微电源特性分析及其对微电网负荷电压的影响

? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net微电源特性分析及其对微电网负荷电压的影响时珊珊 , 鲁宗相 , 闵 勇 , 王 阳(电力系统国家重点实验室 , 清华大学电机系 , 北京市 100084 )摘要 : 建立了光伏发电系统 、 风力发电系统和微型燃气轮机发电系统 ( M T G) 3 种典型微电源的数学模型和仿真模型 ,基于 MA TL AB Simulink 仿真平台分析比较了各单微电源构成的微电网的运行特性 ,得到了不同微电源的动态响应特点 。 进而对 3 种微电源组成的微电网的运行特性进行了仿真分析 ,仿真考虑了并网运行状态切换至孤网运行状态的过渡过程以及孤网时的负荷扰动 。进一步的仿真分析表明 ,不同微电源的容量对微电网孤网电压水平具有不同的影响 ,其中 M T G 存在“ 最优容量” ,该容量对应的微电网并网切换至孤网时电压下降百分比最小 。该结论是微电网规划阶段微电源容量配置的重要依据 。关键词 : 微电网 ; 微电源 ; 光伏发电系统 ; 风力发电系统 ; 微型燃气轮机发电系统 ; 最优容量收稿日期 : 2010203219 ; 修回日期 : 2010207206 。国家自然科学基金优秀国家重点实验室专项基金资助项目(50823001 ) 。0 引言近年来 ,随着人们对能源和环境问题的日益关注以及用户对供电质量要求的不断提高 ,微电网成为国内外的研究热点 [1 ] 。 微电网利用先进的电力电子技术 ,将微电源 、 负荷 、 储能装置与控制系统结合 ,形成一个可控的单元 [ 224 ] 。目前微电网的研究主要集中在微电网控制 、 能量管理等方面 ,由于微电网中大部分微电源均通过逆变器接口接入微电网 ,很多研究侧重于逆变器接口的控制策略 ,而将逆变器的直流侧等效为直流电源 ,忽略了原动机的特性 [5 ] 。 文献 [ 627 ]对含有不同微电源的微电网系统进行了动态仿真研究 ,得到了不同微电源配置方案下微电网从并网模式向孤网模式转换的动态运行特性 ,但没有区分不同微电源的特性以及微电源容量对微电网特性的影响 。本文针对光伏发电系统 ( PV) 、 风力发电系统( W TG) 和微型燃气轮机发电系统 (M T G) 3 种典型微电源 ,分别建立了数学模型和仿真模型 ,并基于MA TL AB Simulink 平台进行仿真分析 ,得到了不同微电源的运行特性和动态响应特性 。1 微电源的模型PV 的等效电路见附录 A 图 A1 [ 8] 。 W T G包含风轮机和发电机 2 部分 ,风轮机捕获的功率大小取决于风速 、 风机 转速和 叶片 桨距角 等 ,见附录 A图 A2 [ 9 ] 。 本文主要研究笼型 W T G ,其模型由风轮机和异步发电机组成 。微型燃气轮机的数学模型见附录 A 图 A3 [ 10 ] 。在负荷波动不剧烈 、 忽略燃烧室延时环节 、 忽略回热器惯性作用等的情况下 ,微型燃气轮机的动态模型可进行一定的简化 ,简化后控制系统只包含转速调节 、 涡轮动态以及排气温度控制环节 ,各部分动态直接简化为惯性或超前滞后环节 [11 ] 。微型燃气轮机驱动的发电机一般为高速永磁同步发电机 。2 微电源的动态特性仿真分析基于 MA TLAB Simulink 仿真平台 ,对单微电源组成的微电网进行仿真分析 ,比较不同微电源的特性 。 采用如附录 A 图 A4 所示的简单微电网 ,微电源与负荷母线电压为 380 V , 通过变压器接入10 kV 的配 电 网 。微 电 源 分 别 选 择 PV , W T G ,M TG ,额定容量分别为 24 kW (标准太阳光照下 ) ,15 kW ,16 kVA ; 而负荷为电阻性负荷和电动机负荷的组合 ,容量分别为 5 kW 和 7. 5 kW 。PV 一般通过电压源型逆变器并入微电网 ,通过控制逆变器来控制输出功率 。 