论文研究-分布式发电并联接入微网的仿真研究 .pdf-资料库

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中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 分布式发电并联接入微网的仿真研究王智1，冯海林2，马小军2，孙国城1，孙伟3* （1. 国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京 211102； 2. 南京工业大学电气工程与控制科学学院，江苏南京 211816； 3. 国网乌鲁木齐供电公司，新疆乌鲁木齐 83001）摘要：本文主要对分布式发电并联接入微电网进行仿真研究。针对全球范围的能源危机问题，本文通过 MATLAB 仿真软件对光伏发电并网系统进行仿真，然后研究了微电网控制策略和微电网运行模式，并通过仿真结果进行验证。关键词：分布式发电；微电网；控制策略；仿真研究中图分类号：TP29 Simulation and Research for Distributed Generation in Connection with Micro-grid Wang Zhi1, Feng Hailin2, Ma Xiaojun2, Sun Guocheng1, Sun Wei3 (1. NARI Technology Development Limited Company ,Nanjing 211102; 2. College of Electrical Engineering and Control Science ,Nanjing TECH University ,Nanjing 211816; 5 10 15 20 3. State grid Wulumuqi Electric Power Supply Company,wulumuqi 830001) Abstract: In this paper focuses on simulation and research for distributed generation in connection with micro-grid in connection with micro-grid by MATLAB, then studied micro-grid control strategies and micro-grid operation mode, and verified by simulation results. Key words: Distributed Generation；Micro-grid；Control Strategy；Simulation 25 0 引言全球范围内能源危机的加深，使得以化石能源为根本的电力行业面临着严重的威胁，而不断爆发的大面积停电事故同时也暴露出以“集中式发电”[1]为基础的传统电力系统结构存 30 在的缺陷。集中发电的电力系统已经不能完全满足人们对电力供应安全可靠性与电能质量日益提高的要求。分布式电源[2]（Distributed Energy Resources，DER）为主要组成部分的微电网具有环保节能、安全可靠、节约投资以及发电方式灵活等优点，逐渐成为人们关注的热点。 1 分布式发电与微电网的概述 1.1 分布式发电技术分布式发电（Distributed Generation，DG）通常是指发电功率在几千瓦至数百兆瓦的小 35 型模块化、分散式、布置在用户附近的高效、可靠的发电单元。DG 主要包括:以液体或气体为燃料的内燃机、微型燃气轮机、太阳能发电（光伏电池、光热发电）、风力发电等。可再生能源是指自然界中可以再生、循环利用的能源，如水能、风能、太阳能、生物质能、潮汐能等。可再生能源由于其用之不竭的特点，正受到了越来越多国家的关注，特别是能源极度匮乏的国家。如图 1 所示，2014 年全球依靠可再生能源发电的比率已经高达 22.80%。作者简介：（1983-）男，工程师，研究方向：电力电子. E-mail: wang_zhi@sgeri.com.cn - 1 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 40 图 1 2014 年能源发电量 1.2 微电网技术为了协调大电网与分布式电源的矛盾，有学者提出了微电网(Micro Grid)[3]的概念。微电网是一种全新的电网拓扑，它由一组分布式电源、电力负载、储能设备和控制装置所组成。 45 它是能够实现自我控制、管理及保护的自治系统，既可以与外部大电网连接进行并网运行，又可以与其断开进行孤岛运行。微电网是相对传统大电网的一个概念，是指大量分布式电源及周边负载根据规划好的拓扑结构组成的微型电网，并通过电力电子开关接口连接到传统电网，其典型结构如图 2 所示。 50 图 2 微型电网典型结构图 2 光伏发电并网模型建立 2.1 光伏发电并网结构常见的并网结构主要分为单极式结构[4]和两级式结构[5]，单极式结构拓扑简单，造价较低，微电源直接通过逆变电路并网。由于光伏电池需考虑最大功率跟踪问题，且通常情况下 55 其电压较低，不能达到并网要求，因此本文采用了两极式并网结构对光伏发电并网进行建模，其结构图如图 3 所示：图 3 两极式光伏并网系统结构图 - 2 - PCC AC DC AC DC AC DC DC AC光伏电池风电燃料电池负荷公用大电网微电网光伏电池 DC DC DC AC公用大电网LOAD控制器

