平臺(tái)，并對(duì)平臺(tái)在遇到主網(wǎng)故障時(shí)的兩種運(yùn)行模式（關(guān)閉/開(kāi)啟孤島運(yùn)行）進(jìn)行了仿真.結(jié)果表明，關(guān)閉孤島運(yùn)行模式時(shí)，微電網(wǎng)將在大電網(wǎng)故障時(shí)承受長(zhǎng)時(shí)間及大幅值的功率與電壓波動(dòng)；開(kāi)啟孤島運(yùn)行模式時(shí)，微電網(wǎng)的功率與電壓波動(dòng)將有所減弱，能較好保證微電網(wǎng)的供電穩(wěn)定和設(shè)備安全.研究表明，微電網(wǎng)的孤島運(yùn)行機(jī)制是有效且必要的.

關(guān)鍵詞：

微電網(wǎng)； 孤島運(yùn)行； 分布式電源； 仿真

中圖分類號(hào)： TM 74文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

近年來(lái)，大機(jī)組、大電網(wǎng)憑借其在發(fā)電量和調(diào)配能力上的優(yōu)勢(shì)快速發(fā)展，并組成了我國(guó)電力供應(yīng)的主要構(gòu)架.但是，隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，無(wú)論是城市還是鄉(xiāng)村，對(duì)電力供應(yīng)的要求都在不斷提高，且這樣的提高不僅僅限于電力需求量的增加，還在于供電過(guò)程中穩(wěn)定性及可靠性等指標(biāo)的提升.而不斷擴(kuò)大中的電廠和超高壓輸電網(wǎng)正逐漸暴露出環(huán)境危害大、運(yùn)行難度大及維護(hù)成本高等一系列問(wèn)題，越來(lái)越難以滿足當(dāng)前用戶綠色且多樣化的電力需求.因此，伴隨著新電力時(shí)代前行的浪潮，微電網(wǎng)技術(shù)孕育而生，且逐漸受到世界各國(guó)的重視與扶持[1].

作為未來(lái)智能電網(wǎng)的重要組成部分，微電網(wǎng)最鮮明的特點(diǎn)之一就是擁有孤島運(yùn)行機(jī)制.當(dāng)大電網(wǎng)發(fā)生故障或其電能質(zhì)量不符合系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，微電網(wǎng)可以脫離大電網(wǎng)進(jìn)入孤島運(yùn)行模式，保護(hù)自身的正常運(yùn)行，提高微網(wǎng)的供電可靠性和安全性.本文利用Matlab/Simulink軟件模擬搭建了一個(gè)由風(fēng)能和水能提供電源的微電網(wǎng)仿真平臺(tái)，并對(duì)其在遇到主網(wǎng)故障時(shí)的兩種運(yùn)行模式（關(guān)閉/開(kāi)啟孤島運(yùn)行）進(jìn)行了仿真和分析.

1微電網(wǎng)簡(jiǎn)介

1.1微電網(wǎng)的概念和意義

微電網(wǎng)（microgrid）也稱微網(wǎng)，是智能電網(wǎng)的一種新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由分布式電源（多為可再生能源）、儲(chǔ)能裝置、監(jiān)控裝置和負(fù)荷構(gòu)成，既可孤島運(yùn)行，又可并入大電網(wǎng)，是一套能夠?qū)崿F(xiàn)自我管理與保護(hù)的自動(dòng)供能系統(tǒng).

在微電網(wǎng)中就近建設(shè)分布式電源（distributed generation，DG）不僅大大減少了電能在傳輸過(guò)程中的損耗，而且也為新世紀(jì)綠色發(fā)電的推廣和接入提供了一條有效途徑.當(dāng)微電網(wǎng)中負(fù)荷增大時(shí)，本地電源無(wú)法滿足的電能需求可由公共電網(wǎng)提供；當(dāng)負(fù)荷減小時(shí)，微電網(wǎng)中多余的電量可通過(guò)向大電網(wǎng)輸電的方式來(lái)消化.靈活的能源傳輸與利用使微電網(wǎng)真正成為一種區(qū)別于傳統(tǒng)電網(wǎng)的供配電新途徑[2].

