新能源发电及并网技术综述与仿真

新能源发电及并网技术综述与仿真

谢晨娟

中国铁路设计集团有限公司 天津市 300000

Review and Simulation of New Energy Power and Its Gridconnected Technology

摘要：本文综合考虑微电源和负荷的多样性、分散性等特点，对微电网的两种典型运行模式分别采用不同的控制策略。对微电网并网运行、孤岛运行以及两种运行模式的切换和孤岛模式下微电源并网等几种运行情况进行仿真分析，验证控制策略的正确性和有效性。

关键词：新能源；新能源发电；微电网

ABSTRACT： This paper considers the persity of micro power source and load, the dispersion characteristics of the micro grid of two kinds of typical operation mode using different control strategies respectively. Island of micro power grid parallel operation, running and two kinds of operation mode switching and island mode such as micro power grid operation simulation analysis, validate the correctness and effectiveness of control strategy.

KEY WORDS：new energy; new energy generation; micro grid

0 序言

近年来自然灾害不断升级,迫使人们不得不减少对传统能源的依赖，新能源最大优势是地域分布比较均衡且资源量巨大。本文对基于可再生能源发电的微电网技术等进行了探讨。

1 微电网概念及结构

与当前的大电网相比，微电网具有明显的经济和环境效益。配电系统会因为微电网而发生根本性的变化，将从辐射性网络转变为电源和用户互联的网络；另外，微电网和DG的应用会对电力市场的走向也产生影响。

1.1 微电网控制策略

1.1.1微电源逆变器数学模型

本节将微电源等效为直流源，在三相电压源型逆变电路中，引入空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术对其建模进行分析。

图1 三相电压源型逆变电路图

等效后的微电源经SVPWM控制的逆变器后，将直流电转为交流电，LC滤波器将调制波中的高次谐波滤除，通过线路、开关连接到馈线。电路状态方程如下：

（1-1）

（1-2）

将电压、电流矢量表达式代入可得：

（1-3）

图2 电压空间矢量

定义三相相电压所合成的电压空间矢量 为：

（1-4）

假设 轴与A轴重合：

，^（1-5）

将d轴与三相合成矢量重合，变换式为： （1-6）

考虑到三相平衡，变换关系如下：

（1-7）

同理可得， 、 、 转换之后的dq量：

（1-8）

根据式（1-8）可以得到构成系统的模型结构图，如图3所示：

图3 系统的模型结构图

可以看出，系统dq轴的输出电流 、 除了受控制量 、 的影响外，还受到耦合电压 、 扰动和输出电流 、 扰动的影响。计算功率：

同步旋转坐标系 ，因此功率为：

（1-9）

可见同步旋转坐标系下有功功率由d轴电流所决定，无功功率则由q轴电流决定。

1. 1. 1. 1.1.2 空间电压矢量调制SVPWM 技术

1.SVPWM基本原理

设直流母线侧电压为 ，逆变器输出的三相相电压为 、 、 ，其分别加在空间上互差 的三相平面静止坐标系上，可以定义三个电压空间矢量 、 、 ，方向在各相轴线上，大小随着时间按正弦规律做变化，时间相位互差 。假设 为相电压有效值， 为电源频率，则有：

（1-10）

其中， ，则 可以表示为： （1-11）

由于逆变器共有6个开关管，所以( 、 、 )共有八个组合，将8种组合映射到复平面可得空间电压矢量图。

图4 电压空间矢量图

2.SVPWM控制算法

图5是在静止坐标系（ ）中的电压空间矢量图，矢量控制系统给出信号 ， 以角频率 在空间内逆时针旋转，当旋转到某个扇区中时，系统计算其基本电压空间矢量，并根据状态控制功率开关元件动作。

