風 光燃氣混合微電網(wǎng)的建模和仿真分析

風-光-燃氣混合微電網(wǎng)的建模和仿真分析摘要:近年來,分布式發(fā)電技術以其獨有的安全性、經(jīng)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(shù)學建模組建各種系統(tǒng)模型以及各種控制模塊,創(chuàng)建一個包含太陽能光伏發(fā)電、風力發(fā)電、微型燃氣輪機發(fā)電機和三個負載組成的微型電網(wǎng),系統(tǒng)采用并網(wǎng)方式,通過變壓器連到無窮大系統(tǒng),并以PSCAD/EMTDC為平臺進行模擬仿真,通過給系統(tǒng)施加擾動,判斷分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性,驗證所建微型電網(wǎng)模型的合理性。關鍵詞:微電網(wǎng)光伏微型燃氣輪機風力機建模微電網(wǎng)是由分布式電源(風力發(fā)電機組、光伏電池、微型燃氣輪機以及燃料電池等)、儲能系統(tǒng)(蓄電池、超級電容器以及飛輪儲能等)、能量轉換裝置、監(jiān)控和保護裝置、負荷等匯集而成的小型發(fā)、配、用電系統(tǒng),是一個具備自我控制和自我能量管理的自治系統(tǒng),既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運行,也可以孤立運行[1～3]。上述分布式電源中,風力發(fā)電和光伏發(fā)電已成為目前發(fā)展最快的一種新能源發(fā)電方式,其發(fā)電技術最為成熟,開發(fā)空間較為廣泛,是今后微電網(wǎng)中的主力能源[4]。分布式電源類型的多樣性及微電網(wǎng)運行方式的復雜性使得微電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)有所不同,特別是微電網(wǎng)并入配電網(wǎng)運行時,必然會對配電網(wǎng)的運行帶來一定的影響。為此,構建微電網(wǎng)的數(shù)學模型研究其動態(tài)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(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的模型;文獻[6]設計了風能/光伏/燃料電池混合獨立發(fā)電系統(tǒng)的功率管理策略,對獨立運行的風能/光伏/燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)進行分析。風力發(fā)電和光伏發(fā)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(xié)調風力發(fā)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(wǎng)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(fā)電、光伏發(fā)電和微型燃氣輪機的微電網(wǎng)模型。提出了微電網(wǎng)運行時的控制策略,并對微電網(wǎng)擾動情況下的運行特性進行了分析驗證。1微電網(wǎng)建模風能、光伏與燃氣輪機混合微電網(wǎng)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(jīng)變流器接工頻交流母線,風力發(fā)電和燃氣輪機接入支路II,經(jīng)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(jīng)變壓器接入配電網(wǎng),在配電網(wǎng)與微電網(wǎng)之間形成了公共連接點PCC,PCC處裝有斷路器,實現(xiàn)了微電網(wǎng)的孤島運行和并網(wǎng)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(lián)封閉后,就成為光伏電池組件,其電路簡化模型如圖2所示。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(fā)信號控制網(wǎng)側換流器的6個全控型門極開關(IGBT),從而實現(xiàn)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(fā)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(chǎn)生的轉矩驅動高速發(fā)電機發(fā)電,發(fā)電機輸出的高頻交流電經(jīng)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(wǎng)在并網(wǎng)運行時的動態(tài)特性進行仿真分析。整個系統(tǒng)是由無窮大電網(wǎng)系統(tǒng)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(shù)如表1、2、3所示。并網(wǎng)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83kW、67kVar。并且在t=4s時給系統(tǒng)一大小為104＋j48(kVA)(突然加入負荷3)的負荷擾動,在t=6s時負載1出口處發(fā)生0.5s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(tǒng)采用并網(wǎng)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(tǒng)影響較小,系統(tǒng)很快進入穩(wěn)定。3結論針對分布式電源具有很強的生命力和很好的發(fā)展前景,本設計組建了光伏發(fā)電、風力發(fā)電以及微型燃氣輪機發(fā)電組成的混合微電網(wǎng),采用并網(wǎng)模式,并用PSCAD模擬仿真。光伏發(fā)電系統(tǒng)采用最大功率跟蹤控制策略,輸出功率存在較大波動,并網(wǎng)時,利用系統(tǒng)外網(wǎng)和微型燃氣輪機平滑調節(jié),在滿足本地負荷的功率基礎上,實現(xiàn)并網(wǎng)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(tǒng)頻率、電壓能夠保持穩(wěn)定。參考文獻[1] 王成山,武震,李鵬．微電網(wǎng)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(wǎng)的特點和發(fā)展方向[J]．中國電力,2009,42(7):21-25．[3] 王成山,李鵬．分布式發(fā)電、微電網(wǎng)與智能配電網(wǎng)的發(fā)展與挑戰(zhàn)[J]．電力系統(tǒng)自動化,2010,34(2):10-14．[4] 張新昌．微電網(wǎng)運行控制解決方案及應用[J]．電力系統(tǒng)保護與控制,2014,42(10):141-146．[5] KIMSK,KIMES,AHNJB.Modelingandcontrolofagridconnectedwind/PVhybridgenerationsystem[C]//ProceedingsofIEEEPESTransmissionandDistributionConferenceandExhibition.Dallas,USA,2006:1202-1207.[6]WANGC,NEHRIRMH.Powermanageme