含储能装置的微电网并网_孤岛运行仿真研究_李洁

图4
光伏阵列转换的无功功率控制图
— — —风轮机的刚度矩阵 D R + d HGB [ D ] = － d HGB 0
图5 光伏阵列转换的直流电压控制图
无功功率控制采用反馈控制方式， 通过测量 输出的无功功率与设定的无功功率的偏差来进行 调节， 最总保持输出无功功率维持在一个期望值 。 直流电压控制环采用锁相环技术， 通过不断 调节实际直流电压和参考直流电压的偏差来改变 系统的无功功率， 因此， 电力电子转换器的相角不 断在变化， 最终使光伏阵列产生的功率注入到低 压电网。 1. 4 电池充放电的控制策略 作为能量存储装置， 电池需要不断提供必要
·分布式电源·
低压电器（ 2011No. 2 ）
的能量， 以便维持微电网的电压和频率在一个稳 定的状态。本次设计中， 电池的电力电子转换器 采用下垂控制策略， 利用微电网电源输出有功功 率和频率呈线性关系， 而无功功率和电压幅值成 当微电网电源 线性关系的原理进行控制。 例如， 输出有功和无功功率分别增加时， 分布式电源的 运行点由 A 点向 B 点移动， 其控制方法由于具有 不需要微电网电源之间通信联系， 就能实施其控 制的潜力， 因此， 一般用于对等控制策略中的分布 式电源接口逆变器的控制。该控制策略符合本次 设计的要求， 频率下垂特性曲线和电压下垂特性 图 7 所示。 曲线如图 6 、
[ ]
[ θ]
θ + 1 － [ H ] －1 [ D ] ω 2
3 ×3
[ I]
[ ]
3 ×3 1 [ ] －1 2 H
[ θ]
T
本设计中， 风轮机采用滞后控制策略， 不需要 ［ 89］ 。 直接连接到低压配电网 连接电力电子装置， 1. 3 光伏阵列控制策略 光伏阵列的转换装置采用两种闭环控制策 ， 略 分别是无功功率控制和直流侧电压控制 ， 控制 电路简单结构如图 4 、 图 5 所示。
（5）
式中
T — — —角位置矢量 θ =［ θ r ，θ gb ，θ g ］ T — — —角速度矢量 ω =［ ω r ，ω gb ，ω g ］
TT = ［ T r ，T gb ，T g ］ — — —外加转矩矢量 Hr H=0 0 C HGB [ C ] = － C HGB 0 0 H gb 0 0 0 — — —风轮机的惯性矩阵 Hg － C HGB C HGB + C GBG － C GBG － d HGB D GB + d HGB + d GBG － d GBG － C GBG C GBG 0 － d GBG D G + d GBG 0
由此， 可仿真出光伏模块的 P － U 特性曲线 （ 参考温度为 28 ℃ ） ， 如图 3 所示。
图1 小型微电网结构图
［ 67］
1. 1
带 MPPT 的光伏阵列模型 光伏组件的等效电路如图 2 所示。
图2
光伏组件等效模型
图3
光伏阵列的 P － U 特性曲线
I ph 为光生电流， 图 2 中， 其值正比于光伏电池 的面积和入射光的辐射度， 且会随环境温度的升 高略有上升；I d 为二极管产生的电流， 也称为暗电 I d 的大小反映出当前环境温度下光伏电池 PN 流， 结自身所能产生的总扩散电流的变化情况； R s 为 串联电阻， 由电池的体电阻、 表面电阻、 电极导体 电阻， 以及电极与硅表面间接触电阻所组成 。 光伏阵列是由多个光伏组件串、 并联组成， 从 而提高系统的电压和电流， 并以此增加系统传输 N P 个组件并联组成 的功率。 由 N s 个组件串联， 的光伏阵列的输出电流可描述为 q（ U + IR s ） I = N P I ph － I rs exp －1 AKTN s
0
引
言
对微电网中的多个分布式电源进行控制 ， 外环 器， 是 f / P 和 V / Q 下垂控制， 内环采用有功功率来调 节接口逆变器输出电压的相角， 使用无功来调节 接口逆变器输出电压的幅值， 频率由检测分布式 电源输出电压、 电流的频率而获得。 本文提出了一种基于 f / P ，V / Q 下垂控制分 布式电源和储能装置相结合的微电网形式 ， 通过 检测本地电压和频率变化， 适时地进行有功和无 功补偿， 并对混合微电网在并网和孤岛两种模式 中的运行特性进行了分析验证。
式中
定子和转子的磁 由于定子采用三角形连接， 通量与电流有关， 则 ψ sd = － X s × i sd + X m × i r d ψ sq = － X s × i sq + X m × i r q ψ r d = － X m × i sd + X r × i r d ψ r q = － X m × i sq + X r × i r q 电磁转矩采用以下公式： T e = ψ q r × i dr － ψ dr × i q r （7） （8）
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含储能装置的微电网并网 / 孤岛运行仿真研究
洁， 陈 宇 （ 内蒙古科技大学， 内蒙古 包头 014010 ） 李
摘 要： 针对孤岛运行时风力发电 、 光伏电池等分布式电源输出不稳定问题， 提出 李 洁 （ 1965 —） ，
了一种基于 f / P，V / Q 下垂控制分布式电源和储能装置相结合的控制策略， 建立了包含 恒速风力发电机、 光伏发电系统和储能蓄电池的风能与光伏混合微电网模型 。 通过对 微电网在并网和孤岛两种模式中的运行特性进行仿真分析， 验证了该控制方式的可行性。 关键词： 微电网； 储能装置； 并网 / 孤岛运行； 仿真 中图分类号： TM 614∶ TM 615 003205 文献标志码： A 5531 （ 2011 ） 02文章编号： 1001-
