風—光—燃氣混合微電網的建模和仿真分析

范鵬翔

摘 要：近年來，分布式發電技術以其獨有的安全性、經濟性和可靠性的供電方式引起人們越來越多的關注。本文運用數學建模組建各種系統模型以及各種控制模塊，創建一個包含太陽能光伏發電、風力發電、微型燃氣輪機發電機和三個負載組成的微型電網，系統采用并網方式，通過變壓器連到無窮大系統，并以PSCAD/EMTDC為平臺進行模擬仿真，通過給系統施加擾動，判斷分析系統的穩定性，驗證所建微型電網模型的合理性。

關鍵詞：微電網 光伏 微型燃氣輪機 風力機 建模

中圖分類號：TM71 文獻標識碼：A 文章編號：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

微電網是由分布式電源（風力發電機組、光伏電池、微型燃氣輪機以及燃料電池等）、儲能系統（蓄電池、超級電容器以及飛輪儲能等）、能量轉換裝置、監控和保護裝置、負荷等匯集而成的小型發、配、用電系統，是一個具備自我控制和自我能量管理的自治系統，既可以與外部電網并網運行，也可以孤立運行[1～3]。上述分布式電源中，風力發電和光伏發電已成為目前發展最快的一種新能源發電方式，其發電技術最為成熟，開發空間較為廣泛，是今后微電網中的主力能源[4]。

分布式電源類型的多樣性及微電網運行方式的復雜性使得微電網與傳統電網有所不同，特別是微電網并入配電網運行時，必然會對配電網的運行帶來一定的影響。為此，構建微電網的數學模型研究其動態特性意義重大。如文獻[5]建立了直流母線連接的風能/光伏混合并網發電系統的模型；文獻[6]設計了風能/光伏/燃料電池混合獨立發電系統的功率管理策略，對獨立運行的風能/光伏/燃料電池混合發電系統進行分析。

風力發電和光伏發電具有天然的互補性，但是二者也不可能做到天衣無縫，即使配備了儲能裝置。為此，本文為了更好地協調風力發電機組和光伏電池的配合，提出了采用微型燃氣輪機進行改善整個微電網響應負荷變化的能力。本文利用PSCAD/EMTDC仿真軟件建立了風力發電、光伏發電和微型燃氣輪機的微電網模型。提出了微電網運行時的控制策略，并對微電網擾動情況下的運行特性進行了分析驗證。

1 微電網建模

風能、光伏與燃氣輪機混合微電網的結構如圖1所示，交流母線下有三條支路。光伏電源接入支路I，經變流器接工頻交流母線，風力發電和燃氣輪機接入支路II，經逆變器裝置接入工頻交流母線，三個負荷分別連接在三個支路上。交流母線經變壓器接入配電網，在配電網與微電網之間形成了公共連接點PCC，PCC處裝有斷路器，實現了微電網的孤島運行和并網運行。

1.1 光伏電池模型

光伏電池單體是用于光電轉換的最小單元，將其進行串、并聯封閉后，就成為光伏電池組件，其電路簡化模型如圖2所示。

由基爾霍夫電流定律得到光伏組件輸出電流為：

1.2 風力發電模型

風力機吸收風能后獲得的功率為：

變流器利用SPWM技術控制換流器，即將調制信號與三角波載波相比較獲得觸發信號控制網側換流器的6個全控型門極開關（IGBT），從而實現直流電壓和無功功率的獨立控制。其仿真模型如圖4所示。

1.3 微型燃氣輪機模型

微型燃氣輪機是由微型燃氣輪機、永磁同步發電機、三相不可控整流器、三相電壓源逆變器（VSI）及LC濾波器組成。微型燃氣輪機采用高效率高可靠性的單軸結構，通過渦輪產生的轉矩驅動高速發電機發電，發電機輸出的高頻交流電經整流和逆變后輸出工頻交流，模塊結構如圖5所示。

2 算例分析

本文利用PSCAD/EMTDC軟件分別對所建立的微電網在并網運行時的動態特性進行仿真分析。整個系統是由無窮大電網系統和三個電源以及三個負荷組成，具體結構如圖1所示。其中三個負載的容量分別為：126+j56（kVA）；144+j78（kVA）；104+j48（kVA）。三種微電源的參數如表1、2、3所示。

