基于冷热电三联供系统的微电网建模及仿真

孙健秧，郭建钊，金鹏

(1.国网泉州供电公司，福建省泉州市362000；2.华北电力大学，北京市102206)

基于冷热电三联供系统的微电网建模及仿真

孙健秧1，郭建钊1，金鹏2

(1.国网泉州供电公司，福建省泉州市362000；2.华北电力大学，北京市102206)

建立了内部包含冷热电三联供、储能以及光伏发电等多种分布式电源的微电网数学模型，提出了考虑经济性的运行控制策略，并采用DIgSILENT软件进行了仿真分析。在此基础上，研究了微电网并网转孤岛运行和光伏系统出力大幅变化时分布式电源功率、微电网电压和频率的变化情况，分析了运行模式转变对微电网稳定运行的影响，验证了模型与控制策略的有效性。

微电网；分布式电源；控制策略；建模仿真

0 引 言

世界范围内三大化石能源的储量正在日趋枯竭，能源危机已经成为人类面临的最大挑战。随着可再生能源越来越广泛的应用，微电网作为可再生能源的主要接入方式之一，已经成为电网的研究热点。微电网是由负载和电源组成的独立可控系统，既可与大电网并网运行，也可在电网故障时与主网断开单独运行，从而实现多种能源形式电能的高可靠供给[1-2]。尽管微电网优点突出，但微电网中的分布式电源多利用可再生资源，能量输出受地理、气候等外界因素影响较大，微电网与主网间功率交换具有间歇性和不可预知性，因此，大规模微电网接入势必会对系统电压、频率造成影响[3]。另外，与传统电网不同，微电网中主要以逆变器接口的分布式电源为主，这类电源普遍惯性较小，因此，研究微电网控制策略及其接入对系统的影响势在必行。

微电网控制从整体控制策略上可分为主从控制和对等控制：主从控制是由上层主控制单元向下层从控制单元发出控制命令；对等控制是基于“即插即用”的思想，即微电网中的各台设备以对等的模式进行控制，接入或去掉其中1个不会对微电网中其他微型电源产生影响[4]。从分布式电源的控制方法上，逆变器接口的分布式电源控制策略通常可分为恒功率控制、下垂控制和恒压恒频控制。下垂控制是对等控制中一种常见的控制策略，对于采用逆变器并网的分布式电源，下垂功率控制器根据电网频率偏差调节有功功率的输出，根据电压偏差调节无功功率的输出[5-6]。

目前大多数微电网控制仿真只针对某种特定类型的分布式电源或控制策略，建立的模型不具有代表性和通用性。本文在DIgSILENT仿真环境下，对微电网中的冷热电三联供、光伏发电和储能系统进行了建模和仿真，并通过算例仿真分析了微电网并网转孤岛运行和光伏系统出力大幅变化时分布式电源功率、微电网电压和频率的变化规律。

1 分布式电源模型

1.1 冷热电三联供

冷热电三联供是一种将热机、发电机、热回收和制冷装置作为整体，通过统一管理制冷、供热及供电过程，实现能源梯级利用的新型能源利用方式[7]。

微型燃气轮机是联供系统的核心部件，通常采用径流式叶轮机械或空气轴承技术，结构简单、机组尺寸小，可产生大量品质极佳的余热烟气，是目前微型分布式发电系统特别是小型冷热电联供系统的主要动力设备，其原动机结构如图1所示[8-9]。

图1 微燃机原动机模型

微燃机原动机模型包含转速控制、温度控制、加速控制、燃料系统以及压气机涡轮系统等部分。后级发电机采用三阶模型对其进行建模，数学模型如式(1)～(4)所示。

(1)

ud=xqIq-rId

(2)

(3)

Pe=Eq′Iq+ (xq-xd′)IdIq-r(Iq2+Id2)

(4)

微燃机并网逆变器侧采用下垂控制策略，具体结构如图2所示。

1.2 光伏电池

光伏电池是直接将光能转化为电能的能量转换器[10]，其等效电路的理想形式如图3所示。等效电路中各变量的表达式如式(5)和(6)所示。

(5)

图2 下垂控制结构

图3 光伏电池的等效电路

(6)

式中：I0表示光伏电池内部等效二极管P-N结反向饱和电流；Ud表示光伏电池的开路电压；k表示波尔兹曼常量，值为1.38×10-13J/K；T为绝对温度，K；A表示P-N结的曲线常数，其值为1～2，这里取1.3;Rs为等效串联电阻；Rsh为等效并联电阻；Iph为光生电流；Id为光伏模块的反向饱和电流；IL为光伏输出电流；U为光伏输出电压；q为单位电子电荷。

目前对光伏电池一般都采用最大功率点跟踪控制策略，始终使之处于最大功率输出状态,这里采用较为常用的增量电导法。光伏逆变器的控制系统采用SPWM调制技术。逆变器具有2个独立的控制变量，即调制比M和移相角δ。光伏并网发电系统正常运行时，通过控制变量逆变器可以独立地控制有功功率类物理量和无功功率类物理量。图4为逆变器控制系统框图。

图4 光伏逆变器控制框图

1.3 储能装置

储能装置的逆变器控制策略采用PQ控制，即本地控制装置接受监控平台PQ指令输出有功功率和无功功率，如图5所示。

图5 储能装置控制框图

通过改变线路电流Id、Iq既可改变U2d、U2q，进而改变U2abc的幅值以及它与U1abc间的功角，实现有效的功率控制。有功和无功输出整定值P1set和Q1set对应的参考电流d轴分量和q轴分量也可以简化表示为

