1、第 40 卷 第 18 期 电力系统保护与控制 Vol.40 No.18 2012年 9月 16日 Power System Protection and Control Sep. 16, 2012 风 /光 /储混合微电网的详细建模与仿真 李海平，唐 巍 （中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100083） 摘要 ： 在风能和太阳能资源丰富的地区建立小型微电网可以缓解能源的供需矛盾，提高经济效益，减少环境污染。针对当前风/光/储混合微电网控制不完善、仿真不充分的问题，利用 Matlab/Simulink 仿真软件搭建了风/光/储混合微电网三相交流系统的详细仿真模型，并对风、光电源和储能系统
2、分别采用了相应的控制策略。考虑风速、光强的变化，对风/光/储混合微电网在并网和孤岛运行模式下进行了较为全面的仿真分析，仿真结果表明所建立的微电网模型满足功率平衡和公共联结点PCC 电压、频率的要求，验证了仿真模型的正确性和控制策略的有效性，并为进一步研究微电网提供了良好的仿真平台。 关键词 ： 微电网；风力发电机；光伏阵列；储能电池；建模与仿真 Detailed modeling and simulation of wind/PV/storage hybrid micro-grid LI Hai-ping, TANG Wei (College of Information and Electr
3、ical Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China) Abstract: Building a small-scale micro-grid in areas that are rich in wind and solar energy resources not only can ease energy supply and demand contradiction, but also increase economic efficiency and reduce environmental pollu
4、tion. For solving the wind/PV/storage hybrid micro-grid inadequate control and simulation problem currently, the detailed simulation model of the hybrid micro-grid based on three-phase AC system is implemented in the Simulink environment of Matlab. In the model, the corresponding control strategies
5、are adopted for wind turbine, PV array and energy storage system respectively. Taking the variable wind speed and light intensity into consideration, the wind/PV/storage hybrid micro-grid is systematically simulated and analyzed under grid-connected mode and islanding mode. Simulation results show t
6、hat the established model meets the power balance and requirements of PCC voltage and frequency, so that the correctness of the established model and the effectiveness of control strategies are verified. In a word, it provides an excellent platform for further research on micro-grid. Key words: micr
7、o-grid; wind turbine; PV array; storage battery; modeling and simulation 中图分类号： TM619 文献标识码： A 文章编号： 1674-3415(2012)18-0132-070 引言 风能和太阳能均为绿色可再生能源，资源丰富、分布广泛，利用其发电可以有效缓解能源供需矛盾，提高经济效益，减少环境污染。由于风能和太阳能具有能量密度低、受天气影响大等缺点，独立的风力发电和光伏发电输出功率存在明显的不连续性。为保证对负荷的连续供电，提高系统的稳定性，在实际应用中需要配置相应的储能系统以平抑功率波动1。同时，由于风能和太阳能具
