萬(wàn)卓鑫

1 模擬過(guò)程簡(jiǎn)述[1]

從20 h 到4 h，太陽(yáng)能發(fā)電量為0 W；從14 h 到15 h 達(dá)到峰值（5 kW）。電力負(fù)荷作為普通住宅的典型負(fù)荷變化，分別在9 h（6500 W）、19 h、22 h（7 500 W）達(dá)到峰值。從0 h 到12 h，從18 h到24 h，由電池控制器進(jìn)行電池控制。電池控制對(duì)電流進(jìn)行跟蹤控制，使從三繞組變壓器二次側(cè)流入系統(tǒng)電源的有功功率設(shè)置為0。此時(shí)，三繞組變壓器二次側(cè)的有功功率始終在零附近。蓄電池在微網(wǎng)供電不足時(shí)提供不足的電流，當(dāng)微網(wǎng)供電超過(guò)負(fù)荷時(shí)從微網(wǎng)吸收多余的電流。從12 h 到18 h，不進(jìn)行電池控制。蓄電池荷電狀態(tài)（SOC）固定在一個(gè)常數(shù)上，并且自蓄電池充放電后不發(fā)生變化，電池不是由電池控制器執(zhí)行的。在8 h 時(shí)，普通住宅3 號(hào)負(fù)荷被斷路器斷開(kāi)10 秒。

圖1 蓄電池模塊

2 模型組成結(jié)構(gòu)和原理分析

該微電網(wǎng)的基本組成由一個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，一個(gè)蓄電池，以及三個(gè)普通住宅的典型負(fù)荷，構(gòu)成簡(jiǎn)化的微網(wǎng)模型。其中包含有對(duì)太陽(yáng)能、蓄電池的控制模塊，以及Scopes（示波器）模塊等。

2.1 蓄電池及其控制模塊

2.1.1 蓄電池模塊簡(jiǎn)述

蓄電池通過(guò)可控交流電流源并聯(lián)阻尼器來(lái)模擬，輸出連接在微網(wǎng)變壓器二次側(cè)。如圖1 所示，Battery_I 輸入端口輸入的是通過(guò)對(duì)變壓器二次側(cè)電壓電流進(jìn)行跟蹤控制，得到的電流作為蓄電池中的可控電流源的輸入。Ibattery 輸出端的From 在整個(gè)模型的示波器（Scopes）部分里。Scopes 模塊會(huì)在后面的示波器模塊分析中進(jìn)行分析。

2.1.2 蓄電池控制模塊

如圖2 可以看出，蓄電池控制模塊對(duì)變壓器的二次側(cè)電壓電流采樣作為輸入，根據(jù)控制要求，從0 h 到12 h，和從18 h 到24 h，由電池控制器進(jìn)行控制；從12 h 到18 h，不進(jìn)行電池控制。所以還有一個(gè)控制輸入信號(hào)，此控制輸入信號(hào)的輸入在Scenario 模塊中，在12 h 到18 h 期間Control 信號(hào)輸出為0。

當(dāng)來(lái)的控制信號(hào)為0 時(shí)，使從變壓器二次側(cè)流入系統(tǒng)電源的有功功率在從0 h 到12 h，和從18 h 到24 h 的時(shí)間段內(nèi)保持為0。這時(shí)候輸出I_RMS 作為發(fā)給蓄電池的充放電電流。因此使在0 h 到12 h，和從18 h 到24 h 的時(shí)間段內(nèi)由蓄電池供電給普通住宅負(fù)荷。同理在從12 h 到18 h 時(shí)，不進(jìn)行電池控制，I_RMS輸出為0，這段時(shí)間不由蓄電池發(fā)電。在圖2 的后半段，可以看出取I_RMS 為電流有效值，與變壓器二次側(cè)的電壓的相位組成復(fù)數(shù)電流值，乘上轉(zhuǎn)換為輸出給蓄電池的電流。

圖2 中還可以看到還有一個(gè)Battery_Simple_Dynamics 模塊，此模塊用于計(jì)算所消耗的蓄電池的電能，以及蓄電池的SOC。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5 所示，它的電池容量值（Capacity）AH 設(shè)置為1 000 Ah。

計(jì)算其電能消耗所用公式[3]為：

圖3 Battery_Simple_Dynamics 模塊內(nèi)部

該公式的I，為模型中的I_RMS，即為上述的蓄電池控制模塊所輸出的蓄電池的充放電電流。所消耗電能就是該電流在時(shí)間區(qū)域內(nèi)的積分。

蓄電池的SOC 的計(jì)算所用公式[2]為：

該公式的QN為標(biāo)稱(chēng)容量，在這里是之前所設(shè)置的電池容量值1 000 Ah；其中的I 為模型中的I_RMS；其中的η 為充放電效率，在這個(gè)模型里設(shè)至為了1。

在計(jì)算SOC 時(shí)，Integrator 模塊的初始條件設(shè)置為AH×0.2×3 600，也就是說(shuō)在t0時(shí)Integrator 模塊輸出為AH×0.2×3600，因此可以看出此模型是使Battery_SOC 的初值為80%

