风光储混合微电网的详细建模与仿真

第40卷第18期电力系统保护与控制Vol.40No.182012年9月16日PowerSystemProtectionandControlSep.16,2012风/光/储混合微电网的详细建模与仿真李海平，唐巍（中国农业大学信息与电气工程学院，北京100083）摘要：在风能和太阳能资源丰富的地区建立小型微电网可以缓解能源的供需矛盾，提高经济效益，减少环境污染。针对当前风/光/储混合微电网控制不完善、仿真不充分的问题，利用Matlab/Simulink仿真软件搭建了风/光/储混合微电网三相交流系统的详细仿真模型，并对风、光电源和储能系统分别采用了相应的控制策略。考虑风速、光强的变化，对风/光/储混合微电网在并网和孤岛运行模式下进行了较为全面的仿真分析，仿真结果表明所建立的微电网模型满足功率平衡和公共联结点PCC电压、频率的要求，验证了仿真模型的正确性和控制策略的有效性，并为进一步研究微电网提供了良好的仿真平台。关键词：微电网；风力发电机；光伏阵列；储能电池；建模与仿真Detailedmodelingandsimulationofwind/PV/storagehybridmicro-gridLIHai-ping,TANGWei(CollegeofInformationandElectricalEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China)Abstract:Buildingasmall-scalemicro-gridinareasthatarerichinwindandsolarenergyresourcesnotonlycaneaseenergysupplyanddemandcontradiction,butalsoincreaseeconomicefficiencyandreduceenvironmentalpollution.Forsolvingthewind/PV/storagehybridmicro-gridinadequatecontrolandsimulationproblemcurrently,thedetailedsimulationmodelofthehybridmicro-gridbasedonthree-phaseACsystemisimplementedintheSimulinkenvironmentofMatlab.Inthemodel,thecorrespondingcontrolstrategiesareadoptedforwindturbine,PVarrayandenergystoragesystemrespectively.Takingthevariablewindspeedandlightintensityintoconsideration,thewind/PV/storagehybridmicro-gridissystematicallysimulatedandanalyzedundergrid-connectedmodeandislandingmode.SimulationresultsshowthattheestablishedmodelmeetsthepowerbalanceandrequirementsofPCCvoltageandfrequency,sothatthecorrectnessoftheestablishedmodelandtheeffectivenessofcontrolstrategiesareverified.Inaword,itprovidesanexcellentplatformforfurtherresearchonmicro-grid.Keywords:micro-grid;windturbine;PVarray;storagebattery;modelingandsimulation中图分类号：TM619文献标识码：A文章编号：1674-3415(2012)18-0132-070引言风能和太阳能均为绿色可再生能源，资源丰富、分布广泛，利用其发电可以有效缓解能源供需矛盾，提高经济效益，减少环境污染。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[1]。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[2]。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[3]。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[4]建立了基于直流母线的单相微电网系统模型；文献[5]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[6]对微电网并网后的暂态过程进行了仿真；文献[7]采用了PSCAD软件对风能和光伏混合微电网进行了仿真；文献[8]李海平，等风/光/储混合微电网的详细建模与仿真-133-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双馈异步风力发电机组的建模与仿真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[9]。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[8]，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风速的数学模型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[10]nrgbwvvvvv(1)vvb(2)gsgmaxgsggsgegegsge01cos2π20tTvtTvTtTTTtT(3)rerersrsrsrersrmaxr00TtTtTTtTTTtvv(4)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[11]，即nnvd1m()dvvttT(5)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双馈异步风力发电机组的控制策略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[7,10]。3OPT3rpmaxmaxref21wρACPP(6)ΛΛC5.12pe54.011622.0(7)1035.008.0113Λ(8)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；-134-电力系统保护与控制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。*dri*qri'dru'qrudru*dru*qruqru*aru*bru*crurss图1双馈异步风力发电机矢量控制框图Fig.1Blockdiagramofdoublyfedinductionwindturbinevectorcontrol1.3双馈异步风力发电机组的Simulink实现及仿真运行根据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。图2风速仿真结果Fig.2Simulationresultofwindspeed图3风力发电机出口母线电压Fig.3Busvoltageofthewindturbine2光伏阵列的建模与仿真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[12]。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）。图4风力发电机组输出有功功率和无功功率Fig.4Outputactiveandreactivepowerofthewindturbine2.1光伏阵列的数学模型（1）光伏阵列的温度TMRtTTaM(9)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）光伏阵列的输出电流I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CAIIBUDU