8、有良好的天然互补性，风光互补发电可以提高能源利用的效率，减小储能系统的配置容量。因此，将风能、光能、储能综合利用，建立风 /光 /储混合微电网，不仅可以解决偏远农村地区远距离输电的弊端，还可以提高系统供电的可靠性、连续性和经济性。 风 /光 /储混合微电网由风、光、储三个发电单元及其控制单元、用电设备组成，既可接入配电网并网运行，也可孤岛独立运行2。目前国内风 /光 /储混合微电网的研究和应用还处于起步阶段，但它的特点适合于电力系统的发展需求和方向，具有广阔的研究与应用前景3。 建立全面准确的风 /光 /储混合微电网详细仿真模型，有助于对微电网的运行与控制进行深入研究和实际工程项目的实施。文献
9、 4建立了基于直流母线的单相微电网系统模型；文献5提出了滞环电流控制和瞬时 p-q功率理论在风光组合并网电力系统中的应用；文献 6对微电网并网后的暂态过程进行了仿真；文献 7采用了 PSCAD软件对风能和光伏混合微电网进行了仿真；文献 8李海平，等 风 /光 /储混合微电网的详细建模与仿真 - 133 - 利用 Matlab中的 Simulink软件对风机 /光伏 /柴油 /燃料电池组成的微电网进行了仿真分析，为微电网的Matlab仿真研究积累了经验。但上述文献存在以下不足之处： （ 1）仿真模型不够充分，采用的多是简化等效模型或是单相模型； （ 2）大多没有实现微电源的最大功率追踪，控制策略
10、也不够完善，且没有考虑储能电池的充放电过程； （ 3）仿真情形不够全面，没有仿真微电网与配电网在多种情形下的功率平衡，难以全面反映微电网的真实运行情况。 本文首先用 Matlab/Simulink搭建了双馈异步风力发电机组模型、光伏阵列模型、蓄电池储能系统模型，进一步完善了控制策略，实现了微电源的最大功率追踪，模拟了储能系统的充放电过程，进而构建了风 /光 /储混合微电网三相交流系统的仿真模型。以此为基础考虑风速、光强的变化，对微电网并网和孤岛两种运行模式下的 4种常见情形进行了较为全面仿真，以验证仿真模型的正确性和控制策略的有效性。 1 双馈异步风力发电机组的建模与仿真 目前主流的风力发电机
11、为双馈异步风力发电机和永磁同步风力发电机，前者由于成本低廉、易于控制而被更加广泛地应用9。在已有的微电网仿真中，双馈异步风力发电机的风速和控制系统大多采用简化等效模型8，本文根据其相应的数学模型和控制策略， 利用 Matlab/Simulink 中的 S 函数编写了较为详细的仿真模块，使仿真结果更加的真实和准确。 1.1 风速的数学模型 风速模型采用四分量法， 即将风速分为基本风、阵风、渐变风和随机风四个分量，其数学模型如下10nrgbwvvvvv (1) vv b(2) gsgmax gsgggege gsge01cos220tTvtTvTtTTTtT (3) rerersrsrsrersr
12、maxr00TtTtTTtTTTtvv (4) 式中： vw为风速， m/s； vb为基本风风速， m/s； vg为阵风风速， m/s； vr为渐变风风速， m/s； v 为风速平均值， m/s； Tgs为阵风开始时间， s； Tge为阵风停止时间， s； vgmax为阵风最大值， m/s； Trs为渐变风开始时间， s； Tre为渐变风停止时间， s； vrmax为渐变风最大值， m/s。 由于白噪声具有随机性，故采用白噪声模拟随机风11，即 nnvd 1m( )dvvttT (5) 式中： vn为随机风速， m/s； m（ t）为白噪声； Tv=9 s 为时间常数。 1.2 双馈异步风力发
13、电机组的控制策略 本文所建立的双馈异步风力发电机组采用定子磁链定向双闭环控制原理，控制框图如图 1 所示。假设微电网侧变流器为理想变流器，直流母线电压保持恒定，转子侧变流器包括 2 个闭环矢量控制。 内环为电流环，电流误差信号经限幅比例积分（ PI）器后输出电压控制量，叠加电压补偿量 udr和 uqr，便得到 dq 坐标系中转子电压控制量 u*dr和u*qr，再经 park 变换到 abc 三相静止坐标系中，通过 SVPWM 触发脉冲发生器， 产生变流器触发信号，控制各 IGBT 的导通与关断，就可以产生实际所需的转子励磁电压和电流。 外环为功率环，将有功和无功参考值与实际值比较后的差值送入限
