微電網(wǎng)接口的建模與仿真

郭權(quán)利，呂 麗，戴 菁，何永剛，雷 智，趙鵬飛

(1. 沈陽工程學(xué)院電氣工程系，沈陽110136;2. 元寶山發(fā)電有限責(zé)任公司建設(shè)處，內(nèi)蒙古赤峰024070;3. 中國能建東電一公司撫順分公司，遼寧撫順113000;4. 鞍山供電公司客戶服務(wù)中心，遼寧鞍山114001)

0 引 言

微電網(wǎng)已成為電力系統(tǒng)及新能源領(lǐng)域的研究重點，電網(wǎng)仿真是研究微電網(wǎng)的重要手段. 文獻(xiàn)［1－3］給出了在各種控制策略下的微電網(wǎng)建模與仿真，其策略的實施是通過對微電網(wǎng)接口電路的控制實現(xiàn)的，可見，微電網(wǎng)接口是微電網(wǎng)極其重要的組成部分.在仿真建模過程中，微電源及電網(wǎng)常常直接采用仿真軟件中提供的模型，這些模型較為成熟且運行較快.但在模型庫中，微電源與電網(wǎng)連接的接口模型較單一，有些模型運行模式受限，并且所有的接口模型都考慮了接口設(shè)備內(nèi)部狀態(tài)，這極大延緩了系統(tǒng)的仿真速度，而在仿真階段是不需要了解接口設(shè)備內(nèi)部狀態(tài)的，因此接口模型已不能滿足仿真的需要. 所以在只考慮接口設(shè)備外部狀態(tài)時，如研究微電網(wǎng)的穩(wěn)定、微電網(wǎng)有功、無功控制器的設(shè)計等需要建立新的接口模型. 因此要設(shè)計出合適的電力電子設(shè)備接口模型，以便用戶較好地在各種仿真軟件下進(jìn)行電力系統(tǒng)及微電網(wǎng)的建模與仿真及相關(guān)控制器的設(shè)計.

1 微電網(wǎng)接口的建模

1.1 微電源接口

文獻(xiàn)［4］給出了適用于不同微電源的接口，如圖1所示.

微電源接口a、b、d 適用于光伏發(fā)電等直流電源，直接由逆變器轉(zhuǎn)換為工頻交流電或經(jīng)DC/DC 升壓后轉(zhuǎn)換為工頻交流電;微電源接口c 適用于微型燃?xì)廨啓C(jī)以及風(fēng)電等間歇式交流電源，需要整流、逆變轉(zhuǎn)換為工頻交流電.文獻(xiàn)［5］根據(jù)微電源種類及接口的不同，將接口的控制分為3 種基本方式:①定直流電壓控制;②定直流電流(或功率)控制;③定交流電壓控制. 由微電源接口電路及接口控制方式可知，微電網(wǎng)接口建模分為接口電路模型建模與控制電路模型建模2 部分.

圖1 微電源接口電路

1.2 接口電路的建模

1.2.1 dq0 坐標(biāo)系的建立

微電網(wǎng)接口建模首先選擇坐標(biāo)系. 坐標(biāo)系選擇的合理與否直接關(guān)系到微電源接口及其仿真模型的優(yōu)劣.坐標(biāo)系的選擇原則是實現(xiàn)電網(wǎng)與微電源之間傳輸?shù)挠泄β屎蜔o功功率的解耦控制，即采用了基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制方案. 該方案核心是重新定向dq0 坐標(biāo)系，使電網(wǎng)電壓的合成矢量方向與新的dq0坐標(biāo)系d 軸方向相同. 新的dq0 坐標(biāo)系的建立分2 步進(jìn)行.首先按傳統(tǒng)的方法(Park 變換)將微電網(wǎng)的abc系統(tǒng)變換到dq0 坐標(biāo)系，稱之為dq0 坐標(biāo)系Ⅰ，為計算方便，取d 軸方向與a 軸重合. 變換后的坐標(biāo)如圖2a所示.電網(wǎng)電壓在dq0 坐標(biāo)系Ⅰ下的坐標(biāo)為ud1、uq1.所應(yīng)用的變換公式如下:

