計(jì)及多種分布式能源的交直流混合電網(wǎng)建模與仿真

徐 帥

(江蘇省電力公司，江蘇南京 210024)

0 引 言

目前傳統(tǒng)能源日趨耗竭，能源結(jié)構(gòu)低碳化的壓力與日俱增；高滲透率新能源、多形式儲(chǔ)能、光熱電站、電動(dòng)汽車等直流負(fù)載接入配電網(wǎng)絡(luò)；配電網(wǎng)絡(luò)中交直流能量變換損耗高、配用電靈活性差、配用電環(huán)節(jié)匹配性低等問(wèn)題日益凸現(xiàn)。采用交直流混合配用電技術(shù)能夠減少配用電過(guò)程中交直流轉(zhuǎn)化的中間環(huán)節(jié)，提高配用電的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和靈活性，妥善解決分布式新能源和儲(chǔ)能系統(tǒng)接入以后的系統(tǒng)穩(wěn)定問(wèn)題，是國(guó)際配用電研究領(lǐng)域的重要發(fā)展方向[1-3]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于直流配電網(wǎng)的研究均處于起步階段，文獻(xiàn)[4]對(duì)國(guó)內(nèi)外直流配電網(wǎng)的研究進(jìn)行了綜述，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)已建成的柔性直流配電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)外部分大學(xué)在這方面做了比較多的工作。美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)提出了相應(yīng)的直流或交直流混合配電系統(tǒng)分層輻射拓?fù)鋄5]，北卡羅來(lái)納州立大學(xué)提出了FREEDM交直流混合配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，考慮能量智能管理[6]。羅馬尼亞布加勒斯特大學(xué)建立了一個(gè)低壓輻射狀直流實(shí)驗(yàn)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，直流電壓為±170V，系統(tǒng)容量2kW[7]。日本東京工業(yè)大學(xué)研制了一套10kW直流配電系統(tǒng)樣機(jī)[8]；大阪大學(xué)提出了一種雙極直流微電網(wǎng)系統(tǒng)[9]。國(guó)內(nèi)方面，華北電力大學(xué)構(gòu)建了一個(gè)四端的直流系統(tǒng)，通過(guò)4個(gè)電壓源型換流器與交流大系統(tǒng)相連接；浙江大學(xué)設(shè)計(jì)建造的柔性直流微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室，包含直流母線、風(fēng)機(jī)、光伏、儲(chǔ)能、換流器等設(shè)備，系統(tǒng)容量30kW，額定電壓800V，目的在于探究直流微電網(wǎng)內(nèi)部的電壓穩(wěn)定控制、能量?jī)?yōu)化管理等[10]。

本文將首先分析總結(jié)光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、儲(chǔ)能電池、燃料電池和微型燃機(jī)的工作原理；在此基礎(chǔ)上，在PSCAD中分別建立相應(yīng)的仿真模型；最后構(gòu)建計(jì)及多種分布式能源的交直流混合網(wǎng)絡(luò)的仿真模型，通過(guò)仿真分析，驗(yàn)證模型的正確性，獲得交直流混合網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)特性和故障特性。

1 分布式能源單元的建模仿真

1.1 光伏發(fā)電單元建模仿真

光伏發(fā)電單元一般采用兩級(jí)式逆變結(jié)構(gòu)并網(wǎng)，建模初期認(rèn)為可以忽略直流母線電壓波動(dòng)，將其用一個(gè)直流恒壓源代替。仿真主電路由光伏電池、DC/DC變換器、直流母線電壓源3部分構(gòu)成，構(gòu)建仿真主電路如圖1所示[11]。

圖1 光伏陣列仿真主電路

主電路中各元件的參數(shù)如表1所示。

表1 光伏仿真陣列主電路元件參數(shù)

光伏并網(wǎng)的控制部分由MPPT控制器、電壓調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器3部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示[12]。

圖2 MPPT控制器結(jié)構(gòu)

首先使用PSCAD軟件搭建光伏陣列仿真模型，然后建立基于擾動(dòng)觀察方法進(jìn)行控制的并網(wǎng)部分模型，可得光伏發(fā)電單元的仿真模型如圖3所示。

