解 大，徐 濤，張延遲，艾 芊

（1.上海交通大學(xué)電氣工程系，上海 200240；2.華東理工大學(xué)自動化系，上海 200237；3.上海電機(jī)學(xué)院電氣工程系，上海 200240）

分布式電源的單機(jī)接入電網(wǎng)的成本高、控制困難等，特別是為了減小分布式電源的沖擊，大電網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)常要采取限制、隔離的方式來處置分布式電源，一旦電力系統(tǒng)發(fā)生故障，要求分布式能源必須馬上退出運(yùn)行，這些問題大大限制了分布式能源的發(fā)展，也限制了新能源的利用［1］。

微電網(wǎng)是由一系列分布式發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)和負(fù)荷組成的小型電力網(wǎng)，根據(jù)需要可選擇與配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可選擇獨(dú)立運(yùn)行，在靠近分散型資源的用戶周邊，結(jié)合用戶電能質(zhì)量管理和能源梯級利用技術(shù)形成的供能網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到高效、環(huán)保和節(jié)能的效果。在正常工作模式下，微電網(wǎng)與公共系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行，通過合理的控制微電網(wǎng)可以相當(dāng)于配電網(wǎng)的一個恒定負(fù)荷。而當(dāng)公共系統(tǒng)現(xiàn)故障或者電能質(zhì)量達(dá)不到要求時，微電網(wǎng)可以通過隔離裝置切斷與外部電網(wǎng)的連接，從而實(shí)現(xiàn)孤立運(yùn)行［2］。把分布式發(fā)電和負(fù)荷一起作為配電子系統(tǒng)——微電網(wǎng)系統(tǒng)（Micro Grid），可以在充分發(fā)揮分布式發(fā)電積極的輔助作用的同時，降低分布式發(fā)電帶來的不利影響。本文將在實(shí)驗(yàn)室條件下建立了標(biāo)準(zhǔn)輸電網(wǎng)模型，利用該模型對光伏陣列模型與逆變并網(wǎng)接口模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用逆變并網(wǎng)接口模型模擬微電網(wǎng)接入標(biāo)準(zhǔn)輸電網(wǎng)進(jìn)行仿真，分析微電網(wǎng)對輸電網(wǎng)系統(tǒng)有功與無功功率平衡的影響，以及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻率與電壓幅值的穩(wěn)定的效果，并利用動態(tài)模擬驗(yàn)證控制方法的效果。

1 標(biāo)準(zhǔn)輸電網(wǎng)系統(tǒng)模型

在基于WSCC電網(wǎng)三機(jī)九節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)下，建立了能夠滿足動態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室條件的標(biāo)準(zhǔn)輸電網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型，并且加入了微電網(wǎng)接口模型，見圖1。

圖1 輸電網(wǎng)系統(tǒng)模型示意圖

該系統(tǒng)基準(zhǔn)容量SB為10 k VA，線路基準(zhǔn)電壓UB為525 V。發(fā)電機(jī)G1額定電壓為165 V，相角為0°；發(fā)電機(jī)G2額定電壓為180 V，額定有功輸出為16.3 k VA，相角為9.008°；發(fā)電機(jī)G3額定電壓為138 V，額定有功輸出為8.5 k VA，相角為4.345°；變壓器T1至T3變比分別為165／525、180／525、138／525；系統(tǒng)負(fù)載分別為LD2＝10＋j3.5（k VA），LD4＝9＋j3（k VA），LD5＝12.5＋j5（k VA）。

根據(jù)以上參數(shù)在PSCAD環(huán)境下進(jìn)行仿真，得到了在實(shí)驗(yàn)室條件下的標(biāo)準(zhǔn)輸電網(wǎng)三機(jī)九節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行參數(shù)，見表1。該穩(wěn)態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)將作為系統(tǒng)進(jìn)行有功功率與無功功率平衡調(diào)節(jié)時的基準(zhǔn)值，用來驗(yàn)證微電網(wǎng)系統(tǒng)對輸電網(wǎng)頻率與電壓的調(diào)節(jié)作用。

表1 輸電網(wǎng)系統(tǒng)模型穩(wěn)態(tài)運(yùn)行參數(shù)標(biāo)幺值 p.u.

