风光蓄交流微电网的控制与仿真

韩肖清，曹增杰，杨俊虎，韩雄

（太原理工大学电气与动力工程学院，太原 030024）

风光蓄交流微电网的控制与仿真

韩肖清，曹增杰，杨俊虎，韩雄

（太原理工大学电气与动力工程学院，太原 030024）

为了对微电网控制策略以及DG输出功率变化对微电网运行的影响进行深入研究，利用Matlab/ Simulink仿真软件建立了风、光、蓄交流微电网仿真系统，在该系统中，蓄电池储能装置采用V/f控制策略，以维持微电网孤岛运行时的电压和频率的稳定；风力发电单元和光伏发电单元采用PQ控制策略，以获取可再生能源的最大利用率。仿真结果表明，在孤岛和联网两种模式下，采用该控制策略的微电网能向用户不间断的供应电力，并且模式切换过程稳定可靠。

微电网；孤岛模式；联网模式；PQ控制；V/f控制

近年来，随着环境问题的日益凸出以及人们对电力需求的不断增长，风力发电、光伏发电等分布式电源DG（distributed generator）凭借其投资少、发电方式灵活、环境友好等优点得到人们很大的关注。然而，由于受到风速、光照、温度等自然条件的影响，大量的分布式电源的并网对电网的稳定运行和电能质量产生了诸多不利影响。为了更加合理、有效地利用DG，学者们提出了微电网的概念[1]。微电网通过一个公共连接点接入大电网，并采用协调控制策略，使得微电网既可以与大电网并网运行，又可以与大电网断开连接，进入孤岛运行模式继续向用户供应电能[2～5]。

微电网中的DG大都通过逆变器接入微电网，微电网控制的关键就是对这些逆变器的控制[1，2]。近年来国内外许多学者对微电网中逆变器的控制策略进行了研究。文献[6]提出了一种微电网孤岛运行时的频率二次控制；文献[7]提出了一种基于联络线通信系统的大电网与微电网之间逆变器的控制策略；文献[8，9]提出了微电网孤岛运行时的V/f控制策略，避免了DG之间的相互通信；文献[10]分析了微电网中逆变器并联运行时的下垂控制策略并验证了逆变器的功率输出，但没有考虑DG输出功率及负荷变化时的情况。

本文针对不同的DG类型采用了不同的控制策略，并通过Matlab/Simulink搭建风、光、蓄交流微电网的仿真模型，对微电网的两种运行模式以及切换过程进行了仿真分析，验证了采用该种控制策略的微电网能够稳定可靠运行。

1 微电源模型

本文所研究的系统是由永磁直驱风力发电机、光伏系统、蓄电池储能装置及负荷组成的交流微电网，如图1所示。永磁直驱风力发电机通过AC/DC/AC变流器接入微电网；光伏系统采用单级式光伏阵列，通过三相并网逆变器接入微电网；蓄电池储能装置由容量为234 kC的蓄电池和双向DC/DC电路所组成。微电网系统的电压等级为380 V，经变比为0.38/10.5 kV的变压器升压后，接入10 kV配电网。

图1 风光蓄交流微电网结构Fig.1Structure of wind-PV-battery AC microgrid

1.1 光伏发电系统模型

光伏阵列的电压电流特性是非线性的[11]，有

式中：udc、ipv分别为光伏阵列的输出电压和输出电流；ns、np分别为光伏阵列中光伏电池的串联个数与并联个数；Irs为PN结的反相饱和电流；q为电子电荷；k为玻耳兹曼常量；T为PN结的温度；A1为PN结的理想因子；iph为光生电流；Iscr为参考条件下，光伏电池的短路电流；KI为温度系数；Sr为光照强度。

由式（1）得光伏阵列的输出功率为

1.2 永磁直驱风力发电机模型

由空气动力学原理可知，风力机捕获的机械功率为

式中：ρ为空气密度；R为风力机叶轮半径；β为桨叶的桨距角；λ为叶尖速比；Cp为风力机的功率系数。

同步旋转dq坐标系下永磁同步发电机的定子电压方程为

式中：isd、isq和usd、usq分别为永磁同步发电机定子输出电流、电压的d轴和q轴分量；Rs和Ls分别为发电机的定子电阻和电感；ψ0为永磁体的磁链；ωs为同步电角速度；Te为发电机的电磁转矩。

AC/DC/AC变流器由两个完全一样的PWM变流器和中间的滤波电容组成，结构如图1所示。发电机侧变流器与发电机定子直接相连，将发电机发出的交流电整流成直流，网侧变流器将直流电逆变成交流电输送到电网。因此，可以将风力发电机和机侧变流器等效为一个DG单元。