圖3 光伏發(fā)電單元仿真模型

基于建立的光伏發(fā)電單元仿真模型，在PSCAD中進(jìn)行仿真分析，所得仿真波形如圖4所示。

圖4 光伏發(fā)電單元仿真波形

1.2 風(fēng)力發(fā)電單元建模仿真

風(fēng)力發(fā)電單元模型主要包括風(fēng)機(jī)及其控制器模型、風(fēng)電變流器模型、發(fā)電機(jī)及其控制器模型等部分。其中風(fēng)機(jī)及其控制器模型采用PSCAD軟件中的默認(rèn)模型，系統(tǒng)模型如圖5所示。

圖5 風(fēng)力發(fā)電單元的仿真模型

基于建立的風(fēng)力發(fā)電單元的仿真模型，在PSCAD中進(jìn)行仿真分析，所得仿真波形如圖6所示。

圖6 風(fēng)力發(fā)電單元仿真波形

1.3 儲(chǔ)能電池單元建模仿真

儲(chǔ)能電池模型通?？梢苑譃閷?shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、電化學(xué)模型和等效電路模型3種，其中等效電路模型適用于動(dòng)態(tài)特性仿真。根據(jù)資料中給出的一種電池通用等效電路模型，由一個(gè)受控電壓源和常值內(nèi)阻串聯(lián)組成，將蓄電池的充放電狀態(tài)SOC作為唯一的狀態(tài)變量，該模型如圖7所示[13]。

圖7 電池的通用等效電路模型

圖8 電池的通用等效電路模型

由于該模型電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)考慮了電池內(nèi)部的非線性特性，電路參數(shù)的計(jì)算方法簡(jiǎn)單，并且通用于鉛酸、鎘鎳、鎳金屬氫化物電池和鋰電池。在短期動(dòng)態(tài)仿真過(guò)程中具有較高的擬合度，因此研究選用該模型對(duì)電池進(jìn)行建模。

受控源Eb的表達(dá)式為[13]

(1)

根據(jù)上述儲(chǔ)能電池的基本原理，在PSCAD中建立儲(chǔ)能電池的仿真模型，結(jié)合三相橋式逆變模型，可以建立儲(chǔ)能電池單元的仿真模型，如圖8所示。

基于建立的儲(chǔ)能電池單元的仿真模型，在PSCAD中進(jìn)行仿真分析，所得仿真波形如圖9所示。

圖9 儲(chǔ)能電池單元仿真波形

1.4 燃料電池單元建模仿真

燃料電池模型具有明顯的時(shí)間尺度，建模時(shí)按照系統(tǒng)仿真時(shí)間尺度的不同，可以將燃料電池模型分為考慮雙電層效應(yīng)的短期動(dòng)態(tài)模型、考慮氣體分壓力變化電化學(xué)過(guò)程的中期動(dòng)態(tài)模型和考慮溫度變化熱力學(xué)過(guò)程的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)模型3種。在短期動(dòng)態(tài)模型中，燃料電池等效電路模型適于動(dòng)態(tài)特性仿真，常用的燃料電池等效電路模型如圖10所示，該模型能夠較高精度地?cái)M合電化學(xué)特性，并且模型既適用于低溫燃料電池(如質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC)，又適用于高溫燃料電池(如固體氧化物模型SOFC)[14-15]。

圖10 單個(gè)燃料電池的等效電路模型

根據(jù)上述燃料電池的基本原理，在PSCAD中建立燃料電池的仿真模型，結(jié)合三相橋式逆變模型，可以建立燃料電池單元的仿真模型，如圖11所示。

圖11 燃料電池單元的仿真模型

基于建立的燃料電池單元的仿真模型，在PSCAD中進(jìn)行仿真分析，所得仿真波形如圖12所示。

1.5 微型燃機(jī)單元建模仿真

燃?xì)廨啓C(jī)主要由壓縮機(jī)，燃燒室和渦輪組成。微型燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理與普通同步發(fā)電機(jī)類似，它擁有調(diào)速系統(tǒng)和勵(lì)磁系統(tǒng)。調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷水平調(diào)整有功輸出[16]：

(2)

式中：η為透平機(jī)械功率轉(zhuǎn)化電功的效率；0.23對(duì)應(yīng)維持自持、空載工況下正常運(yùn)行需要的燃料流量比；Wf為燃料流量；N為轉(zhuǎn)速。