2 微電網(wǎng)模型

試驗(yàn)對象微電網(wǎng)，包括了光伏發(fā)電項(xiàng)目，因此必須建立光伏陣列模型和逆變并網(wǎng)接口模型。

2.1 光伏陣列模型

在PSCAD／EMTDC環(huán)境下，根據(jù)光伏陣列的光伏特性曲線與輸出公式，建立了光伏陣列仿真模型。光伏陣列的輸出特性滿足［3－4］：

式中：I，U分別為光伏陣列模型的輸出電流與輸出電壓；Im，Um分別為太陽能電池工作在最大功率點(diǎn)的電流和電壓；Isc，Uoc分別為太陽能電池的短路電流和開路電壓。

控制電路模型采用PI算法，通過采樣負(fù)載側(cè)電流I0與光伏電池模型輸出電流I，并且將I0與I進(jìn)行比較，所得差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)之后產(chǎn)生PWM波，由此對開關(guān)管G進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)占空比D，將其穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)MPPT控制［5］。三角波頻率（即開關(guān)頻率）設(shè)置為1 k Hz。

光照條件固定為800 W／m2，光伏陣列開路電壓為44.3 V，開路電流為8.86 A，負(fù)載固定為5Ω。當(dāng)采用了MPPT算法之后，光伏陣列在PSCAD環(huán)境下實(shí)現(xiàn)MPPT控制算法仿真的電壓電流輸出曲線，如圖2所示。

采用MPPT算法是保證光伏陣列穩(wěn)定輸出有功功率的重要條件，同樣為之后的逆變側(cè)并網(wǎng)模型提供了穩(wěn)定的直流電壓輸出。圖3顯示了采用MPPT算法之后的光伏陣列輸出電壓與輸出電流大小及波形。

圖3 帶MPPT控制的光伏陣列電壓及電流輸出曲線

通過測量可得，在以上條件固定的情況下，該直流側(cè)光伏陣列模型的最大功率輸出點(diǎn)Um約為36 V，Im約為7 A，即最大有功輸出約為252 W。將光伏陣列串接可以提高電壓等級或增加功率輸出。

2.2 逆變并網(wǎng)接口模型

逆變并網(wǎng)接口模型的主要作用，是在上級輸電網(wǎng)有功負(fù)荷與無功負(fù)荷發(fā)生突變時模擬微電網(wǎng)對上級輸電網(wǎng)的接入，對系統(tǒng)的有功功率與無功功率進(jìn)行了就地平衡，觀察并驗(yàn)證微電網(wǎng)對上級輸電網(wǎng)頻率與電壓的支持作用。

在逆變并網(wǎng)接口模型中，主電路部分采用由6個IGBT構(gòu)成的三相逆變橋［6］，模型采用SPWM調(diào)制，開關(guān)頻率（即鋸齒波頻率）設(shè)置為1 k Hz，基波頻率為50 Hz［7］。為了實(shí)現(xiàn)三相逆變橋的有功功率與無功功率輸出可調(diào)，在SPWM調(diào)制電路的基礎(chǔ)上又添加了控制角a1，通過改變控制角a1便可以改變逆變器交流輸出電壓與輸出電流相位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有功功率與無功功率輸出值的改變。

當(dāng)仿真前提條件為直流側(cè)電壓525 V，電網(wǎng)側(cè)交流線電壓60 V，基準(zhǔn)功率1 k VA，控制角為75°時，逆變器模型各輸出參數(shù)的數(shù)值及波形見圖4。此時，交流電壓峰值也為48.99 V，與電網(wǎng)電壓波形一致，有功功率P輸出為0.261 k W，無功功率Q輸出為－1.057 k VA，輸出線電壓有效值始終為60 V。

模擬結(jié)果表明，該逆變并網(wǎng)接口模型可以準(zhǔn)確根據(jù)控制角a1的值調(diào)節(jié)輸出電壓與輸出電流的相角，從而實(shí)現(xiàn)可調(diào)的有功功率與無功功率輸出，能夠模擬微電網(wǎng)向上級電網(wǎng)同時提供有功功率與無功功率的平衡。

3 微電網(wǎng)對頻率與電壓的調(diào)節(jié)

為了發(fā)現(xiàn)微電網(wǎng)對頻率與電壓的調(diào)節(jié)的效果，可以采用數(shù)值仿真和動態(tài)模擬仿真。

3.1 數(shù)值仿真

結(jié)合已建立的輸電網(wǎng)三機(jī)九節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)模型以及逆變并網(wǎng)接口模型，通過同時改變某個節(jié)點(diǎn)的有功與無功負(fù)荷并將逆變并網(wǎng)接口模型接入上級電網(wǎng)，驗(yàn)證微電網(wǎng)系統(tǒng)的接入能否實(shí)現(xiàn)對上級輸電網(wǎng)系統(tǒng)頻率與電壓幅值的穩(wěn)定。

設(shè)計(jì)微電網(wǎng)由上街模型構(gòu)成，其中逆變并網(wǎng)接口模型輸出線電壓有效值60 V，變壓器T4變比為60／525，帶儲能電池的光伏陣列功率為5 k W，逆變器功率為5 k W。仿真模型示意圖如圖1所示，首先是在輸電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行至2.5 s時，節(jié)點(diǎn)4母線上負(fù)荷突增LD＝2.4＋j1.9（k VA），其余系統(tǒng)參數(shù)不變，觀察此時系統(tǒng)頻率與電壓幅值的變化情況。圖5是節(jié)點(diǎn)4處負(fù)荷改變時系統(tǒng)頻率與電壓波形的仿真結(jié)果。

