基于冷熱電三聯供系統的微電網建模及仿真

孫健秧，郭建釗，金鵬

(1.國網泉州供電公司，福建省泉州市362000；2.華北電力大學，北京市102206)

基于冷熱電三聯供系統的微電網建模及仿真

孫健秧1，郭建釗1，金鵬2

(1.國網泉州供電公司，福建省泉州市362000；2.華北電力大學，北京市102206)

建立了內部包含冷熱電三聯供、儲能以及光伏發電等多種分布式電源的微電網數學模型，提出了考慮經濟性的運行控制策略，并采用DIgSILENT軟件進行了仿真分析。在此基礎上，研究了微電網并網轉孤島運行和光伏系統出力大幅變化時分布式電源功率、微電網電壓和頻率的變化情況，分析了運行模式轉變對微電網穩定運行的影響，驗證了模型與控制策略的有效性。

微電網；分布式電源；控制策略；建模仿真

0 引 言

世界范圍內三大化石能源的儲量正在日趨枯竭，能源危機已經成為人類面臨的最大挑戰。隨著可再生能源越來越廣泛的應用，微電網作為可再生能源的主要接入方式之一，已經成為電網的研究熱點。微電網是由負載和電源組成的獨立可控系統，既可與大電網并網運行，也可在電網故障時與主網斷開單獨運行，從而實現多種能源形式電能的高可靠供給[1-2]。盡管微電網優點突出，但微電網中的分布式電源多利用可再生資源，能量輸出受地理、氣候等外界因素影響較大，微電網與主網間功率交換具有間歇性和不可預知性，因此，大規模微電網接入勢必會對系統電壓、頻率造成影響[3]。另外，與傳統電網不同，微電網中主要以逆變器接口的分布式電源為主，這類電源普遍慣性較小，因此，研究微電網控制策略及其接入對系統的影響勢在必行。

微電網控制從整體控制策略上可分為主從控制和對等控制：主從控制是由上層主控制單元向下層從控制單元發出控制命令；對等控制是基于“即插即用”的思想，即微電網中的各臺設備以對等的模式進行控制，接入或去掉其中1個不會對微電網中其他微型電源產生影響[4]。從分布式電源的控制方法上，逆變器接口的分布式電源控制策略通常可分為恒功率控制、下垂控制和恒壓恒頻控制。下垂控制是對等控制中一種常見的控制策略，對于采用逆變器并網的分布式電源，下垂功率控制器根據電網頻率偏差調節有功功率的輸出，根據電壓偏差調節無功功率的輸出[5-6]。

目前大多數微電網控制仿真只針對某種特定類型的分布式電源或控制策略，建立的模型不具有代表性和通用性。本文在DIgSILENT仿真環境下，對微電網中的冷熱電三聯供、光伏發電和儲能系統進行了建模和仿真，并通過算例仿真分析了微電網并網轉孤島運行和光伏系統出力大幅變化時分布式電源功率、微電網電壓和頻率的變化規律。

1 分布式電源模型

1.1 冷熱電三聯供

冷熱電三聯供是一種將熱機、發電機、熱回收和制冷裝置作為整體，通過統一管理制冷、供熱及供電過程，實現能源梯級利用的新型能源利用方式[7]。

微型燃氣輪機是聯供系統的核心部件，通常采用徑流式葉輪機械或空氣軸承技術，結構簡單、機組尺寸小，可產生大量品質極佳的余熱煙氣，是目前微型分布式發電系統特別是小型冷熱電聯供系統的主要動力設備，其原動機結構如圖1所示[8-9]。

圖1 微燃機原動機模型

微燃機原動機模型包含轉速控制、溫度控制、加速控制、燃料系統以及壓氣機渦輪系統等部分。后級發電機采用三階模型對其進行建模，數學模型如式(1)～(4)所示。

(1)

ud=xqIq-rId

(2)

(3)

Pe=Eq′Iq+ (xq-xd′)IdIq-r(Iq2+Id2)

(4)

微燃機并網逆變器側采用下垂控制策略，具體結構如圖2所示。

1.2 光伏電池

光伏電池是直接將光能轉化為電能的能量轉換器[10]，其等效電路的理想形式如圖3所示。等效電路中各變量的表達式如式(5)和(6)所示。

(5)

圖2 下垂控制結構

圖3 光伏電池的等效電路

(6)

式中：I0表示光伏電池內部等效二極管P-N結反向飽和電流；Ud表示光伏電池的開路電壓；k表示波爾茲曼常量，值為1.38×10-13J/K；T為絕對溫度，K；A表示P-N結的曲線常數，其值為1～2，這里取1.3;Rs為等效串聯電阻；Rsh為等效并聯電阻；Iph為光生電流；Id為光伏模塊的反向飽和電流；IL為光伏輸出電流；U為光伏輸出電壓；q為單位電子電荷。

目前對光伏電池一般都采用最大功率點跟蹤控制策略，始終使之處于最大功率輸出狀態,這里采用較為常用的增量電導法。光伏逆變器的控制系統采用SPWM調制技術。逆變器具有2個獨立的控制變量，即調制比M和移相角δ。光伏并網發電系統正常運行時，通過控制變量逆變器可以獨立地控制有功功率類物理量和無功功率類物理量。圖4為逆變器控制系統框圖。

圖4 光伏逆變器控制框圖

1.3 儲能裝置

儲能裝置的逆變器控制策略采用PQ控制，即本地控制裝置接受監控平臺PQ指令輸出有功功率和無功功率，如圖5所示。

圖5 儲能裝置控制框圖

通過改變線路電流Id、Iq既可改變U2d、U2q，進而改變U2abc的幅值以及它與U1abc間的功角，實現有效的功率控制。有功和無功輸出整定值P1set和Q1set對應的參考電流d軸分量和q軸分量也可以簡化表示為

