风光储微电网运行特性仿真分析

武文斌，黄绍平

(湖南工程学院 电气与信息工程学院，湘潭 411104)

0 引言

微电网是由分布式电源、储能系统、负荷、监控和保护装置等构成的小型电力系统[1].微电网技术的发展在很大程度上提高了分布式发电的能源利用效率和供电质量，并为海岛、草原等远离电网地区提供优质供电[2].因此，微电网在世界各国得到迅速发展，相关研究和工程实践日益广泛和深入，世界各国建立了一大批微电网示范工程[3-4].

微电网的分布式电源可以是单一的，譬如风力发电、太阳能光伏发电；也可以是混合的，本文研究的微电网就是含有风力发电、太阳能光伏发电的混合式分布式发电微电网.并网型微电网可以运行在并网、离网两种状态下，并可根据需要在这两种状态之间进行切换.微电网的运行要保证安全、可靠、优质、经济，并能在两种运行状态下进行平滑切换.

本文在MATLAB软件环境下建立风光储微电网模型，并对其在并网、离网以及并网/离网切换状态下进行仿真分析.

1 风光储微电网结构与建模

1.1 基本结构与控制策略

由风电、光伏发电和蓄电池储能系统组成的小型交流微电网系统结构如图1所示.

风光储微电网采用主从控制模式，蓄电池储能系统为主控电源，光伏发电系统和风力发电系统为从属电源.各微源控制策略如下：

(1)光伏发电系统.作为从属电源，采用P/Q控制，用蓄电池充放电来维持直流母线电压恒定，光伏阵列PV经MPPT输出最大功率作为P/Q控制的参考给定功率，使逆变器输出按最大功率输出.

(2)风力发电系统.作为从属电源，采用P/Q控制，永磁直驱发电机采用直接给定转速来驱动(不使用风力机驱动)，机侧采用P/Q控制，网侧采用电压、电流双环控制，维持直流母线电压.

(3)蓄电池储能系统.作为主控电源，采用P/Q和V/f控制。微电网并网运行时，采用P/Q控制；微网孤岛运行时，采用V/f控制，来维持系统电压和频率.

图1 风光储微电网系统结构

1.2 仿真模型

根据图1建立风光储微电网控制策略仿真模型如图2所示，参数设置如表1所示.

图2 风光储微电网仿真模型

表1 风光储微电网系统仿真参数列表

2 风光储微电网运行特性仿真分析

2.1 并网运行

微电网与配电网并网运行，光伏发电系统始终工作在按最大功率输出；储能系统和风力发电系统均采用P/Q控制，逆变器的输出跟随给定；设置光伏发电系统设置为t=[0,0.5]s,光照强度S=[800，1000]W/m2；风力发电系统设置为t=0.3 s，给定参考有功功率Pref由8 kW阶跃至10 kW，给定转速n=300 r/min；储能系统设置为t=0.7 s，给定参考有功功率Pref由10 kW阶跃至-10 kW；对于系统负荷，在t=0.3 s时，QF1断开Load2；总的仿真时间设置为t=1 s.仿真波形如图3所示.

图3 风光储微电网并网运行仿真波形

由仿真波形可知，风光储微电网并网运行时，系统频率和交流母线电压幅值都比较稳定，PV系统始终能按最大功率点输出，PMSG也能按给定输出，储能系统也按给定输出.在并网控制器的作用下，变流器的输出能很好的跟随给定，各微源直流侧电压稳定在600 V.

2.2 离网运行

离网运行时，光伏发电MTTP输出功率作为P/Q控制的给定参考功率.风力发电采用P/Q控制，逆变器输出功率跟随给定参考功率.储能系统采用V/f控制，为微电网提供电压和频率支撑.储能系统的功率根据光伏发电系统输出有功Ppv、PMSG输出有功Ppmsg、系统总负荷Pload来设定：①若Ppv+Ppsmg>Pload，则蓄电池储能系统充电储能；②若Ppv+Ppsmg

图4 风光储微电网离网运行仿真波形

由仿真结果可知，离网运行时，当负荷切减时，系统频率及交流母线线电压幅值有所波动，但很快就恢复恒定.PV光伏发电系统始终按MPPT最大功率跟踪输出，在t=0-0.5 s时，发出有功约为12 kW；t=0.5-1 s时，发出有功约为15 kW.PMSG系统在t=0-0.3 s时发出有功约为8 kW；在t=0.3-1 s时，发出有功约为12 kW.负荷在t=0-0.3 s时功率为15 kW，在t=0.3-1 s时功率为10 kW.为了达到功率平衡，t=0-0.3 s时，蓄电池储能系统充电，充电功率5 kW；t=0.3-0.5 s时，蓄电池储能系统充电功率为14 kW；t=0.5-1 s时，蓄电池储能系统充电功率为17 kW.

2.3 并网/离网切换

微电网有离网转并网和并网转离网两种运行模式的切换.设t=0-0.4 s时，微网处于并网状态；当t=0.4 s时，由并网切换为离网；在t=0.4-0.7 s时，微网处于离网运行模式；在t=0.7 s时，微网由离网切换为并网运行；t=0.7-1 s时，微电网处于并网运行模式.光伏发电系统、PMSG发电系统、微网总负荷设置同上述并网运行模式.对于储能系统，当微网离网运行时，其参考有功功率同上述离网运行模式；当微网并网运行时，参考有功功率设置为Pref=10 kW.仿真波形如图5所示.

图5 风光储微电网平滑切换仿真波形

由仿真波形可知，在并网切换为离网时，频率和电压都有一定幅度的波动，频率在49.98～50.05 Hz之间波动，线电压幅值波动幅度较大，但也在允许的范围内.在离网切换为并网时，由于准确地控制合闸时刻，使PCC两侧的电压大小和相位相同，因而未产生冲击电流.

3 结论

通过以上仿真分析，可以得出以下结论：

(1)微电网根据各微源的特点，通过适当的控制策略和合理的运行调度，能有效地提高分布式发电能源利用效率，并为远离电网的地区提供更优质的供电.

(2)蓄电池储能系统具有容量调节范围大、响应速度快，因而在主从控制微电网中适合作为主控电源.在并网运行时采用P/Q控制；在离网运行时采用V/f控制，支撑微电网的电压和频率.

(3)当并网/离网切换时应该采用合适的控制策略，减少电压和频率的波动，抑制并网时的冲击电流.