圖4 控制角為75°時逆變并網(wǎng)接口模型輸出

可以看到：在系統(tǒng)在運(yùn)行至2.5 s時負(fù)荷突增LD＝2.4＋j1.9（k VA），并且在逆變并網(wǎng)接口模型未能接入系統(tǒng)的情況下，系統(tǒng)頻率與電壓幅值均發(fā)生了變化；在接入負(fù)荷LD之后，節(jié)點(diǎn)4電壓頻率f出現(xiàn)明顯下降，最大頻率波動幅度超過0.3 Hz，并且隨著系統(tǒng)運(yùn)行仍有繼續(xù)下降的可能，同時電壓幅值Mag也因?yàn)闊o功負(fù)荷的突增降低。表2是負(fù)荷變化后各節(jié)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值。

根據(jù)表2中的各節(jié)點(diǎn)的電壓有效值可以明顯看出，在此負(fù)載條件下，整個輸電網(wǎng)系統(tǒng)中輸電線路各節(jié)點(diǎn)的電壓有效值均出現(xiàn)了5.25～7.35 V的壓降，即為線路額定電壓的1%至1.4%；同樣發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)端電壓也分別出現(xiàn)了1%至2%的壓降。由此可見，當(dāng)輸電網(wǎng)系統(tǒng)的有功與無功負(fù)荷同時發(fā)生變化時，系統(tǒng)頻率的變化以及電壓幅值均會發(fā)生，影響到系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行及電能質(zhì)量，應(yīng)盡量避免，而且當(dāng)這兩者發(fā)生較大變化時，甚至?xí){整個電網(wǎng)的穩(wěn)定。

圖5 負(fù)荷改變時節(jié)點(diǎn)4處系統(tǒng)頻率與電壓波形

表2 負(fù)荷變化后各節(jié)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值 p.u.

為了保證輸電網(wǎng)系統(tǒng)在負(fù)載發(fā)生改變時仍能夠保持穩(wěn)定的系統(tǒng)頻率與電壓幅值，試驗(yàn)采用逆變并網(wǎng)接口模型模擬微電網(wǎng)系統(tǒng)接入，實(shí)現(xiàn)有功與無功功率的平衡，進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)定系統(tǒng)的目的。采用這種方案試驗(yàn)，在3 s時將逆變器模型投入，此時節(jié)點(diǎn)4處電壓頻率與幅值曲線如圖6所示。

比較圖5與圖6中的系統(tǒng)頻率f與電壓幅值Mag，可知在逆變并網(wǎng)接口模型模擬微電網(wǎng)接入系統(tǒng)之后，節(jié)點(diǎn)4的系統(tǒng)頻率f與電壓幅值Mag被穩(wěn)定在正常運(yùn)行狀態(tài)。電壓幅值Mag最大波動值不超過2 V，系統(tǒng)頻率f基本保持50 Hz恒定。表3是功率平衡后各節(jié)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值。

圖6 功率平衡后節(jié)點(diǎn)4處系統(tǒng)頻率與電壓波形

表3 功率平衡后各節(jié)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值 p.u.

同樣參考表3中的系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)電壓有效值可以更加直觀地看到，在經(jīng)過逆變并網(wǎng)接口模型對系統(tǒng)進(jìn)行有功與無功平衡之后，系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)電壓有效值與穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的差值在0.525～2.1 V之間變化，幅度小于額定電壓的0.5%。

圖7所示為輸電網(wǎng)系統(tǒng)在運(yùn)行3 s時將逆變并網(wǎng)接口模型接入輸電網(wǎng)后，其內(nèi)部的有功功率P及無功功率Q輸出曲線。由圖中測量可以得到，在負(fù)載增量為2.4 k W和1.9 k VA時，逆變并網(wǎng)接口模型的有功功率輸出為2.43 k W，無功功率輸出為2.02 k VA，能夠滿足同時進(jìn)行用功功率與無功功率的平衡。

以上仿真結(jié)果數(shù)據(jù)說明，該模型能夠根據(jù)負(fù)載增量的有功無功性質(zhì)，調(diào)整自身的有功與無功輸出，模擬微電網(wǎng)對標(biāo)準(zhǔn)輸電網(wǎng)系統(tǒng)的接入，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)有功功率與無功功率的平衡，既能將系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在50 Hz，又可以維持系統(tǒng)電壓幅值不變；系統(tǒng)在有功與無功負(fù)荷同時變化的情況下，也能繼續(xù)工作在正常運(yùn)行狀態(tài)下。從而在仿真基礎(chǔ)上驗(yàn)證了通過微電網(wǎng)調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)輸電網(wǎng)有功與無功同時平衡的可能性。