14、幅比例积分（ PI）器，即可输出转子有功和无功参考电流 i*qr， i*dr。其中，有功功率参考值 Pref按最大功率追踪 MPPT的原理来获得，无功功率参考值 Qref根据微电网对双馈异步风力发电机的无功需求来确定7,10。 3OPT3rpmaxmaxref21wACPP (6) C5.12pe54.011622.0 (7) 1035.008.0113(8) 式中： Pmax为风力机可输出的最大功率， kW； 为机械能转化为电能的效率； 为空气密度； A 为风力机桨叶扫掠面积， m2； r为转子角速度， rad/s；Cp为风能利用系数； 为风力机桨距角，采用定桨距控制模式时 =0； OPT为
15、最佳叶尖速比，即Cp=Cpmax， =0 时对应的叶尖速比。 利用式 (7)和式 (8)求得 OPT， 再将它与传感器测得的 r代入式 (6)，便可得 MPPT 下有功功率的参考值 Pref。于是，整个控制系统完成了有功和无功的解耦控制，一方面可以控制发电系统的功率因数；- 134 - 电力系统保护与控制 另一方面可以通过调节双馈异步风力发电机的转速，使其追踪最大输出功率。 *dri*qridruqrudru*dru*qruqru*aru*bru*crurss图 1 双馈异步风力发电机矢量控制框图 Fig. 1 Block diagram of doubly fed induction win
16、d turbine vector control 1.3 双馈异步风力发电机组的 Simulink 实现及仿真运行 根据 1.1节和 1.2节所述的风速数学模型和双馈异步风力发电机的控制策略，结合风机、异步电机与变流器的相应模块，搭建了双馈异步风力发电机组的 Simulink 仿真模型。图 2 模拟了风速实时变化曲线。将风速模型接入双馈异步风力发电机组，仿真运行，图 3 显示了风力发电机组出口母线电压，图 4 给出了风力发电机组有功输出和无功需求的情况。仿真结果表明该风机模型可以较好地跟踪风速的变化，并具有良好的电压质量。 图 2 风速仿真结果 Fig. 2 Simulation result
17、 of wind speed 图 3 风力发电机出口母线电压 Fig. 3 Bus voltage of the wind turbine 2 光伏阵列的建模与仿真 本文基于光伏阵列的直流物理模型， 在 Matlab/ Simulink 环境下，结合编写 S 函数建立了其实用化的动态仿真模型12。利用该模型可以模拟任意太阳辐射强度、环境温度、光伏模块参数、光伏阵列串并联组合方式下的光伏阵列 I-U 特性和输出功率，并在此基础上采用变步长扰动观察法实现了光伏阵列的最大功率追踪（ MPPT） 。 图 4 风力发电机组输出有功功率和无功功率 Fig. 4 Output active and reac
18、tive power of the wind turbine 2.1 光伏阵列的数学模型 （ 1）光伏阵列的温度 TMRtTT aM(9) 式中： R 为光伏阵列倾斜面上总的太阳辐射强度，wm-2； t 为光伏阵列的温度系数， w-1m2； Ta为环境温度，。 （ 2）光伏阵列的输出电流 I 通常情况下，并联等效电阻 Rsh数值很大，串联等效电阻 Rs数值很小，计算中可忽略不计，光生电流 IphIsc，同时考虑辐射影响和温度变化，有 CAIIBUDU1e1OCSC(10) OCme1SCmBUUIIA (11) SCmOCm11IIInUUB (12) SCrefref1 IRRERRC (1
19、3) CRED S (14) refMTTE (15) 式中： 为参考辐射下，电流变化温度系数； 为参考辐射下，电压变化温度系数； Isc为短路电流， A；Uoc为开路电压， V； U 为对应的光伏阵列电压， V；Rref为太阳辐射强度参考值，一般取为 1 kW/m2；Tref为对应的光伏阵列温度，一般取为 25 ； Rs为李海平，等 风 /光 /储混合微电网的详细建模与仿真 - 135 - 光伏模块的串联等效电阻， ； Im为参考辐射强度和参考温度情况下，对应最大功率点电流， A； Um为参考辐射强度和参考温度情况下，对应最大功率点电压， V。 （ 3）光伏阵列的输出功率 P IUP (16
20、) 将式（ 10）代入式（ 16）得 UCAIPBVDU1e1OCSC(17) 因此，利用式（ 9） 式（ 17）就可以求出任意温度和辐射条件下光伏阵列的 I-U 特性及输出功率。 2.2 光伏阵列的最大功率追踪控制 MPPT 由于光伏阵列输出特性受太阳辐射强度、温度等的影响，为提高光伏阵列的发电效率， 降低成本，就需要进行最大功率追踪（ MPPT） 。本文仿真平台采用的是变步长扰动观察法，当外界环境变化剧烈时，采用大步长扰动；当系统接近最大功率点时，采用小步长扰动，减小了功率的振荡，提高了系统的跟踪效率和仿真速度。 其算法流程图如图 5 所示。 图 5 光伏阵列 MPPT 流程图 Fig.