一般利用最大功率点跟踪策略对光伏电池的输出功率进行跟踪 ,所以并网时通常利用恒 PQ 控制方法控制逆变器 ,使 PV发出的有功功率跟踪光伏电池的最大输出功率 ,并令其输出的无功功率为 0 ,以期最大效率地利用太阳能 。给定光照强度为 1 000 W/ m2 ,环境温度为25 ° C ,PV 输出功率为 15 kW 。微电网从并网切换至孤网模式时 ,需改变逆变器的控制策略为下垂曲线控制方法 ,即通过微调逆变器输出的电压和频率以满足负荷的有功功率和无功功率需求 ,并维持微—86—第 34 卷 第 17 期2010 年 9 月 10 日Vol. 34 No. 17Sept. 10 , 2010? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net电网电压和频率的稳定 。 由于光伏电池输出功率有限 ,并随着光照 、 温度等环境因素的变化而波动 ,所以需要在光伏电池直流侧配置蓄电池等储能装置 。仿真中假设蓄电池能补偿光伏电池的出力 ,使逆变器输出功率平滑 ,并能在微电网孤网时短时间内维持负荷的供电需求 。 由于本文研究重点在于不同种类微电源的特性分析及其对负荷电压的影响 ,所以对蓄电池的模型和控制方法进行简化 ,用直流电压源模拟蓄电池 ,并忽略其充放电动态过程 。仿真中 W T G利用基准风速为 12 m/ s 的风轮机和额定容量为 15 kW 的异步发电机模拟 ,W TG的出力随风速变化而变化 。 M T G利用微型燃气轮机驱动额定容量为 16 kVA 的同步发电机模拟 ,通过调速环节和励磁环节调节 M T G的功率输出 。对各单微电源微电网进行并网和孤网 2 种运行模式仿真 ,结果表明 :不同微电源具有不同的动态响应特性 ,在并网运行时由于配电网能够维持系统频率和电压稳定 ,差别不大 ; 但微电网孤网时 ,不同微电源动态特性各有不同 。 PV 的出力受外界环境影响很大 ,孤网时需配置储能装置并利用下垂控制策略控制逆变器以维持微电网稳定 ; W T G 的出力随着风速变化而改变 ,同时 ,异步发电机运行时吸收无功功率 ,需配置无功补偿装置 ,孤网时无功补偿的容量选取对系统的电压稳定性有一定影响 ; M T G 能够根据负荷需求调整出力 ,在其额定容量范围内可以满足负荷需求并维持微电网频率和电压稳定 。3 微电网的运行特性仿真分析微电网的优势在于能整合不同种类的微电源 ,通过先进的控制策略 ,为负荷提供较高可靠性和电能质量的供电 。将这 3 种微电源组合成一个微电网 ,并将微电源配置在负荷当地 ,可以得到如图 1 所示的微电网 。图 1 含 3 种微电源的微电网拓扑结构Fig. 1 Topology of microgrid with 3 microsources其中 ,微电源的容量与第 2 节选取的容量相同 ;负荷 1 为 12. 5 kW 的电阻性负荷和 7. 5 kW 的电动机负荷的组合 ; 负荷 2 为 20 kW 的电阻性负荷 ;负荷 3 为 6 kW 的电阻性负荷和 4 kW 的电动机负荷的组合 。该微电网中 ,PV 的直流侧并联蓄电池 ,再通过逆变器接入微电网 ,逆变器的控制策略与单微电源的微电网相同 。 孤网时 ,逆变器利用下垂曲线控制 ,负责维持微电网电压和频率的稳定 ; W T G 工作在自治运行状态 ,根据风轮机的出力输出相应功率 ;而M TG利用自身的调速环节和励磁环节控制 。微电网在 6 s 时与配电网断开进入孤网模式 ,8 s 时负荷增加 ,10 s 时仿真结束 。 3 种微电源输出的有功和无功功率如图 2 所示 。由于 PV 直流侧配有蓄电池 ,孤网后 PV 能快速提供有功和无功功率以响应负荷需求 。 W T G 按风功率大小输出有功功率 ,并吸收一定的无功功率 。 M T G 按原动机出力输出有功功率 ,并提供无功功率以满足负荷需求 ,微电网可以从并网平滑切换至孤网运行状态 。