陈
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微电网的组成与仿真模型
本文搭建了一个简单的小型微电网， 包括一
宇（ 1983 —） ， 男， 硕士研究生， 研究方向为分布式发电与微电网新技术。
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低压电器 跟 踪 （ Maximum Power Point MPPT） 的光伏阵列和一个固定风速的风 Tracking， 力发电机； 另外， 含有一个蓄电池作为储能装置， 如图 1 所示。
C p （ λ， — —风轮机叶尖速比 λ 和桨叶节距角 β β） — 的函数 A— — —风轮扫掠面积 — —空气密度 ρ— Vω — — —主导风速 — —叶片旋转角速度 ωr — Tω — — —超动力矩 仿真风力发电机的机械特性采用如下状态空 间表达式为
3 ×3 d θ = － 1 [ ] －1 [ ] dt ω C 2 H
本次设计中， 采用增量阻抗法， 实现最大功率 。 P － U ， 点跟踪 由 曲线可见 当光伏阵列处于最 dP / dU = 0 ， 大功率输出时， 由于 P = UI， 因此 dU / d I = － U / I 。令 Z = U / I ， 可看作外部负载的阻抗。 △Z = d U / d I ， 可看作光伏阵列的微变阻抗。 当两 者数值相等， 符号相反时， 光伏阵列处于最大功率 点。因此， 采用增量阻抗法， 可使系统工作于最大 功率点。 增量阻抗法的最大优点是， 在日照强度发生 变化时， 光伏阵列输出电压能以平稳的方式跟踪 其变化， 且稳态的振荡也比扰动观察法小。 该方 法的控制精确、 响应速度较快， 适用于环境因素变 化较快的场合； 但缺点是， 控制系统较为复杂， 对 传感器的精度要求高。 1. 2 率为 — 33 — 风力发电机模型 根据空气动力学原理， 风力机所捕获的风功
微电网通常由负荷、 分布式电源和储能装置 组成， 可同时提供电能和热能， 并通过电力电子器 件进行能量转换和提供必需的控制及接口 ， 其相 ［ 13］ 。微电 对于外部大电网， 表现为单一受控单元 网有并网运行和孤岛运行两种方式 。微电网既可 与大电网联网运行， 也可在电网故障或需要时与 主网断开， 单独运行。目前， 关于微电网研究的重 点是在并网 / 孤岛运行模式下保持系统的稳定运 4］ 中采用超级电容器储能方式， 向孤 行。文献［ 岛运行的微电网提供短时功率缺额， 维持所有负 5］ 荷并等待重合于主网。文献［ 中采用双环控制
（4） U rd
U sq = － r s × i sq + ω × ψ sd + p ψ sq = 0 = r r × i r d － （ ω － ω r ） × ψ r q + p ψ sd （6）
Pa — — —风轮机的输出功率 Cp — — —风能利用系数
U r q = 0 = r r × i r q + （ ω － ω r ） × ψ r d + p ψ sq d 1 · ω0 d t — —定子角频率 ω0 — p=
A— — —二极管理想常数 T— — —光电池温度 Tr — — —光电池参考温度 I rr — — —参考温度 T r 下的反向电流 EG — — —禁带宽度 光生电流 I ph 可用如下公式表达： I ph = I SCR + K i （ T － T r ） 式中 S 100 （3）
I SCR — — —在参考温度和光照条件下的光电 池短路电流 Ki — — —短路电流的温度系数 S— — —光照强度
Abstract： Aiming at outputs instability of some distributed power sources，such as wind power generation and photovoltaic cells，a control strategy integrating distributed power sources and energy storage device based in f / P， V / Q droop control was put forward. The modeling of a wind / PV hybrid microgrid was built， which included a fixed speed wind power generator，photovoltaic power generation system and storage battery. The control characteristics of the microgrid were simulated and analyzed when it operated on gridconnected and islanding mode. The simulation results verified the feasibility of the proposed strategy. Key words： microgrid； energy storage device； connecting / isolation operation； simulation