并網運行時，光伏、風機輸出有功率，無功功率參考值設定為零。微型燃氣輪機輸出有功功率和無功功率，并設定其有功功率、無功功率的基準值分別為83 kW、67 kVar。并且在t=4 s時給系統一大小為104+j48（kVA）（突然加入負荷3）的負荷擾動，在t=6 s時負載1出口處發生0.5 s單相瞬時性接地短路故障，則模擬仿真圖如圖6、7所示。

從圖6、7可以看出，在系統采用并網的情況下，短暫的瞬時單相短路故障以及負載的瞬間接入對系統影響較小，系統很快進入穩定。

3 結論

針對分布式電源具有很強的生命力和很好的發展前景，本設計組建了光伏發電、風力發電以及微型燃氣輪機發電組成的混合微電網，采用并網模式，并用PSCAD模擬仿真。光伏發電系統采用最大功率跟蹤控制策略，輸出功率存在較大波動，并網時，利用系統外網和微型燃氣輪機平滑調節，在滿足本地負荷的功率基礎上，實現并網可調度。仿真結果表明，在受到擾到時，各電源、各負荷的功率輸入輸出能夠保持平衡，系統頻率、電壓能夠保持穩定。

參考文獻

[1] 王成山，武震，李鵬.微電網關鍵技術研究[J].電工技術學報，2014，29（2）：1-12.

[2] 時珊珊，魯宗相，周雙喜，等.中國微電網的特點和發展方向[J].中國電力，2009，42（7）：21-25.

[3] 王成山，李鵬.分布式發電、微電網與智能配電網的發展與挑戰[J].電力系統自動化，2010，34（2）：10-14.

[4] 張新昌.微電網運行控制解決方案及應用[J].電力系統保護與控制，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.endprint

摘 要：近年來，分布式發電技術以其獨有的安全性、經濟性和可靠性的供電方式引起人們越來越多的關注。本文運用數學建模組建各種系統模型以及各種控制模塊，創建一個包含太陽能光伏發電、風力發電、微型燃氣輪機發電機和三個負載組成的微型電網，系統采用并網方式，通過變壓器連到無窮大系統，并以PSCAD/EMTDC為平臺進行模擬仿真，通過給系統施加擾動，判斷分析系統的穩定性，驗證所建微型電網模型的合理性。

關鍵詞：微電網 光伏 微型燃氣輪機 風力機 建模

中圖分類號：TM71 文獻標識碼：A 文章編號：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

微電網是由分布式電源（風力發電機組、光伏電池、微型燃氣輪機以及燃料電池等）、儲能系統（蓄電池、超級電容器以及飛輪儲能等）、能量轉換裝置、監控和保護裝置、負荷等匯集而成的小型發、配、用電系統，是一個具備自我控制和自我能量管理的自治系統，既可以與外部電網并網運行，也可以孤立運行[1～3]。上述分布式電源中，風力發電和光伏發電已成為目前發展最快的一種新能源發電方式，其發電技術最為成熟，開發空間較為廣泛，是今后微電網中的主力能源[4]。

分布式電源類型的多樣性及微電網運行方式的復雜性使得微電網與傳統電網有所不同，特別是微電網并入配電網運行時，必然會對配電網的運行帶來一定的影響。為此，構建微電網的數學模型研究其動態特性意義重大。如文獻[5]建立了直流母線連接的風能/光伏混合并網發電系統的模型；文獻[6]設計了風能/光伏/燃料電池混合獨立發電系統的功率管理策略，對獨立運行的風能/光伏/燃料電池混合發電系統進行分析。

風力發電和光伏發電具有天然的互補性，但是二者也不可能做到天衣無縫，即使配備了儲能裝置。為此，本文為了更好地協調風力發電機組和光伏電池的配合，提出了采用微型燃氣輪機進行改善整個微電網響應負荷變化的能力。本文利用PSCAD/EMTDC仿真軟件建立了風力發電、光伏發電和微型燃氣輪機的微電網模型。提出了微電網運行時的控制策略，并對微電網擾動情況下的運行特性進行了分析驗證。

1 微電網建模

風能、光伏與燃氣輪機混合微電網的結構如圖1所示，交流母線下有三條支路。光伏電源接入支路I，經變流器接工頻交流母線，風力發電和燃氣輪機接入支路II，經逆變器裝置接入工頻交流母線，三個負荷分別連接在三個支路上。交流母線經變壓器接入配電網，在配電網與微電網之間形成了公共連接點PCC，PCC處裝有斷路器，實現了微電網的孤島運行和并網運行。