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 其主要由前级 DC/DC 和后级 DC/AC 组成，前级 DC/DC 主要能够实现光伏电池最大功 60 率，提高其工作效率并抬高其电压使光伏电池能够达到并网逆变的要求，后级 DC/AC 主要负责满足要求的直流电压转化为与电网同频率、同相位的交流电。 2.2 光伏发电并网模型在 MATLAB/Simulink 环境下建立了单相光伏电池并网系统的仿真模型，模型如图 4 所示。前部分为带 MPPT[6](如图 5 所示)的光伏电池（如图 6 所示）；后半部分为带电流内环电压外环控制系统（如图 7 所示）的逆变并网环节，由双闭环模块生成的 SPWM 波对逆变 65 器进行控制。图 4 光伏并网系统仿真模型 70 图 5 MPPT 控制模块仿真模型 - 3 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 6 光伏电池仿真模型图 7 电流内环电压外环控制模型 75 图 8 光伏并网系统仿真波形由图 8 可以看出所建立的仿真模型有较快的响应速度，MPPT 在 9ms 左右能够达到稳定控制，而此时系统也同时达到了稳态，且电流和电压能够保持同相位同频率。同时电力电子器件的引入电网会带来一定的谐波污染，而此时电流 THD 为 3.96%，满足并网要求。 - 4 -

中国科技论文在线 80 3 微电网控制策略仿真研究 3.1 微电网控制策略研究 http://www.paper.edu.cn 随着世界各国对微电网的关注，在 DG 迅速发展的当今，对于微电网的研究不断深入。 DG 通常警告过逆变器接入微电网，为了是微电网能够保持良好的静态及动态性能，需要对分布式电源的逆变接口采用相应的控制方式，常用的控制方式有 PQ 控制[7]，V/f 控制[8]和 Droop 控制[9]。 85 PQ 控制方式需要牺牲分布式电源输出电压与频率的部分稳定性。当 DG 并网运行时，由于大电网能为其提供稳定的电压和频率，可以采用 PQ 控制方式；然而当 DG 离网运行时，则在微电网中需要有能够提供电压与频率支撑的分布式电源存在，此时仅靠 PQ 控制不能维持微电网的稳定运行。 90 V/f 控制能够使分布式电源输出恒定的电压和频率，可以为其他电源及负荷起到电压和频率支持的作用，当微电网离网运行时，采用这种控制方式来保证微电网能够正常运行。传统的 Droop 控制适用于感性系统，当系统呈阻性时，还需要采用一些控制措施来对下垂控制进行改善，现通常采用虚拟阻抗技术来改变逆变器的等效输出阻抗，或改进其功率耦合等。 95 3.2 微电网运行仿真微电网是由小型分布式电源，储能系统和负荷组成的有机整体，并且拥有并网运行和孤岛运行两种运行模式，是国内外目前研究的重点，但无论是采用并网运行模式或是孤岛运行模式，都需要通过对微网中的各个分布式电源施加一定的控制策略，这样才能保持电压和频率在允许的变化范围之内，维持整个系统的稳定运行[10]。微网中对分布式电源的控制策略 100 应用最多的主要是主从控制和分散控制策略，下面通过设置相应算例，对这两种运行模式进行分析。主从控制模式就是指当微电网孤岛运行时，其中一个 DG 采用 V/f 控制方式作为主控单元，为微电网中其他的 DG 和负载提供电压和频率的支撑，而微电网中其他的 DG 采用 PQ 控制方式作为从属单元。采用 V/f 控制的 DG 控制器称为主控制器，而其他 DG 的控制器则 105 称为从控制器，各从控制器将根据主控制器来决定自己的运行方式，其结构如图 9 所示。图 9 主从控制结构图现在设置如下仿真算例，在微电网模型中一台分布式电源设置为主控 DG 采用 V/f 控制方式，另外一台作为从属 DG 采用 PQ 控制方式，仿真时间设为 1s，初始阶段断路器全部为 110 断开状态，系统孤岛运行，0.4s 时投入新增负荷，0.8s 将其切除，其仿真模型如图 10 所示： - 5 - DG1DGn AC DCPQ控制 AC DCPQ控制主控DG DC ACPQ控制V/f控制VI测量VI测量VI测量孤岛并网电网变压器10kV0.4kV负荷1负荷n