1.2微電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

目前美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家都已經(jīng)完成了對(duì)微電網(wǎng)的基礎(chǔ)理論研究，也建成了一些分布式電源及微電網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃推脚_(tái)，完成了微電網(wǎng)控制、保護(hù)策略和通信協(xié)議等方面規(guī)范的制定，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)室和示范工程進(jìn)行了驗(yàn)證，且已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)微電網(wǎng)的商業(yè)化和規(guī)?；厔?shì).微電網(wǎng)的應(yīng)用范圍和等級(jí)也在不斷擴(kuò)大與提升，大多已從原來(lái)的兆瓦級(jí)以下單建筑微電網(wǎng)，發(fā)展到510 MW多建筑商業(yè)區(qū)或工業(yè)園微電網(wǎng)，并開(kāi)始探索向10～30 MW級(jí)饋線、30 MW級(jí)以上的變電站以及地理范圍更大的農(nóng)村配網(wǎng)發(fā)展.我國(guó)對(duì)微電網(wǎng)的研究起步較晚，目前還處于理論、仿真和實(shí)驗(yàn)研究階段，但我國(guó)已將“分布式供能技術(shù)”列入2006—2020年中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要，頒布了863H973計(jì)劃支持微電網(wǎng)領(lǐng)域的研究，并在深圳和內(nèi)蒙古各建有一個(gè)微電網(wǎng)示范性工程[3].

1.3微電網(wǎng)展望

未來(lái)的微電網(wǎng)不僅可以建在醫(yī)院、軍隊(duì)、科研院所等重點(diǎn)供電單位，以保證這些用戶在公共電網(wǎng)遭遇自然或人為破壞時(shí)仍能獲得穩(wěn)定的電力供應(yīng)，還可以在居民小區(qū)中推廣，將住宅及屋頂電源（風(fēng)能、太陽(yáng)能等）連接起來(lái)，升級(jí)為智能電力社區(qū).這樣的社區(qū)不僅能滿足新時(shí)代用戶的綠色用電需求，而且能在社區(qū)電量富余時(shí)向大電網(wǎng)售電，為住戶創(chuàng)造利潤(rùn).

2微電網(wǎng)建模

2.1微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

本文的微電網(wǎng)系統(tǒng)采用10 kV配網(wǎng)模型，通過(guò)一個(gè)35 kV/10 kV的變壓器和公共連接點(diǎn)（PCC）與主網(wǎng)連接.該系統(tǒng)頻率為50 Hz，電源為小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（WT）和小型水力發(fā)電機(jī)組（HT）.實(shí)際情況中負(fù)荷較多、較雜，此處將負(fù)荷集中簡(jiǎn)化為三個(gè)簡(jiǎn)單大負(fù)荷（負(fù)荷1、負(fù)荷2、負(fù)荷3），均采用恒定有功模型，不考慮無(wú)功.微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.微電網(wǎng)的電源和負(fù)荷如表1所示.

3仿真模擬

為了進(jìn)行比較，仿真實(shí)驗(yàn)分兩套方案進(jìn)行，即：當(dāng)大電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，采取方案一，

微電網(wǎng)不作出任何反應(yīng)（PCC仍然閉合），微電網(wǎng)繼續(xù)與大電網(wǎng)相連；方案二，

微電網(wǎng)的檢測(cè)設(shè)備發(fā)現(xiàn)主電網(wǎng)異常并反饋到能量管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)在0.2 s內(nèi)作出反應(yīng)（斷開(kāi)PCC），微電網(wǎng)隨即進(jìn)入孤島運(yùn)行模式.

3.1方案一

微電網(wǎng)在35 s的仿真時(shí)間內(nèi)始終運(yùn)行在聯(lián)網(wǎng)狀態(tài).故障發(fā)生前，微電網(wǎng)中風(fēng)力發(fā)電及水力發(fā)電系統(tǒng)均穩(wěn)定滿負(fù)荷運(yùn)行，5 s時(shí)主電網(wǎng)側(cè)發(fā)生三相短路故障，1 s后故障排除，故障全程微電網(wǎng)未開(kāi)啟孤島獨(dú)立運(yùn)行模式.