Idset=P1set/U1d

(7)

Iqset=Q1set/(-U1d)

(8)

式中：U1d為U1abc經過坐標變換后的d軸分量。

利用參考電流實時跟蹤線路電流，并通過PI控制器使其逼近參考值，即：

U2d=U1d+jωL1(Iq+ΔIq)

(9)

U2q=jωL1(Id+ΔId)

(10)

式中：ΔIq和ΔId分別為d和q軸比例積分控制器的輸出值;ω為交流同步角速度；L1為輸出濾波電感。

在此基礎上，利用派克反變換得到對應的三相電壓U2abc，經過折算，將其輸出作為PWM的控制輸入，控制逆變器的觸發脈沖，實現功率控制。

2 微電網系統模型

本文微電網系統模型結構如圖6所示。該微電網的電源包括三聯供發電機、光伏電池板、蓄電池組以及市電；負荷包括一級負荷、二級負荷和三級負荷；提高電能質量的設備包括無功補償設備(電容器)和有源濾波裝置[11]。

圖6 微電網拓撲結構圖

微電網通過一臺10 kV/0.4 kV變壓器和PCC快切開關與系統連接，利用電力系統仿真分析軟件DIgSILENT對該微電網系統進行建模，在此基礎上進行仿真計算。

3 微電網系統典型運行方式仿真結果

3.1 并網模式向孤島模式轉換動態仿真

微電網的典型運行方式有并網和孤島模式2種[12]，本文仿真了微電網并網轉孤島運行模式過程，驗證本文運行控制策略的有效性。

設定微電網某時刻運行狀況為三聯供發出功率15 kW/3 kvar，光伏組件發出功率10 kW/0 kvar，蓄電池0出力。一級負荷17 kW(功率因數0.9)；二級負荷2.4 kW(功率因數0.8)；三級負荷30 kW(功率因數0.95)。設定3 s時斷開微電網與配電網連接的快切開關，同時斷開二級負荷母線與一級負荷母線之間母聯開關，由于蓄電池模式轉換時間較快，一級負荷母線平滑切換至孤島運行模式。圖7是一級負荷母線頻率、電壓的變化情況。

圖8為蓄電池功率的變化。由仿真曲線可知，由于蓄電池快速響應，在微電網由并網模式轉換成孤島模式時，一級負荷母線頻率和電壓經過短時間波動后迅速恢復到正常水平并保持穩定。

3.2 孤島時光伏出力波動對微電網的影響

由于光伏發電為間歇式隨機性電源，其功率輸出情況受光照輻射、溫度等環境因素影響較大，并網時光伏出力的波動由大電網承擔，系統頻率和電壓維持恒定；當電網故障，微電網孤島運行時，光伏出力波動對微電網運行帶來一定的影響。本文仿真了微電網孤島運行模式下，光伏出力大幅下降的情況。設定在6 s時光伏出力突降為0，圖9為三聯供燃氣輪機的響應情況，圖10為二級負荷母線的電壓和頻率變化情況。

圖7 一級負荷頻率和電壓的變化圖Fig.7 Changes of frequency and voltage of primary load

圖8 蓄電池功率變化Fig.8 Power change of battery

圖9 燃氣輪機功率響應Fig.9 Power response of gas turbine

圖10 二級負荷頻率和母線電壓變化情況Fig.10 Change of frequency and voltage change of secondary load

由圖9～10可知，在微電網當前運行方式下，光伏出力大幅下降對微電網運行影響較小，當燃氣輪機備用容量較大時，其快速出力響應可以使二級負荷母線電壓和頻率在小幅震蕩后維持一個較為穩定的水平，保證二級負荷正常供電。

4 結 語

針對含多種分布式電源的微電網運行控制問題，研究了微電網中冷熱電三聯供、光伏電池和儲能系統的數學模型和控制方法，通過DIgSILENT軟件建立了微電網整體模型。仿真分析了微電網并網轉孤島模式以及微電網孤島模式下光伏出力大幅下降2種典型微電網運行方式對微電網的影響。結果顯示，本文采用的控制方法在微電網運行模式轉變過程中能良好地協調控制內部各臺分布式電源，使微電網系統保持安全可靠運行。

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(編輯：張小飛)

ModelingandSimulationofMicrogridBasedonCooling-Heating-PowerSupplySystem

SUN Jianyang1, GUO Jianzhao1, JIN Peng2

(1. State Grid Quanzhou Power Supply Company, Quanzhou 362000, Fujian Province, China;2. North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

The mathematical models of distributed generations in microgrid were established, including cooling-heating-power supply, energy storage, photovoltaic power generation, etc. The control strategies were proposed with considering economy, and the DIgSILENT software was used for the simulation analysis. On this basis, the transform of operation mode from grid-connection to island was tested, and the changes of distributed generation, microgrid voltage and frequency were studied under the significantly fluctuation of PV output. Finally, the impact of operation mode on the stable operation of microgrid was analyzed, and the effectiveness of models and control strategies was verified.

microgrid; distributed generation; control strategy; modeling and simulation

國家重點基礎研究發展計劃項目(973計劃)(2009CB219706)。

TM 712

： A

： 1000-7229(2014)06-0022-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.005

2013-12-16

：2014-01-20

孫健秧(1967)，男，高級工程師，研究方向為電力系統運行，E-mail：sun-jy@163.com;

郭建釗(1964)，男，高級工程師，研究方向為電氣工程相關領域，E-mail：guojianzhao3208@163.com;

金鵬(1984),男，博士，研究方向為微網控制，E-mail:jpjsdx@163.com。