其中，Park 變換矩陣

圖2 坐標(biāo)變換

1.2.2 基于新坐標(biāo)系下的iabc→idq0轉(zhuǎn)換

從新坐標(biāo)系的建立過程中可知，新的坐標(biāo)系Ⅱ是在傳統(tǒng)的坐標(biāo)系Ⅰ逆時針旋轉(zhuǎn)φ 角形成的，求解iabc在坐標(biāo)idq0系Ⅱ的坐標(biāo)也分2 步進(jìn)行:首先按公式(1)求出iabc在坐標(biāo)系Ⅰ下的坐標(biāo)，再將此坐標(biāo)順時針旋轉(zhuǎn)角φ 即可.其方程為

1.2.3 接口電路的模型

從圖1 中可以看出，微電源接口中換流器是接口電路的核心部件，所以以典型的接口電路－電壓型換流器為例講解如何建立接口電路的模型. 圖3 為換流器結(jié)構(gòu)示意圖.圖中uca、ucb、ucc和usa、usb、usc分別為換流器三相電壓和微電網(wǎng)的三相電壓;ia、ib、ic為由換流器側(cè)向網(wǎng)側(cè)的逆變電流;C 為換流側(cè)電容;idl、idc為微電源提供的直流電流和換流器側(cè)向微電網(wǎng)轉(zhuǎn)換的直流電流.

圖3 換流器結(jié)構(gòu)

其狀態(tài)方程為:

將iabc、ucabc、usabc按公式(2)轉(zhuǎn)化為圖2b udq0坐標(biāo)系下，其方程可變?yōu)?

則微電源向微電網(wǎng)提供的三相電流為

式中:p 為微分算子，下標(biāo)d、q 分別為相對應(yīng)電壓或電流的直軸分量和交軸分量，P－1為Park 逆變換矩陣.

建立微電網(wǎng)模型可采用仿真軟件提供的坐標(biāo)變換、PWM 觸發(fā)電路、igbt 等分立的仿真模型組合而成，但此仿真模型運行速度較慢，較復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)仿真運行難以進(jìn)行.為此，保留了接口電路的主要物理特性，根據(jù)方程(1)～(5)建立接口模型.圖4 為應(yīng)用MATLAB中的power system toolbox 建立的接口模型.

圖4 接口電路模型

1.3 控制電路的建模

1.3.1 有功功率和無功功率的解耦控制

在圖3 中，微電源經(jīng)過換流器向微電網(wǎng)提供的功率可表示為:

當(dāng)采用圖2b udq0坐標(biāo)系時，usq=0，由此，式(6)可寫為:

由式(7)可知，在電網(wǎng)電壓保持恒定時，通過設(shè)定id就可以調(diào)節(jié)微電源經(jīng)換流器轉(zhuǎn)換到微電網(wǎng)側(cè)的有功功率，通過設(shè)定iq就可以調(diào)節(jié)微電源經(jīng)換流器轉(zhuǎn)換到微電網(wǎng)側(cè)的無功功率.從而實現(xiàn)微電源與電網(wǎng)之間傳輸?shù)挠泄β屎蜔o功功率的解耦控制.

1.3.2 控制電路的解耦控制

由式(4)可得接口電路的方程為:

因為id可以控制有功功率，iq控制無功功率，因此id、iq為控制量，ucd、ucq為輸出量. 由式(8)可以看出，d、q 變量互相耦合，給控制電路設(shè)計造成一定困難，這里采用前饋解耦控制策略，id、iq采用PI 調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)了id、iq控制電路的獨立控制.

1.3.3 控制電路的建模

經(jīng)過采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制方案及控制電路前饋解耦控制策略，實現(xiàn)了有功功率和無功功率的解耦控制及控制電路的解耦控制，也即實現(xiàn)了對id、iq獨立的解耦控制.因此所有控制思想的實現(xiàn)均是通過id、iq的給定或控制實現(xiàn)的.圖5 給出了適用于不同微電源的2 種不同的典型控制模型:圖5a 為定直流電壓控制，圖5b 為V/F 控制.