1.3 蓄电池模型

作为储能设备，蓄电池在微电网中起着非常重要的作用，描述蓄电池状态的两个重要参数是出口电压Vb和充电状态（SOC）[12]，可分别表示为

式中：Rb为蓄电池内阻；Vo为蓄电池的开路电压；ib为蓄电池充电电流；K为极化电压；Q为电池容量；A、B为蓄电池特性常数。

2 微电源逆变器的控制

DG单元并网结构示意如图2所示。

图2 DG单元并网结构示意Fig.2Structure sketch of a DG connected to the grid

微电网中光伏发电单元和风力发电单元的输出功率具有明显的间歇性和波动性，其控制目标是保证可再生能源的最大利用率，多采用PQ控制策略；而对于蓄电池储能装置，在微电网孤岛运行时，它作为主控DG，起到维持微电网的频率和电压稳定的作用，通常采用V/f下垂控制方法。

2.1 PQ控制

图2中逆变器输出的有功功率和无功功率在dq坐标系下的表达式为

在同步旋转dq坐标系中，如果选取参考轴使得Vq=0，则上式变为

根据给定的参考功率Pi_ref、Qi_ref及测量所得的馈线电压，可计算出从逆变器流向馈线的参考电流id_ref、iq_ref分别为

由式（11）可以看出，通过对逆变器输出电流的控制就实现了对逆变器输出功率的解耦控制，如图3所示。

图3 PQ控制结构Fig.3PQ control structure

微电网并网运行时，风力发电单元和光伏发电单元运行于on-MPPT模式，逆变器的PQ控制系统中的有功功率的参考值Pi_ref按追踪最大输出功率获得，无功功率的参考值Qi_ref通常设定为零；微电网孤岛运行时，风力发电单元和光伏发电单元可根据负荷的大小运行于on-MPPT模式或者off-MPPT模式。

2.2 V/f控制

当微电网并网运行时，频率由外部大电网提供支持，蓄电池仅调节输出有功，以抑制风力发电机和光伏阵列输出有功波动引起的电压变化[13]；而当微电网孤岛运行时，作为主控DG的蓄电池，按照V/f下垂控制策略调节其逆变器的有功功率和无功功率输出，跟踪DG输出功率和负荷的波动，从而维持微电网的频率和电压稳定。

在线路阻抗近似呈纯阻性的低压微电网中，DG输出的有功功率主要与输出电压幅值有关，而无功功率主要与输出电压相角有关[14]。此时，下垂特性方程可表达为

式中：Vn、fn分别为微电网的额定电压与额定频率，Pn、Qn分别为逆变器有功功率和无功功率的设定参考值；a为频率下垂系数；b为电压下垂系数。V/f控制结构如图4所示。

图4 V/f控制结构Fig.4V/f control structure

3 仿真分析

依据上述控制策略，在Matlab/Simulink平台搭建如图1所示的微电网仿真模型。分别对所搭建的微电网模型在联网模式、孤岛模式及其切换过程进行仿真分析，以验证微电网中各DG逆变器控制策略的可行性。相关的仿真参数见表1～表3。

表1 风力发电单元仿真参数Tab.1Parameters of wind power generation unit

表2 光伏发电单元仿真参数Tab.2Parameters of PV power generation unit

表3 蓄电池仿真参数Tab.3Parameters of battery

3.1 联网模式的仿真

初始运行时，微电网内总的负荷有功需求为40 kW，DG总的有功输出45 kW，微电网向大电网输送有功功率5 kW。当t=0.3 s时，微电网的负荷增加了15 kW，保持风速、光照强度及温度不变；当t=0.5s时，光照强度由800W/m2上升为1000W/m2。仿真结果如图5所示。

图5 联网模式时的微电网运行仿真Fig.5Operation results of microgrid in grid-connected mode

由图5（a）可以看出，在0.3 s之前，微电网向大电网输送的功率为5 kW；t=0.3 s时，当负荷增加15 kW时，保持自然条件不变，由于风力发电单元和光伏发电单元采用PQ控制，其输出功率不变，结果微电网向大电网输送的功率变为了-10kW；t=0.5 s时，由于光照强度发生变化，光伏发电单元的输出功率增加了5 kW，大电网向微电网输送的功率也随之减少了5 kW，实现了光伏发电单元的最大功率跟踪控制。

以上分析可知，当微电网中风力发电单元和光伏发电单元输出功率之和小于负荷需求时，短缺的电能由大电网来供给；反之，当风力发电单元和光伏发电单元输出功率之和大于负荷需求时，多余的电能回送给大电网。

图5（b）和图5（c）是公共连接点（PCC）处的电流相位和波形的仿真结果。从图5（b）中可以看出，在t=0.3 s时，电流相位变化了π rad，PCC处的功率流向发生变化。图5（c）表明，PCC处三相电流随负荷与电源功率的变化发生了相应的变化。

