孫健秧，郭建釗，金鵬

(1.國網(wǎng)泉州供電公司，福建省泉州市362000；2.華北電力大學，北京市102206)

基于冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的微電網(wǎng)建模及仿真

孫健秧1，郭建釗1，金鵬2

(1.國網(wǎng)泉州供電公司，福建省泉州市362000；2.華北電力大學，北京市102206)

建立了內部包含冷熱電三聯(lián)供、儲能以及光伏發(fā)電等多種分布式電源的微電網(wǎng)數(shù)學模型，提出了考慮經(jīng)濟性的運行控制策略，并采用DIgSILENT軟件進行了仿真分析。在此基礎上，研究了微電網(wǎng)并網(wǎng)轉孤島運行和光伏系統(tǒng)出力大幅變化時分布式電源功率、微電網(wǎng)電壓和頻率的變化情況，分析了運行模式轉變對微電網(wǎng)穩(wěn)定運行的影響，驗證了模型與控制策略的有效性。

微電網(wǎng)；分布式電源；控制策略；建模仿真

0 引 言

世界范圍內三大化石能源的儲量正在日趨枯竭，能源危機已經(jīng)成為人類面臨的最大挑戰(zhàn)。隨著可再生能源越來越廣泛的應用，微電網(wǎng)作為可再生能源的主要接入方式之一，已經(jīng)成為電網(wǎng)的研究熱點。微電網(wǎng)是由負載和電源組成的獨立可控系統(tǒng)，既可與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行，也可在電網(wǎng)故障時與主網(wǎng)斷開單獨運行，從而實現(xiàn)多種能源形式電能的高可靠供給[1-2]。盡管微電網(wǎng)優(yōu)點突出，但微電網(wǎng)中的分布式電源多利用可再生資源，能量輸出受地理、氣候等外界因素影響較大，微電網(wǎng)與主網(wǎng)間功率交換具有間歇性和不可預知性，因此，大規(guī)模微電網(wǎng)接入勢必會對系統(tǒng)電壓、頻率造成影響[3]。另外，與傳統(tǒng)電網(wǎng)不同，微電網(wǎng)中主要以逆變器接口的分布式電源為主，這類電源普遍慣性較小，因此，研究微電網(wǎng)控制策略及其接入對系統(tǒng)的影響勢在必行。

微電網(wǎng)控制從整體控制策略上可分為主從控制和對等控制：主從控制是由上層主控制單元向下層從控制單元發(fā)出控制命令；對等控制是基于“即插即用”的思想，即微電網(wǎng)中的各臺設備以對等的模式進行控制，接入或去掉其中1個不會對微電網(wǎng)中其他微型電源產(chǎn)生影響[4]。從分布式電源的控制方法上，逆變器接口的分布式電源控制策略通?？煞譃楹愎β士刂?、下垂控制和恒壓恒頻控制。下垂控制是對等控制中一種常見的控制策略，對于采用逆變器并網(wǎng)的分布式電源，下垂功率控制器根據(jù)電網(wǎng)頻率偏差調節(jié)有功功率的輸出，根據(jù)電壓偏差調節(jié)無功功率的輸出[5-6]。

目前大多數(shù)微電網(wǎng)控制仿真只針對某種特定類型的分布式電源或控制策略，建立的模型不具有代表性和通用性。本文在DIgSILENT仿真環(huán)境下，對微電網(wǎng)中的冷熱電三聯(lián)供、光伏發(fā)電和儲能系統(tǒng)進行了建模和仿真，并通過算例仿真分析了微電網(wǎng)并網(wǎng)轉孤島運行和光伏系統(tǒng)出力大幅變化時分布式電源功率、微電網(wǎng)電壓和頻率的變化規(guī)律。

1 分布式電源模型

1.1 冷熱電三聯(lián)供

冷熱電三聯(lián)供是一種將熱機、發(fā)電機、熱回收和制冷裝置作為整體，通過統(tǒng)一管理制冷、供熱及供電過程，實現(xiàn)能源梯級利用的新型能源利用方式[7]。

微型燃氣輪機是聯(lián)供系統(tǒng)的核心部件，通常采用徑流式葉輪機械或空氣軸承技術，結構簡單、機組尺寸小，可產(chǎn)生大量品質極佳的余熱煙氣，是目前微型分布式發(fā)電系統(tǒng)特別是小型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的主要動力設備，其原動機結構如圖1所示[8-9]。

圖1 微燃機原動機模型

微燃機原動機模型包含轉速控制、溫度控制、加速控制、燃料系統(tǒng)以及壓氣機渦輪系統(tǒng)等部分。后級發(fā)電機采用三階模型對其進行建模，數(shù)學模型如式(1)～(4)所示。

(1)

ud=xqIq-rId

(2)

(3)

Pe=Eq′Iq+ (xq-xd′)IdIq-r(Iq2+Id2)

(4)

微燃機并網(wǎng)逆變器側采用下垂控制策略，具體結構如圖2所示。

1.2 光伏電池

光伏電池是直接將光能轉化為電能的能量轉換器[10]，其等效電路的理想形式如圖3所示。等效電路中各變量的表達式如式(5)和(6)所示。

(5)