圖5 控制電路模型

2 仿 真

圖6 為簡單的微電網(wǎng)仿真系統(tǒng)，微電網(wǎng)中各元件的容量及電壓等級如圖所示.配電網(wǎng)、變壓器、線路、光伏電源選用Matlab 庫中的模型，燃?xì)廨啓C(jī)的模型參見文獻(xiàn)［11－13］，微電源與微電網(wǎng)接口采用圖4 接口電路模型.在仿真中，將微電源控制分為2 類，一類是光伏發(fā)電機(jī)組，因其發(fā)電具有間歇性，采用最大功率追蹤控制方式(其核心部分為定直流電壓控制);一類是微型燃?xì)廨啓C(jī)，因其功率可調(diào)，因此在與大系統(tǒng)并網(wǎng)運行時采用P/Q 控制方式，在微電網(wǎng)孤網(wǎng)運行時采用V/F控制方式.

圖6 微電網(wǎng)仿真系統(tǒng)

仿真分為2 部分:微電源與系統(tǒng)并網(wǎng)運行的仿真及微電網(wǎng)并網(wǎng)、孤網(wǎng)轉(zhuǎn)換過程的仿真.在仿真過程中采用標(biāo)幺值，基準(zhǔn)容量S =100 kVA，，基準(zhǔn)電壓V =400 V，基準(zhǔn)頻率f=50 Hz.

2.1 并網(wǎng)運行

并網(wǎng)運行主要研究光伏發(fā)電在光照強(qiáng)度變化、燃?xì)廨啓C(jī)功率給定變化、燃?xì)廨啓C(jī)接口控制參數(shù)變化時，各微電源功率輸出的響應(yīng)情況.仿真初始條件如下:光伏發(fā)電光照強(qiáng)度為600 W/m，無功功率為0;微型燃?xì)廨啓C(jī)有功功率為0.3，無功功率為－0.3;負(fù)載有功功率為2.0，無功功率為0.1.

仿真過程如下:在0.5 s 時，燃?xì)廨啓C(jī)有功功率給定為1.5;在1.0 s 時，燃?xì)廨啓C(jī)無功功率給定為－0.6;在1.5 s 時，光伏發(fā)電光照強(qiáng)度為1 000 W/m;在2.0 s 時，光伏發(fā)電的無功功率給定為0.3.

仿真結(jié)果如圖7 所示. 從圖中可以看出，0 ～1.5 s，微網(wǎng)中微電源發(fā)出的總功率小于微網(wǎng)中負(fù)荷的需求，此時，微電網(wǎng)中能量不足的部分由配電網(wǎng)來調(diào)節(jié).1.5 s 后，微網(wǎng)中微電源發(fā)出的總功率大于微網(wǎng)中負(fù)荷的需求，此時，多余的能量注入配電網(wǎng).圖7a 與圖7b 的仿真相比，僅接口模型中的前饋解耦控制參數(shù)PI不同.通過對兩圖比較可以看出控制參數(shù)變化時，微電源輸出功率的響應(yīng)情況也不同.

2.2 微電網(wǎng)并網(wǎng)、孤網(wǎng)轉(zhuǎn)換過程的仿真

該仿真主要研究微型燃?xì)廨啓C(jī)在微電網(wǎng)并網(wǎng)、孤網(wǎng)轉(zhuǎn)換過程中維持微電網(wǎng)頻率和電壓穩(wěn)定的能力. 微電網(wǎng)并網(wǎng)、孤網(wǎng)轉(zhuǎn)換過程是在圖7 并網(wǎng)運行仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行的. 當(dāng)并網(wǎng)運行至2.5 s 時，斷路器斷開，微電網(wǎng)變?yōu)楣戮W(wǎng)運行. 仿真結(jié)果如圖8 所示，從圖中可以看出，微電網(wǎng)在并網(wǎng)、孤網(wǎng)轉(zhuǎn)換前后，光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的有功功率、無功功率維持不變，功率平衡(電壓、頻率的調(diào)節(jié))完全由燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)節(jié)，經(jīng)過大約2 s 后，微電網(wǎng)趨于穩(wěn)定.

