CN104734192A - 一种整体平衡式微电网系统 - Google Patents

Abstract

本发明构建了一种整体平衡式微电网系统，属于微电网技术领域。构建了各分布式电源数学模型和并基于matlab/Simulink仿真系统的系统及其控制方法，分别搭建光伏、蓄电池储能系统、柴油发电机的模型，结合系统自带模块，构建了交流微电网的整体性仿真模型。不仅仅有科研意义，更在现实中能够解决电网波动的问题，对该系统在多种工况下，各分布式电源出力对系统运行特性的影响进行仿真试验，结果表明，本发明所建的交流微电网模型能够准确模拟系统的实际运行情况，为微电网的运行与规划提供了技术支持。

Description

一种整体平衡式微电网系统

技术领域

本发明涉及电力领域，尤其涉及一种整体平衡式微电网系统。

背景技术

分布式发电系统(Distributed Generation，DG)以其高效率、低污染以及灵活性强的特点，逐渐成为各国未来发电方式的首选研究对象。但是，分布式电源出力的随机波动性会给当地配电网带来显著负面影响。因此，部分学者提出了一种由多个分布式发电设备组成的具有强运行特性，且综合管理方便的电网架构概念，即微电网。其优点包括：1)将大量零散管理划分为少数小整体的管理，提高了配电网的整体运行可靠性；2)微电网充分利用分布式电源的分散性、位置灵活的优点，能够挖掘分布式电源的效率；3)具有即插即用的特点，满足用户多样化需求；4)更能适应终端用户能源需求变化，提高能源利用效率。可见，微电网具有广阔的应用前景，亟需研究其运行特性。

针对微电网的建模与运行特性研究，目前主要有以下几种方法：一是给出了智能微型电网的建模的新思路，但并未给出各个分布式单元的模型。二是分别构建了典型的微电网系统，研究了微电网的暂态特性，但并未给出一个微电网整体建模过程，仅集中研究了逆变器与变流器控制策略。三是指出微电网孤网运行的频率特性是由不同微电源的调频特性共同决定，微电源的调频特性是影响微电网孤网频率特性的关键因素，只讨论了微电网的运行特性，缺少对微电网模型的研究。

发明内容

发明的目的：为了提供一种效果更好的整体平衡式微电网系统，具体目的见具体实施部分的多个实质技术效果。

为了达到如上目的，本发明采取如下技术方案：

一种整体平衡式微电网系统，其特征在于，包含如下步骤，

步骤一：搭建光伏电池、储能单元及柴油发电机等分布式电源的Simulink模型，确定多种工况下各个分布式电源及整个系统的运行特性；确定的步骤如下：

(1)分布式光伏电源模型

分布式光伏电源的等值电路模型采用的是既考虑并联电阻，又考虑串联电阻的精确模型；

假定光伏电池处于25℃和1000W/m2的条件下，设输出电压为U0、对应电流为I时，则光伏阵列的I-U方程为：

$I=I_{\mathrm{sc}}[l-c_1(\exp \frac{U_o}{c_2{U}_{\mathrm{oc}}}-1)]---\left(1\right)$

式中：Isc为短路电流，Uoc为开路电压，C1为二极管反向饱和系数，C2为PN结理想因数；根据最大功率点处U＝Um，I＝Im，以及开路状态下U＝Uo，I＝0，可得其计算结果如式(2)和(3)；

$c_1=(1-\frac{I_m}{I_{\mathrm{sc}}})\exp \frac{-U_m}{c_2{U}_{\mathrm{oc}}}---\left(2\right)$

$c_1=(1-\frac{I_m}{I_{\mathrm{sc}}})\exp \frac{-U_m}{c_2{U}_{\mathrm{oc}}}---\left(3\right)$

利用光伏电池的光生电流与阳光辐射强度成正比、开路电压UOC与阳光辐射强度呈对数关系等规律，对标准特性曲线进行修正，从而得到任意工况下的光伏电池I-U特性曲线。其计算公式如下：

$I_{\mathrm{SC}}=I_{\mathrm{SC}}\frac{S}{S_{\mathrm{ref}}}(1+\mathrm{\α\ΔT})---\left(4\right)$

U_OC＝U_OC(1-γΔT)ln(1+βΔS)            (5)

$I_m=I_m\frac{S}{S_{\mathrm{ref}}}(1+\mathrm{\α\ΔT})---\left(6\right)$

U_m＝U_m(1+γΔT)ln(1+βΔS)        (7)

其中，一般工况与标准工况的温度差ΔT和相对照度差ΔS的计算方法为：

ΔT＝T-T_ref                  (8)

$\mathrm{\ΔS}=\frac{S}{S_{\mathrm{ref}}}-1---\left(9\right)$

搭建分布式光伏电源的Simulink仿真模型；

(2)蓄电池储能单元模型

由Kirchhoff电流定律，蓄电池的模型可表示为：

U_b＝E_b(S_soc)-I_bR_e                 (10)

式中：E_b(S_soc)为蓄电池开路电势，Ib为蓄电池充/放电电流，Re为蓄电池内阻；其中，蓄电池的静态参数E_b(S_soc)，可根据出厂试验数据拟合得到，其计算方法如式(11)所示；

E_b(S_soc)＝a·S_soc％+b      (11)

式中：a，b为模型拟合系数，Ssoc％为蓄电池的荷电状态，其计算方法见式(12)；

$S_{\mathrm{soc}}\left(t\right)=S_{\mathrm{soc}}(t-1)-\frac{{\∫}_{t-1}^t\mathrm{\η}\·i_{\left(r\right)}\·\mathrm{d\τ}}{C}---\left(12\right)$