图5 电压空间矢量合成示意图

由图5可以得到以下各式：

（1-12）

将式（1-11）及 和 代入式（1-12）中，可以得到：

（1-13）

取SVPWM的调制深度为： ，要使得电压的合成矢量在线性区域内调制，须满足 ，则 。由此可见SVPWM比正弦脉宽调制高出15.47%的直流侧电压利用率。

（1）合成矢量 所处扇区N的判断

假定合成的电压矢量落在第I扇区，可知其等价条件如下：

（1-14）

（2）确定各扇区相邻两非零矢量和零矢量作用时间由图5可以得出：

（1-15）

以此类推得出其它扇区作用时间，令：

（1-16）

（3）确定各个扇区的矢量切换点

定义：

（1-17）

图6表示扇区I的开关状态，每次矢量变化时，只有一个功率开关的状态发生变化。

图6 扇区I内三相PWM调制方式

1.2 基于MATLAB/Simulink的微电网系统仿真模型

本文在MATLAB/Simulink环境下建立微电网系统模型，主电路模型如图7所示。

图7 微电网系统结构图

图7中，微电网系统主要由4个微电源（DG1~DG4）、线路、开关和负荷组成。微电网并网运行时，微电源均采用PQ控制，保证其输出功率为恒定值；孤网运行时，主控型微电源DG1、DG2采用V/f控制，控制母线1和母线2电压恒定，功率源型微电源DG3、DG4仍然采用PQ控制，使其输出恒定的功率。

1. 1. 1.3 微电网系统仿真分析

      1. 1.3.1 微电网并网、孤岛运行以及两种运行模式切换的仿真结果

微电网系统0.1s前与电网并网运行，0.1s时与电网断开独立运行，1s时重新连接到电网中，仿真结果如图8所示。

(a) DG1~DG4输出有功功率

(b)DG1~DG4输出无功功率

(c)母线1和母线2的电压

图8微电网并网、孤网、再并网运

图8（a）和（b）中，微电网并网运行时，DG1和DG2都采用PQ控制，其输出的有功功率、无功功率均不变。为了保持功率平衡，外电网向微电网补充了2.4kW的有功功率和3.0kVar的无功功率。在0.1s~1s时，微电网与外电网断开，外电网不再对微电网提供功率补给，此时DG1和DG2切换控制模式，采用V/f控制，其输出的有功功率、无功功率均增加，并根据自身的下垂系数和微电源容量来按比例分担原来由外电网向微电网提供的功率缺额。从图中可以看出，DG1发出的有功、无功功率分别由并网时的12.4kW、0kVar转变为孤岛后的14kW、2.0kVar。DG3和DG4在并网和孤岛运行时，都采用PQ控制，其输出的有功、无功功率分别为：3.6kW、1.0kVar和4.0kW、1.0kVar。图（c）表明，微电网和外电网断开后，母线1和母线2的电压幅值均有增加。微电网从断网到再并网的整个过程中，系统频率和电压幅值变化都始终在允许的范围内，对敏感负荷1和敏感负荷2的电压质量要求都能够满足。

2 总结

本文等效出一种微电源逆变器的通用模型，然后引入空间矢量控制（SVPWM）对其进行数学建模分析。由于电力电子器件会产生大量的谐波，设计了相应的逆变器输出滤波器。针对不同的微电源以及微电网的两种运行模式，将微电源分为主控型和功率源型两类，并分别设计了相应的控制器。其次，针对微电源并入孤岛运行的微电网时，存在的电压幅值、相位和频率差，对微电网造成了很大的冲击问题，设计了同步并网控制器。最后，对两种运行模式的切换进行仿真分析，验证了控制策略的正确性和有效性。

参考文献

1. 薛晴.潮汐能的利用与发展前景[J].科技致富向导.2012(26)

2. 徐德鸿,李海津,李霄,张文平. 燃料电池发电系统研究综述[J].电源学报.2012(06)

3. 安典强,常喜强,李梅,张新燕.微网并网运行存在的问题及应对措施[J].四川电力技术.2012(04)

4. 黄伟,孙昶辉,吴子平,张建华.含分布式发电系统的微网技术研究综述[J].电网技术.2009,33-9

5. 李晶,许洪华,赵海翔,等.并网光伏电站动态建模及仿真分析[J].电力系统自动化, 2008, 32(24): 83-87