基于分布式清潔電源系統(tǒng)的微電網(wǎng)聚合模型

葛浩天，張新慧

（山東理工大學電氣與電子工程學院，山東淄博 255049）

近年來，人們對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)易遭受物理攻擊、網(wǎng)絡攻擊，以及由于自然災害或老化帶來的潛在威脅的考慮持續(xù)增加，對于電力系統(tǒng)的研究趨勢逐漸轉向分布式微電網(wǎng)的研究。微電網(wǎng)是小規(guī)模電力網(wǎng)絡，聚合了清潔和傳統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)到一個統(tǒng)一的電力系統(tǒng)以滿足穩(wěn)健可靠的要求，并提供持續(xù)的負載供應。這些系統(tǒng)呈現(xiàn)出一種引人的能力，即能夠感知用電網(wǎng)中的變化來方便自動控制將系統(tǒng)從用電網(wǎng)模式切換至孤島模式。這些微電網(wǎng)的斷開和重連功能產生一種瞬態(tài)特性，這是必須進行控制以維持穩(wěn)定可靠的電力供應。當微電網(wǎng)是并網(wǎng)型時，其通常包含同步連接以保障全部的微電網(wǎng)電壓和用電網(wǎng)同步，而在孤島模式所需的電壓和頻率會有相對遲延的操作。當不滿足電壓和頻率條件時，可能會出現(xiàn)諧波、同步、電壓暫降、旋轉機械故障以及諸多其他異常現(xiàn)象。

異步互聯(lián)和直流微電網(wǎng)被普遍認為是緩解頻率和同步要求的可行替代方案。對于已存在和未來近幾年的微電網(wǎng)，需要建立更加具體的模擬模型以包含更多的清潔能源?，F(xiàn)存文獻中，對微電網(wǎng)的建模方法較為局限，有一種方法是基于逆變器模型進行開發(fā)研究[1-2]。這些假定分布式發(fā)電機輸出一個直流電壓并通過逆變器和用電網(wǎng)進行同步獲取，甚至包含一些產生交流電的傳統(tǒng)柴油和天然氣發(fā)電機。另一種方法是采用現(xiàn)存的庫進行微電網(wǎng)的模擬，如文獻[3]中采用Simulink模擬在孤島模式下的微電網(wǎng)模型，其并未分析不同的系統(tǒng)聚合以及滿足對時間的要求，如幾個小時的仿真時間需要幾天甚至幾周進行處理。其他文獻則聚焦于在基于狀態(tài)空間下的小信號模型的微電網(wǎng)控制方案，采用其特征值進行控制[4-5]。另一些建模方案如文獻[6]研究在并網(wǎng)模式下，包含蓄電設備的微電網(wǎng)行為特征及孤島模式下微電網(wǎng)的周期分析。

大部分現(xiàn)存文獻聚焦于模擬微電網(wǎng)的一兩個方面特征，但是聚合了電力能源基礎設備的如負載、分布式發(fā)電站、能量轉換（動力電子設備）、元件層的控制、系統(tǒng)聚合以及實時模擬的模型仍不存在。造成電力電子設備的瞬態(tài)效應通常被一些電力系統(tǒng)模擬所忽略。同時，電網(wǎng)層電力電子設備的調查研究通常忽略發(fā)電機模型及其瞬態(tài)特性的影響，本文將對系統(tǒng)的分層與其瞬態(tài)特性進行分析以提供一個更加真實的微電網(wǎng)模型。

圖1 具有三個建筑物負載和公用電網(wǎng)的模擬微電網(wǎng)系統(tǒng)Fig.1 Simulated micro-grid system with three buildings'loads and the utility grid

本文旨在建立一個包含微電網(wǎng)電力基礎設備的具體模型，其中包括清潔和傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)：2個光伏陣列，一個燃料電池，一個柴油發(fā)電機，逆變器及其之間的連接系統(tǒng)。各發(fā)電系統(tǒng)有一個采用鎖相環(huán)進行逆變器電壓同步的電壓控制器。將所有的模型聚合于一個更大的微電網(wǎng)模型后，采用Simulink進行不同情況的模擬分析研究。圖1所示是被模擬的系統(tǒng)，圖2所示是該系統(tǒng)的一個更高級別的框圖。注意圖1中橘色所示的R-L負載被提出作為實時動態(tài)建筑負載的平均值。

圖2 高級別微電網(wǎng)框圖Fig.2 High-level block-diagram of the micro-grid

1 分布式發(fā)電機模型

每個分布式發(fā)電機通過電力電子設備進行并網(wǎng)連接，其直流/交流狀態(tài)獨立調節(jié)直流總線，直流/交流狀態(tài)轉換以與電網(wǎng)或其他電源進行同步。光伏陣列電壓層允許采用降壓轉換器，以調節(jié)從光伏模型下的高壓到直流總線上的低壓。本地電源支持并網(wǎng)或孤島模式下的建筑負載。圖3—圖5顯示了發(fā)電機模型框圖，其中PCC是公共耦合點。