图 2 微电源输出功率Fig. 2 Output power of microsources微电网的频率和电压见图 3 。图 3 频率和负荷电压Fig. 3 Frequency and load voltage—96—? 绿色电力自动化 ? 时珊珊 ,等 微电源特性分析及其对微电网负荷电压的影响? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net因逆变器的下垂曲线控制作用 ,并网切换至孤网及孤网后负荷增加时 ,微电网的频率和电压能维持稳定 ,且下降幅度均在允许范围之内 ,微电网的动态响应速度较快 。4 微电源容量对负荷电压的影响配电网发生故障时 ,为防止受到影响 ,微电网将与之解列进入孤网运行模式 。 由于缺少大电网的无功支撑 ,不同微电源类型对微电网电压具有不同影响 : PV 在孤网时通过下垂曲线控制逆变器以维持微电网的电压稳定 ,不同控制参数会影响微电网的电压水平 ;W T G 运行时吸收无功功率 ,会降低微电网的电压水平 ;M TG 可以发出无功功率 ,能够有效维持微电网的电压水平 。针对图 1 所示的微电网 ,不断增加 M T G容量 ,得到微电网并网切换至孤网后负荷 3 的母线电压下降百分比曲线见图 4 。每条曲线对应的 PV 和 W T G容量见表 1 。图 4 微电源容量不同时负荷 3 电压下降百分比Fig. 4 Percentage of voltage drop of load 3 withdifferent microsource capacities表 1 图 4 中曲线 1～ 3 对应的微电源容量组合Table 1 Capacity conf iguration of microsourcescorresponding to curve 1 , 2 , 3 in f igure 4曲线 微电源容量 / kWPV WT G1 15. 0 15. 02 22. 5 7. 53 7. 5 22. 5从图 4 可以看出 ,当 M T G容量开始增加时 ,母线电压下降百分比呈下降趋势 ,这是因为 M T G 发出的无功功率随其容量增加而增多 ,有利于提高孤网时微电网的电压水平 ;而随着 M T G 容量的不断增加 ,母线电压下降曲线出现拐点 ,在拐点之后曲线呈上升趋势 ,即 M T G 容量增加反而会降低孤网微电网的电压水平 。这是由于随着 M T G 容量的增加 ,其发出的有功功率也在增加 ,随之引起线路电压损耗的增大 ,在拐点之后 ,有功功率增加引起的线路电压损耗增大的影响大于无功功率增加对母线电压的提升 ,所以负荷电压下降百分比反而上升 。通过仿真可知 ,其他负荷母线电压下降曲线同样存 在 该 拐 点 , 但 拐 点 值 并 不 相 同 。该 拐 点 是M TG的电源特性和微电网的结构特点所引起的特定的物理现象 。 定义该拐点所对应的 M T G容量为“ 最优容量” ,计算 M T G 最优容量是规划建设微电网时 M T G容量选择的重要依据 。从图 4 还可以看出 ,其他 2 种微电源的总容量不变 ,而各自容量比例改变时 ,最优容量几乎不变 ,只会影响微电网孤网时的电压水平 。图 4 所示的3 个算例对应的最优容量约为 50 kVA ,与负荷总容量大致相同 。保持 PV 和 W T G 容量不变 ,改变负荷 2 的容量 ,不断增加 M T G 容量得到的负荷 3 的母线电压下降百分比曲线见图 5 。其中曲线 1～ 3 分别对应负荷 2 容量为 10 kW ,20 kW ,30 kW 的情况 。图 5 负荷容量不同时负荷 3 电压下降百分比Fig. 5 Percentage of voltage drop of load 3 withdifferent load capacities从图 5 可知 ,随着负荷容量增加 ,M T G最优容量增加 ,最优容量点对应的负荷 3 电压下降百分比降低 。 