風光微源特性對交流微網孤島運行電壓穩定性的影響

李　興，白　斌，楊　麗，甘燕凌

(青海省電力設計院，西寧　810008)

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風光微源特性對交流微網孤島運行電壓穩定性的影響

李興，白斌，楊麗，甘燕凌

(青海省電力設計院，西寧810008)

主要分析風光微電源特性對微電網孤島運行時電壓穩定性的影響。給出了以光伏發電單元和風力發電單元為微電源的微電網拓撲結構，并分析了其運行特性。針對微電網與傳統大電網的區別，研究了微電網的功率傳輸特性。重點分析了風機及光伏發電2種典型微電源出力的隨機模型，研究了其概率密度函數及等效電路模型。從功率平衡的角度研究了微電源特性對系統電壓穩定性的影響并進行了相關的仿真分析。

風光特性；微電網；孤島；電壓穩定性

近年來，由于傳統能源短缺及環境污染加劇，加之遠距離大容量的傳統電力系統運行成本高、可靠性低等原因，以分布式發電單元、儲能裝置以及負荷組成的微電網成為新型供電模式的發展方向[1-3]。微電網中的微電源通常包括太陽能、風能、地熱能、生物質能以及潮汐能等[4]。微電源主要特性是：受環境因素影響較大，輸出功率具有間歇性、隨機性及波動性。

目前，以風力發電單元和光伏發電單元作為微電源的微電網是研究的重點。我國西北地區風能及太陽能資源豐富，一般白天太陽光充足時風力較弱，夜晚情況恰好相反，故太陽能與風能具有互補性。

由于微電網中分布式發電單元出力具有隨機性，當微電網孤島運行時失去了大電網的支撐，因此微電網能否維持電壓穩定值得研究。本文研究的微電網結構如圖1所示。在該微電網結構中包括風光微電源及作為儲能裝置的蓄電池，采用柴油發電機在極端情況下保證系統的持續供電。當光伏發電單元及風力發電單元輸出功率大于自身負荷需求的功率時，多余的電能將儲存到蓄電池中；當微電源輸出功率不能滿足負荷所需功率時，由蓄電池補足缺額。柴油發電機在極端情況下提供獨立的電網模式。

本文基于圖1所示的微電網模型，重點分析了風光微電源特性及其對交流微電網孤島運行電壓穩定性的影響。

圖1　微電網結構

1　微電網功率傳輸特性

由于微電網自身的特殊性，其輸電線路的阻抗特性恰巧與大電網相反，輸電線路呈阻性。不同輸電線路的典型參數如表1所示。

表1　線路典型參數

由于微電網屬于低壓電網，其功率傳輸特性不同于中、高壓電網。系統中功率傳輸特性及電壓和功角的相量關系如圖2所示。圖2中：δ為功角；φ為相角。

圖2　功率傳輸等效圖及相量圖

由圖2可知：

(1)

系統傳輸的有功功率和無功功率分別為：

(2)

由表1可知：微電網系統中傳輸線路的電阻遠遠大于電抗，忽略電抗化簡可得：

(3)

由式(3)可知：功角δ主要由有功功率P決定，而電壓差主要由無功功率Q決定。由于控制頻率可控制功角δ，因此通過獨立調整P和Q可控制頻率和電壓。

2　微電源特性分析

由于風速及光照強度的變化均具有隨機性，因此其輸出功率具有隨機性。

2.1風力微電源特性分析

通過大量實測數據統計分析表明：威布爾分布與實際風速分布能較好地擬合，其概率密度函數為[5]

(4)

式中：ν為風速；c為尺度參數；k為形狀參數。

威布爾分布的參數可以根據風速的平均值μ和標準差σ近似算出：

(5)

式中Γ(·)為伽馬函數。

風機接入系統的電路如圖3所示。

圖3　風機接入系統的電路圖

在Buck電路中，設IGBT的占空比為D，基于狀態空間平均法得到Buck電路輸入至Buck電路輸出的傳遞函數為

(6)

改變Buck中IGBT的占空比D即可實現對風力微電源輸出電壓的控制。

風機的輸出功率可表示為[6]

(7)

式中：Pw為風機所能輸出的電功率；CP(λ,β)為風能利用系數，λ=ωR/V，λ為葉尖速比，β為槳距角，ω為葉片旋轉角速度，R為風輪半徑，V為風速；ρ為空氣密度，通常取1.25kg/m3；SW為風機葉片迎風掃掠面積。

風機的動力學方程可表示為[7]

(8)

其中：T(ωr,Vω)表示風機轉矩；Te表示風機的電磁轉矩；B表示風機的黏滯系數(可忽略)。

T(ωr,Vω)可表示為

(9)

式中CT為轉矩系數，與λ和β有關。

通過以上分析可知：風機轉速的調節可以通過簡單改變風機的轉矩T(ωr,Vω)和電磁轉矩Te來實現。

2.2光伏微源特性分析

據統計，在一定時間段內(1h或幾小時)，太陽光照強度可以近似為Beta分布，其概率密度函數為[5]