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 仿真结果如图 11 所示：图 10 主从控制仿真模型 115 (a) 母线电压 (b) 母线频率主控 DG 从属 DG (c) 输出有功功率 (d) 输出无功功率图 11 主从控制仿真结果 120 从图 11 可以看出，频率变化幅值与之前相比增大了，但仍在允许范围之内。总的来说，在孤网运行模式下采用 V/f 控制的主控 DG 能够保证为系统提供稳定的电压和频率，而在有频率电压支撑下的采用 PQ 控制的从属 DG 能够保证输出稳定的有功和无功功率。微电网采用主从控制对通信线路及信息传递的速率和正确率有较高的要求，且对主控 - 6 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn DG 的容量大小有一定的要求，一旦主控发生故障将导致整个系统无法正常运行，因此有人 125 提出了分散型控制策略，这种策略要求微电网中每个 DG 根据自己周围的相关信息进行独立的控制[37]，省略了通信环节，支持即插即用的运行方式，能够构建更加方便灵活的微电网，分布式电源在这种控制策略之下通常采用 Droop 控制方式接入微网，分散型控制的结构图如图 12 所示。 130 图 12 分散控制结构图现在设置如下仿真算例，在微电网模型中设置两台采用 Droop 控制且下垂系数相同的 DG，仿真时间设为 1s，DG1 和 DG2 独立运行，0.2s 时将它们并列运行，0.7s 将其断开，其仿真模型如图 13 所示： 135 图 13 分散控制仿真模型仿真结果如图 14 所示： (a) 母线电压 (b) 母线频率 - 7 - DG1DGn AC DCDroop控制 AC DCVI测量VI测量电网变压器10kV0.4kVDroop控制

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 140 DG1 有功功率 DG2 有功功率 (c) 输出有功功率 (d) 输出无功功率图 14 孤岛运行仿真结果从图 14 可以看出，当 0.2s 时两系统并列，经过短时间的振荡后，DG1 的有功和无功功率不断减小，DG2 的有功和无功功率不断增加，在他们相等时趋于稳定，证明了所设计的 145 Droop 控制模型在两分布式电源下垂系数相同的情况下，成功实现了有功功率和无功功率的均分，使得系统环流最小，模型得到验证。现在设置如下仿真算例，初始时令 DG1 和 DG2 并列运行，0.1s 时闭合与电网连接处断路器，进入并网运行模式，仿真结果如图 15 所示： 150 (a) 并网点电压 (b) 并网点电流 (c) 并网点频率图 15 并网运行仿真结果从图 15 中可以看出整个仿真过程中，电压都能保持较为稳定的状态，初始时并网点电 155 流为零，0.1s 时系统并网运行，并网点电流急剧上升然后逐渐下降，经过较短时间后趋于稳定，并网过程中频率变化一直在允许范围内，验证了仿真模型的可靠性。 4 总结本文主要对光伏发电并网技术以及并联接入电网的仿真研究，首先通过仿真搭建了光伏发电逆变并网仿真模型，得出的仿真结果满足要求。然后研究了逆变器的控制方式，主要包 - 8 -

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