圖2 下垂控制結構

圖3 光伏電池的等效電路

(6)

式中：I0表示光伏電池內部等效二極管P-N結反向飽和電流；Ud表示光伏電池的開路電壓；k表示波爾茲曼常量，值為1.38×10-13J/K；T為絕對溫度，K；A表示P-N結的曲線常數(shù)，其值為1～2，這里取1.3;Rs為等效串聯(lián)電阻；Rsh為等效并聯(lián)電阻；Iph為光生電流；Id為光伏模塊的反向飽和電流；IL為光伏輸出電流；U為光伏輸出電壓；q為單位電子電荷。

目前對光伏電池一般都采用最大功率點跟蹤控制策略，始終使之處于最大功率輸出狀態(tài),這里采用較為常用的增量電導法。光伏逆變器的控制系統(tǒng)采用SPWM調制技術。逆變器具有2個獨立的控制變量，即調制比M和移相角δ。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)正常運行時，通過控制變量逆變器可以獨立地控制有功功率類物理量和無功功率類物理量。圖4為逆變器控制系統(tǒng)框圖。

圖4 光伏逆變器控制框圖

1.3 儲能裝置

儲能裝置的逆變器控制策略采用PQ控制，即本地控制裝置接受監(jiān)控平臺PQ指令輸出有功功率和無功功率，如圖5所示。

圖5 儲能裝置控制框圖

通過改變線路電流Id、Iq既可改變U2d、U2q，進而改變U2abc的幅值以及它與U1abc間的功角，實現(xiàn)有效的功率控制。有功和無功輸出整定值P1set和Q1set對應的參考電流d軸分量和q軸分量也可以簡化表示為

Idset=P1set/U1d

(7)

Iqset=Q1set/(-U1d)

(8)

式中：U1d為U1abc經(jīng)過坐標變換后的d軸分量。

利用參考電流實時跟蹤線路電流，并通過PI控制器使其逼近參考值，即：

U2d=U1d+jωL1(Iq+ΔIq)

(9)

U2q=jωL1(Id+ΔId)

(10)

式中：ΔIq和ΔId分別為d和q軸比例積分控制器的輸出值;ω為交流同步角速度；L1為輸出濾波電感。

在此基礎上，利用派克反變換得到對應的三相電壓U2abc，經(jīng)過折算，將其輸出作為PWM的控制輸入，控制逆變器的觸發(fā)脈沖，實現(xiàn)功率控制。

2 微電網(wǎng)系統(tǒng)模型

本文微電網(wǎng)系統(tǒng)模型結構如圖6所示。該微電網(wǎng)的電源包括三聯(lián)供發(fā)電機、光伏電池板、蓄電池組以及市電；負荷包括一級負荷、二級負荷和三級負荷；提高電能質量的設備包括無功補償設備(電容器)和有源濾波裝置[11]。

圖6 微電網(wǎng)拓撲結構圖

微電網(wǎng)通過一臺10 kV/0.4 kV變壓器和PCC快切開關與系統(tǒng)連接，利用電力系統(tǒng)仿真分析軟件DIgSILENT對該微電網(wǎng)系統(tǒng)進行建模，在此基礎上進行仿真計算。

3 微電網(wǎng)系統(tǒng)典型運行方式仿真結果

3.1 并網(wǎng)模式向孤島模式轉換動態(tài)仿真

微電網(wǎng)的典型運行方式有并網(wǎng)和孤島模式2種[12]，本文仿真了微電網(wǎng)并網(wǎng)轉孤島運行模式過程，驗證本文運行控制策略的有效性。

設定微電網(wǎng)某時刻運行狀況為三聯(lián)供發(fā)出功率15 kW/3 kvar，光伏組件發(fā)出功率10 kW/0 kvar，蓄電池0出力。一級負荷17 kW(功率因數(shù)0.9)；二級負荷2.4 kW(功率因數(shù)0.8)；三級負荷30 kW(功率因數(shù)0.95)。設定3 s時斷開微電網(wǎng)與配電網(wǎng)連接的快切開關，同時斷開二級負荷母線與一級負荷母線之間母聯(lián)開關，由于蓄電池模式轉換時間較快，一級負荷母線平滑切換至孤島運行模式。圖7是一級負荷母線頻率、電壓的變化情況。

圖8為蓄電池功率的變化。由仿真曲線可知，由于蓄電池快速響應，在微電網(wǎng)由并網(wǎng)模式轉換成孤島模式時，一級負荷母線頻率和電壓經(jīng)過短時間波動后迅速恢復到正常水平并保持穩(wěn)定。

3.2 孤島時光伏出力波動對微電網(wǎng)的影響

由于光伏發(fā)電為間歇式隨機性電源，其功率輸出情況受光照輻射、溫度等環(huán)境因素影響較大，并網(wǎng)時光伏出力的波動由大電網(wǎng)承擔，系統(tǒng)頻率和電壓維持恒定；當電網(wǎng)故障，微電網(wǎng)孤島運行時，光伏出力波動對微電網(wǎng)運行帶來一定的影響。本文仿真了微電網(wǎng)孤島運行模式下，光伏出力大幅下降的情況。設定在6 s時光伏出力突降為0，圖9為三聯(lián)供燃氣輪機的響應情況，圖10為二級負荷母線的電壓和頻率變化情況。

