风光储混合微电网三相交流系统仿真研究

风光储混合微电网三相交流系统仿真研究

0风/光/储混合微电网仿真模型能源能源和太阳能为绿色能源能源，资源丰富，分布广泛。利用这种能源系统，可以有效缓解能源供需矛盾，提高经济效益，减少污染。由于风能和太阳能具有能量密度低、受天气影响大等缺点,独立的风力发电和光伏发电输出功率存在明显的不连续性。为保证对负荷的连续供电,提高系统的稳定性,在实际应用中需要配置相应的储能系统以平抑功率波动。同时,由于风能和太阳能具有良好的天然互补性,风光互补发电可以提高能源利用的效率,减小储能系统的配置容量。因此,将风能、光能、储能综合利用,建立风/光/储混合微电网,不仅可以解决偏远农村地区远距离输电的弊端,还可以提高系统供电的可靠性、连续性和经济性。风/光/储混合微电网由风、光、储三个发电单元及其控制单元、用电设备组成,既可接入配电网并网运行,也可孤岛独立运行。目前国内风/光/储混合微电网的研究和应用还处于起步阶段,但它的特点适合于电力系统的发展需求和方向,具有广阔的研究与应用前景。建立全面准确的风/光/储混合微电网详细仿真模型,有助于对微电网的运行与控制进行深入研究和实际工程项目的实施。文献建立了基于直流母线的单相微电网系统模型;文献提出了滞环电流控制和瞬时p-q功率理论在风光组合并网电力系统中的应用;文献对微电网并网后的暂态过程进行了仿真;文献采用了PSCAD软件对风能和光伏混合微电网进行了仿真;文献利用Matlab中的Simulink软件对风机/光伏/柴油/燃料电池组成的微电网进行了仿真分析,为微电网的Matlab仿真研究积累了经验。但上述文献存在以下不足之处:(1)仿真模型不够充分,采用的多是简化等效模型或是单相模型;(2)大多没有实现微电源的最大功率追踪,控制策略也不够完善,且没有考虑储能电池的充放电过程;(3)仿真情形不够全面,没有仿真微电网与配电网在多种情形下的功率平衡,难以全面反映微电网的真实运行情况。本文首先用Matlab/Simulink搭建了双馈异步风力发电机组模型、光伏阵列模型、蓄电池储能系统模型,进一步完善了控制策略,实现了微电源的最大功率追踪,模拟了储能系统的充放电过程,进而构建了风/光/储混合微电网三相交流系统的仿真模型。以此为基础考虑风速、光强的变化,对微电网并网和孤岛两种运行模式下的4种常见情形进行了较为全面仿真,以验证仿真模型的正确性和控制策略的有效性。1易于控制而被更为广泛地应用目前主流的风力发电机为双馈异步风力发电机和永磁同步风力发电机,前者由于成本低廉、易于控制而被更加广泛地应用。在已有的微电网仿真中,双馈异步风力发电机的风速和控制系统大多采用简化等效模型,本文根据其相应的数学模型和控制策略,利用Matlab/Simulink中的S函数编写了较为详细的仿真模块,使仿真结果更加的真实和准确。1.1随机风模型的计算风速模型采用四分量法,即将风速分为基本风、阵风、渐变风和随机风四个分量,其数学模型如下式中:vw为风速,m/s;vb为基本风风速,m/s;vg为阵风风速,m/s;vr为渐变风风速,m/s;v为风速平均值,m/s;Tgs为阵风开始时间,s;Tge为阵风停止时间,s;vgmax为阵风最大值,m/s;Trs为渐变风开始时间,s;Tre为渐变风停止时间,s;vrmax为渐变风最大值,m/s。由于白噪声具有随机性,故采用白噪声模拟随机风,即式中:vn为随机风速,m/s;m(t)为白噪声;Tv=9s为时间常数。1.2无功控制设计本文所建立的双馈异步风力发电机组采用定子磁链定向双闭环控制原理,控制框图如图1所示。假设微电网侧变流器为理想变流器,直流母线电压保持恒定,转子侧变流器包括2个闭环矢量控制。内环为电流环,电流误差信号经限幅比例积分(PI)器后输出电压控制量,叠加电压补偿量Δudr和Δuqr,便得到dq坐标系中转子电压控制量u*dr和u*qr,再经park变换到abc三相静止坐标系中,通过SVPWM触发脉冲发生器,产生变流器触发信号,控制各IGBT的导通与关断,就可以产生实际所需的转子励磁电压和电流。