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含多种分布式电源的微网动态仿真


第 33 卷 第 2 期 2009 年 1 月 25 日

Vo l. 33 N o. 2 Jan. 25, 2009

含多种分布式电源的微网动态仿真
郭 力, 王成山
( 天津大学电力系统仿真控制教育 部重点实验室, 天津市 300072)

摘要: 通过算例仿真研究了不同分布式电源配置方案下低压微网从并网模式向孤网模式转换的动 态运行特性, 获得了分布式电源的功率、 微网电压和频率的变化规律。如果选择微型燃气轮机作为 微网的功率支撑手段, 在微网从并网向孤网过渡过程中, 系统频率波动较大, 且部分分布式电源有 可能在低频保护动作下与电网隔离, 不利于微网的稳定运行; 增加储能设备后, 储能设备对于微网 的稳定运行可发挥重要的作用。采用下垂控制策略的蓄电池在微网孤岛运行时可以快速为系统提 供有功、 无功支撑, 有效抑制了由于燃气轮机动态响应速度慢引起的电压和频率偏差。 关键词: 微网; 仿真; 分布式电源; 稳定性 中图分类号: T M 61; T M743; T M 727. 2

0 引言
微网是指由分布式电源( DG) 、 储能系统、 负荷 [ 1 2] 和保护装置汇集而成的配电子系统 。并网运行 时, 微网通过公共连接点( P CC) 与主电网连接。当 主配电网中发生故障或出现较大扰动时, 微网迅速 与主配电网解列, 独立向其内部重要负荷供电; 当主 配电网故障消失、 完全恢复正常后, 微网还可以通过 并网控制再次与主配电网连接, 重新进入并网运行 状态[ 3- 4] 。为了保证微网在不同运行模式下的电压 和频率稳定, 需要对微网中的各种 DG 采取合理的 控制策略, 以实现微网运行模式之间的平滑过渡。 微网中不同类型 DG 的控制特性和动态响应速 度不同。本文通过算例仿真研究了 2 种 DG 配置方 案下低压微网的动态行为, 重点研究了储能设备在 微网运行控制中的作用。
Fig. 1 图 1 异步风力发电机仿真模型 Simulation model of asynchronous wind turbine

1 DG 模型
1. 1 异步风力发电机 异步风力发电机原理性仿真模型如图 1 所示。 风机的机械传动部分采用两质块模型[ 5] 。 1. 2 微型燃气轮机 微型燃气轮机仿真原理性模型如图 2 所示。该 模型由温度控制、 速度控制、 压缩机涡轮系统 3 部分 [ 6 7] 组成 。
收稿日期: 2008 07 11; 修回日期: 2008 11 01。 - - 国家自然科学基金资助项目( 50625722) ; 教育部科学 技术研 究重大资助项目( 306004) ; 高等学校博士学科点专项 科研基 金资助项目( 07D0001) 。 Fig. 2

图 2 分轴微型燃气轮机仿真模型 Simulation model of spli- shaf t micro turbine t

1. 3 光伏电池和蓄电池 光伏电池和蓄电池发出的是直流电, 需要经过 逆变后才能并网运行。通过单级逆变电路直接并网 的光伏发电系统结构如图 3 所示 [ 8] 。并网逆变器采 用基于空间矢量脉宽调制( SVP WM) 的线性电流控 制器[ 9] 。 为简化研究, 可以采用直流电压源代替蓄电池, 忽略电池的 充放 电动态 过程, 蓄电 池也 可采 用与 图 3 相同的并网逆变器和控制电路。

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Dig SIL ENT P ow er Facto ry 进行仿真计算。

图 3 单级电压型逆变器主电路和矢量控制 Fig. 3 Single inverter circuit and vector control

图 4 Benchmark 20 kV 中压系统 Fig. 4 Benchmark 20 kV medium voltage system

2 微网控制策略
目前, 微网的 控制策略主要有 2 种: 主从 控制 [ 10 12] [ 13 16] ( mast er slave) 和对等控制( peer t o peer) 。 主从控制由上层主控制和底层从控制组成。上层控 制器向下层控制单元下发控制命令。对等控制是针 对采用即插即用式 DG 的微网提出的控制方法, 微 网的每个设备以对等的模式进行自动控制, 接入或 去掉其中 1 个不会对微网中其 他微型电源产 生影 响。主从控制需要可靠的通信线路传递采集和控制 信息, 通信或者控制软件的故障都可能导致整个系 统的不稳定, 同时, 微网在扩展时还会受到通信成本 和通信带宽的制约。而对等控制不需要通信环节, 可以实现分布式电源的即插即用, 更具优势。 在对等控制中, 下垂控制是一种常见的控制策 [ 15] 略 , 对于采用逆变器并网的 DG, 下垂功率控制器 根据电网频率偏差调节输出的有功功率, 根据电压 偏差调节无功功率的输出。