21、5 MPPT flow chart of PV array 2.3 光伏阵列的 Simulink 实现及仿真运行 根据 2.1 节和 2.2 节所述，输入变量 T 为光伏阵列温度， R 为太阳辐射强度，输出结果为实时最大功率以及最大功率点对应的电压和电流，搭建的光伏阵列的 Simulink 仿真模型如图 6 所示。 Pm3Imp2Vmp1PV-ArrayTROut1Out2Out3Out4Out5Out6Out7SfunpvMPPTR2T1图 6 光伏阵列的 Simulink 模型 Fig. 6 Simulink model of PV array 仿真过程中， 设定环境温度初始值为 25 ，
22、 10 s 内太阳辐射强度在 0.81.0 kW/m2之间变化，对应的光伏阵列输出功率如图 7 所示。仿真结果表明，随着太阳辐射强度的增强，光伏阵列的温度上升，在它的工作温度范围内，其输出功率会增加；反之则输出功率减小。 图 7 光伏阵列输出功率 Fig. 7 Output power of the PV array 3 蓄电池储能系统的建模 工业系统常用的储能电池有铅蓄电池、锂电池、 NI-MH电池等，相比而言 NI-MH电池的工作性能和生产成本正向大批量的方向发展，且具有最好的环保效益13。所以本文利用 NI-MH储能电池模块， 考虑电池的充放电特性， 添加相应的控制环节，构成风 /光 /
23、储混合微电网的储能系统。 本文对蓄电池储能系统采用 P/f 和 Q/V 下垂控制策略。利用微电源输出有功功率和频率、无功功率和电压的线性关系进行控制，即通过检测母线电压和频率的变化，实时地进行有功和无功补偿，从而保持微电网的稳定运行。 P/f 和 Q/V 控制电路的简单结构如图 8、图 9 所示。 - 136 - 电力系统保护与控制 f P图 8 储能系统的 P/f 控制图 Fig. 8 P/f control chart of energy storage system VQ图 9 储能系统的 Q/V 控制图 Fig. 9 Q/V control chart of energy storag
24、e system 4 风/光/储混合微电网的仿真分析 风 /光 /储混合微电网结构如图 10 所示。正常情况下微电网并网运行，当配电网发生故障或者电能质量不能满足用户要求时，微电网转入孤岛运行14。其中配电网等值电路考虑了无功补偿的因素。根据功率交换的情况，本文分以下 4 种情形进行仿真， 通过对公共联接点 PCC 的电压和频率进行测量和对比15，研究微电网的总体运行特性。 光伏 MPPTAC/DC/AC本地负荷无功补偿器配电网DC/AC DC/ACP/f, Q/V定子磁链定向控制并网开关 KT4T1 T2 T3380 VPCC10 kV光伏电池阵列蓄电池储能系统DFIG图 10 风 /光 /
25、储混合微电网的结构示意图 Fig. 10 The sketch map of wind/PV/storage hybrid micro-grids structure 并网情形 1：微电网所发有功功率富余时，微电网可向配电网输出有功功率；配电网为风力发电机组提供励磁无功功率，同时也为微电网内部无功负荷提供所需无功功率。 并网情形 2：微电网所发有功功率不足时，配电网可向微电网输入有功功率；配电网为风力发电机组提供励磁无功功率，同时也为微电网内部无功负荷提供所需无功功率。 孤岛情形 1：风力发电机组和光伏阵列所发有功功率大于负荷所需，此时可对储能系统进行充电；同时储能系统为风力发电机组提供励磁无
26、功功率，也为微电网内部无功负荷提供所需无功功率。 孤岛情形 2：风力发电机组和光伏阵列所发有功功率小于负荷所需，此时储能系统进行放电，实现微电网内有功功率的平衡；同时储能系统为风力发电机组提供励磁无功功率，也为微电网内部无功负荷提供所需无功功率。 为便于微电网的管理和控制，将一个单位、一个社区或一个村落作为供电单元，仿真时采用中小型微电源构成微电网。故设该双馈风力发电机组额定功率为 150 kW， 光伏阵列的额定功率为 100 kW，它们的输出功率随风速和光强变化，如图 4、图 7所示。 4.1 并网运行 （ 1）并网情形 1 设储能系统初始状态为满充，本地负荷为（ 150+j40） kVA。
