多能源發(fā)電系統(tǒng)控制策略建模研究

朱美玲，馬儀成，王熙，雷振鋒，王鵬

(1.許繼集團(tuán)有限公司，河南許昌461000；2.許昌市公安局，河南許昌461000)

多能源發(fā)電系統(tǒng)控制策略建模研究

朱美玲1，馬儀成1，王熙2，雷振鋒1，王鵬1

(1.許繼集團(tuán)有限公司，河南許昌461000；2.許昌市公安局，河南許昌461000)

應(yīng)用DIGSILENT仿真軟件搭建含有多能源發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，主要包括光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)。針對(duì)不同特性的微源，在運(yùn)行過程中采用不同的控制策略。利用該模型模擬了電網(wǎng)電壓跌落下的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出特性，仿真結(jié)果表明，采用的仿真分析方法切實(shí)有效，模型輸出與實(shí)際理論輸出相似，能夠快速地響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度指令；利用該模型模擬了電網(wǎng)電壓跌落下光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)組成的微電網(wǎng)的輸出特性，仿真結(jié)果表明，模型輸出與工程運(yùn)行相似，能夠支持母線頻率基本保持不變，提高供電可靠性。本模型可以用于實(shí)際多能源發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)分析，為實(shí)際工程研究奠定了基礎(chǔ)。

DIGSILENT；多能源發(fā)電系統(tǒng)；光伏發(fā)電系統(tǒng)；風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；儲(chǔ)能系統(tǒng)

隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的不斷加劇，新能源特別是風(fēng)力和太陽(yáng)能光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電成為世界熱點(diǎn)[1]。由于多能源發(fā)電具有建設(shè)周期短、規(guī)模小、占地小、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、運(yùn)行維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外電力行業(yè)領(lǐng)域最具有前途的方法之一[2－3]。多能源發(fā)電系統(tǒng)將多種新能源、負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置及控制裝置等集成于一體，實(shí)現(xiàn)一體化運(yùn)行，充分發(fā)揮新能源的各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)新能源的有效利用，能有效解決電能質(zhì)量、供電可靠性、能源和環(huán)保等方面出現(xiàn)的問題，是未來(lái)低碳型和智能型電網(wǎng)的重要組成部分，產(chǎn)生良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[4－5]。

多能源發(fā)電系統(tǒng)的出現(xiàn)也帶來(lái)了新的問題和挑戰(zhàn)，比如電網(wǎng)電壓調(diào)整、能量管理、控制策略、電能質(zhì)量、孤島檢測(cè)與安全等[6]。其中還包括多能源發(fā)電系統(tǒng)的特殊性：風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電等新能源具有間歇性和不穩(wěn)定性；多能源發(fā)電系統(tǒng)中多種電源、能源、儲(chǔ)能和負(fù)荷的復(fù)雜匹配關(guān)系。傳統(tǒng)的控制策略已經(jīng)不能滿足需要，所以多能源發(fā)電系統(tǒng)的控制問題是限制其發(fā)展的關(guān)鍵問題。

本文從多能源的控制方法及工程實(shí)例入手，DIGSILENT仿真平臺(tái)搭建了多能源的控制模型和多能源發(fā)電系統(tǒng)的工程實(shí)用模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)該系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真分析。

1 多能源發(fā)電建模仿真

多能源發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中包含3種能源系統(tǒng)：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)。光伏電池和蓄電池經(jīng)PWM調(diào)制逆變器逆變成三相交流電，光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)和負(fù)荷組成微電網(wǎng)接入電網(wǎng)。

1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要有光伏組件、逆變器、升壓變壓器組成。逆變器采用最大功率點(diǎn)跟蹤模式，使光伏陣列始終工作在最大功率點(diǎn)。光伏電池是利用“光生伏特效應(yīng)”將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的元器件，等效于一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管。光伏電池輸出的伏安特性為：

圖1 多能源發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

式中：I、V分別為光伏電池的輸出電流、電壓；Iph為光生電流；q為電子負(fù)荷；K為波耳茲曼常數(shù)；A為二極管指數(shù)；Is為光伏電池在無(wú)光照時(shí)的反向飽和電流；Rs、Rsh分別為串聯(lián)電阻和旁漏電阻。在理論研究基礎(chǔ)上進(jìn)行兩點(diǎn)近似，得出光伏電池的工程實(shí)用數(shù)學(xué)模型：