3 算例仿真
本文的 主配 电 网 采 用如 图 4 所 示 的 西 门 子 [ 17] Benchmark 中压 20 kV 配电网模型 , 系统频率为 50 H z, 负荷采用恒功率模型, 参数见附录 A 表 A 1。 低压 微 网 采 用 Benchmark 0. 4 kV 低 压 算 [ 17] 例 , 系统结构如图 5 所示。负荷及 DG 参数分别 见附录 A 表 A2、 A3。微 网 通过 一 个 20 kV/ 表 0. 4 kV变压器连接 在中压主电网的节点 11 处, 节 点 100 和 101 之间安装有断路器。为计算方便, 此 处将原算例中的三相四线供电线路改为三相三线线 路, 所有 DG 和负荷改为三相电源和负荷, 仿真中不 计及 三 相不 对 称 情况。利 用电 力 系 统分 析 软 件

Fig. 5

图 5 Benchmark 0. 4 kV 低压微 网 Benchmark 0. 4 kV low voltage MicroGrid

当主配电网发生故障时, 对应 PCC 点的并网断 路器检测到系统频率和电压降落, 并且伴随着较大 的故障电流持续从微网流入主配电网, 断路器应能 够及时动作, 微网内的各种 DG 采用合理的控制策 略, 维持微网频率和电压的稳定, 使微网从并网运行 状态平滑地过渡到独立运行状态, 保证对内部负荷 ) 83 )

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的持续供电。微网断路器的断开条件和时间如附录 A 表 A4 所示。 仿真方案 1: 低压微网中 DG 容量和配 置如附 录 A 表 A 3 所示, 分轴燃气轮机作为微网独立运行 时的功率调节单元, 频率调节采用具有下垂控制特 性的发电机转速控制, 励磁调节系统控制机端电压, 单机容量为 42. 5 kW, 微型燃气轮机和同步发电机 的仿真参数见附录 A 表 A5、 A 6。 表 微网初始运行在联网状态, 微网中总的有功、 无 功负荷分别为 98. 54 kW, 31. 07 kvar。DG 总的有 功出力为 73. 00 kW。其中, 异步风力发电机的无功 消耗为 10. 25 kvar, 风力机并网点处安装的补偿电 容为 9. 18 kvar, 补 偿 后 的 风 力 机 无 功 消 耗 为 1. 07 kvar, 其他 DG 的无功输出为 0。在微网 P CC 点处, 中压电网向微网传输的有功、 无功功率分别为 22. 44 kW, 32. 26 kvar。 设定 0. 1 s 时在主配电网线路 5 6 的中点附近 发生三相短路 故障, 0. 6 s 后 故障线 路切除, 微 网 PCC 处断路器在 0. 14 s 后断开, 微网向独立运行状 态过渡, 仿真时间为 10 s。低压微网节点 101 处的 频率和电压变化情况如图 6 所示。微型燃气轮机的 输出功率和转速变化如图 7 所示。

异步风力发电机 和光伏电池 1 的 输出功率如 图 8 所示。系统中的输出负荷变化情况见图 9。

图 8 光 伏电池 1 和异步风力发电机的输出功率 Fig. 8 Output power of asynchronous wind turbine and photovoltaic 1

图 6 节点 101 处的频率、 电压曲线 Fig. 6 Frequency and voltage curves of bus 101

图 9 负荷功率 Fig. 9 Load power

图 7 微型燃 气轮机输出功率和转速变化情况 Fig. 7 Active, reactive power and speed of micro turbine 1 and 2

微网稳定独立运行后, 燃气轮机 1 的有功出力 增加至 25. 66 kW, 无功出力为 15. 2 kvar。微型燃 气轮机 2 的有功出力增加至 25. 67 kW, 无功出力为 10. 59 kvar。风力发电机和光伏电池 1 的输出功率 均维持不变。系统损失有功功率为 25. 06 kW, 频率 偏差为 0。 微网并网运行时, 主要由中压电网提供电压支 撑。在外部电网发生故障期间, 微网内各节点电压 大幅跌落, 这是由于低压微网结构相对比较简单, 微 网与短路故障点的电气距离较近, 且大部分 DG 运 行在恒功率状态, 电压支撑能力弱。微网并网断路 器断开后, 微型燃气轮机的励磁系统通过调节同步 发电机的励磁电流来控制机端电压。虽然这种电压