外环为功率环,将有功和无功参考值与实际值比较后的差值送入限幅比例积分(PI)器,即可输出转子有功和无功参考电流i*qr,i*dr。其中,有功功率参考值Pref按最大功率追踪MPPT的原理来获得,无功功率参考值Qref根据微电网对双馈异步风力发电机的无功需求来确定。式中:Pmax为风力机可输出的最大功率,kW;η为机械能转化为电能的效率;ρ为空气密度;A为风力机桨叶扫掠面积,m2;ωr为转子角速度,rad/s;Cp为风能利用系数;β为风力机桨距角,采用定桨距控制模式时β=0;λOPT为最佳叶尖速比,即Cp=Cpmax,β=0时对应的叶尖速比。利用式(7)和式(8)求得λOPT,再将它与传感器测得的ωr代入式(6),便可得MPPT下有功功率的参考值Pref。于是,整个控制系统完成了有功和无功的解耦控制,一方面可以控制发电系统的功率因数;另一方面可以通过调节双馈异步风力发电机的转速,使其追踪最大输出功率。1.3基于simulaid仿真根据1.1节和1.2节所述的风速数学模型和双馈异步风力发电机的控制策略,结合风机、异步电机与变流器的相应模块,搭建了双馈异步风力发电机组的Simulink仿真模型。图2模拟了风速实时变化曲线。将风速模型接入双馈异步风力发电机组,仿真运行,图3显示了风力发电机组出口母线电压,图4给出了风力发电机组有功输出和无功需求的情况。仿真结果表明该风机模型可以较好地跟踪风速的变化,并具有良好的电压质量。2建立动态仿真模型本文基于光伏阵列的直流物理模型,在Matlab/Simulink环境下,结合编写S函数建立了其实用化的动态仿真模型。利用该模型可以模拟任意太阳辐射强度、环境温度、光伏模块参数、光伏阵列串并联组合方式下的光伏阵列I-U特性和输出功率,并在此基础上采用变步长扰动观察法实现了光伏阵列的最大功率追踪(MPPT)。2.1光荣矩阵的数学模型(1)光荣矩阵温度为tm式中:R为光伏阵列倾斜面上总的太阳辐射强度,w·m-2;t为光伏阵列的温度系数,℃·w-1·m2;Ta为环境温度,℃。(2)光伏阵列电压通常情况下,并联等效电阻Rsh数值很大,串联等效电阻Rs数值很小,计算中可忽略不计,光生电流Iph≈Isc,同时考虑辐射影响和温度变化,有式中:α为参考辐射下,电流变化温度系数;β为参考辐射下,电压变化温度系数;Isc为短路电流,A;Uoc为开路电压,V;U为对应的光伏阵列电压,V;Rref为太阳辐射强度参考值,一般取为1kW/m2;Tref为对应的光伏阵列温度,一般取为25℃;Rs为光伏模块的串联等效电阻,Ω;Im为参考辐射强度和参考温度情况下,对应最大功率点电流,A;Um为参考辐射强度和参考温度情况下,对应最大功率点电压,V。(3)光荣矩阵输出p将式(10)代入式(16)得因此,利用式(9)~式(17)就可以求出任意温度和辐射条件下光伏阵列的I-U特性及输出功率。2.2最大功率追踪仿真平台由于光伏阵列输出特性受太阳辐射强度、温度等的影响,为提高光伏阵列的发电效率,降低成本,就需要进行最大功率追踪(MPPT)。本文仿真平台采用的是变步长扰动观察法,当外界环境变化剧烈时,采用大步长扰动;当系统接近最大功率点时,采用小步长扰动,减小了功率的振荡,提高了系统的跟踪效率和仿真速度。其算法流程图如图5所示。2.3太阳辐射强度对光伏阵列功率的影响根据2.1节和2.2节所述,输入变量T为光伏阵列温度,R为太阳辐射强度,输出结果为实时最大功率以及最大功率点对应的电压和电流,搭建的光伏阵列的Simulink仿真模型如图6所示。仿真过程中,设定环境温度初始值为25℃,10s内太阳辐射强度在0.8~1.0kW/m2之间变化,对应的光伏阵列输出功率如图7所示。仿真结果表明,随着太阳辐射强度的增强,光伏阵列的温度上升,在它的工作温度范围内,其输出功率会增加;反之则输出功率减小。