式中：C1、C2為待定系數(shù)，分別為：

1.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力機(jī)、異步發(fā)電機(jī)、變流器組成，風(fēng)力機(jī)從風(fēng)能中得到能量，通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電能，經(jīng)過變流器傳輸?shù)诫娋W(wǎng)。

本文的發(fā)電機(jī)采用雙饋異步發(fā)電機(jī)，變流器采用PQ控制模式。

1.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)

儲(chǔ)能單元可以維持短時(shí)的能量供需平衡，具有調(diào)節(jié)發(fā)電系統(tǒng)功率輸出、平穩(wěn)功率、削峰填谷、實(shí)現(xiàn)能量緩沖，改善電能質(zhì)量的作用，因此儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于多能源發(fā)電系統(tǒng)至關(guān)重要。

儲(chǔ)能系統(tǒng)主要有電池和PWM調(diào)制逆變器以及控制器組成。為了監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電過程，引入儲(chǔ)能單元的荷電狀態(tài)SOC，反應(yīng)電池剩余電量的大小。

式中：qmax為電池容量，Ah。

式中：SOC(t)為t階段的剩余電量；d為儲(chǔ)能系統(tǒng)自放電率；pc、pd分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)充、放電功率；hc、hd分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電效率；Ec為儲(chǔ)能的額定容量。

當(dāng)SOC(t)≤SOCmin時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)不再進(jìn)行放電。

2 多能源發(fā)電系統(tǒng)控制策略

光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)組成微電網(wǎng)，微電網(wǎng)采用主從控制策略。主從控制是在離網(wǎng)過程中各微源采用不同的控制方法，其中一個(gè)或者多個(gè)微源作為主控源，支撐微電網(wǎng)的系統(tǒng)頻率并保證系統(tǒng)電網(wǎng)的穩(wěn)定；其他微源為從屬控制，不負(fù)責(zé)系統(tǒng)頻率電壓的穩(wěn)定。

當(dāng)微電網(wǎng)處于并網(wǎng)狀態(tài)時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)采用PQ控制，向電網(wǎng)輸送最大的功率；當(dāng)電網(wǎng)中的設(shè)備需要進(jìn)行檢修或大電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，微電網(wǎng)與電網(wǎng)脫離，微電網(wǎng)由并網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)。若微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)由PQ控制模式(圖2)切換到V/f控制模式(圖3)，以保障微電網(wǎng)頻率及電壓的穩(wěn)定，光伏發(fā)電系統(tǒng)仍保持PQ控制方法繼續(xù)運(yùn)行，控制輸出功率以維持微電網(wǎng)內(nèi)部的功率平衡。

圖2 P/Q控制模型

圖3 V/F控制模型

3 仿真分析

根據(jù)負(fù)荷情況和具體項(xiàng)目實(shí)際情況對(duì)多能源發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行配置，主要參數(shù)如下：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)額定功率為20 MWp、額定電壓為0.69 kV、額定功率為50 Hz；光伏發(fā)電系統(tǒng)容量0.5MWp、參考光照為1 000W/m2、參考溫度為25℃、開路電壓為0.606 kV、工作電流為8.27 A；儲(chǔ)能系統(tǒng)容量為0.5 MVA、采用鉛酸電池，母線電壓為0.4 kV。

多能源發(fā)電系統(tǒng)仿真模擬時(shí)間為6 s，初始狀態(tài)微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，各新能源采用P/Q控制。

T=0 s時(shí)，電網(wǎng)發(fā)生故障，電網(wǎng)電壓跌落70%；T=5 s時(shí)，電網(wǎng)恢復(fù)正常；T=6 s時(shí)仿真結(jié)束。

多能源發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行仿真結(jié)果如圖4所示，圖4(a)～圖4(c)表明多能源發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)故障時(shí)有功、無(wú)功輸出；圖4(d)～圖4(e)表明光伏系統(tǒng)各儲(chǔ)能系統(tǒng)組成的微電網(wǎng)在電網(wǎng)電壓故障時(shí)，微電網(wǎng)的母線電流和頻率變化。

