武文斌，黃紹平

(湖南工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湘潭 411104)

0 引言

微電網(wǎng)是由分布式電源、儲能系統(tǒng)、負荷、監(jiān)控和保護裝置等構(gòu)成的小型電力系統(tǒng)[1].微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展在很大程度上提高了分布式發(fā)電的能源利用效率和供電質(zhì)量，并為海島、草原等遠離電網(wǎng)地區(qū)提供優(yōu)質(zhì)供電[2].因此，微電網(wǎng)在世界各國得到迅速發(fā)展，相關(guān)研究和工程實踐日益廣泛和深入，世界各國建立了一大批微電網(wǎng)示范工程[3-4].

微電網(wǎng)的分布式電源可以是單一的，譬如風(fēng)力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電；也可以是混合的，本文研究的微電網(wǎng)就是含有風(fēng)力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電的混合式分布式發(fā)電微電網(wǎng).并網(wǎng)型微電網(wǎng)可以運行在并網(wǎng)、離網(wǎng)兩種狀態(tài)下，并可根據(jù)需要在這兩種狀態(tài)之間進行切換.微電網(wǎng)的運行要保證安全、可靠、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟，并能在兩種運行狀態(tài)下進行平滑切換.

本文在MATLAB軟件環(huán)境下建立風(fēng)光儲微電網(wǎng)模型，并對其在并網(wǎng)、離網(wǎng)以及并網(wǎng)/離網(wǎng)切換狀態(tài)下進行仿真分析.

1 風(fēng)光儲微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與建模

1.1 基本結(jié)構(gòu)與控制策略

由風(fēng)電、光伏發(fā)電和蓄電池儲能系統(tǒng)組成的小型交流微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

風(fēng)光儲微電網(wǎng)采用主從控制模式，蓄電池儲能系統(tǒng)為主控電源，光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為從屬電源.各微源控制策略如下：

(1)光伏發(fā)電系統(tǒng).作為從屬電源，采用P/Q控制，用蓄電池充放電來維持直流母線電壓恒定，光伏陣列PV經(jīng)MPPT輸出最大功率作為P/Q控制的參考給定功率，使逆變器輸出按最大功率輸出.

(2)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng).作為從屬電源，采用P/Q控制，永磁直驅(qū)發(fā)電機采用直接給定轉(zhuǎn)速來驅(qū)動(不使用風(fēng)力機驅(qū)動)，機側(cè)采用P/Q控制，網(wǎng)側(cè)采用電壓、電流雙環(huán)控制，維持直流母線電壓.

(3)蓄電池儲能系統(tǒng).作為主控電源，采用P/Q和V/f控制。微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，采用P/Q控制；微網(wǎng)孤島運行時，采用V/f控制，來維持系統(tǒng)電壓和頻率.

圖1 風(fēng)光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 仿真模型

根據(jù)圖1建立風(fēng)光儲微電網(wǎng)控制策略仿真模型如圖2所示，參數(shù)設(shè)置如表1所示.

圖2 風(fēng)光儲微電網(wǎng)仿真模型

表1 風(fēng)光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)仿真參數(shù)列表

2 風(fēng)光儲微電網(wǎng)運行特性仿真分析

2.1 并網(wǎng)運行

微電網(wǎng)與配電網(wǎng)并網(wǎng)運行，光伏發(fā)電系統(tǒng)始終工作在按最大功率輸出；儲能系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)均采用P/Q控制，逆變器的輸出跟隨給定；設(shè)置光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)置為t=[0,0.5]s,光照強度S=[800，1000]W/m2；風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)置為t=0.3 s，給定參考有功功率Pref由8 kW階躍至10 kW，給定轉(zhuǎn)速n=300 r/min；儲能系統(tǒng)設(shè)置為t=0.7 s，給定參考有功功率Pref由10 kW階躍至-10 kW；對于系統(tǒng)負荷，在t=0.3 s時，QF1斷開Load2；總的仿真時間設(shè)置為t=1 s.仿真波形如圖3所示.

圖3 風(fēng)光儲微電網(wǎng)并網(wǎng)運行仿真波形

由仿真波形可知，風(fēng)光儲微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，系統(tǒng)頻率和交流母線電壓幅值都比較穩(wěn)定，PV系統(tǒng)始終能按最大功率點輸出，PMSG也能按給定輸出，儲能系統(tǒng)也按給定輸出.在并網(wǎng)控制器的作用下，變流器的輸出能很好的跟隨給定，各微源直流側(cè)電壓穩(wěn)定在600 V.

