風(fēng)力與光伏混合發(fā)電下的微網(wǎng)建模仿真技術(shù)

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摘要：風(fēng)力和太陽能都是具有較高應(yīng)用價(jià)值的可再生性的新型清潔能源，同時(shí)風(fēng)力和光伏發(fā)電的互補(bǔ)性也比較好，通過光伏以及風(fēng)力的混合發(fā)電形式能夠有效提高微網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，因此要加大對(duì)光伏以及風(fēng)力混合微電網(wǎng)的模型構(gòu)建以及相關(guān)方陣技術(shù)的研究，從而促進(jìn)我國分布式發(fā)電以及新能源技術(shù)的快速發(fā)展。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力；光伏；混合發(fā)電；微網(wǎng)建模；仿真技術(shù)

隨著我國新能源以及分布式發(fā)電等新星技術(shù)的發(fā)展，以風(fēng)力和太陽能新能源為基礎(chǔ)的混合發(fā)電方微網(wǎng)系統(tǒng)得到了較快的發(fā)展，但由于目前在微網(wǎng)建設(shè)方面還處于發(fā)展階段，缺乏相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)，還需要通過模型構(gòu)建以及仿真運(yùn)行等方式來進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證，才能進(jìn)一步提高微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理性和科學(xué)性，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化微網(wǎng)結(jié)構(gòu)配置的目的，為我國的供電系統(tǒng)提供更加穩(wěn)定安全的電力能源。本文對(duì)以風(fēng)力與光伏混合發(fā)電為基礎(chǔ)的微網(wǎng)建模以及仿真技術(shù)進(jìn)行分析，以推動(dòng)我國新能源技術(shù)、分布式發(fā)電以及微網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)等相關(guān)技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展。

1概述微網(wǎng)的基本含義

1.1基本概念以及微網(wǎng)構(gòu)成

微網(wǎng)系統(tǒng)的概念是在新能源開發(fā)利用的過程中逐步形成的。微網(wǎng)主要是指由微型電源以及負(fù)荷共同構(gòu)成的系統(tǒng)，在該整合系統(tǒng)中能夠同時(shí)提供熱量以及電力能源[1]。而微網(wǎng)系統(tǒng)的控制主要由相關(guān)電子設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，具有較高的控制靈活性，因此可以作為獨(dú)立性較高的可控單元來為用戶提供穩(wěn)定可靠的電力能源供應(yīng)。在微網(wǎng)系統(tǒng)中一般主要包括分布式電源、儲(chǔ)能設(shè)備、電子元件、通信網(wǎng)絡(luò)以及相關(guān)的控制裝置等。同時(shí)在微網(wǎng)系統(tǒng)中還包含了可調(diào)節(jié)性負(fù)荷、敏感負(fù)荷以及非敏感性等負(fù)荷類型，這也是微網(wǎng)區(qū)別與大電網(wǎng)的重要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

1.2基于風(fēng)力與光伏混合發(fā)電的微網(wǎng)建模和仿真技術(shù)研究的重要性

在微網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)建的過程中，電力系統(tǒng)的復(fù)雜性及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)會(huì)造成微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性相對(duì)較低且成本投入過高，直接影響微網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)以及運(yùn)行測試的正常開展。因此采取利用計(jì)算機(jī)軟件來對(duì)微網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，并通過仿真技術(shù)來進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)行模擬能夠?yàn)槲⒕W(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)建設(shè)、系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)的調(diào)整以及故障排查提供便利條件，從而通過對(duì)微網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性驗(yàn)證來優(yōu)化微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，降低設(shè)計(jì)以及運(yùn)行測試成本。而且在現(xiàn)階段由于在微網(wǎng)建模方面還缺乏經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)需要在大電網(wǎng)中大規(guī)模接入太陽能以及風(fēng)能等新型能源時(shí)，給現(xiàn)有電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性保持以及未來電網(wǎng)建設(shè)的規(guī)劃都提出了全新的要求，因此必須要通過數(shù)學(xué)建模方式來準(zhǔn)確了解光伏陣列、風(fēng)力發(fā)電的負(fù)荷和相關(guān)電子元件的性能特點(diǎn)等技術(shù)參數(shù)，以對(duì)其并網(wǎng)運(yùn)行后可能對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的影響進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)分析，此外還需要通過微網(wǎng)系統(tǒng)的仿真運(yùn)行來驗(yàn)證其各種控制策略的可行性，為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建提供數(shù)據(jù)支撐，從而促進(jìn)我國微網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)的快速發(fā)展。

