基于混合儲(chǔ)能的微電網(wǎng)建模與仿真*

尹永昊，江明

(安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，安徽蕪湖 241000）

基于混合儲(chǔ)能的微電網(wǎng)建模與仿真*

尹永昊，江明

(安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，安徽蕪湖 241000）

微電網(wǎng)的建模仿真中，分布式電源種類(lèi)多種多樣且輸出特性各異，由傳統(tǒng)的簡(jiǎn)易微電源模型所構(gòu)成的微電網(wǎng)平臺(tái)很難對(duì)現(xiàn)今微電網(wǎng)的研究進(jìn)行仿真.針對(duì)以上情況，搭建了包含分布式電源為光伏并網(wǎng)逆變器，PCS1(帶超級(jí)電容器)以及PCS2(帶蓄電池)的微電網(wǎng)系統(tǒng)并對(duì)其工作過(guò)程進(jìn)行了仿真，為進(jìn)一步研究微電網(wǎng)提供了良好的仿真平臺(tái).

微電網(wǎng)；分布式電源；光伏變網(wǎng)逆變器；能源控制系統(tǒng)

隨著分布式發(fā)電和分布式儲(chǔ)能技術(shù)研究的廣泛開(kāi)展，在負(fù)荷中心建立微電網(wǎng)模式的新型終端電網(wǎng)，就地將電源和負(fù)荷結(jié)合起來(lái)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制和運(yùn)行，越來(lái)越受到人們的關(guān)注.微電網(wǎng)的提出有效解決了各種分布式電源接入電網(wǎng)的影響，并提供了高效、安全、可靠的電能供應(yīng)［1－3］.微電網(wǎng)是由分布式電源、儲(chǔ)能裝置、負(fù)荷及控制裝置等集成的一個(gè)小型可控發(fā)輸配電系統(tǒng)，可與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可孤立運(yùn)行［4－8］，是智能電網(wǎng)的重要組成部分［9－10］.它是一種新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)獨(dú)立光伏電源系統(tǒng)相比，微電網(wǎng)系統(tǒng)屬于有源系統(tǒng)，可以與大電網(wǎng)連接，獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)屬于無(wú)源系統(tǒng)，不能與大電網(wǎng)連接；微電網(wǎng)系統(tǒng)更加復(fù)雜，需要配置的分布式電源較多，獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)只需要控制器及離網(wǎng)逆變器即可；微電網(wǎng)系統(tǒng)中的儲(chǔ)能系統(tǒng)為四象限運(yùn)行的換流器，可以實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)，獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中的儲(chǔ)能系統(tǒng)為單相換流器，不能實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng).基于微電網(wǎng)的以上優(yōu)點(diǎn)，使用Matlab研究搭建混合儲(chǔ)能的微電網(wǎng)并且進(jìn)行仿真，包含的分布式電源為光伏并網(wǎng)逆變器、PCS1(帶超級(jí)電容器)以及PCS2(帶蓄電池).

1 理論基礎(chǔ)

1.1 微電網(wǎng)的組成

圖1所示為微電網(wǎng)系統(tǒng)典型主電路拓?fù)鋱D，由1臺(tái)并網(wǎng)逆變器與PCS1(帶超級(jí)電容器組)和PCS2(帶蓄電池組)共同并接至系統(tǒng)母線上，同時(shí)母線掛上負(fù)載.大電網(wǎng)系統(tǒng)等級(jí)為380V電壓等級(jí)，負(fù)載為50kW.

1.2 三相光伏并網(wǎng)逆變器運(yùn)行原理介紹

所搭建的三相并網(wǎng)逆變器的主電路及控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，如圖2所示.

圖1 微電網(wǎng)系統(tǒng)典型主電路拓?fù)鋱D

圖2 三相并網(wǎng)逆變器主電路及控制框圖

由MPPT算法計(jì)算出最大功率點(diǎn)時(shí)的PV電壓，然后控制系統(tǒng)使PV組件的電壓維持在該電壓處以保證系統(tǒng)能夠輸出最大功率(電壓外環(huán)).并網(wǎng)電流經(jīng)過(guò)dq坐標(biāo)變換后變?yōu)閕d與iq分量，圖2中即為有功功率軸的電流給定值即為無(wú)功功率軸的電流給定值，改變與的值即可改變逆變器的輸出有功功率與無(wú)功功率，而由電壓外環(huán)產(chǎn)生人為給定.id與iq經(jīng)PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)后產(chǎn)生三相調(diào)制波，其作為SPWM調(diào)節(jié)的輸入?yún)?shù)用以生成觸發(fā)IGBT的脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流的快速跟蹤，三相軟件鎖相環(huán)使并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓保持同頻同相，逆變橋的輸出經(jīng)過(guò)交流側(cè)L濾波器之后并至電網(wǎng).三相軟件鎖相環(huán)的作用在于實(shí)時(shí)計(jì)算電網(wǎng)的當(dāng)前相位，進(jìn)行坐標(biāo)變換以完成電流內(nèi)環(huán)解耦.