(10)

式中： r和rmax分別為某一時間段內光照強度的實際值和最大值；

(11)

光伏陣列的有功出力Ppv一般可通過式(12)簡化計算。

(12)

式中：A為光伏陣列的總面積；η為光伏陣列的光電轉化效率。研究表明：光伏出力的概率密度函數同樣也呈Beta分布：

(13)

隨機風速及光伏陣列的有功出力均可由蒙特卡羅方法獲取，本文不作詳細研究。

光伏微電源接入系統的電路如圖4所示。

圖4　光伏微電源接入系統的電路

在Boost電路中，設IGBT的占空比為D，基于狀態空間平均法，得到Boost電路輸入至Boost電路輸出的傳遞函數為：

(14)

可見，改變Boost中 IGBT的占空比D即可實現對輸出電壓的控制。

PV等效電路如圖5所示。主要包括理想電流源、二極管、并聯電阻Rsh和串聯電阻Rs。其中：Iph為短路電流，與光伏電池板所處位置的環境溫度及光照強度密切相關；ID為流經二極管的電流；Ish為光生電流；I為負載電流；U為光伏電池板的輸出電壓。

圖5　PV等效電路

依據Shockloy擴散理論及等效電路原理可得光伏電池的U-I方程為[8]：

(15)

式中：I0為反向飽和電流，為在黑暗中通過P-N結的少數載流子的空穴電流和電子電流的代數和；U為等效二極管的端電壓；q為電子電量；T為太陽電池板的絕對溫度；k為玻爾茲曼常數；A為二極管曲線因子，取值為1～2。由于式(15)中(U+IRsh)/Rsh<

(16)

當有np和ns個光伏電池板分別并入或串入光伏陣列模塊中時有

(17)

文獻[9]搭建了光伏陣列的仿真模型。當光照強度恒定、溫度發生變化時，仿真結果表明：光伏陣列的開路電壓隨溫度的逐漸升高而減小，但變化量很小，對應短路電流變化量更小，同時最大功率點發生小幅度偏移。

當溫度恒定而光照強度發生變化時，光伏陣列短路電流和開路電壓隨光照強度的變化發生明顯變化。本文重點研究光照強度隨機變化對系統電壓穩定性的影響。

3　微電源特性對電壓穩定性的影響

風光分布式發電系統均通過變流器接入交流微電網的交流母線。為了研究整個微電網系統的功率平衡關系，可先以某單個發電單元作為研究對象。單個發電單元功率平衡最終表現為逆變器直流側電壓udc恒定。系統功率平衡可由以下動態方程表達：

(18)

式中：Ps為某單個發電單元的輸出功率；PLoad為對應負載功率。

3.1光伏微電源對系統電壓穩定性的影響

當系統穩定運行時，微電源直流側的電壓Udc保持恒定。假設PLoad為等效交流負荷功率，系統的傳輸功率滿足以下關系式：

(19)

忽略損耗，在系統暫態運行過程中，內部功率滿足以下關系式：

(20)

(21)

(22)

當外界環境發生變化時，光伏陣列的輸出功率會發生變化。假設光伏微電源輸出功率的變化量為ΔPPV，則式(19)的功率平衡將會被打破，微電源及系統開始新平衡的調節過程。

當ΔPPV>0時，有

(23)

當ΔPPV<0時，有

(24)

光伏并網逆變器的輸出線電壓的基波分量為

(25)

式中：M為幅值調制比；ωs為調制波角頻率。

當外界環境因素引起光伏微電源輸出功率的變化量為ΔPPV時，光伏微電源直流側的電壓變化量為ΔUdc。此時，微電源逆變器輸出的a相基波電壓為

(26)

交流側的電壓變化百分比為：

(27)

由式(27)可知：光伏微電源的隨機性和間歇性最終表現為系統的電壓波動。當系統中負荷維持恒定時，要使系統輸出電壓恒定必須保證ΔUdc為0，可通過接入儲能裝置來保證直流側電壓的恒定，進而維持系統輸出電壓的恒定。

當輸入輸出功率不平衡時，直流側母線電壓必然會出現不穩定的現象，導致直流側負荷及交流側負荷端電壓不穩定。母線電壓波動是電能質量的一個重要方面。光伏微源對系統電壓穩定性影響的仿真波形如圖6～8所示：

圖6　光照強度隨時間變化的仿真波形

圖7　輸出功率隨光照強度變化的仿真波形

圖8　直流側電壓隨光照強度變化的仿真波形

由以上的仿真波形可以看出：光照強度在0.2 s時由900 W/m2增強到1 000 W/m2，光伏發電系統的輸出功率明顯增大，對應直流側的電壓也明顯升高；光照強度在0.4 s時由1 000 W/m2繼續增強到1 200 W/m2，對應的輸出功率及直流側電壓同樣跟隨光照強度的變化而變化；當光照強度在0.6 s時突然下降，系統的輸出功率明顯減小，直流側電壓隨光照強度變弱而降低。

