风—光—燃气混合微电网的建模和仿真分析

摘 要：近年来，分布式发电技术以其独有的安全性、经济性和可靠性的供电方式引起人们越来越多的关注。本文运用数学建模组建各种系统模型以及各种控制模块，创建一个包含太阳能光伏发电、风力发电、微型燃气轮机发电机和三个负载组成的微型电网，系统采用并网方式，通过变压器连到无穷大系统，并以PSCAD/EMTDC为平台进行模拟仿真，通过给系统施加扰动，判断分析系统的稳定性，验证所建微型电网模型的合理性。

关键词：微电网 光伏 微型燃气轮机 风力机 建模

中图分类号：TM71 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（c）-0116-03

Abstract：In recent years， distributed generation technologies has been payed a attention by more and more people with its unique security，economy and reliability of power supply.In order to get a micro-grid，which include solar photovoltaic，wind power and micro-turbine power generation，a variety of system models was formed by creating mathematical models.As a platform of simulation，PSCAD/EMTDC is used to judge the stability of the models and to prove the rationality of the micro-network system.

Key Words：Micro-grid；Photovoltaic；Micro-turbine；Wind turbine；Modeling

微电网是由分布式电源（风力发电机组、光伏电池、微型燃气轮机以及燃料电池等）、储能系统（蓄电池、超级电容器以及飞轮储能等）、能量转换装置、监控和保护装置、负荷等汇集而成的小型发、配、用电系统，是一个具备自我控制和自我能量管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行[1～3]。上述分布式电源中，风力发电和光伏发电已成为目前发展最快的一种新能源发电方式，其发电技术最为成熟，开发空间较为广泛，是今后微电网中的主力能源[4]。

分布式电源类型的多样性及微电网运行方式的复杂性使得微电网与传统电网有所不同，特别是微电网并入配电网运行时，必然会对配电网的运行带来一定的影响。为此，构建微电网的数学模型研究其动态特性意义重大。如文献[5]建立了直流母线连接的风能/光伏混合并网发电系统的模型；文献[6]设计了风能/光伏/燃料电池混合独立发电系统的功率管理策略，对独立运行的风能/光伏/燃料电池混合发电系统进行分析。

风力发电和光伏发电具有天然的互补性，但是二者也不可能做到天衣无缝，即使配备了储能装置。为此，本文为了更好地协调风力发电机组和光伏电池的配合，提出了采用微型燃气轮机进行改善整个微电网响应负荷变化的能力。本文利用PSCAD/EMTDC仿真软件建立了风力发电、光伏发电和微型燃气轮机的微电网模型。提出了微电网运行时的控制策略，并对微电网扰动情况下的运行特性进行了分析验证。

1 微电网建模

风能、光伏与燃气轮机混合微电网的结构如图1所示，交流母线下有三条支路。光伏电源接入支路I，经变流器接工频交流母线，风力发电和燃气轮机接入支路II，经逆变器装置接入工频交流母线，三个负荷分别连接在三个支路上。交流母线经变压器接入配电网，在配电网与微电网之间形成了公共连接点PCC，PCC处装有断路器，实现了微电网的孤岛运行和并网运行。

1.1 光伏电池模型

光伏电池单体是用于光电转换的最小单元，将其进行串、并联封闭后，就成为光伏电池组件，其电路简化模型如图2所示。

由基尔霍夫电流定律得到光伏组件输出电流为：

1.2 风力发电模型

风力机吸收风能后获得的功率为：

变流器利用SPWM技术控制换流器，即将调制信号与三角波载波相比较获得触发信号控制网侧换流器的6个全控型门极开关（IGBT），从而实现直流电压和无功功率的独立控制。其仿真模型如图4所示。

1.3 微型燃气轮机模型

微型燃气轮机是由微型燃气轮机、永磁同步发电机、三相不可控整流器、三相电压源逆变器（VSI）及LC滤波器组成。微型燃气轮机采用高效率高可靠性的单轴结构，通过涡轮产生的转矩驱动高速发电机发电，发电机输出的高频交流电经整流和逆变后输出工频交流，模块结构如图5所示。

2 算例分析

本文利用PSCAD/EMTDC软件分别对所建立的微电网在并网运行时的动态特性进行仿真分析。整个系统是由无穷大电网系统和三个电源以及三个负荷组成，具体结构如图1所示。其中三个负载的容量分别为：126+j56（kVA）；144+j78（kVA）；104+j48（kVA）。三种微电源的参数如表1、2、3所示。

并网运行时，光伏、风机输出有功率，无功功率参考值设定为零。微型燃气轮机输出有功功率和无功功率，并设定其有功功率、无功功率的基准值分别为83 kW、67 kVar。并且在t=4 s时给系统一大小为104+j48（kVA）（突然加入负荷3）的负荷扰动，在t=6 s时负载1出口处发生0.5 s单相瞬时性接地短路故障，则模拟仿真图如图6、7所示。

从图6、7可以看出，在系统采用并网的情况下，短暂的瞬时单相短路故障以及负载的瞬间接入对系统影响较小，系统很快进入稳定。

3 结论

针对分布式电源具有很强的生命力和很好的发展前景，本设计组建了光伏发电、风力发电以及微型燃气轮机发电组成的混合微电网，采用并网模式，并用PSCAD模拟仿真。光伏发电系统采用最大功率跟踪控制策略，输出功率存在较大波动，并网时，利用系统外网和微型燃气轮机平滑调节，在满足本地负荷的功率基础上，实现并网可调度。仿真结果表明，在受到扰到时，各电源、各负荷的功率输入输出能够保持平衡，系统频率、电压能够保持稳定。

参考文献

[1]王成山，武震，李鹏.微电网关键技术研究[J].电工技术学报，2014，29（2）：1-12.

[2]时珊珊，鲁宗相，周双喜，等.中国微电网的特点和发展方向[J].中国电力，2009，42（7）：21-25.

[3]王成山，李鹏.分布式发电、微电网与智能配电网的发展与挑战[J].电力系统自动化，2010，34（2）：10-14.

[4]张新昌.微电网运行控制解决方案及应用[J].电力系统保护与控制，2014，42（10）：141-146.

[5]KIM S K， KIM E S， AHN J B. Modeling and control of a grid connected wind/PV hybrid generation system[C]// Proceedings of IEEE PES Transmission and Distribution Conference and Exhibition.Dallas，USA，2006：1202-1207.

[6]WANG C，NEHRIR M H.Power management of a stand-alone wind/photovoltaic/fuel cell energy system[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion，2008，23（3）：957-967.

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