并且 ,在最优容量两侧 ,负荷 2 容量改变对负荷 3 电压下降百分比的影响不同 :当 M T G 容量小于最优容量时 ,负荷 2 容量越小 ,负荷 3 电压下降百分比越小 ;而当 M T G 容量大于最优容量时 ,负荷 2容量越小 ,负荷 3 电压下降百分比反而越大 。通过仿真可知 ,即使负荷特性不同 ,如改变电动机负荷和电阻性负荷的比例 ,仍可得到相似的结论 。由以上的仿真结果可知 ,对于 PV ,W TG ,M T G这 3 种微电源组成的微电网 ,M T G 存在最优容量 ,使得孤网后微电网的负荷母线电压降最小 。 由于微电网多采用辐射状的拓扑结构 ,并且通常将微电源分散配置在负荷当地 ,所以微电网的拓扑结构较为简单 ,而微电源的选择和容量配置则成为微电网规划的主要工作 。在规划微电网时 ,首先根据当地的资源情况 ,决定可再生能源型微电源的种类和容量 。在此基础上 ,根据不同负荷对孤网电压水平的要求 ,通过仿真计算确定 M T G 的最优容量 ,并以此作为M TG容量规划的依据 。—07—2010 , 34 ( 17) ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net5 结语本文首先对 PV , W T G ,M T G 分别建模 ,并基于 MA TL AB Simulink 仿真平台对含有这 3 种微电源的单微电源微电网进行仿真分析 ,得到不同微电源的运行特性 。 然后针对包含这 3 种微电源的微电网进行仿真分析 ,仿真结果发现 M T G 的容量对负荷母线电压的影响存在 “最优容量” 的概念 ,即小于该容量时 ,随着 M T G容量的增加 ,微电网从并网状态切换至孤网状态时负荷电压下降百分比降低 ; 而大于该容量时 ,M TG 容量增加反而会使得负荷母线电压降增大 。 此结论在规划微电网时可用于确定M T G的容量 。附录见本刊网络版 (http :/ / aeps. sgepri. sgcc.com. cn/ aeps/ ch/ index. aspx) 。参 考 文 献[ 1 ] 鲁宗相 ,王彩霞 , 闵勇 ,等 . 微电网研究综述 . 电力系统自动化 ,2007 ,31 (19) :25234.L U Zongxiang , WAN G Caixia , MIN Yong , et al. Overview onmicrogrid research. Automation of Electric Power Systems ,2007 , 31 (19) : 25234.[ 2 ] LASSETER B. Microgrids/ / Proceedings of 2001 IEEE PowerEngineering Society Winter Meeting , January 282February 2 ,2001 , Columbus , O H , USA : 1462149.[ 3 ] LASSETER R H. Microgrids/ / Proceedings of 2002 IEEEPower Engineering Society Winter Meeting , January 27231 ,2002 , New York , N Y , USA : 3052308.[ 4 ] HA TZIAR GYRIOU N , ASANO H , IRAVANI R , et al.Microgrids. IEEE Power microsources ; photovotaic ( PV ) ; wind turbine generator ( WT G) ; mocroturbine generator ( M T G) ;optimal capacity—17—? 绿色电力自动化 ? 时珊珊 ,等 微电源特性分析及其对微电网负荷电压的影响