由于PSCAD仿真軟件中有微型燃?xì)廨啓C(jī)單元的仿真模型，只需要結(jié)合系統(tǒng)容量修改模型輸入?yún)?shù)即可滿足要求。

2 交直流混合電網(wǎng)的建模

圖12 燃料電池單元仿真波形

基于上述建立的光伏發(fā)電單元仿真模型、風(fēng)力發(fā)電單元仿真模型、儲(chǔ)能電池單元仿真模型、燃料電池單元仿真模型和微型燃機(jī)單元仿真模型，可搭建交直流混合電網(wǎng)的系統(tǒng)模型，如圖13所示。主網(wǎng)為三相交流系統(tǒng)，線電壓有效值為381V，頻率50Hz，仿真模型中將其等效為含小電抗的電壓源，并且主網(wǎng)容量與負(fù)載容量匹配，即后續(xù)分析在調(diào)整引出線負(fù)載容量時(shí)主網(wǎng)系統(tǒng)短路容量同樣發(fā)生變化。

圖13 交直流混合網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)模型

目前低壓供電網(wǎng)絡(luò)中容納的分布式電源主要包括光伏發(fā)電子系統(tǒng)(包含儲(chǔ)能單元)、風(fēng)機(jī)發(fā)電子系統(tǒng)、微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電子系統(tǒng)和燃料電池子系統(tǒng)4個(gè)組成部分。主網(wǎng)供電母線共有3條引出線，第一條引出線連接燃料電池子系統(tǒng)、光伏發(fā)電子系統(tǒng)和交直流負(fù)載；第二條引出線連接微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電子系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)發(fā)電子系統(tǒng)和交直流負(fù)載；第三條引出線直接連接負(fù)載。各個(gè)供電子系統(tǒng)和負(fù)載之間的功率關(guān)系可以進(jìn)行調(diào)整。設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)及仿真參數(shù)如表2～表4所示。

表2 系統(tǒng)仿真參數(shù)

表3 分布式電源容量

表4 線路負(fù)載

3 交直流混合電網(wǎng)的特性分析

3.1 交直流混合電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)特性

圖14 3條母線電壓電流及功率波形

對(duì)交直流混合電網(wǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真，得到的仿真結(jié)果如圖14所示。主網(wǎng)向3條引出線路提供的電壓、電流和功率波形分別見(jiàn)圖14(a)～圖14(f)，可以看到3條引出線上主網(wǎng)經(jīng)由母線提供的功率輸出都比較穩(wěn)定，引出線上的電壓電流也很穩(wěn)定。

3.2 交直流混合電網(wǎng)故障特性

分析在滲透率較低(<10%)的情況下，分布式電源并網(wǎng)后對(duì)系統(tǒng)短路故障特性的影響。

① 工況一：第一條引出線出口處故障

在第一條引出線出口處設(shè)置單相對(duì)地短路故障，故障時(shí)間為1s～1.05s時(shí)，得到的仿真結(jié)果如圖15所示。

圖15 第1條引出線路出口處波形

在短路過(guò)程中主要由主網(wǎng)系統(tǒng)向短路點(diǎn)提供電流，系統(tǒng)電壓沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，故障點(diǎn)附近的短路電流則增加到較大的值，相應(yīng)的有功功率和無(wú)功功率也都會(huì)提高。

② 工況二：第二條引出線出口處故障

如果在第二條引出線路出口處設(shè)置單相對(duì)地短路故障，故障時(shí)間為1s～1.05s，得到的仿真結(jié)果如圖16所示。

同樣地，在短路過(guò)程中主要由主網(wǎng)系統(tǒng)向短路點(diǎn)提供電流，系統(tǒng)電壓沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，故障點(diǎn)附近的短路電流增加很快，相應(yīng)的有功功率和無(wú)功功率也都會(huì)提高。故障過(guò)程中由于外界環(huán)境沒(méi)有發(fā)生改變，因此風(fēng)機(jī)發(fā)電單元和微型燃?xì)廨啓C(jī)單元出力情況和電壓電流也沒(méi)有發(fā)生變化。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖16 第2條引出線路出口處波形

本文對(duì)計(jì)及多種分布式能源的交直流混合電網(wǎng)進(jìn)行了建模及仿真分析。在分析總結(jié)光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、儲(chǔ)能電池、燃料電池和微型燃機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上，在PSCAD中分別建立了相應(yīng)的仿真模型，并構(gòu)建交直流混合電網(wǎng)的仿真模型。仿真分析了模型的正確性，得到了穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下交直流混合網(wǎng)絡(luò)的電壓、電流以及功率波形，并進(jìn)行了滲透率較低(<10%)情況下的故障仿真，獲得了系統(tǒng)的故障特性，為交直流混合電網(wǎng)的深入研究打下基礎(chǔ)。

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