3风/光/储混合微电网的储能系统工业系统常用的储能电池有铅蓄电池、锂电池、NI-MH电池等,相比而言NI-MH电池的工作性能和生产成本正向大批量的方向发展,且具有最好的环保效益。所以本文利用NI-MH储能电池模块,考虑电池的充放电特性,添加相应的控制环节,构成风/光/储混合微电网的储能系统。本文对蓄电池储能系统采用P/f和Q/V下垂控制策略。利用微电源输出有功功率和频率、无功功率和电压的线性关系进行控制,即通过检测母线电压和频率的变化,实时地进行有功和无功补偿,从而保持微电网的稳定运行。P/f和Q/V控制电路的简单结构如图8、图9所示。4微电网内部无功功率风/光/储混合微电网结构如图10所示。正常情况下微电网并网运行,当配电网发生故障或者电能质量不能满足用户要求时,微电网转入孤岛运行。其中配电网等值电路考虑了无功补偿的因素。根据功率交换的情况,本文分以下4种情形进行仿真,通过对公共联接点PCC的电压和频率进行测量和对比,研究微电网的总体运行特性。并网情形1:微电网所发有功功率富余时,微电网可向配电网输出有功功率;配电网为风力发电机组提供励磁无功功率,同时也为微电网内部无功负荷提供所需无功功率。并网情形2:微电网所发有功功率不足时,配电网可向微电网输入有功功率;配电网为风力发电机组提供励磁无功功率,同时也为微电网内部无功负荷提供所需无功功率。孤岛情形1:风力发电机组和光伏阵列所发有功功率大于负荷所需,此时可对储能系统进行充电;同时储能系统为风力发电机组提供励磁无功功率,也为微电网内部无功负荷提供所需无功功率。孤岛情形2:风力发电机组和光伏阵列所发有功功率小于负荷所需,此时储能系统进行放电,实现微电网内有功功率的平衡;同时储能系统为风力发电机组提供励磁无功功率,也为微电网内部无功负荷提供所需无功功率。为便于微电网的管理和控制,将一个单位、一个社区或一个村落作为供电单元,仿真时采用中小型微电源构成微电网。故设该双馈风力发电机组额定功率为150kW,光伏阵列的额定功率为100kW,它们的输出功率随风速和光强变化,如图4、图7所示。4.1网络操作(1)kvakva设储能系统初始状态为满充,本地负荷为(150+j40)kVA。图11(a)为蓄电池储能系统输出的有功功率和无功功率,图11(b)为配电网输出的有功功率和无功功率。(2)功能开发功率设储能系统初始状态为满充,输出功率同图11(a),本地负荷增为(300+j80)kVA,则此时配电网输出的有功功率和无功功率如图11(c)。并网运行时两种情形的仿真结果表明:微电网通过与配电网的功率交换,实现了微电网有功功率和无功功率的平衡。(3)pcc电压有效值并网运行时,由于储能系统恒功率放电,微电网主要通过配电网提供的有功和无功使得PCC电压有效值维持在1.0pu左右,频率维持在50Hz左右,变化范围为±0.05Hz。测量PCC电压如图12(a),通过锁相环测量PCC频率如图12(b)。仿真结果表明:并网时PCC电压能基本保持稳定,符合实际要求。4.2孤岛运行(1)孤岛状态1设本地负荷为(150+j40)kVA,此时蓄电池储能系统处于充电状态,输出的有功功率和无功功率如图13(a)。(2)能系统正常放电设本地负荷为(300+j80)kVA,此时蓄电池储能系统处于放电状态,输出的有功功率和无功功率如图13(b)。孤岛运行时两种情形的仿真结果表明:由于储能系统的充放电,实现了微电网的有功功率和无功功率的平衡。(3)pcc电压稳定性孤岛运行时,储能系统作为主控单元,通过P/f调节输出有功维持PCC频率稳定;通过Q/V调节输出无功维持PCC电压稳定,使得PCC电压有效值维持在0.95pu左右,频率维持在50Hz左右,变化范围为±0.1Hz。测量PCC的电压如图14(a),通过锁相环测量PCC频率如图14(b)。仿真结果表明:微电网在并网运行时电压和频率的波动较孤岛运行时更小,说明并网时配电网对微电网起到了一定的支撑作用。5电池储能系统(1)本文建立了风/光/储混合微电网的Matlab/Simulink详细仿真模型,该模型中搭建的双馈异步风力发电机组和光伏阵列均采