郭權(quán)利，呂 麗，戴 菁，何永剛，雷 智，趙鵬飛

(1. 沈陽(yáng)工程學(xué)院電氣工程系，沈陽(yáng)110136;2. 元寶山發(fā)電有限責(zé)任公司建設(shè)處，內(nèi)蒙古赤峰024070;3. 中國(guó)能建東電一公司撫順?lè)止?，遼寧撫順113000;4. 鞍山供電公司客戶服務(wù)中心，遼寧鞍山114001)

0 引 言

微電網(wǎng)已成為電力系統(tǒng)及新能源領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，電網(wǎng)仿真是研究微電網(wǎng)的重要手段. 文獻(xiàn)［1－3］給出了在各種控制策略下的微電網(wǎng)建模與仿真，其策略的實(shí)施是通過(guò)對(duì)微電網(wǎng)接口電路的控制實(shí)現(xiàn)的，可見(jiàn)，微電網(wǎng)接口是微電網(wǎng)極其重要的組成部分.在仿真建模過(guò)程中，微電源及電網(wǎng)常常直接采用仿真軟件中提供的模型，這些模型較為成熟且運(yùn)行較快.但在模型庫(kù)中，微電源與電網(wǎng)連接的接口模型較單一，有些模型運(yùn)行模式受限，并且所有的接口模型都考慮了接口設(shè)備內(nèi)部狀態(tài)，這極大延緩了系統(tǒng)的仿真速度，而在仿真階段是不需要了解接口設(shè)備內(nèi)部狀態(tài)的，因此接口模型已不能滿足仿真的需要. 所以在只考慮接口設(shè)備外部狀態(tài)時(shí)，如研究微電網(wǎng)的穩(wěn)定、微電網(wǎng)有功、無(wú)功控制器的設(shè)計(jì)等需要建立新的接口模型. 因此要設(shè)計(jì)出合適的電力電子設(shè)備接口模型，以便用戶較好地在各種仿真軟件下進(jìn)行電力系統(tǒng)及微電網(wǎng)的建模與仿真及相關(guān)控制器的設(shè)計(jì).

1 微電網(wǎng)接口的建模

1.1 微電源接口

文獻(xiàn)［4］給出了適用于不同微電源的接口，如圖1所示.

微電源接口a、b、d 適用于光伏發(fā)電等直流電源，直接由逆變器轉(zhuǎn)換為工頻交流電或經(jīng)DC/DC 升壓后轉(zhuǎn)換為工頻交流電;微電源接口c 適用于微型燃?xì)廨啓C(jī)以及風(fēng)電等間歇式交流電源，需要整流、逆變轉(zhuǎn)換為工頻交流電.文獻(xiàn)［5］根據(jù)微電源種類及接口的不同，將接口的控制分為3 種基本方式:①定直流電壓控制;②定直流電流(或功率)控制;③定交流電壓控制. 由微電源接口電路及接口控制方式可知，微電網(wǎng)接口建模分為接口電路模型建模與控制電路模型建模2 部分.

圖1 微電源接口電路

1.2 接口電路的建模

1.2.1 dq0 坐標(biāo)系的建立

微電網(wǎng)接口建模首先選擇坐標(biāo)系. 坐標(biāo)系選擇的合理與否直接關(guān)系到微電源接口及其仿真模型的優(yōu)劣.坐標(biāo)系的選擇原則是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與微電源之間傳輸?shù)挠泄β屎蜔o(wú)功功率的解耦控制，即采用了基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制方案. 該方案核心是重新定向dq0 坐標(biāo)系，使電網(wǎng)電壓的合成矢量方向與新的dq0坐標(biāo)系d 軸方向相同. 新的dq0 坐標(biāo)系的建立分2 步進(jìn)行.首先按傳統(tǒng)的方法(Park 變換)將微電網(wǎng)的abc系統(tǒng)變換到dq0 坐標(biāo)系，稱之為dq0 坐標(biāo)系Ⅰ，為計(jì)算方便，取d 軸方向與a 軸重合. 變換后的坐標(biāo)如圖2a所示.電網(wǎng)電壓在dq0 坐標(biāo)系Ⅰ下的坐標(biāo)為ud1、uq1.所應(yīng)用的變換公式如下:

其中，Park 變換矩陣

圖2 坐標(biāo)變換

1.2.2 基于新坐標(biāo)系下的iabc→idq0轉(zhuǎn)換

從新坐標(biāo)系的建立過(guò)程中可知，新的坐標(biāo)系Ⅱ是在傳統(tǒng)的坐標(biāo)系Ⅰ逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)φ 角形成的，求解iabc在坐標(biāo)idq0系Ⅱ的坐標(biāo)也分2 步進(jìn)行:首先按公式(1)求出iabc在坐標(biāo)系Ⅰ下的坐標(biāo)，再將此坐標(biāo)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角φ 即可.其方程為

