徐 帥
(江蘇省電力公司,江蘇南京 210024)
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、多形式儲能、光熱電站、電動汽車等直流負(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)能夠減少配用電過程中交直流轉(zhuǎn)化的中間環(huán)節(jié),提高配用電的經(jīng)濟性、可靠性和靈活性,妥善解決分布式新能源和儲能系統(tǒng)接入以后的系統(tǒng)穩(wěn)定問題,是國際配用電研究領(lǐng)域的重要發(fā)展方向[1-3]。
國內(nèi)外對于直流配電網(wǎng)的研究均處于起步階段,文獻[4]對國內(nèi)外直流配電網(wǎng)的研究進行了綜述,目前國內(nèi)尚無已建成的柔性直流配電網(wǎng)實驗室,國外部分大學(xué)在這方面做了比較多的工作。美國弗吉尼亞理工大學(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)建立了一個低壓輻射狀直流實驗測試網(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[8];大阪大學(xué)提出了一種雙極直流微電網(wǎng)系統(tǒng)[9]。國內(nèi)方面,華北電力大學(xué)構(gòu)建了一個四端的直流系統(tǒng),通過4個電壓源型換流器與交流大系統(tǒng)相連接;浙江大學(xué)設(shè)計建造的柔性直流微電網(wǎng)實驗室,包含直流母線、風(fēng)機、光伏、儲能、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、能量優(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、儲能電池、燃料電池和微型燃機的工作原理;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,通過仿真分析,驗證模型的正確性,獲得交直流混合網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)特性和故障特性。
光伏發(fā)電單元一般采用兩級式逆變結(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,將其用一個直流恒壓源代替。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,然后建立基于擾動觀察方法進行控制的并網(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
風(fēng)力發(fā)電單元模型主要包括風(fēng)機及其控制器模型、風(fēng)電變流器模型、發(fā)電機及其控制器模型等部分。其中風(fēng)機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
儲能電池模型通常可以分為實驗?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)簡單,同時考慮了電池內(nèi)部的非線性特性,電路參數(shù)的計算方法簡單,并且通用于鉛酸、鎘鎳、鎳金屬氫化物電池和鋰電池。在短期動態(tài)仿真過程中具有較高的擬合度,因此研究選用該模型對電池進行建模。
受控源Eb的表達式為[13]
(1)
根據(jù)上述儲能電池的基本原理,在PSCAD中建立儲能電池的仿真模型,結(jié)合三相橋式逆變模型,可以建立儲能電池單元的仿真模型,如圖8所示。
基于建立的儲能電池單元的仿真模型,在PSCAD中進行仿真分析,所得仿真波形如圖9所示。
圖9 儲能電池單元仿真波形
燃料電池模型具有明顯的時間尺度,建模時按照系統(tǒng)仿真時間尺度的不同,可以將燃料電池模型分為考慮雙電層效應(yīng)的短期動態(tài)模型、考慮氣體分壓力變化電化學(xué)過程的中期動態(tài)模型和考慮溫度變化熱力學(xué)過程的長期動態(tài)模型3種。在短期動態(tài)模型中,燃料電池等效電路模型適于動態(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擬合電化學(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中進行仿真分析,所得仿真波形如圖12所示。
燃?xì)廨啓C主要由壓縮機,燃燒室和渦輪組成。微型燃?xì)廨啓C的工作原理與普通同步發(fā)電機類似,它擁有調(diào)速系統(tǒng)和勵磁系統(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為透平機械功率轉(zhuǎn)化電功的效率;0.23對應(yīng)維持自持、空載工況下正常運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。
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、儲能電池單元仿真模型、燃料電池單元仿真模型和微型燃機單元仿真模型,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)(包含儲能單元)、風(fēng)機發(fā)電子系統(tǒng)、微型燃?xì)廨啓C發(fā)電子系統(tǒng)和燃料電池子系統(tǒng)4個組成部分。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發(fā)電子系統(tǒng)、風(fēng)機發(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。各個供電子系統(tǒng)和負(fù)載之間的功率關(guān)系可以進行調(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
圖14 3條母線電壓電流及功率波形
對交直流混合電網(wǎng)進行穩(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。
分析在滲透率較低(<10%)的情況下,分布式電源并網(wǎng)后對系統(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)置單相對地短路故障,故障時間為1s~1.05s時,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
在短路過程中主要由主網(wǎng)系統(tǒng)向短路點提供電流,系統(tǒng)電壓沒有發(fā)生明顯的變化,故障點附近的短路電流則增加到較大的值,相應(yīng)的有功功率和無功功率也都會提高。
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)置單相對地短路故障,故障時間為1s~1.05s,得到的仿真結(jié)果如圖16所示。
同樣地,在短路過程中主要由主網(wǎng)系統(tǒng)向短路點提供電流,系統(tǒng)電壓沒有發(fā)生明顯的變化,故障點附近的短路電流增加很快,相應(yīng)的有功功率和無功功率也都會提高。故障過程中由于外界環(huán)境沒有發(fā)生改變,因此風(fēng)機發(fā)電單元和微型燃?xì)廨啓C單元出力情況和電壓電流也沒有發(fā)生變化。
圖16 第2條引出線路出口處波形
本文對計及多種分布式能源的交直流混合電網(wǎng)進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、儲能電池、燃料電池和微型燃機工作原理的基礎(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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