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含多种分布式电源的微网动态仿真

调节方式在大系统中可以发挥较为明显的作用, 但 在低压微网中由于单位线路电阻与电抗相差不大, 微网中的电压控制不仅与无功功率平衡有关系, 与 有功平衡也有关系, 大部分负荷节点电压不能恢复 到并网模式之前。如图 6 所示, 微网独立运行时, 节 点 101 的电压与并网时相比, 偏差 0. 121( 标幺值) 。 由于大部分负荷采用恒阻抗模型, 如图 9 所示, 节点 电压偏差引起了系统负荷的损失。 中压电网故障发生瞬间, DG 将向短路点 注入 短路电流, 如图 9 所示, 微型燃气轮机的输出功率在 故障期间增大。由于故障引起电压跌落, 对于恒阻 抗负荷模型, 负荷需求减少。并网断路器打开瞬间 微网内 DG 的出力高于负荷需求, 引起微网频率升 高。此后, 微型燃气轮机调速器根据微型燃气轮机 转速的变化情况降低燃 机出力, 使 系统频率下降。 由于分轴微型燃气轮机动态响应速度相对较慢, 系 统频率恢复时间较长, 如图 7 所示, 经大约 10 s 后, 微网频率最终稳定在 50 H z 附近。整个过渡过程中 频率最大超过 55 H z, 最低则低于 47 H z( 某些 DG 可能在低频保护作用下与电网隔离) 。 仿真方案 2: 在 Service5 处安装蓄电池作为储 能设备, 蓄电池并网逆变器采用下垂控制策略, 控制 器参数如附录 A 表 A7 所示。微网并网运行时, 微 型燃气轮机仍采用电压/ 频率控制。设置故障与配 置方案 1 相同, 仿真时间设置为 3 s。 在微网断开后的较短时间内, 蓄电池通过并网 逆变器向微网内快速输出有功和无功功率, 有助于 维持微网初期频率和电压的稳定。微网节点 101 处 的电压和频率变化情况如图 10 所示。微型燃气轮 机的有功、 无功功率和转速变化情况如图 11 所示。 蓄电池输出的有功、 无功功率如图 12 所示。

101 的电压与并网时相 比, 偏差为 0. 04( 标幺值) 。 系统损失有功功率为 9. 75 kW, 频率偏差 0. 1 H z。

图 11 微型燃气轮机输出功率和转 速特性 Fig. 11 Active, reactive power and speed of micro turbine 1 and 2

图 12 蓄电池的出力 Fig. 12 Power of battery

增加蓄电池后, 微网的动态响应速度有了明显 提高。微网从并网转孤网的过渡过程中, 蓄电池并 网逆变器利用下垂控制策略快速改变输出功率的大 小, 有效地抑制了由于微型燃气轮机动态响应速度 慢引起的电压和频率偏差。如图 10 所示, 微网频率 偏差最大不超过 ? 3 H z, 且系统可以在 1 s 内恢复 到稳态。虽 然 在新 的 运 行点 处 微网 频 率 略低 于 50 H z( 由蓄电池并网 逆变器下垂控制特性决定) , 但相对方案 1, 系统内的有功负荷缺损减少。

4 结语
图 10 微网 101 节点的电压和频率 Fig. 10 Frequency and voltage of bus 101

燃气轮机 1 的有功出力增加至 25. 41 kW, 无功 出力为 12. 93 kvar。微型燃气轮机 2 的有功出力增 加至25. 41 kW, 无功出力为 12. 74 kvar。蓄电池有 功出力为 15. 77 kW, 无功出力为 4. 77 kvar。节点

本文研究表明蓄电池并网逆变器选择功率下垂 控制有利于实现微网从并网运行模式向独立运行模 式切换时的快速功率平衡, 提高了微网的动态响应 速度, 抑制了由于微型燃气轮机动态响应速度慢引 起的电压和频率偏差。 附录 见 本刊 网 络版 ( ht t p: / / w w w. aeps info. ) 85 )

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com / aeps/ ch/ index. aspx ) 。

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郭 力 ( 1981) ) , 男, 通信作者 , 在 站博士 后, 主 要研 究 方向: 电压稳定与优化控制、 分布式发电系统。E mail: lig uo @ tju. edu. cn 王成山 ( 1962 ) ) , 男, 长江 学者 特 聘教 授, 主要 研究 方 向: 电力系统安全性分析、 城市电网规划和分布式 发电系统。 E mail: cswang @ tju. edu. cn -

Dynamical Simulation on MicroGrid with Different Types of Distributed Generations
GUO L i , W A N G Chengshan ( K ey L abo rato ry of Po wer System Simulation and Co nt ro l of M inistry of Educatio n, T ianjin U niv er sity , T ianjin 300072, China) Abstract: T he dynamical characteristics of a low vo ltag e M icr oG rid fr om gr id co nnected mode to islanded mo de wit h different distr ibuted g ener ation ( D G) config ur ation schemes are analyzed by using simulatio n metho d, and the co rresponding changing law s o f each DG? s pow er, v oltage and frequency of M icr oGr id ar e o bt ained. W hen micro tur bine based synchronous g enerator s are used as the main pow er suppo rt, the fr equency of M icro Gr id fluctuat es gr eatly , and some D Gs ar e disco nnected fro m the gr id by the lo w frequency relays, w hich is not beneficial to st able o per atio n of the M icro Gr id. After incr easing storag e dev ices, the sto rag e devices play an impo rtant r ole in M icr oGr id contro l, and the inverter o f bat tery using dro op contro l could pro vide fast po wer suppo rt for the islanded M icr oG rid, and can damp the vo ltag e and frequency fluctuat ions caused by the slow dy namical response o f gas turbine efficiently . T his wo rk is suppor ted by Nat ional N atur al Science Foundation o f China( N o. 50625722) , the K ey Grant Pr oject of Chinese M inistr y of Education( N o. 306004) , Do ctor al F und o f the St at e Education M inistr y of China ( N o . 07D0001) . Key words: M icro Gr id; simulation; distributed generatio n( DG) ; stability

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