1.2.3 接口電路的模型

從圖1 中可以看出，微電源接口中換流器是接口電路的核心部件，所以以典型的接口電路－電壓型換流器為例講解如何建立接口電路的模型. 圖3 為換流器結(jié)構(gòu)示意圖.圖中uca、ucb、ucc和usa、usb、usc分別為換流器三相電壓和微電網(wǎng)的三相電壓;ia、ib、ic為由換流器側(cè)向網(wǎng)側(cè)的逆變電流;C 為換流側(cè)電容;idl、idc為微電源提供的直流電流和換流器側(cè)向微電網(wǎng)轉(zhuǎn)換的直流電流.

圖3 換流器結(jié)構(gòu)

其狀態(tài)方程為:

將iabc、ucabc、usabc按公式(2)轉(zhuǎn)化為圖2b udq0坐標(biāo)系下，其方程可變?yōu)?

則微電源向微電網(wǎng)提供的三相電流為

式中:p 為微分算子，下標(biāo)d、q 分別為相對(duì)應(yīng)電壓或電流的直軸分量和交軸分量，P－1為Park 逆變換矩陣.

建立微電網(wǎng)模型可采用仿真軟件提供的坐標(biāo)變換、PWM 觸發(fā)電路、igbt 等分立的仿真模型組合而成，但此仿真模型運(yùn)行速度較慢，較復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)仿真運(yùn)行難以進(jìn)行.為此，保留了接口電路的主要物理特性，根據(jù)方程(1)～(5)建立接口模型.圖4 為應(yīng)用MATLAB中的power system toolbox 建立的接口模型.

圖4 接口電路模型

1.3 控制電路的建模

1.3.1 有功功率和無(wú)功功率的解耦控制

在圖3 中，微電源經(jīng)過(guò)換流器向微電網(wǎng)提供的功率可表示為:

當(dāng)采用圖2b udq0坐標(biāo)系時(shí)，usq=0，由此，式(6)可寫為:

由式(7)可知，在電網(wǎng)電壓保持恒定時(shí)，通過(guò)設(shè)定id就可以調(diào)節(jié)微電源經(jīng)換流器轉(zhuǎn)換到微電網(wǎng)側(cè)的有功功率，通過(guò)設(shè)定iq就可以調(diào)節(jié)微電源經(jīng)換流器轉(zhuǎn)換到微電網(wǎng)側(cè)的無(wú)功功率.從而實(shí)現(xiàn)微電源與電網(wǎng)之間傳輸?shù)挠泄β屎蜔o(wú)功功率的解耦控制.

1.3.2 控制電路的解耦控制

由式(4)可得接口電路的方程為:

因?yàn)閕d可以控制有功功率，iq控制無(wú)功功率，因此id、iq為控制量，ucd、ucq為輸出量. 由式(8)可以看出，d、q 變量互相耦合，給控制電路設(shè)計(jì)造成一定困難，這里采用前饋解耦控制策略，id、iq采用PI 調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)了id、iq控制電路的獨(dú)立控制.

1.3.3 控制電路的建模

經(jīng)過(guò)采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制方案及控制電路前饋解耦控制策略，實(shí)現(xiàn)了有功功率和無(wú)功功率的解耦控制及控制電路的解耦控制，也即實(shí)現(xiàn)了對(duì)id、iq獨(dú)立的解耦控制.因此所有控制思想的實(shí)現(xiàn)均是通過(guò)id、iq的給定或控制實(shí)現(xiàn)的.圖5 給出了適用于不同微電源的2 種不同的典型控制模型:圖5a 為定直流電壓控制，圖5b 為V/F 控制.

圖5 控制電路模型

2 仿 真

圖6 為簡(jiǎn)單的微電網(wǎng)仿真系統(tǒng)，微電網(wǎng)中各元件的容量及電壓等級(jí)如圖所示.配電網(wǎng)、變壓器、線路、光伏電源選用Matlab 庫(kù)中的模型，燃?xì)廨啓C(jī)的模型參見(jiàn)文獻(xiàn)［11－13］，微電源與微電網(wǎng)接口采用圖4 接口電路模型.在仿真中，將微電源控制分為2 類，一類是光伏發(fā)電機(jī)組，因其發(fā)電具有間歇性，采用最大功率追蹤控制方式(其核心部分為定直流電壓控制);一類是微型燃?xì)廨啓C(jī)，因其功率可調(diào)，因此在與大系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)采用P/Q 控制方式，在微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)采用V/F控制方式.

