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

應用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)、風力發(fā)電系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)。針對不同特性的微源，在運行過程中采用不同的控制策略。利用該模型模擬了電網(wǎng)電壓跌落下的風力發(fā)電系統(tǒng)輸出特性，仿真結果表明，采用的仿真分析方法切實有效，模型輸出與實際理論輸出相似，能夠快速地響應電網(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)和儲能系統(tǒng)組成的微電網(wǎng)的輸出特性，仿真結果表明，模型輸出與工程運行相似，能夠支持母線頻率基本保持不變，提高供電可靠性。本模型可以用于實際多能源發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)分析，為實際工程研究奠定了基礎。

DIGSILENT；多能源發(fā)電系統(tǒng)；光伏發(fā)電系統(tǒng)；風力發(fā)電系統(tǒng)；儲能系統(tǒng)

隨著能源危機和環(huán)境污染的不斷加劇，新能源特別是風力和太陽能光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電成為世界熱點[1]。由于多能源發(fā)電具有建設周期短、規(guī)模小、占地小、經(jīng)濟環(huán)保、運行維護方便等優(yōu)點，已經(jīng)成為當前國內(nèi)外電力行業(yè)領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、負荷、儲能裝置及控制裝置等集成于一體，實現(xiàn)一體化運行，充分發(fā)揮新能源的各項優(yōu)勢，實現(xiàn)對新能源的有效利用，能有效解決電能質量、供電可靠性、能源和環(huán)保等方面出現(xiàn)的問題，是未來低碳型和智能型電網(wǎng)的重要組成部分，產(chǎn)生良好的社會效益和經(jīng)濟效益[4－5]。

多能源發(fā)電系統(tǒng)的出現(xiàn)也帶來了新的問題和挑戰(zhàn)，比如電網(wǎng)電壓調(diào)整、能量管理、控制策略、電能質量、孤島檢測與安全等[6]。其中還包括多能源發(fā)電系統(tǒng)的特殊性：風力發(fā)電、太陽能發(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、儲能和負荷的復雜匹配關系。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)展的關鍵問題。

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

1 多能源發(fā)電建模仿真

多能源發(fā)電系統(tǒng)的結構如圖1所示。圖1中包含3種能源系統(tǒng)：風力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲能系統(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)、儲能系統(tǒng)和負荷組成微電網(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跟蹤模式，使光伏陣列始終工作在最大功率點。光伏電池是利用“光生伏特效應”將太陽能轉換為電能的元器件，等效于一個半導體光電二極管。光伏電池輸出的伏安特性為：

圖1 多能源發(fā)電系統(tǒng)結構

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為光伏電池在無光照時的反向飽和電流；Rs、Rsh分別為串聯(lián)電阻和旁漏電阻。在理論研究基礎上進行兩點近似，得出光伏電池的工程實用數(shù)學模型：

式中：C1、C2為待定系數(shù)，分別為：

1.2 風力發(fā)電系統(tǒng)

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

本文的發(fā)電機采用雙饋異步發(fā)電機，變流器采用PQ控制模式。

1.3 儲能系統(tǒng)

儲能單元可以維持短時的能量供需平衡，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、實現(xiàn)能量緩沖，改善電能質量的作用，因此儲能系統(tǒng)對于多能源發(fā)電系統(tǒng)至關重要。

儲能系統(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)測儲能系統(tǒng)的充放電過程，引入儲能單元的荷電狀態(tài)SOC，反應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為儲能系統(tǒng)自放電率；pc、pd分別為儲能系統(tǒng)充、放電功率；hc、hd分別為儲能系統(tǒng)充放電效率；Ec為儲能的額定容量。

當SOC(t)≤SOCmin時，儲能系統(tǒng)不再進行放電。

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，其中一個或者多個微源作為主控源，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，不負責系統(tǒng)頻率電壓的穩(wěn)定。

當微電網(wǎng)處于并網(wǎng)狀態(tài)時，光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)采用PQ控制，向電網(wǎng)輸送最大的功率；當電網(wǎng)中的設備需要進行檢修或大電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，微電網(wǎng)與電網(wǎng)脫離，微電網(wǎng)由并網(wǎng)狀態(tài)進入孤島運行狀態(tài)。若微電網(wǎng)孤島運行時，儲能系統(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)負荷情況和具體項目實際情況對多能源發(fā)電系統(tǒng)進行配置，主要參數(shù)如下：風力發(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)仿真模擬時間為6 s，初始狀態(tài)微電網(wǎng)并網(wǎng)運行，各新能源采用P/Q控制。

T=0 s時，電網(wǎng)發(fā)生故障，電網(wǎng)電壓跌落70%；T=5 s時，電網(wǎng)恢復正常；T=6 s時仿真結束。

多能源發(fā)電系統(tǒng)運行仿真結果如圖4所示，圖4(a)～圖4(c)表明多能源發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)故障時有功、無功輸出；圖4(d)～圖4(e)表明光伏系統(tǒng)各儲能系統(tǒng)組成的微電網(wǎng)在電網(wǎng)電壓故障時，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)運行特性

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

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

4 結論

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

[1]DESHMUKH M K，DESHMUKH SS.Modeling of hybrid renewable energy system[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2008，12(1)：235-249．

[2]魯宗相，王彩霞，閡勇，等.微電網(wǎng)研究綜述[J].電力系統(tǒng)自動化，2007，31(19)：100-107.

[3]BENJAM IN K，LASSETER R H，TOSHIFUM I，et al.Making microgridswork[J].IEEE Power and Energy Magazine，2008，6(3)：85-87.

[4]丁明，徐寧舟，畢銳．負荷側新型儲能電站動態(tài)功能的研究[J]．電力自動化設備，2011，31(5)：1-7．

[5]吳紅斌，陳斌，郭彩云.風光互補發(fā)電系統(tǒng)中混合儲能單元的容量優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2011，27(4)：241-245.

[6]唐西勝，齊智平.應用于微電網(wǎng)的儲能及其控制技術[J].太陽能學報，2012，33(3)：517-524.

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

作者簡歷：朱美玲(1986—)，女，河南省人，碩士，工程師，主要研究方向為新能源。