圖7 逆變并網(wǎng)接口模型有功與無功輸出

3.2 動態(tài)模擬仿真

針對圖1所示系統(tǒng)建立了動態(tài)模擬系統(tǒng)及微電網(wǎng)系統(tǒng)，物理仿真數(shù)據(jù)如前所述。其中微電網(wǎng)采用含儲能電池的光伏陣列通過逆變器和T4并網(wǎng)于4號母線，考慮光伏陣列的效率，選用8 k W光伏電池板，直流側(cè)電壓72 V，儲能電池的容量350 Ah，T4變比60∶525，逆變器額定功率5 k W。4號母線通過PLC控制開關(guān)2.4 s投入LD＝2.4＋j1.9 k VA的負(fù)荷，在2.5 s時逆變器投入并開始補(bǔ)償，對4號母線負(fù)荷發(fā)生變化時的上級電網(wǎng)電壓與頻率進(jìn)行觀測，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖8。

圖8 動態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)妇€電壓波形

由圖8可見，當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變動時，母線電壓略有波動，頻率基本保持不變。實(shí)驗(yàn)證明實(shí)驗(yàn)室建成的動態(tài)模擬系統(tǒng)和微電網(wǎng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，微電網(wǎng)具有對上級電網(wǎng)快速支持的能力。

4 結(jié)語

本文針對光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏陣列模型與逆變并網(wǎng)接口模型在PSCAD／EMTDC軟件環(huán)境下進(jìn)行了仿真與分析。同時，在基于WSCC的三機(jī)九節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)參數(shù)的前提下，建立了適用于實(shí)驗(yàn)室條件實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)輸電網(wǎng)三機(jī)九節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)模型，同樣在PSCAD環(huán)境下完成了正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、有功無功負(fù)荷突增、以及模擬微電網(wǎng)接入實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)有功無功平衡的仿真研究。通過分析仿真結(jié)果可得到如下結(jié)論。

1）本文中所設(shè)計(jì)完成的輸電網(wǎng)三機(jī)九節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)模型適用于實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)與仿真。在基于WSCC三機(jī)九節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的情況下，對輸電網(wǎng)三機(jī)九節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)的重新計(jì)算與設(shè)置，并對其正常運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明本文所設(shè)計(jì)的輸電網(wǎng)三機(jī)九節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室條件下仿真結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2）本文中所設(shè)計(jì)的光伏陣列模型與逆變并網(wǎng)接口模型能夠在同時改變系統(tǒng)有功與無功負(fù)荷的情況下，通過改變自身的有功功率與無功功率輸出，模擬微電網(wǎng)系統(tǒng)對標(biāo)準(zhǔn)輸電網(wǎng)的接入，最終將系統(tǒng)穩(wěn)定在正常運(yùn)行狀態(tài)之下。根據(jù)已有的仿真結(jié)果可見，本文建立的標(biāo)準(zhǔn)輸電網(wǎng)系統(tǒng)模型與逆變并網(wǎng)接口模型，能夠根據(jù)負(fù)荷改變特性，完成有功與無功功率的有效調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻率與電壓幅值的穩(wěn)定與維持。

［1］ 時珊珊，魯宗相，周雙喜，閔 勇，等.中國微電網(wǎng)的特點(diǎn)和發(fā)展方向［J］.中國電力，2009，42（7）：21-25.

［2］ 左文霞，李澍森，吳夕科，等.微電網(wǎng)技術(shù)及發(fā)展概況［J］.中國電氣，2009，42（7）：26-30.

［3］ 王 陽，魯宗相，閔 勇.微電網(wǎng)中微電源接口仿真模型的研究和比較［J］.電力系統(tǒng)自動化，2010，34（1）：85.

［4］ 陶 瓊，吳在軍，程軍照，等.含光伏陣列及燃料電池的微網(wǎng)建模與仿真［J］.電力系統(tǒng)自動化，2010，34（1）：89-93.

［5］ 楊海柱，金新民.基于DSP控制的光伏并網(wǎng)逆變器最大功率的跟蹤問題［J］.太陽能學(xué)報，2005，26（6）：760-765.

［6］ 王 飛，余世杰，蘇建徽，等.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究及實(shí)現(xiàn)［J］.太陽能學(xué)報，2005，26（5）：605-608.

［7］ 王斯成，余世杰，王德林，等.3 k W可調(diào)度型并網(wǎng)逆變器的研制［J］.太陽能學(xué)報，2001，22（1）：17-20.