圖4多能源發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行特性

圖4 (a)表明風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出的有功、無(wú)功功率。由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的逆變器控制器中加入了無(wú)功控制，在電壓跌落時(shí)可以發(fā)出一定的無(wú)功功率，因此在未加入無(wú)功控制電壓跌落到0.3 p.u的情況下，加入無(wú)功控制之后電壓只跌落到0.4 p.u，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出20MVar的無(wú)功功率。仿真結(jié)果說(shuō)明了在逆變器的控制器中加入電壓無(wú)功控制，使得并網(wǎng)點(diǎn)電壓得到了一定程度的恢復(fù)。

圖4(b)表明光伏發(fā)電系統(tǒng)的有功功率、無(wú)功功率輸出。圖4(c)表明在電網(wǎng)故障時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的有功輸出。電網(wǎng)故障時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出一定的無(wú)功功率，儲(chǔ)能系統(tǒng)作為主電源由P/Q轉(zhuǎn)換為V/F控制，發(fā)出一定的有功功率控制母線頻率和電壓，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)檢測(cè)到母線電壓正常后輸出有功功率供負(fù)載用電。圖4(d)～圖4(e)是儲(chǔ)能系統(tǒng)與光伏發(fā)電系統(tǒng)所在母線的頻率和電流，結(jié)果表明在電網(wǎng)故障時(shí)，在以儲(chǔ)能系統(tǒng)為主控制的模式下，交流側(cè)頻率基本保持不變，電流有所減少。這主要因?yàn)榕渲玫膬?chǔ)能系統(tǒng)比較小，不能完全滿足負(fù)荷需求，但是電流的波形正常，能夠保證重要負(fù)荷的供電可靠性，這證明交流側(cè)頻率和電流控制的有效性。電網(wǎng)電壓恢復(fù)后，光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)在P/Q控制下共同為負(fù)荷提供電能，電網(wǎng)支持微電網(wǎng)運(yùn)行工程中的電壓和頻率。

4 結(jié)論

本文建立了包含風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的多能源發(fā)電系統(tǒng)控制模型。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，能夠快速地響應(yīng)有功調(diào)節(jié)控制指令，發(fā)出一定的無(wú)功功率，以支撐局部電網(wǎng)電壓，從而可減少靜止無(wú)功補(bǔ)償器等裝置，減少建設(shè)成本，具有一定的理論和現(xiàn)實(shí)意義；針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)組成的微電網(wǎng)采用主從控制模型，在并網(wǎng)和離網(wǎng)運(yùn)行下采用不同的控制模式：在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)均采用P/Q控制；在離網(wǎng)運(yùn)行下，儲(chǔ)能系統(tǒng)采用V/F控制，光伏發(fā)電系統(tǒng)采用P/Q控制，穩(wěn)定交流側(cè)頻率和電壓，從而可以增加重要負(fù)荷的供電可靠性，具有一定的理論和現(xiàn)實(shí)意義。在digsilent仿真軟件中進(jìn)行仿真分析，證明了系統(tǒng)模型的正確性，為驗(yàn)證多能源發(fā)電系統(tǒng)的控制策略提供了有效的仿真平臺(tái)。

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Modeling for controlstrategy ofmulti-energy power system based on DIGSILENT software

ZHUMei-ling1，MA Yi-cheng1，WANG Xi2，LEIZhen-feng1，WANG Peng1
(1.XJGroup Corporation，Xuchang Henan 461000，China;2.Xuchang's Public Security Bureau，Xuchang Henan 461000，China)

Themodeling ofmulti-energy power system was built based on DIGSILENT software，including the PV generation system，w ind generation system and energy storage system.According to the different characteristics of them icro-source，different control strategies were used.The output characteristic ofw ind generation system was simulated.The output characteristic ofwind power generation system under grid voltage dip was simulated by the model.The simulation results prove the validity of the proposed method.The model output is sim ilar with actual operation.It can be applied in paralleling operation analysis of multi-energy power system and makes a good groundwork for the practicalengineering research.

DIGSILENT;multi-energy power system;PV generation system;w ind generation system;energy storage system

TM 914

A

1002-087X(2016)07-1462-03

2015-12-01

作者簡(jiǎn)歷：朱美玲(1986—)，女，河南省人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樾履茉础?/p>