1.3 能源控制系統(tǒng)(PCS)

PCS與并網(wǎng)逆變器的主電路拓?fù)鋷缀跏且粯拥?當(dāng)PCS運(yùn)行于并網(wǎng)逆變時(shí)，其運(yùn)行原理與并網(wǎng)逆變器一樣，但是其輸入端更換為蓄電池/超級(jí)電容器(DC源)，能源控制系統(tǒng)的控制原理圖如圖3所示，其電流外環(huán)的給定值不再由電壓外環(huán)決定，而是人為給定，其余原理完全一致，不再贅述.

圖3 能源控制系統(tǒng)離網(wǎng)逆變運(yùn)行時(shí)的控制原理

1.4 微電網(wǎng)系統(tǒng)中各分布式電源的容量配置原則

微電網(wǎng)系統(tǒng)中，各分布式電源的容量配置有一定原則，否則會(huì)造成電源過(guò)?；蛘唠娫辞啡?

(1)并網(wǎng)逆變器容量配置原則.并網(wǎng)逆變器容量應(yīng)小于等于總負(fù)載容量，以接近負(fù)載容量為最佳，不可過(guò)小，也不可過(guò)高，如果過(guò)高，多余的電能無(wú)法吸收，易造成系統(tǒng)崩潰.近年來(lái)研究結(jié)果表明，當(dāng)并網(wǎng)逆變器容量大于負(fù)載總?cè)萘繒r(shí)，如果此時(shí)有PCS作為支撐源，并網(wǎng)逆變器的多余電能會(huì)饋入PCS，使PCS處于“離網(wǎng)充電”狀態(tài)，這種狀態(tài)是不太穩(wěn)定的，目前還沒(méi)有真正有效的控制手段.

(2)PCS容量配置原則.PCS容量應(yīng)設(shè)置負(fù)載總?cè)萘康?.5倍，但是蓄電池的容量需要按照系統(tǒng)能夠承受3到5個(gè)陰雨天的容量來(lái)配置.雖然并網(wǎng)逆變器也可為負(fù)載提供電能，但是微網(wǎng)系統(tǒng)大部分時(shí)間是運(yùn)行在夜晚的，此時(shí)并網(wǎng)逆變器無(wú)法工作，因此微網(wǎng)系統(tǒng)的大部分電能是由PCS提供的，所以PCS的容量配置需要考慮到連續(xù)陰雨天以及夜晚的工況.

2 仿真建模

2.1 光伏電池的數(shù)學(xué)模型

用于Matlab建模的光伏模塊的數(shù)學(xué)模型［11］為

其中，Rref，Tref分別為光伏電池的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和溫度參考值，一般取為1kW/m2，25℃.在此參考條件下，各參數(shù)的含義如下：a，電流變化溫度系數(shù)，A/℃；b，電壓變化溫度系數(shù)，V/e；RS，光伏陣列的串聯(lián)電阻，它受光伏組件的串并聯(lián)數(shù)影響，一般只有幾歐姆；Isc，短路電流，A；uoc，開(kāi)路電壓，V；Imax，最大功率點(diǎn)電流，A；umax，最大功率點(diǎn)電壓，V；uop，光伏模塊的工作電壓，V；I，光伏模塊的工作電流，A；Tc，當(dāng)前環(huán)境溫度，℃；R，當(dāng)前太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，kW/m2.

2.2 微電網(wǎng)模型及仿真設(shè)定

為了進(jìn)一步研究微電網(wǎng)系統(tǒng)的機(jī)理，以Matlab為基礎(chǔ)搭建出微電網(wǎng)仿真模型.整個(gè)系統(tǒng)由1臺(tái)光伏并網(wǎng)逆變器、1臺(tái)PCS1(帶超級(jí)電容器)與1臺(tái)PCS2(帶蓄電池組)以及負(fù)載和大電網(wǎng)組成.考慮到仿真各種試驗(yàn)的需要，各分布式電源的容量均以10kW為上限.