通過分析可得：光照強度的變化會引起系統輸出功率的變化，進而引起直流側電壓的不穩定，最終導致負荷端電壓的不穩定。

3.2風力微電源對系統電壓穩定性的影響

忽略損耗，風力微電源在暫態運行過程中，內部功率滿足關系式：

(28)

其中風機對系統電壓穩定性影響的分析方法與光伏微電源類似。風力發電系統直流側的電壓可表示為

(29)

若風機的輸出功率受外界因素的影響，在某一時間段內的輸出功率變化量為ΔPWT。當ΔPWT>0時有

(30)

(31)

同理，逆變器的輸出電壓的變化量為

(32)

在Matlab/Simulink環境下搭建風力發電單元的仿真模型。假設初始風速為7.5 m/s，在0.3 s時風速突降到6.5 m/s，持續0.7 s后，又恢復到初始的7.5 m/s。風速變化的仿真波形如圖9(a)所示。直流母線電壓設為400 V，仿真時間為2 s，仿真系統直流側電壓的變化情況如圖9(b)所示。

由仿真波形可以看出：當風速在0.3 s處下降時，系統直流側的電壓跟隨風速的下降而下降。同理，當風速在1.0 s恢復時，直流側電壓同樣能隨風速的增大而升高。

圖9　風速減小時直流側電壓變化情況

圖10(a)為風速隨時間的變化曲線。系統初始運行時，假設風速在0.3 s時躍升為8.5 m/s，在1.0 s時又降到7.5 m/s。直流母線電壓為400 V，仿真時間為2 s，直流母線電壓隨風速變化的波形如圖10(b)所示。

由仿真波形可以看出：當風速在0.3 s處躍升時，系統直流側的電壓跟隨風速的增大而升高。同理，當風速為8.5 m/s持續0.7 s后恢復，直流側電壓同樣能隨風速的變化而變化。

基于以上的理論分析及仿真驗證可知：系統電壓不穩定的根本原因是由于微電源功率失衡所致。無論是風力發電系統還是光伏發電系統，當系統發電功率與負載消耗功率中任一發生改變時，之前功率平衡的狀態將會被打破，直流側的功率將發生變動，導致直流側電壓不穩定，從而引起交流側電壓的波動。當微網中分布式發電單元總輸出功率發生變化或負載的投切變動引起負荷功率變化時或整個微電網在孤島運行時將會出現供需功率不匹配的現象，進而導致系統電壓出現波動，使得系統無法穩定運行。

圖10　風速增大時直流側變化情況

4　結束語

本文研究了風光特性對交流微電網孤島運行電壓穩定性的影響。風光微電源輸出功率的隨機性和波動性主要表現為微電源直流側電壓的不穩定，進而影響微電網輸出電壓的穩定性。

就微電網而言，微電源種類繁多，本文重點研究了風力發電單元以及光伏發電單元兩種微電源對微網電壓穩定性的影響，其他微電源特性及負荷變化對系統電壓穩定性的影響并沒有提及。再者，頻率及功角穩定性方面同樣值得關注，這些都將是以后需要進一步研究的方面。

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(責任編輯劉舸)

Influence of Wind and Photovoltaic Characteristic on Operation Voltage Stability of the Micro-Grid Island

LI Xing, BAI Bin, YANG Li, GAN Yan-ling

(Qinghai Electric Power Design Institute, Xining 810008, China)

This paper mainly analyzed the influence of the wind and photovoltaic characteristicson voltage stability when the micro-grid isolated operation. Firstly, we expressed the micro-grid topology based on photovoltaic power generation unit and wind power generation unit as the micro sources, and analyzed the operation characteristics. According to the difference between the micro-grid and traditional power-grid, we also discussed the power transmission characteristics of the micro-grid. Secondly, we analyzed the two typical stochastic models of wind turbine power generation micro-source and photovoltaic power generation micro-source, and showed the probability density functions. Finally, the influence of micro-source characteristics on voltage stability of the system was discussed from the perspective of the power balance. The simulation analysis was carried out to verify the results.

wind and photovoltaic characteristic; micro-grid; isolated-island voltage stability

2016-01-18

李興(1990—)，男，甘肅人，碩士研究生，主要從事微電網技術及新能源發電研究，E-mail:lixz-qhx@powerchina.cn。

format：LI Xing, BAI Bin, YANG Li, et al.Influence of Wind and Photovoltaic Characteristic on Operation Voltage Stability of the Micro-Grid Island[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(8):69-75.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.08.011

TM73

A

1674-8425(2016)08-0069-07

引用格式：李興，白斌，楊麗，等.風光微源特性對交流微網孤島運行電壓穩定性的影響[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(8):69-75.