2.2 離網(wǎng)運行

離網(wǎng)運行時，光伏發(fā)電MTTP輸出功率作為P/Q控制的給定參考功率.風(fēng)力發(fā)電采用P/Q控制，逆變器輸出功率跟隨給定參考功率.儲能系統(tǒng)采用V/f控制，為微電網(wǎng)提供電壓和頻率支撐.儲能系統(tǒng)的功率根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出有功Ppv、PMSG輸出有功Ppmsg、系統(tǒng)總負荷Pload來設(shè)定：①若Ppv+Ppsmg>Pload，則蓄電池儲能系統(tǒng)充電儲能；②若Ppv+Ppsmg

圖4 風(fēng)光儲微電網(wǎng)離網(wǎng)運行仿真波形

由仿真結(jié)果可知，離網(wǎng)運行時，當(dāng)負荷切減時，系統(tǒng)頻率及交流母線線電壓幅值有所波動，但很快就恢復(fù)恒定.PV光伏發(fā)電系統(tǒng)始終按MPPT最大功率跟蹤輸出，在t=0-0.5 s時，發(fā)出有功約為12 kW；t=0.5-1 s時，發(fā)出有功約為15 kW.PMSG系統(tǒng)在t=0-0.3 s時發(fā)出有功約為8 kW；在t=0.3-1 s時，發(fā)出有功約為12 kW.負荷在t=0-0.3 s時功率為15 kW，在t=0.3-1 s時功率為10 kW.為了達到功率平衡，t=0-0.3 s時，蓄電池儲能系統(tǒng)充電，充電功率5 kW；t=0.3-0.5 s時，蓄電池儲能系統(tǒng)充電功率為14 kW；t=0.5-1 s時，蓄電池儲能系統(tǒng)充電功率為17 kW.

2.3 并網(wǎng)/離網(wǎng)切換

微電網(wǎng)有離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)和并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)兩種運行模式的切換.設(shè)t=0-0.4 s時，微網(wǎng)處于并網(wǎng)狀態(tài)；當(dāng)t=0.4 s時，由并網(wǎng)切換為離網(wǎng)；在t=0.4-0.7 s時，微網(wǎng)處于離網(wǎng)運行模式；在t=0.7 s時，微網(wǎng)由離網(wǎng)切換為并網(wǎng)運行；t=0.7-1 s時，微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運行模式.光伏發(fā)電系統(tǒng)、PMSG發(fā)電系統(tǒng)、微網(wǎng)總負荷設(shè)置同上述并網(wǎng)運行模式.對于儲能系統(tǒng)，當(dāng)微網(wǎng)離網(wǎng)運行時，其參考有功功率同上述離網(wǎng)運行模式；當(dāng)微網(wǎng)并網(wǎng)運行時，參考有功功率設(shè)置為Pref=10 kW.仿真波形如圖5所示.

圖5 風(fēng)光儲微電網(wǎng)平滑切換仿真波形

由仿真波形可知，在并網(wǎng)切換為離網(wǎng)時，頻率和電壓都有一定幅度的波動，頻率在49.98～50.05 Hz之間波動，線電壓幅值波動幅度較大，但也在允許的范圍內(nèi).在離網(wǎng)切換為并網(wǎng)時，由于準(zhǔn)確地控制合閘時刻，使PCC兩側(cè)的電壓大小和相位相同，因而未產(chǎn)生沖擊電流.

3 結(jié)論

通過以上仿真分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)微電網(wǎng)根據(jù)各微源的特點，通過適當(dāng)?shù)目刂撇呗院秃侠淼倪\行調(diào)度，能有效地提高分布式發(fā)電能源利用效率，并為遠離電網(wǎng)的地區(qū)提供更優(yōu)質(zhì)的供電.

(2)蓄電池儲能系統(tǒng)具有容量調(diào)節(jié)范圍大、響應(yīng)速度快，因而在主從控制微電網(wǎng)中適合作為主控電源.在并網(wǎng)運行時采用P/Q控制；在離網(wǎng)運行時采用V/f控制，支撐微電網(wǎng)的電壓和頻率.

(3)當(dāng)并網(wǎng)/離網(wǎng)切換時應(yīng)該采用合適的控制策略，減少電壓和頻率的波動，抑制并網(wǎng)時的沖擊電流.