圖3 作為受控電壓源考慮各種損耗的非理想燃料電池模型Fig.3 Non-ideal fuel cell model as a controlled voltagesource considering various losses

圖4 作為受控電壓源的非理想光伏陣列模型Fig.4 Non-ideal PV array model as a controlled voltage source

圖5 柴油發(fā)電機模型Fig.5 Diesel generator model

1.1 光伏陣列模型

此處采用2個并列光伏陣列，每個陣列有14個面板，各含60個電池單元。此處未考慮PV陣列的輸出功率，因其被建模為受控電壓源以方便PV轉換器/逆變器控制。圖4是一個光伏陣列的模型。使用擾動和觀察（P＆O）方法來執(zhí)行最大功率點跟蹤（MPPT），并將電流吸收器設為恒量，通過該恒量，降壓轉換器可調節(jié)占空比以跟蹤最大功率點。PV陣列的輸出電壓被建模為

式中：A是二極管理想因子；K是玻爾茲曼常數(shù)；T是絕對溫度；q是基本電荷；Ilg是光生電流；I0是飽和電流；RS是串聯(lián)電阻。輸出功率為

P＆O方法通過比較新舊電壓和被采樣的功率來調節(jié)降壓轉換器的占空比以跟蹤最大功率點，如圖6所示。

PV系統(tǒng)的輸出電壓為430 V DC，并由降壓轉換器通過基本閉環(huán)電壓控制來控制，以維持一個350 V直流轉三相逆變器。在電網(wǎng)側，將一個Y-Δ三相變壓器連接到電網(wǎng)。

圖6 擾動和觀測方法Fig.6 Perturbation and observation method

1.2 燃料電池模型

對于圖3中的燃料電池，本文采用聚合物電解質膜（PEM）燃料電池[7]。PEM燃料電池具有耐低溫工作、高功率密度、快速響應和低排放的優(yōu)點，其能將氫氧反應的化學能轉化為電能。通過假定H2、O2，初始電流和溫度為恒定值來建模燃料電池，且電池損失被建模為穩(wěn)態(tài)/動態(tài)狀態(tài)激活損耗，歐姆損耗和濃度損失，如圖3所示。燃料電池的模型可以由開路電壓E表示。因此，燃料電池的輸出電壓為

開路電壓為

激活損耗為

歐姆損耗為

濃度損失為

式中：T是電池溫度；I是電流；Ilim是極限電流；B等于0.016。在式（4）和（5）中，H2和O2的分壓為

O2的濃度可通過下式獲得

水的飽和壓力計算為

式中，TC=T-273.15。內阻為

對于動態(tài)模型，瞬態(tài)激活損耗的方程為

式中：C是雙電荷層電容；Ra是等效電阻，Ra為

1.3 柴油發(fā)電機模型

圖2和圖5所示的柴油發(fā)電機由3部分組成：柴油發(fā)動機調速器、勵磁系統(tǒng)和同步電機。勵磁系統(tǒng)提供初始磁場以啟動同步電機，而柴油發(fā)動機調節(jié)器利用反饋機制來調節(jié)與保持所需的速度，以通過設置參考速度wf來維持電頻率。柴油發(fā)動機的可被控制為開啟和關閉狀態(tài)，柴油發(fā)電機模型包括2個主要部分：柴油發(fā)動機調速器和同步發(fā)電機。柴油發(fā)動機調速器的結構如圖7所示，PI控制器和執(zhí)行器由具有時間常數(shù)τ1，τ2，τ3，τ4和PI參數(shù)Ki、Kp的傳遞函數(shù)建模。

圖7 柴油發(fā)動機調速器模型Fig.7 Diesel engine governor model

同步電機模型考慮了定子和勵磁電路的動態(tài)特性。

式中：wr是轉子的速度；Npp是極對的數(shù)量。當清潔能源發(fā)電系統(tǒng)不能在孤島模式下產生可持續(xù)電量的情況下，或者當電網(wǎng)出現(xiàn)不規(guī)則的電壓或頻率而應當斷開時，柴油發(fā)電機是供應電力系統(tǒng)的備用電源。

2 逆變器控制和同步

閉環(huán)控制同樣應用于三相逆變器，不同于傳統(tǒng)的PI控制，其中逆變器輸出和平衡的三相參考信號同步如圖8所示。為了在電網(wǎng)丟失時保持該參考，在圖9中示出了從電網(wǎng)產生的同步源并對于微電網(wǎng)上的所有逆變器同步所有必要的參數(shù)，尤其是相位信息。在從仿真開始時間開始一個周期之后，如圖8所示的選擇開關切換以替換公用電網(wǎng)產生的ωt，以創(chuàng)建獨立的正弦控制波形。