工況設(shè)定系統(tǒng)：

①0～0.1s，大電網(wǎng)正常，并網(wǎng)逆變器處于并網(wǎng)發(fā)電狀態(tài)，PCS1與PCS2處于并網(wǎng)充電狀態(tài)；

②0.1～0.2s：大電網(wǎng)斷開(kāi)，PCS1處于離網(wǎng)逆變狀態(tài)，PCS2與并網(wǎng)逆變器并在PCS1進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電；

③0.2s～：大電網(wǎng)恢復(fù)正常，并網(wǎng)逆變器繼續(xù)處于并網(wǎng)發(fā)電狀態(tài)，PCS1與PCS2繼續(xù)處于并網(wǎng)充電狀態(tài).

2.3 仿真結(jié)果

①0～0.1s：大電網(wǎng)正常，并網(wǎng)逆變器發(fā)電(圖4，圖5)，PCS1(帶超級(jí)電容器)并網(wǎng)充電(圖6)，PCS2(帶蓄電池)并網(wǎng)充電(圖7)；

②0.1～0.2s：大電網(wǎng)斷開(kāi)，PCS1處于離網(wǎng)逆變狀態(tài)作為整個(gè)系統(tǒng)的支撐電源(圖8)，并網(wǎng)逆變器與PCS2在并網(wǎng)交流母線上并網(wǎng)發(fā)電(圖9，圖10)；

③0.2s～：大電網(wǎng)恢復(fù)正常，并網(wǎng)逆變器繼續(xù)處于并網(wǎng)發(fā)電狀態(tài)，PCS1與PCS2繼續(xù)處于并網(wǎng)充電狀態(tài).該種工況下，各裝置的運(yùn)行狀態(tài)與狀態(tài)1是一致的，故不再列出.

圖4 并網(wǎng)逆變器電壓電流波形

圖6 PCS1并網(wǎng)充電時(shí)的電壓電流波形(整流，電壓與電流相位180°)

圖8 PCS1電壓電流波形(離網(wǎng)逆變)

圖5 并網(wǎng)逆變器MPPT(最大功率點(diǎn)跟蹤波形)

圖7 PCS2并網(wǎng)充電時(shí)的電壓電流波形(整流，電壓與電流相位180°)

圖9 并網(wǎng)逆變器電壓電流波形(并網(wǎng)發(fā)電)

圖10 PCS2電壓電流波形(并網(wǎng)發(fā)電)

3 結(jié)論

由仿真結(jié)果可知，微電網(wǎng)系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器本身是一個(gè)電流源，其輸出電流一直保持不變(溫度與光照不變的情況下)；PCS(能源控制系統(tǒng))則是一種可以雙向運(yùn)行的換流器，既可以運(yùn)行于并網(wǎng)逆變狀態(tài)又可以運(yùn)行于并網(wǎng)整流狀態(tài)，無(wú)論是哪種狀態(tài)，其輸出電流值是需要人為給定的，而當(dāng)其運(yùn)行于離網(wǎng)逆變狀態(tài)時(shí)，輸出電流由負(fù)載決定.

微電網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)就在于既可以充當(dāng)大電網(wǎng)的負(fù)載，在大電網(wǎng)正常時(shí)給自身充電，又可以充當(dāng)備用電源，在大電網(wǎng)斷開(kāi)時(shí)給負(fù)載繼續(xù)供電.這充分說(shuō)明了微電網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)越性與前沿性，給當(dāng)前能源配給帶來(lái)了新的解決方案.

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［11］BALTAS P.The Arizona Universty Photovoltaic Desinger Program(AUSPVD)［S］.Department of electrical and Computer Engineering，Arizona State University，1996

Modeling and Simulation of Micro－grid Based on Hybrid Energy Storage

YING Yong-hao，JIANG Ming

(Anhui Polytechnic University，Wuhu 241000，China)

Due to diverse types of distributed generation with different output characteristics，it’s difficult to simulate the study on micro－power based on the micro－grid platform from the traditional model of a simple micropower.To solve the problem above，this paper constructs micro－grid system with distributed generation of PV gridconnected inverter，PCS1(with super capacitors)and PCS2(with battery)，and simulates its work process，which provides a good simulation platform for further research on micro－grid.

micro－grid；distributed generation；PV grid－connected inverter；energy control system

TM732

A

1672－058X(2015)04－0061－05

10.16055/j.issn.1672－058X.2015.0004.015

2014－08－06；

2014－10－08.

國(guó)家自然科學(xué)基金(61271377)；安徽省科技計(jì)劃項(xiàng)目(1206c0805006)；安徽省高校自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2012A035).

尹永昊(1989－)，男，安徽馬鞍山人，碩士研究生，從事智能儀表及控制裝置研究.