圖6 微電網(wǎng)仿真系統(tǒng)

仿真分為2 部分:微電源與系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行的仿真及微電網(wǎng)并網(wǎng)、孤網(wǎng)轉(zhuǎn)換過(guò)程的仿真.在仿真過(guò)程中采用標(biāo)幺值，基準(zhǔn)容量S =100 kVA，，基準(zhǔn)電壓V =400 V，基準(zhǔn)頻率f=50 Hz.

2.1 并網(wǎng)運(yùn)行

并網(wǎng)運(yùn)行主要研究光伏發(fā)電在光照強(qiáng)度變化、燃?xì)廨啓C(jī)功率給定變化、燃?xì)廨啓C(jī)接口控制參數(shù)變化時(shí)，各微電源功率輸出的響應(yīng)情況.仿真初始條件如下:光伏發(fā)電光照強(qiáng)度為600 W/m，無(wú)功功率為0;微型燃?xì)廨啓C(jī)有功功率為0.3，無(wú)功功率為－0.3;負(fù)載有功功率為2.0，無(wú)功功率為0.1.

仿真過(guò)程如下:在0.5 s 時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)有功功率給定為1.5;在1.0 s 時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)無(wú)功功率給定為－0.6;在1.5 s 時(shí)，光伏發(fā)電光照強(qiáng)度為1 000 W/m;在2.0 s 時(shí)，光伏發(fā)電的無(wú)功功率給定為0.3.

仿真結(jié)果如圖7 所示. 從圖中可以看出，0 ～1.5 s，微網(wǎng)中微電源發(fā)出的總功率小于微網(wǎng)中負(fù)荷的需求，此時(shí)，微電網(wǎng)中能量不足的部分由配電網(wǎng)來(lái)調(diào)節(jié).1.5 s 后，微網(wǎng)中微電源發(fā)出的總功率大于微網(wǎng)中負(fù)荷的需求，此時(shí)，多余的能量注入配電網(wǎng).圖7a 與圖7b 的仿真相比，僅接口模型中的前饋解耦控制參數(shù)PI不同.通過(guò)對(duì)兩圖比較可以看出控制參數(shù)變化時(shí)，微電源輸出功率的響應(yīng)情況也不同.

2.2 微電網(wǎng)并網(wǎng)、孤網(wǎng)轉(zhuǎn)換過(guò)程的仿真

該仿真主要研究微型燃?xì)廨啓C(jī)在微電網(wǎng)并網(wǎng)、孤網(wǎng)轉(zhuǎn)換過(guò)程中維持微電網(wǎng)頻率和電壓穩(wěn)定的能力. 微電網(wǎng)并網(wǎng)、孤網(wǎng)轉(zhuǎn)換過(guò)程是在圖7 并網(wǎng)運(yùn)行仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行的. 當(dāng)并網(wǎng)運(yùn)行至2.5 s 時(shí)，斷路器斷開，微電網(wǎng)變?yōu)楣戮W(wǎng)運(yùn)行. 仿真結(jié)果如圖8 所示，從圖中可以看出，微電網(wǎng)在并網(wǎng)、孤網(wǎng)轉(zhuǎn)換前后，光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的有功功率、無(wú)功功率維持不變，功率平衡(電壓、頻率的調(diào)節(jié))完全由燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)節(jié)，經(jīng)過(guò)大約2 s 后，微電網(wǎng)趨于穩(wěn)定.

圖7 并網(wǎng)運(yùn)行有功功率、無(wú)功功率變化曲線

采用所設(shè)計(jì)的微電源接口模型，與其他元件模型共同組成微電網(wǎng)的仿真，能夠較好地反映出微電網(wǎng)在各種給定條件下的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行微電網(wǎng)的穩(wěn)定、微電網(wǎng)有功、無(wú)功控制器的設(shè)計(jì)等研究.微電源與系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行及微電網(wǎng)并網(wǎng)、孤網(wǎng)轉(zhuǎn)換過(guò)程的仿真結(jié)果驗(yàn)證了該模型的有效性.

圖8 微電網(wǎng)并網(wǎng)、孤網(wǎng)轉(zhuǎn)換的仿真圖形

3 結(jié) 論

1)在保留微電網(wǎng)接口主要物理特性的基礎(chǔ)上，將接口電路模型及其控制電路模型有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，使接口模型易于使用、易于控制、易于理解，且簡(jiǎn)化了仿真模型，縮短了仿真時(shí)間.

2)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化接口模型，豐富了仿真模型的資源庫(kù)，方便了用戶在各種仿真軟件下進(jìn)行電力系統(tǒng)及微電網(wǎng)的建模與仿真.

3)采用所設(shè)計(jì)的接口模型建立的微電網(wǎng)，可以為采用其它接口模型建立的微電網(wǎng)計(jì)算初值.

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