2以光伏以及風(fēng)力混合發(fā)電為基礎(chǔ)的微網(wǎng)建模分析

在以光伏以及風(fēng)力混合發(fā)電為基礎(chǔ)的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，主要是利用變壓器以及逆變整流設(shè)備來通過工頻交流母線接入風(fēng)力變速直驅(qū)發(fā)電機(jī)，同時(shí)其儲(chǔ)能裝置則主要采用的是蓄電池，并借助接口逆變裝置來使雙向有功功率流通得以實(shí)現(xiàn)。此外，還可以利用光伏逆變裝置將光伏陣列并入配電網(wǎng)內(nèi)。其中同步直驅(qū)型發(fā)電機(jī)主要包括直接耦合型風(fēng)機(jī)以及風(fēng)力變速發(fā)電機(jī)等。為了便于微網(wǎng)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的維護(hù)管理，在微網(wǎng)結(jié)構(gòu)中可以為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)配置齒輪箱等設(shè)備。同步直驅(qū)發(fā)電機(jī)在勵(lì)磁調(diào)節(jié)效應(yīng)的作用下，機(jī)端電壓能夠保持其穩(wěn)定性，同時(shí)應(yīng)在變流裝置前端設(shè)置二極管不可控型整流裝置，并利用雙極型絕緣柵功率開關(guān)接入系統(tǒng)中，從而形成完整的電源逆變裝置[2]。在該系統(tǒng)的后端則應(yīng)設(shè)置LC濾波裝置，以確保能夠有效濾除系統(tǒng)運(yùn)行過程中形成的主要濾波。為了簡化微網(wǎng)模型，一般應(yīng)采用直流電壓進(jìn)行儲(chǔ)能蓄電池的建模，且在此過程中可以忽略蓄電池的放電以及充電過程。蓄電池的主要控制測量可以采用Q/f或者P/V的下垂策略，這樣在風(fēng)力與光伏混合發(fā)電微網(wǎng)在并網(wǎng)模式下運(yùn)行時(shí)，可以利用外部電位為其提供頻率支持。而蓄電池的主要功能則是調(diào)節(jié)有功輸出，并抑制風(fēng)力發(fā)電機(jī)或者光伏陣列在輸出有功波動(dòng)時(shí)引起的電壓改變幅度。同時(shí)蓄電池也是微網(wǎng)處于孤島運(yùn)行模式下的主控單元，此時(shí)蓄電池的主要功能則是適當(dāng)調(diào)節(jié)有功或者無功功率的輸出。當(dāng)微網(wǎng)在孤島模式下運(yùn)行時(shí)，還要注意蓄電池逆變裝置在進(jìn)行鎖相環(huán)模擬輸入時(shí)，應(yīng)將配電網(wǎng)的相電壓視為正弦波，從而使微網(wǎng)系統(tǒng)頻率能夠保持其穩(wěn)定性。