2.2 光伏及其控制模塊

2.2.1 太陽(yáng)能電池板模型簡(jiǎn)述

如圖4，為太陽(yáng)能電池板模型，太陽(yáng)能電池板也是通過(guò)可控電流源并聯(lián)阻尼器來(lái)模擬。通過(guò)圖4 可以看出有一個(gè)輸入電流PV_I 與一個(gè)局部陰影模塊（Partial Shading）相乘構(gòu)成了太陽(yáng)能電池板的輸入；其輸出端Ipv 連接到了Scopes 模塊中，整個(gè)太陽(yáng)能電池板連接在電網(wǎng)上為負(fù)荷供能。

2.2.2 太陽(yáng)能電池板控制模塊分析

輸出電流PV-I 是通過(guò)圖5 的模塊得到：左側(cè)時(shí)鐘輸入一個(gè)模擬時(shí)間信號(hào)，下面那條分支為太陽(yáng)能查找表模塊（Solar Data 1-D Lookup Table），這是通過(guò)事先的設(shè)置出來(lái)的太陽(yáng)能電池板的輸出功率，可人為修改?？梢园l(fā)現(xiàn)從20 h 到4 h，太陽(yáng)能發(fā)電量為0 w；從14 h 到15 h 達(dá)到峰值。后面的除以200 再乘上變?yōu)榉逯?，與網(wǎng)二次側(cè)的電壓的相角結(jié)合得到復(fù)數(shù)電流PV-I 提供給太陽(yáng)能電池板。

圖4 太陽(yáng)能電池板

圖5 Scenario 模塊

然后分析在太陽(yáng)能電池板上Partial Shading 模塊，通過(guò)設(shè)置Ton 和Toff 的值確定在哪段時(shí)間內(nèi)太陽(yáng)能電池板上出現(xiàn)陰影區(qū)域，這里設(shè)置出現(xiàn)陰影的時(shí)間為11 h，持續(xù)時(shí)間為20 s。其中Factor 設(shè)置值為0.3，太陽(yáng)能不能完全發(fā)揮作用，控制電流變成了原來(lái)的30%；其他時(shí)間輸出為1。

2.3 電力負(fù)荷及其控制模塊

2.3.1 電力負(fù)荷模型簡(jiǎn)述

電力負(fù)荷在此模型中使用是三個(gè)普通住宅，內(nèi)部結(jié)構(gòu)都相同。這里的電力負(fù)荷也是通過(guò)可控交流電流源并聯(lián)阻尼器來(lái)模擬，只是多了一個(gè)串聯(lián)電阻。其中的Load3_I 的輸入是來(lái)自于整個(gè)模型中的Scenario 模塊。其中的IL3 是連接到了Scopes模塊中了。

此處的3 號(hào)普通住房連接電網(wǎng)側(cè)有一個(gè)MainBreaker，通過(guò)Trip Signal 給出控制信號(hào)，Trip Signal 的設(shè)置的斷路器斷開(kāi)時(shí)間在8h 時(shí)，斷開(kāi)持續(xù)時(shí)間為10s，這期間，3 號(hào)普通住房負(fù)荷與電源端脫離，不再接收能量。

2.3.2 電力負(fù)荷的控制方案

電力負(fù)荷的控制和太陽(yáng)能電池板的控制是在此模型的同一個(gè)模塊Scenario 中，因此分析方法相同，這里做簡(jiǎn)要說(shuō)明。如上圖圖6 中，按時(shí)鐘通過(guò)Load Data 1-D Lookup Table，經(jīng)運(yùn)算得出負(fù)荷消耗電流有效值的曲線(xiàn)。把得出的電流分給三個(gè)負(fù)載，總的負(fù)荷消耗功率在9 h 達(dá)到一個(gè)峰值6500 W，在19 h、22 h 達(dá)到一個(gè)峰值7500 W。

2.4 電網(wǎng)側(cè)模塊連接分析

該微網(wǎng)模型的網(wǎng)側(cè)連接模型從左到右依次是電網(wǎng)模型、變壓器、輸電線(xiàn)路、星型連接的RLC 負(fù)載以及一個(gè)三繞組變壓器。電網(wǎng)模型電壓幅值為66 kv，A 相相角為0°；變壓器的二次側(cè)電壓為6.6 kV；SEND1 模塊，是一個(gè)π 型等值電路[4]，長(zhǎng)度為1 km。后面的變壓器使電壓變?yōu)榱擞行е禐?00 V 的電壓。

3 Scopes模塊分析

通過(guò)以下的分析，可對(duì)一天里各種供電源以及負(fù)荷的工作狀態(tài)有一個(gè)較為清晰的認(rèn)識(shí)。

首先我們看第一個(gè)波形圖圖6 太陽(yáng)能電池板發(fā)電量隨時(shí)間變化規(guī)律。

通過(guò)上圖，知太陽(yáng)能電池板在4 h 到20 h 期間工作；還可看見(jiàn)在14 h 到15 h 期間，太陽(yáng)能電池板輸出功率達(dá)到峰值5 kW。在11 h 到11 h20 s，由于陰影遮擋，太陽(yáng)能電池板提供給負(fù)荷的功率變?yōu)榱嗽鹊?0%，如圖中一個(gè)下降的尖峰。