經(jīng)分析：0～5 s時(shí)微電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定，微電網(wǎng)中主干電壓有名值維持在10 kV（選10 kV為基準(zhǔn)電壓，則標(biāo)幺值為1 P.U.，P.U.代表該值處于標(biāo)幺制換算狀態(tài)下），風(fēng)力發(fā)電有功功率穩(wěn)定輸出為9 MW，水力發(fā)電有功功率穩(wěn)定輸出為32 MW，負(fù)荷2穩(wěn)定吸收功率為12.5 MW（此處選擇負(fù)荷2作為樣本檢測(cè)對(duì)象）；5 s時(shí)，35 kV外部電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障，電壓降為0.2 P.U.，故障發(fā)生1 s后恢復(fù)正常，但未作孤島運(yùn)行處理的微電網(wǎng)系統(tǒng)在外網(wǎng)故障消除后的短時(shí)間內(nèi)無(wú)法恢復(fù)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài).圖4為關(guān)閉孤島運(yùn)行模式時(shí)各電氣量的波形.

由圖中可以看出，從5 s開(kāi)始，網(wǎng)中電壓持續(xù)振蕩，直到30 s時(shí)才恢復(fù)正常，期間最大電壓為1.9 P.U.，最低電壓為0.2 P.U..與此同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電和水力發(fā)電有功功率也都發(fā)生了劇烈振蕩，受此影響，負(fù)荷2有功功率也出現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間的高頻振蕩.

圖4關(guān)閉孤島運(yùn)行模式時(shí)各電氣量的波形

Fig.4

Waveform of electrical parameters in the nonislanded operation mode

3.2方案二

微電網(wǎng)初始運(yùn)行在聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)，微電網(wǎng)中風(fēng)力發(fā)電和水力發(fā)電系統(tǒng)均滿負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，5 s時(shí)主配電網(wǎng)側(cè)發(fā)生三相短路故障，5.2 s時(shí)，微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)作出反應(yīng)，PCC斷開(kāi)，微電網(wǎng)進(jìn)入孤島運(yùn)行模式；6 s時(shí)，主電網(wǎng)故障排除.

經(jīng)分析：0～5 s時(shí)微電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定，網(wǎng)中10 kV主干電壓維持在1 P.U.，風(fēng)力發(fā)電有功功率穩(wěn)定輸出為9 MW，水力發(fā)電有功功率穩(wěn)定輸出為32 MW，負(fù)荷2穩(wěn)定吸收功率為12.5 MW；5 s時(shí)，35 kV外部電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障，電壓降為0.2 P.U.；5.2 s時(shí)，微電網(wǎng)監(jiān)控與能量管理系統(tǒng)作出反應(yīng)（PCC斷開(kāi)），進(jìn)入孤島運(yùn)行模式.圖5為開(kāi)啟孤島運(yùn)行模式時(shí)各電氣量波形.由圖中可以看出：及時(shí)與外網(wǎng)斷開(kāi)后的微電網(wǎng)系統(tǒng)很快恢復(fù)穩(wěn)定，電壓在5.5 s時(shí)恢復(fù)至正常值（1 P.U.），振蕩期間最大值達(dá)到1.72 P.U.，最小值為0.2 P.U.；風(fēng)力發(fā)電有功功率輸出在5.71 s時(shí)恢復(fù)正常；水力發(fā)電有功功率輸出在6.25 s時(shí)結(jié)束較大幅度的振蕩后進(jìn)入32±（1～2） MW范圍內(nèi)的小幅振蕩，并在14.09 s時(shí)完全恢復(fù)正常，而且這次波動(dòng)較小，最大波峰為47 MW，最小波谷為10 MW，相比孤島機(jī)制未開(kāi)啟時(shí)其波動(dòng)幅度已明顯減??；負(fù)荷2有功功率也在6.25 s時(shí)恢復(fù)正常.

4結(jié)論

對(duì)比兩個(gè)仿真方案可以得出：開(kāi)啟孤島運(yùn)行模式后，微電網(wǎng)在遇到主網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)的抗干擾能力明顯增強(qiáng).若遇到公共電網(wǎng)故障，方案一將會(huì)導(dǎo)致微電網(wǎng)中電壓與功率高頻振蕩，且振幅過(guò)大，恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)微電網(wǎng)中的DG和負(fù)荷會(huì)產(chǎn)生不良影響.如果在公共電網(wǎng)故障后，微電網(wǎng)的檢測(cè)及能量管理系統(tǒng)能快速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并斷開(kāi)PCC，進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)（方案二），那么來(lái)自外網(wǎng)的影響將會(huì)得到有效隔離.這不僅能使系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間明顯縮短，而且能使電壓及有功功率在受到擾動(dòng)時(shí)的波動(dòng)頻率及振幅都大大減小，微電網(wǎng)中的DG 和負(fù)荷都將得到有效保護(hù)，造成的影響將大幅降低.

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