1.1 光伏電池模型

光伏電池單體是用于光電轉換的最小單元，將其進行串、并聯封閉后，就成為光伏電池組件，其電路簡化模型如圖2所示。

由基爾霍夫電流定律得到光伏組件輸出電流為：

1.2 風力發電模型

風力機吸收風能后獲得的功率為：

變流器利用SPWM技術控制換流器，即將調制信號與三角波載波相比較獲得觸發信號控制網側換流器的6個全控型門極開關（IGBT），從而實現直流電壓和無功功率的獨立控制。其仿真模型如圖4所示。

1.3 微型燃氣輪機模型

微型燃氣輪機是由微型燃氣輪機、永磁同步發電機、三相不可控整流器、三相電壓源逆變器（VSI）及LC濾波器組成。微型燃氣輪機采用高效率高可靠性的單軸結構，通過渦輪產生的轉矩驅動高速發電機發電，發電機輸出的高頻交流電經整流和逆變后輸出工頻交流，模塊結構如圖5所示。

2 算例分析

本文利用PSCAD/EMTDC軟件分別對所建立的微電網在并網運行時的動態特性進行仿真分析。整個系統是由無窮大電網系統和三個電源以及三個負荷組成，具體結構如圖1所示。其中三個負載的容量分別為：126+j56（kVA）；144+j78（kVA）；104+j48（kVA）。三種微電源的參數如表1、2、3所示。

并網運行時，光伏、風機輸出有功率，無功功率參考值設定為零。微型燃氣輪機輸出有功功率和無功功率，并設定其有功功率、無功功率的基準值分別為83 kW、67 kVar。并且在t=4 s時給系統一大小為104+j48（kVA）（突然加入負荷3）的負荷擾動，在t=6 s時負載1出口處發生0.5 s單相瞬時性接地短路故障，則模擬仿真圖如圖6、7所示。

從圖6、7可以看出，在系統采用并網的情況下，短暫的瞬時單相短路故障以及負載的瞬間接入對系統影響較小，系統很快進入穩定。

3 結論

針對分布式電源具有很強的生命力和很好的發展前景，本設計組建了光伏發電、風力發電以及微型燃氣輪機發電組成的混合微電網，采用并網模式，并用PSCAD模擬仿真。光伏發電系統采用最大功率跟蹤控制策略，輸出功率存在較大波動，并網時，利用系統外網和微型燃氣輪機平滑調節，在滿足本地負荷的功率基礎上，實現并網可調度。仿真結果表明，在受到擾到時，各電源、各負荷的功率輸入輸出能夠保持平衡，系統頻率、電壓能夠保持穩定。

參考文獻

[1] 王成山，武震，李鵬.微電網關鍵技術研究[J].電工技術學報，2014，29（2）：1-12.

[2] 時珊珊，魯宗相，周雙喜，等.中國微電網的特點和發展方向[J].中國電力，2009，42（7）：21-25.

[3] 王成山，李鵬.分布式發電、微電網與智能配電網的發展與挑戰[J].電力系統自動化，2010，34（2）：10-14.

[4] 張新昌.微電網運行控制解決方案及應用[J].電力系統保護與控制，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.endprint

摘 要：近年來，分布式發電技術以其獨有的安全性、經濟性和可靠性的供電方式引起人們越來越多的關注。本文運用數學建模組建各種系統模型以及各種控制模塊，創建一個包含太陽能光伏發電、風力發電、微型燃氣輪機發電機和三個負載組成的微型電網，系統采用并網方式，通過變壓器連到無窮大系統，并以PSCAD/EMTDC為平臺進行模擬仿真，通過給系統施加擾動，判斷分析系統的穩定性，驗證所建微型電網模型的合理性。

關鍵詞：微電網 光伏 微型燃氣輪機 風力機 建模

中圖分類號：TM71 文獻標識碼：A 文章編號：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

微電網是由分布式電源（風力發電機組、光伏電池、微型燃氣輪機以及燃料電池等）、儲能系統（蓄電池、超級電容器以及飛輪儲能等）、能量轉換裝置、監控和保護裝置、負荷等匯集而成的小型發、配、用電系統，是一個具備自我控制和自我能量管理的自治系統，既可以與外部電網并網運行，也可以孤立運行[1～3]。上述分布式電源中，風力發電和光伏發電已成為目前發展最快的一種新能源發電方式，其發電技術最為成熟，開發空間較為廣泛，是今后微電網中的主力能源[4]。