Idset=P1set/U1d

(7)

Iqset=Q1set/(-U1d)

(8)

式中：U1d为U1abc经过坐标变换后的d轴分量。

利用参考电流实时跟踪线路电流，并通过PI控制器使其逼近参考值，即：

U2d=U1d+jωL1(Iq+ΔIq)

(9)

U2q=jωL1(Id+ΔId)

(10)

式中：ΔIq和ΔId分别为d和q轴比例积分控制器的输出值;ω为交流同步角速度；L1为输出滤波电感。

在此基础上，利用派克反变换得到对应的三相电压U2abc，经过折算，将其输出作为PWM的控制输入，控制逆变器的触发脉冲，实现功率控制。

2 微电网系统模型

本文微电网系统模型结构如图6所示。该微电网的电源包括三联供发电机、光伏电池板、蓄电池组以及市电；负荷包括一级负荷、二级负荷和三级负荷；提高电能质量的设备包括无功补偿设备(电容器)和有源滤波装置[11]。

图6 微电网拓扑结构图

微电网通过一台10 kV/0.4 kV变压器和PCC快切开关与系统连接，利用电力系统仿真分析软件DIgSILENT对该微电网系统进行建模，在此基础上进行仿真计算。

3 微电网系统典型运行方式仿真结果

3.1 并网模式向孤岛模式转换动态仿真

微电网的典型运行方式有并网和孤岛模式2种[12]，本文仿真了微电网并网转孤岛运行模式过程，验证本文运行控制策略的有效性。

设定微电网某时刻运行状况为三联供发出功率15 kW/3 kvar，光伏组件发出功率10 kW/0 kvar，蓄电池0出力。一级负荷17 kW(功率因数0.9)；二级负荷2.4 kW(功率因数0.8)；三级负荷30 kW(功率因数0.95)。设定3 s时断开微电网与配电网连接的快切开关，同时断开二级负荷母线与一级负荷母线之间母联开关，由于蓄电池模式转换时间较快，一级负荷母线平滑切换至孤岛运行模式。图7是一级负荷母线频率、电压的变化情况。

图8为蓄电池功率的变化。由仿真曲线可知，由于蓄电池快速响应，在微电网由并网模式转换成孤岛模式时，一级负荷母线频率和电压经过短时间波动后迅速恢复到正常水平并保持稳定。

3.2 孤岛时光伏出力波动对微电网的影响

由于光伏发电为间歇式随机性电源，其功率输出情况受光照辐射、温度等环境因素影响较大，并网时光伏出力的波动由大电网承担，系统频率和电压维持恒定；当电网故障，微电网孤岛运行时，光伏出力波动对微电网运行带来一定的影响。本文仿真了微电网孤岛运行模式下，光伏出力大幅下降的情况。设定在6 s时光伏出力突降为0，图9为三联供燃气轮机的响应情况，图10为二级负荷母线的电压和频率变化情况。

图7 一级负荷频率和电压的变化图Fig.7 Changes of frequency and voltage of primary load

图8 蓄电池功率变化Fig.8 Power change of battery

图9 燃气轮机功率响应Fig.9 Power response of gas turbine

图10 二级负荷频率和母线电压变化情况Fig.10 Change of frequency and voltage change of secondary load

由图9～10可知，在微电网当前运行方式下，光伏出力大幅下降对微电网运行影响较小，当燃气轮机备用容量较大时，其快速出力响应可以使二级负荷母线电压和频率在小幅震荡后维持一个较为稳定的水平，保证二级负荷正常供电。

4 结 语

针对含多种分布式电源的微电网运行控制问题，研究了微电网中冷热电三联供、光伏电池和储能系统的数学模型和控制方法，通过DIgSILENT软件建立了微电网整体模型。仿真分析了微电网并网转孤岛模式以及微电网孤岛模式下光伏出力大幅下降2种典型微电网运行方式对微电网的影响。结果显示，本文采用的控制方法在微电网运行模式转变过程中能良好地协调控制内部各台分布式电源，使微电网系统保持安全可靠运行。

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(编辑：张小飞)

ModelingandSimulationofMicrogridBasedonCooling-Heating-PowerSupplySystem

SUN Jianyang1, GUO Jianzhao1, JIN Peng2

(1. State Grid Quanzhou Power Supply Company, Quanzhou 362000, Fujian Province, China;2. North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

The mathematical models of distributed generations in microgrid were established, including cooling-heating-power supply, energy storage, photovoltaic power generation, etc. The control strategies were proposed with considering economy, and the DIgSILENT software was used for the simulation analysis. On this basis, the transform of operation mode from grid-connection to island was tested, and the changes of distributed generation, microgrid voltage and frequency were studied under the significantly fluctuation of PV output. Finally, the impact of operation mode on the stable operation of microgrid was analyzed, and the effectiveness of models and control strategies was verified.

microgrid; distributed generation; control strategy; modeling and simulation

国家重点基础研究发展计划项目(973计划)(2009CB219706)。

TM 712

： A

： 1000-7229(2014)06-0022-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.005

2013-12-16

：2014-01-20

孙健秧(1967)，男，高级工程师，研究方向为电力系统运行，E-mail：sun-jy@163.com;

郭建钊(1964)，男，高级工程师，研究方向为电气工程相关领域，E-mail：guojianzhao3208@163.com;

金鹏(1984),男，博士，研究方向为微网控制，E-mail:jpjsdx@163.com。