圖7 一級負荷頻率和電壓的變化圖Fig.7 Changes of frequency and voltage of primary load

圖8 蓄電池功率變化Fig.8 Power change of battery

圖9 燃氣輪機功率響應Fig.9 Power response of gas turbine

圖10 二級負荷頻率和母線電壓變化情況Fig.10 Change of frequency and voltage change of secondary load

由圖9～10可知，在微電網(wǎng)當前運行方式下，光伏出力大幅下降對微電網(wǎng)運行影響較小，當燃氣輪機備用容量較大時，其快速出力響應可以使二級負荷母線電壓和頻率在小幅震蕩后維持一個較為穩(wěn)定的水平，保證二級負荷正常供電。

4 結 語

針對含多種分布式電源的微電網(wǎng)運行控制問題，研究了微電網(wǎng)中冷熱電三聯(lián)供、光伏電池和儲能系統(tǒng)的數(shù)學模型和控制方法，通過DIgSILENT軟件建立了微電網(wǎng)整體模型。仿真分析了微電網(wǎng)并網(wǎng)轉孤島模式以及微電網(wǎng)孤島模式下光伏出力大幅下降2種典型微電網(wǎng)運行方式對微電網(wǎng)的影響。結果顯示，本文采用的控制方法在微電網(wǎng)運行模式轉變過程中能良好地協(xié)調控制內部各臺分布式電源，使微電網(wǎng)系統(tǒng)保持安全可靠運行。

[1]時珊珊，魯宗相，周雙喜，等.中國微電網(wǎng)的特點和發(fā)展方向[J].中國電力，2009，42(7):21-25.

[2]撖奧洋，鄧星，文明浩，等.高滲透率下大電網(wǎng)應對微電網(wǎng)接入的策略[J].電力系統(tǒng)自動化，2010，34(1):78-83.

[3]王成山，李鵬.分布式發(fā)電、微電網(wǎng)與智能配電網(wǎng)的發(fā)展與挑戰(zhàn)[J].電力系統(tǒng)自動化，2010，34(2):10-14，23.

[4]郭力，王成山.含多種分布式電源的微電網(wǎng)動態(tài)仿真[J].電力系統(tǒng)自動化，2009，33(2):82-86.

[5]王成山，肖朝霞，王守相.微網(wǎng)綜合控制與分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2008，32(7):98-103.

[6]闞志忠，張純江，薛海芬，等.微網(wǎng)中三相逆變器無互連線并聯(lián)新型下垂控制策略[J].中國電機工程學報，2011，31(33):68-74.

[7]郭曉克，康慧.發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)緩解能源壓力[J].電力建設，2007，28(8)：40-43.

[8]楊秀，郭賢，臧海洋.微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)孤島及并網(wǎng)運行的建模與控制策略[J].電工技術學報， 2012，21(7): 63-68.

[9]Grillo S，Massucco S，Morini A，et al. Microturbine control modeling to investigate the effects of distributed generation in electric energy networks[J]. IEEE Systems Journal，2010，4(3):303-312.

[10]陶瓊，吳在軍，程軍照，等.含光伏陣列及燃料電池的微網(wǎng)建模與仿真[J].電力系統(tǒng)自動化，2010，34(1):89-93.

[11]Erol-Kantarci M，Kantarci B，Mouftah H T. Reliable overlay topology design for the smart microgrid network[J]. IEEE on Network，2011，25(5)：38-43.

[12]Mehrizi-Sani A，Iravani R. Potential-function based control of a microgrid in islanded and grid-connected modes[J]. IEEE Transactions on Power Systems，2010，25(4)：1883-1891.

(編輯：張小飛)

ModelingandSimulationofMicrogridBasedonCooling-Heating-PowerSupplySystem

SUN Jianyang1, GUO Jianzhao1, JIN Peng2

(1. State Grid Quanzhou Power Supply Company, Quanzhou 362000, Fujian Province, China;2. North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

The mathematical models of distributed generations in microgrid were established, including cooling-heating-power supply, energy storage, photovoltaic power generation, etc. The control strategies were proposed with considering economy, and the DIgSILENT software was used for the simulation analysis. On this basis, the transform of operation mode from grid-connection to island was tested, and the changes of distributed generation, microgrid voltage and frequency were studied under the significantly fluctuation of PV output. Finally, the impact of operation mode on the stable operation of microgrid was analyzed, and the effectiveness of models and control strategies was verified.

microgrid; distributed generation; control strategy; modeling and simulation

國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目(973計劃)(2009CB219706)。

TM 712

： A

： 1000-7229(2014)06-0022-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.005

2013-12-16

：2014-01-20

孫健秧(1967)，男，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)運行，E-mail：sun-jy@163.com;

郭建釗(1964)，男，高級工程師，研究方向為電氣工程相關領域，E-mail：guojianzhao3208@163.com;

金鵬(1984),男，博士，研究方向為微網(wǎng)控制，E-mail:jpjsdx@163.com。