3以光伏以及風(fēng)力混合發(fā)電為基礎(chǔ)的微網(wǎng)仿真技術(shù)研究

對(duì)以光伏以及風(fēng)力混合發(fā)電為基礎(chǔ)的微網(wǎng)進(jìn)行仿真技術(shù)研究時(shí)，將本地負(fù)荷設(shè)定為恒定功率負(fù)荷，并采用阻抗元件來進(jìn)行微網(wǎng)系統(tǒng)的線路和模型的構(gòu)建，而單位對(duì)應(yīng)阻抗參數(shù)則為0.642+j0.083。當(dāng)微網(wǎng)系統(tǒng)處于并網(wǎng)運(yùn)行模式下，在確定無功功率時(shí)可以結(jié)合光伏陣列和風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的有功功率的最大輸出值等因素，將其設(shè)定為0，此時(shí)本地負(fù)荷則為15+j3kVA。以風(fēng)速逐步減弱的情況為例，此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和有功輸出也會(huì)隨之下降，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)的無功輸出功率則基本為0。當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生改變時(shí)，光伏陣列的有功輸出功率也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的改變。在光照強(qiáng)度達(dá)到1000W/m2時(shí)，輸出功率一般約為9.5kW[3]。在仿真運(yùn)行過程中可以根據(jù)光照強(qiáng)度的不同通過MPPT控制器來合理調(diào)節(jié)直接母線的電壓，從而有效追蹤光伏陣列在運(yùn)行過程中的最大功率點(diǎn)。同時(shí)光伏陣列以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有功輸出功率還會(huì)隨著時(shí)間的變化而產(chǎn)生相應(yīng)的波動(dòng)改變，此時(shí)可以利用蓄電池的P/V下垂特點(diǎn)來調(diào)節(jié)有功輸出，從而保持負(fù)荷電壓的穩(wěn)定性。此外，注入配電網(wǎng)系統(tǒng)中的有功功率也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的改變。當(dāng)風(fēng)力和光伏發(fā)電的微電源均保持在0左右的無功輸出時(shí)，微網(wǎng)中的線路消耗、變壓器以及負(fù)荷無功功率均有配電網(wǎng)提供。如果微網(wǎng)系統(tǒng)的有功功率輸出發(fā)生變化時(shí)，蓄電池則負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)電壓，以確保負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的有效電壓保持在1.0p.u.左右，且其具體對(duì)應(yīng)頻率約在50Hz，變化范圍則在0.6Hz左右。當(dāng)配電網(wǎng)、光伏陣列、風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及蓄電池轉(zhuǎn)換為孤島模式仿真運(yùn)行后，通過對(duì)其無功和有功功率波形的分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)設(shè)定負(fù)荷值在切換過程中無變化時(shí)，微網(wǎng)將在6S左右切換到孤島運(yùn)行模式，而此時(shí)蓄電池的控制策略則由電壓調(diào)節(jié)切換到頻率調(diào)節(jié)模式，并以其下垂特性為基礎(chǔ)按照最大有功輸出對(duì)光伏陣列輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)，其蓄電池的輸出有功功率則在4000kW左右。蓄電池在孤島模式下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的頻率變化一般在0.1Hz范圍以內(nèi)。

4結(jié)語

通過對(duì)以光伏和風(fēng)力混合發(fā)電為基礎(chǔ)的微網(wǎng)建模以及對(duì)其在并網(wǎng)和孤島模式下的仿真運(yùn)行分析發(fā)現(xiàn)，在新能源的開發(fā)利用中應(yīng)對(duì)風(fēng)力以及光伏發(fā)電這兩個(gè)系統(tǒng)采用大功率控制跟蹤測量，此時(shí)混合式發(fā)電微網(wǎng)的功率波動(dòng)平滑度比較好，且能夠通過蓄電池來控制間歇性電源的實(shí)際功率波動(dòng)幅度。而當(dāng)切換到孤島運(yùn)行模式時(shí)，由于低壓配電網(wǎng)所具有的下垂性特點(diǎn)，可以利用蓄電池來為微網(wǎng)的無功以及有功功率輸出提供基礎(chǔ)條件，從而使微網(wǎng)在不同運(yùn)行模式下的平滑快速轉(zhuǎn)換得以實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉旭峰.微電網(wǎng)的建模與控制策略研究[D].包頭：內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2015.

[2]牛問濤.基于風(fēng)力與光伏混合發(fā)電的微網(wǎng)建模和仿真技術(shù)研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2015（3）：177.

[3]楊恩澤.基于風(fēng)力與光伏混合發(fā)電的微網(wǎng)建模和仿真技術(shù)研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2012.

作者：張小雷 杜強(qiáng) 郭強(qiáng) 單位：中廣核新能源投資（深圳）有限公司安徽分公司