分布式電源類型的多樣性及微電網運行方式的復雜性使得微電網與傳統電網有所不同，特別是微電網并入配電網運行時，必然會對配電網的運行帶來一定的影響。為此，構建微電網的數學模型研究其動態特性意義重大。如文獻[5]建立了直流母線連接的風能/光伏混合并網發電系統的模型；文獻[6]設計了風能/光伏/燃料電池混合獨立發電系統的功率管理策略，對獨立運行的風能/光伏/燃料電池混合發電系統進行分析。

風力發電和光伏發電具有天然的互補性，但是二者也不可能做到天衣無縫，即使配備了儲能裝置。為此，本文為了更好地協調風力發電機組和光伏電池的配合，提出了采用微型燃氣輪機進行改善整個微電網響應負荷變化的能力。本文利用PSCAD/EMTDC仿真軟件建立了風力發電、光伏發電和微型燃氣輪機的微電網模型。提出了微電網運行時的控制策略，并對微電網擾動情況下的運行特性進行了分析驗證。

1 微電網建模

風能、光伏與燃氣輪機混合微電網的結構如圖1所示，交流母線下有三條支路。光伏電源接入支路I，經變流器接工頻交流母線，風力發電和燃氣輪機接入支路II，經逆變器裝置接入工頻交流母線，三個負荷分別連接在三個支路上。交流母線經變壓器接入配電網，在配電網與微電網之間形成了公共連接點PCC，PCC處裝有斷路器，實現了微電網的孤島運行和并網運行。

1.1 光伏電池模型

光伏電池單體是用于光電轉換的最小單元，將其進行串、并聯封閉后，就成為光伏電池組件，其電路簡化模型如圖2所示。

由基爾霍夫電流定律得到光伏組件輸出電流為：

1.2 風力發電模型

風力機吸收風能后獲得的功率為：

變流器利用SPWM技術控制換流器，即將調制信號與三角波載波相比較獲得觸發信號控制網側換流器的6個全控型門極開關（IGBT），從而實現直流電壓和無功功率的獨立控制。其仿真模型如圖4所示。

1.3 微型燃氣輪機模型

微型燃氣輪機是由微型燃氣輪機、永磁同步發電機、三相不可控整流器、三相電壓源逆變器（VSI）及LC濾波器組成。微型燃氣輪機采用高效率高可靠性的單軸結構，通過渦輪產生的轉矩驅動高速發電機發電，發電機輸出的高頻交流電經整流和逆變后輸出工頻交流，模塊結構如圖5所示。

2 算例分析

本文利用PSCAD/EMTDC軟件分別對所建立的微電網在并網運行時的動態特性進行仿真分析。整個系統是由無窮大電網系統和三個電源以及三個負荷組成，具體結構如圖1所示。其中三個負載的容量分別為：126+j56（kVA）；144+j78（kVA）；104+j48（kVA）。三種微電源的參數如表1、2、3所示。

并網運行時，光伏、風機輸出有功率，無功功率參考值設定為零。微型燃氣輪機輸出有功功率和無功功率，并設定其有功功率、無功功率的基準值分別為83 kW、67 kVar。并且在t=4 s時給系統一大小為104+j48（kVA）（突然加入負荷3）的負荷擾動，在t=6 s時負載1出口處發生0.5 s單相瞬時性接地短路故障，則模擬仿真圖如圖6、7所示。

從圖6、7可以看出，在系統采用并網的情況下，短暫的瞬時單相短路故障以及負載的瞬間接入對系統影響較小，系統很快進入穩定。

3 結論

針對分布式電源具有很強的生命力和很好的發展前景，本設計組建了光伏發電、風力發電以及微型燃氣輪機發電組成的混合微電網，采用并網模式，并用PSCAD模擬仿真。光伏發電系統采用最大功率跟蹤控制策略，輸出功率存在較大波動，并網時，利用系統外網和微型燃氣輪機平滑調節，在滿足本地負荷的功率基礎上，實現并網可調度。仿真結果表明，在受到擾到時，各電源、各負荷的功率輸入輸出能夠保持平衡，系統頻率、電壓能夠保持穩定。

參考文獻

[1] 王成山，武震，李鵬.微電網關鍵技術研究[J].電工技術學報，2014，29（2）：1-12.

[2] 時珊珊，魯宗相，周雙喜，等.中國微電網的特點和發展方向[J].中國電力，2009，42（7）：21-25.

[3] 王成山，李鵬.分布式發電、微電網與智能配電網的發展與挑戰[J].電力系統自動化，2010，34（2）：10-14.

[4] 張新昌.微電網運行控制解決方案及應用[J].電力系統保護與控制，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.endprint