3.2 孤岛模式的仿真

初始运行时，微电网内总的负荷有功需求为65 kW，风力发电单元、光伏发电单元和蓄电池输出的有功功率分别为17 kW、28 kW和20 kW，共计65kW。在t=0.3s时，微电网的负荷增加了4kW，在t=0.5 s时，微电网负荷减少了8 kW。整个运行过程中，保持风速、光照强度及温度不变。仿真结果如图6所示。

图6 孤岛模式时的微电网运行仿真Fig.6Operation results of microgrid in islanded mode

由图6（a）可看出，在t=0.3 s时，微电网的负荷增加了4 kW，蓄电池的输出功率也随之增加4 kW。在t=0.5 s时，微电网负荷减少了8 kW，蓄电池的输出功率也随之减少。微电网在孤岛运行时，微电网内负荷的有功需求和无功需求是由各DG分担。采用PQ控制的风力发电单元和光伏发电单元，输出功率恒定不变。采用V/f下垂控制的蓄电池则可以依据下垂特性调整其功率输出，以满足微电网中DG以及负荷有功和无功的变化，保证微电网内的功率平衡。

图6（b）和图6（c）分别为微电网在孤岛运行时的频率和电压有效值的仿真波形，可以看出，当微电网负荷变化时，蓄电池储能装置快速响应，使微电网的频率和电压均保持恒定，从而保证了微电网的稳定运行。

3.3 模式切换过程的仿真

初始条件与孤岛模式时的初始条件相同。在t=0.2 s时，微电网由孤岛运行模式切换至联网运行模式。在t=0.4 s时，微电网又由联网运行模式切换至孤岛运行模式。在整个过程中，风速、光照强度、温度及负荷均保持不变。仿真结果如图7所示。

图7 切换微电网运行模式时的仿真Fig.7Operation results of switching microgrid operation modes

从图7（a）中可以看出，t=0.2 s时，当微电网由孤岛模式切换至联网模式，蓄电池的输出功率由20 kW下降至零附近，而PCC处的功率由0变为-20 kW，微电网孤岛时蓄电池提供的电能在并网时由大电网提供。t=0.4 s时，当微电网由联网模式切换至孤岛模式，蓄电池能够快速响应，提供微电网中短缺的20 kW电能。

图7（b）和图7（c）所示为微电网运行模式切换过程时，微电网的母线电压有效值和系统频率仿真波形。由图可见，当微电网并网时，微电网系统的电压和频率有小范围的波动，但很快就恢复到稳定状态。

4 结论

（1）风力发电单元和光伏发电单元的微电网接口逆变器采用PQ控制可以实现风能、太阳能等的最大功率跟踪控制，提高可再生能源的利用率。蓄电池采用V/f控制，微电网孤岛运行时为微电网提供电压和频率支撑，维持微电网电压和频率的稳定。

（2）微电网在两种运行模式下均能保持稳定运行。但是，当微电网由孤岛模式切换至联网模式时，微电网的电压和频率会有较大的波动；当微电网由联网模式向孤岛模式切换时，微电网的电压和频率的波动较小，此时蓄电池能够快速响应，是微电网能够稳定运行的必要条件。

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Control and Simulation of Wind-PV-Battery AC Microgrid

HAN Xiao-qing，CAO Zeng-jie，YANG Jun-hu，HAN Xiong
（College of Electrical and Power Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

To research the control strategy of the microgrid and the impacts of the DG power change on the operation of the microgrid，a wind-PV-battery AC microgrid system is established by the Matlab/Simulink software.Different control strategies are designed for the different DGs.For battery energy storage device，V/f control strategy is used to ensure the stability of the voltage and frequency of the microgrid.For wind power generation unit and PV power generation unit，PQ control strategy is used to obtain the maximum utilization of the renewable energy.Simulation results show that the microgrid which uses these control strategies can supply power to users uninterruptedly both in islanded mode and grid-connected mode，and the switchover process is stable and reliable.

microgrid；islanded mode；grid-connected mode；PQ control；V/f control

TM76

A

1003-8930（2013）03-0050-06

韩肖清（1964—），女，教授，博士生导师，从事电力系统运行与控制、新能源发电的教学与研究工作。Email：hanxiaoqing@tyut.edu.cn

2012-02-13；

2012-03-20

国家国际科技交流与合作专项（2010DFB63200）

曹增杰（1984—），男，硕士研究生，研究方向为微电网的运行与控制。Email：shanxizengjie@163.com

杨俊虎（1986—），男，硕士研究生，研究方向为微电网的运行与控制。Email：yjh861103@163.com