圖8 三相轉換器的閉環(huán)控制Fig.8 Closed-loop control for three phase inverter

圖9 同步源Fig.9 Synchronized source

3 實時仿真結果

在Simulink實時平臺上用于運行圖1所示模型進行模擬。微電網(wǎng)系統(tǒng)的模擬結果成功地證明了其中快速和慢速動態(tài)效應及其影響均可以被捕獲，這種實時實現(xiàn)能夠顯著減少模擬的運行時間。為了在不同條件下監(jiān)測系統(tǒng)并顯示光伏和燃料電池輸出電壓被嚴格的限制在350 V，光伏模型中的輻照度值在600 s從100 W/m2變化到200 W/m2，且H2和O2壓力在1.013 25×105和2.026 5×105pa在300 s和900 s之間變化。圖10示出了從A1到A4的不同條件區(qū)域1 200 s的，其中每個區(qū)域具有唯一的燃料電池和光伏參數(shù)組合。這4個區(qū)域包括在孤島模式或并網(wǎng)模式下的4個條件。

在圖10中，PH2是氫的有效分壓；PO2是氧的有效分壓；其變化由綠色虛線呈現(xiàn)。綠色虛線的不同位置表示PO2和PH2的不同組合，輻照度變化由藍色實線表示。在降壓轉換器之前和之后的三相光伏陣列和燃料電池輸出電壓與直流總線電壓，如圖11和圖12所示。圖11中300 s處的電壓降表示光伏曲線變化中的最大功率點的變化，圖12中的300 s和900 s之間的電壓增加表示燃料電池模型中的壓力設置的變化。仿真時間為1 200 s，其中420 s至780 s處于孤島模式，此時微電網(wǎng)與用電網(wǎng)斷開。從并網(wǎng)模式到孤島模式的轉換時間為420 s，回到并網(wǎng)模式的轉換時間為780 s。盡管光伏和燃料電池源的直流電壓隨著參數(shù)的變化而具有一些變化，但其在電網(wǎng)連接和島模式之間仍被良好調節(jié)。柴油發(fā)電機輸出只有在感測到公用電網(wǎng)斷開時才連接。在該模擬中，為了顯示更多的運行條件，通過柴油發(fā)電機和電網(wǎng)的開和關狀態(tài)分類3種運行條件：0 s至420 s，連接電網(wǎng)且柴油發(fā)電機關閉；420 s至780 s，電網(wǎng)斷開，柴油發(fā)電機開啟；780 s至1 200 s，電網(wǎng)再次連接，柴油發(fā)電機關閉。連接變壓器和PCC的交流總線和柴油發(fā)電機電壓如圖13和圖14所示。在這2個圖中，孤島模式中的三相電壓幾乎保持與并網(wǎng)模式相同。從電網(wǎng)側或到電網(wǎng)側的瞬時功率流如圖15（a）所示，其中功率在420 s時變?yōu)?；系統(tǒng)在780 s再次進入并網(wǎng)模式。微電網(wǎng)側功率流示于圖15（b）中，即平均功率流到負載1。圖16示出了來自光伏陣列和燃料電池的功率流，當系統(tǒng)進入孤島模式時功率流貢獻更多。如圖16（b）所示，即使在孤島模式中，進入負載的功率下降，其仍保持在相對高的水平以繼續(xù)支持建筑物負載。由柴油發(fā)電機提供的功率如圖17所示，其中發(fā)電機以孤島模式工作。然而，圖17示出當微電網(wǎng)返回到并網(wǎng)模式時在發(fā)電機的端子處發(fā)生一些瞬變，且這需要進一步細化。從電壓和功率圖可知，直流總線、交流總線和功率流可以被良好地調節(jié)與維持。

圖10 操作條件Fig.10 Operation conditions

圖11 光伏陣列的電壓Fig.11 Voltage of photovoltaic array

圖12 燃料電池Fig.12 Fuel cell

4 結語

本文提出一個聚合了傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)和清潔能源發(fā)電系統(tǒng)的微電網(wǎng)模型，并對該模型在并網(wǎng)模式和孤島模式下的性能進行建模與仿真。模型中所有的清潔能源用于支持建筑負載，并在公用電網(wǎng)斷開時補償微電網(wǎng)功率。通過結合動態(tài)分析方程、功率電子動力學、轉換器級控制以及系統(tǒng)級聚合，文中對所建立的模型進行仿真，以捕獲實際微電網(wǎng)在并網(wǎng)模式和孤島模式下的快速與慢速動態(tài)特性。仿真結果顯示在2種工作模式下，清潔能源均能穩(wěn)定的提供負載用電流，由此證明該清潔能源聚合模型的穩(wěn)定性和有效性。

圖13 交流總線的三相電壓Fig.13 Three-phase voltages of AC bus

圖14 柴油發(fā)電機的三相電壓Fig.14 Three-phase voltages of the diesel generator

圖15 微電網(wǎng)相關功率流Fig.15 Microgrid-related power flow

圖16 微電網(wǎng)相關功率流Fig.16 Microgrid-related power flow

圖17 來自柴油發(fā)電機的功率流Fig.17 Power flow from the diesel generator

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