圖7 并網(wǎng)運行有功功率、無功功率變化曲線

采用所設(shè)計的微電源接口模型，與其他元件模型共同組成微電網(wǎng)的仿真，能夠較好地反映出微電網(wǎng)在各種給定條件下的運行狀態(tài)，進(jìn)行微電網(wǎng)的穩(wěn)定、微電網(wǎng)有功、無功控制器的設(shè)計等研究.微電源與系統(tǒng)并網(wǎng)運行及微電網(wǎng)并網(wǎng)、孤網(wǎng)轉(zhuǎn)換過程的仿真結(jié)果驗證了該模型的有效性.

圖8 微電網(wǎng)并網(wǎng)、孤網(wǎng)轉(zhuǎn)換的仿真圖形

3 結(jié) 論

1)在保留微電網(wǎng)接口主要物理特性的基礎(chǔ)上，將接口電路模型及其控制電路模型有機(jī)的結(jié)合起來，使接口模型易于使用、易于控制、易于理解，且簡化了仿真模型，縮短了仿真時間.

2)設(shè)計的簡化接口模型，豐富了仿真模型的資源庫，方便了用戶在各種仿真軟件下進(jìn)行電力系統(tǒng)及微電網(wǎng)的建模與仿真.

3)采用所設(shè)計的接口模型建立的微電網(wǎng)，可以為采用其它接口模型建立的微電網(wǎng)計算初值.

［1］李培強(qiáng)，劉志勇，李欣然，等.應(yīng)用綜合控制策略的微電網(wǎng)建模與仿真［J］.高電壓技術(shù)，2011，37(10):2356－2362.

［2］畢大強(qiáng)，牟曉春，任先文，等.含多微源的微電網(wǎng)控制策略設(shè)計［J］.高電壓技術(shù)，2011，37(3):687－693.

［3］陳 忠，丁 明，蘇建徽.并網(wǎng)逆變器3 種線性電流控制策略對比分析［J］. 電力系統(tǒng)自動化，2011，35(20):29－35.

［4］Xiaofu Xiong，Jinxin Ouyang.Modeling and Transient Behavior Analysis of an Inverter-based Microgrid［J］.Electric Power Components and Systems，2011，40(1):112－130.

［5］陳 謙，陶國慶，胡 銘. 采用dq0 坐標(biāo)的VSC-HVDC 穩(wěn)態(tài)模型與控制器設(shè)計［J］. 電力系統(tǒng)自動化，2004，28(16):61－66.

［6］張建華，黃 偉，著.微電網(wǎng)運行控制與保護(hù)技術(shù). 北京:中國電力出版社，2010.

［7］Charles KS，Peter W. Lehn. Control and Power Management of Converter Fed Microgrids［J］.IEEE Trans. on Power Systems，2008，23(3):1088－1098.

［8］Conti S，Greco AM，Messina N，et al.Generators control systems inintentionally islanded MV microgrids［C］//International Symposiumon Power Electronics，Electrical Drives，Automation and Motion，Ischia，Italy，2008.

［9］Lopes J A P，Moreira C L，Madureira A G. Defining control strategiesfor microgrids islanded operation［J］.IEEE Trans on Power Systems，2006，21(2):916－924.

［10］廖志凌，阮新波.任意光強(qiáng)和溫度下的硅太陽電池非線性工程簡化數(shù)學(xué)模型［J］. 太陽能學(xué)報，2009，30(4):430－435.

［11］劉 君，穆世霞，李巖松，等.微電網(wǎng)中微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)整體建模與仿真［J］.電力系統(tǒng)自動化，2010，34(7):85－89.

［12］蘇 玲，張建華，苗唯時. 微型燃?xì)廨啓C(jī)微網(wǎng)控制策略［J］.高電壓技術(shù)，2010，36(3):513－518.

［13］Bertani A.Bossi C，F(xiàn)ornari F，et al.A micro turbine generation system for grid connected and islanding operation［C］//2004 Power Systems Conference and Exposition. New York，USA:IEEE，2004:360－365.

［14］張艷霞，趙 杰，鄧中原.太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的建模和仿真［J］.高電壓技術(shù)，2010，36(12):3097－3102.

［15］栗秋華，周 林，劉 強(qiáng)，等.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤新算法及其仿真［J］.電力自動化設(shè)備，2008，28(7):21－24.

［16］周 林，武 劍，栗秋華，等.光伏陣列最大功率點跟蹤控制方法綜述［J］.高電壓技術(shù)，2008，34(6):1145－1154.