接著分析同在Scenario 模塊中設(shè)置的三個(gè)普通住宅，也就是負(fù)載需求功率隨時(shí)間的變化規(guī)律，如圖7 所示，在0 h 時(shí)負(fù)載需求的功率約為3 280 W；在大概1 h 到6 h 這個(gè)時(shí)間段，負(fù)荷的需求功率較低，一段時(shí)間內(nèi)只保持基本需求功率。6 h 后負(fù)荷需求開(kāi)始上升；在8 h 到8 h10 s 時(shí)，3 號(hào)負(fù)荷被斷路器切掉，在圖中有一個(gè)持續(xù)10 s 的尖峰。6 h 上升到大概在9 h 時(shí)，負(fù)荷的需求開(kāi)始降低；到晚上的17 h 左右，負(fù)荷需求增大直到約22 h時(shí)，符合日常的用電規(guī)律。

圖6 太陽(yáng)能電池板發(fā)電量隨時(shí)間變化規(guī)律

圖7 負(fù)載功率隨時(shí)間變化規(guī)律

圖8 三繞組變壓器二次側(cè)功率隨時(shí)間變化規(guī)律

然后分析三繞組變壓器二次側(cè)功率隨時(shí)間變化規(guī)律。如下圖8 所示。因8 h 時(shí)3 號(hào)負(fù)載斷開(kāi)，因此有一個(gè)擾動(dòng)；在11 h 時(shí)的太陽(yáng)能電池板被陰影遮擋，所以也有一個(gè)擾動(dòng)?？梢宰⒁獾綀D中12 h 到17 h 左右時(shí)，電網(wǎng)提供的功率為正值，也就是說(shuō)太陽(yáng)能電池板提供的功率過(guò)剩，送到了電網(wǎng)；而17 h 左右到18 h時(shí)，太陽(yáng)能電池板不足以單獨(dú)為負(fù)荷提供功率，所以由電網(wǎng)為負(fù)荷提供一部分。18 h 后蓄電池投入，變壓器二次側(cè)功率回升為0 W。

然后分析蓄電池輸出的功率隨時(shí)間變化的規(guī)律。如圖9 所示，在8 h 時(shí)，由于掉負(fù)荷，發(fā)出的功率減小，有一個(gè)尖峰。在10 h 到12 h 時(shí)，蓄電池輸出的功率為負(fù)值，太陽(yáng)能電池板發(fā)電把多余的能量給蓄電池存儲(chǔ)；在其間的11 h 到11 h20 s 時(shí)，尖峰是為了填補(bǔ)太陽(yáng)能電池板由于陰影遮擋使供給負(fù)荷功率不足的那一部分。

由以上分析可總結(jié)出，在各部分的功率供需滿(mǎn)足一個(gè)關(guān)系。

太陽(yáng)能輸出功率+蓄電池輸出功率-電網(wǎng)輸出功率=負(fù)荷輸出功率 （3）

公式中的太陽(yáng)能與蓄電池的輸出功率取正，輸入取負(fù)；電網(wǎng)在圖中為正值時(shí)是給電網(wǎng)輸入功率，為負(fù)時(shí)是輸出功率，所以上式為減去電網(wǎng)輸出功率。

接下來(lái)簡(jiǎn)要分析一下蓄電池的SOC 值隨時(shí)間的變化規(guī)律，如下圖10 所示。

該模型主要是靠蓄電池和太陽(yáng)能供電，所以蓄電池一般不會(huì)處在浮充或者滿(mǎn)電狀態(tài)，因此初值設(shè)置為了80%[3]。從0 h 到10 h 左右時(shí)，SOC 一直處于下降狀態(tài)，當(dāng)在10 h 到12 h 時(shí)SOC有一個(gè)較小的回升，是由于太陽(yáng)能電池板發(fā)電把多余的能量提供給了蓄電池存儲(chǔ)。在12 h 到18 h 時(shí)，蓄電池切出，SOC 值維持在了72.85%左右，在18 h 后又開(kāi)始投入，為負(fù)荷供電。

圖9 蓄電池功率隨時(shí)間變化規(guī)律

圖10 SOC 隨時(shí)間變化規(guī)律

4 模型搭建注意事項(xiàng)

（1）搭建模型時(shí)要對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行注釋?zhuān)员愀美斫饽Ｐ汀１M量對(duì)相同功能的模型搭建放在一個(gè)模塊中。

（2）注意仿真的客觀(guān)性，要與實(shí)際情況相符合，不能脫離實(shí)際，如設(shè)置負(fù)荷需求功率時(shí)，在凌晨時(shí)需求最少，晚上時(shí)需求最多，這些是符合典型情況的。

（3）搭建模型應(yīng)該具有靈活性，清楚自己的目的是什么，不要把問(wèn)題弄復(fù)雜，如太陽(yáng)能電池板、蓄電池、電力負(fù)荷內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本一致，從而簡(jiǎn)化了模型。