27、图 11（ a）为蓄电池储能系统输出的有功功率和无功功率，图 11（ b）为配电网输出的有功功率和无功功率。 （ 2）并网情形 2 设储能系统初始状态为满充，输出功率同图11（ a） ，本地负荷增为（ 300+j80） kVA，则此时配电网输出的有功功率和无功功率如图 11（ c） 。 并网运行时两种情形的仿真结果表明：微电网通过与配电网的功率交换，实现了微电网有功功率和无功功率的平衡。 （ 3）并网运行时 PCC 的电压和频率 并网运行时，由于储能系统恒功率放电，微电网主要通过配电网提供的有功和无功使得 PCC 电压有效值维持在 1.0 pu 左右，频率维持在 50 Hz 左右，变化范围为
28、0.05 Hz。测量 PCC 电压如图 12（ a） ，通过锁相环测量 PCC 频率如图 12（ b） 。仿真结果表明：并网时 PCC 电压能基本保持稳定，符合实际要求。 李海平，等 风 /光 /储混合微电网的详细建模与仿真 - 137 - 图 11 并网运行时储能系统、配电网输出的有功和无功功率 Fig. 11 Active and reactive power of energy storage system and distribution grid in grid-connected mode 图 12 并网运行时 PCC 的电压和频率 Fig. 12 Voltage and freq
29、uency of PCC in grid-connected mode 4.2 孤岛运行 （ 1）孤岛情形 1 设本地负荷为（ 150+j40） kVA，此时蓄电池储能系统处于充电状态，输出的有功功率和无功功率如图 13（ a） 。 （ 2）孤岛情形 2 设本地负荷为（ 300+j80） kVA，此时蓄电池储能系统处于放电状态，输出的有功功率和无功功率如图 13（ b） 。 孤岛运行时两种情形的仿真结果表明：由于储能系统的充放电，实现了微电网的有功功率和无功功率的平衡。 图 13 孤岛运行时储能系统输出的有功和无功功率 Fig. 13 Active and reactive power of
30、energy storage system in islanding mode （ 3）孤岛运行时 PCC 的电压和频率 孤岛运行时，储能系统作为主控单元，通过 P/f调节输出有功维持 PCC 频率稳定；通过 Q/V 调节输出无功维持 PCC 电压稳定，使得 PCC 电压有效值维持在 0.95 pu 左右，频率维持在 50 Hz 左右，变化范围为 0.1 Hz。测量 PCC 的电压如图 14（ a） ，通过锁相环测量 PCC 频率如图 14（ b） 。仿真结果表明：微电网在并网运行时电压和频率的波动较孤岛运行时更小，说明并网时配电网对微电网起到了一定的支撑作用。 图 14 孤岛运行时 PCC
31、的电压和频率 Fig.14 Voltage and frequency of PCC in islanding mode - 138 - 电力系统保护与控制 5 结论 （ 1） 本文建立了风 /光 /储混合微电网的 Matlab/ Simulink 详细仿真模型，该模型中搭建的双馈异步风力发电机组和光伏阵列均采用了相应的控制策略，能追踪风速和光强的实时变化，较好地模拟实际运行的情况，实现了最大功率的输出；所建立的蓄电池储能系统考虑了 NI-MH 电池的充放电过程，采用 P/f 和 Q/V 下垂控制策略，减小了微电网运行时公共联接点（ PCC）电压和频率的波动。 （ 2）对风 /光 /储混合微电
32、网并网和孤岛两种运行模式下的 4种常见情形进行了较为全面的仿真分析，仿真结果说明本文所建立的微电网模型满足功率平衡和公共联结点（ PCC）电压、频率的要求，验证了仿真模型的正确性和控制策略的有效性，表明其对于提高和完善风 /光 /储混合微电网的建模与仿真具有一定的参考价值。 参考文献 1 周林， 黄勇， 郭珂， 等 微电网储能技术研究综述 J 电力系统保护与控制 , 2011, 39(7): 147-152. ZHOU Lin, HUANG Yong, GUO Ke, et al. A survey of energy storage technology for micro gridJ. P
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