式中：η为充/放电效率，i_(r)为当前充/放电电流；

搭建蓄电池储能单元的模型；

(3)柴油发电机及风力发电单元

采用Simulink系统中自带的风力发电模块；

最后，本发明搭建的交流微电网平台中包含了一个20kW的光伏发电模块，一个6kW的风力发电模块，一个10kW的柴油发电机和10kWh的碳铅电池，以及本地小区的楼宇综合负荷构成；

步骤二：控制系统交流微电网平台在并网和孤网间的运行和调试；

并网运行，系统在刚开始启动阶段，电压、频率发生了波动，其波动范围是由于模型自身的初始化导致了初始阶段的电压、频率的波动；微电网并网运行时，系统的电压、频率主要上级电网维持，某个分布式电源的出力发生波动时，对微电网系统的电压、频率无影响；

交流微电网孤网运行

交流微电网系统并网运行在0.5s时，由并网运行切换至孤网运行；微电网由并网运行切换至孤网运行时，系统的电压、频率均发生了明显的波动；蓄电池储能单元和柴油发电机的出力均发生了波动，其中蓄电池的出力由0变成5kW，柴油发电机的出力增加了2kW，经过0.4s后，系统电压、频率稳定，与并网运行时相比，系统的电压、频率均有跌落，微电网由并网切换至孤网运行时，储能单元充当了微电网系统的热备用，储能单元与柴油发电机具有对系统频率、电压的稳定的作用。

采用如上技术方案的本发明，相对于现有技术有如下有益效果：构建的系统以及其控制的方法，具有很好的现实意义和实验意义，以上电网结构和控制方法，集成多种基本能源，有效使得系统频率、电压的稳定，避免额外波动。

附图说明

为了进一步说明本发明，下面结合附图进一步进行说明：

图1为交流微网系统整体架构图；

图2为分布式光伏电源的Simulink仿真模型图；

图3为光伏阵列的控制系统结构图；

图4为蓄电池储能单元的模型图；

图5为蓄电池储能单元的控制系统图；

图6为柴油发电机调速系统图；

图7为柴油发电机励磁系统图；

图8-1为仿真模型整体结构第一部分图；

图8-2为仿真模型整体结构第二部分图；

图8-3为仿真模型整体结构第三部分图

图9风力发电机有功出力图；

图10交流微电网系统电压图；

图11交流微电网系统频率图；

图12柴油发电机的有功出力图；

图13交流微电网系统频率图；

图14交流微电网系统电压图；

图15蓄电池的有功出力图；

图16柴油发电机的有功出力图；

图17交流微电网系统电压图；

图18交流微电网系统频率图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行说明，实施例不构成对本发明的限制：

本发明针对现有方法的不足，从整体角度出发，通过搭建光伏电池、储能单元及柴油发电机等分布式电源的Simulink模型，风力发电单元，光伏发电单元，柴油发电机与蓄电池储能单元等模块并联于母线2上，楼宇综合负荷母线1通过断路器K2与母线2相连，构成一个交流微电网系统，微电网系统通过升压变压器和微电网主分离器与10kV配电网相连。考虑到用户用电的可靠性，楼宇负荷采用双电源供电。并结合系统自带的风机模型，构建交流微电网仿真模型。利用该模型仿真多种工况下各个分布式电源及整个系统的运行特性。其系统整体架构如图1所示。

本发明的交流微电网系统及其各个分布式单元的建模过程如下：

(1)分布式光伏电源模型

分布式光伏电源的等值电路模型采用的是既考虑并联电阻，又考虑串联电阻的较精确模型。

假定光伏电池处于25℃和1000W/m2的条件下，设输出电压为U0、对应电流为I时，则光伏阵列的I-U方程为：

$I=I_{\mathrm{sc}}[l-c_1(\exp \frac{U_o}{c_2{U}_{\mathrm{oc}}}-1)]---\left(1\right)$

式中：Isc为短路电流，Uoc为开路电压，C1为二极管反向饱和系数，C2为PN结理想因数。根据最大功率点处U＝Um，I＝Im，以及开路状态下U＝Uo，I＝0，可得其计算结果如式(2)和(3)。

$c_1=(1-\frac{I_m}{I_{\mathrm{sc}}})\exp \frac{-U_m}{c_2{U}_{\mathrm{oc}}}---\left(2\right)$

$c_1=(1-\frac{I_m}{I_{\mathrm{sc}}})\exp \frac{-U_m}{c_2{U}_{\mathrm{oc}}}---\left(3\right)$

受光照和温度的影响，光伏电池的运行特性具有了随机波动性，导致在工程实际中，不同环境下的ISC、UOC、Imp、Ump值测量困难，无法获取准确的任意条件下的I-U曲线，因此，可利用光伏电池的光生电流与阳光辐射强度成正比、开路电压UOC与阳光辐射强度呈对数关系等规律，对标准特性曲线进行修正，从而得到任意工况下的光伏电池I-U特性曲线。其计算公式如下：

$I_{\mathrm{SC}}=I_{\mathrm{SC}}\frac{S}{S_{\mathrm{ref}}}(1+\mathrm{\α\ΔT})---\left(4\right)$

U_OC＝U_OC(1-γΔT)ln(1+βΔS)              (5)

$I_m=I_m\frac{S}{S_{\mathrm{ref}}}(1+\mathrm{\α\ΔT})---\left(6\right)$

U_m＝U_m(1+γΔT)ln(1+βΔS)        (7)

其中，一般工况与标准工况的温度差ΔT和相对照度差ΔS的计算方法为：

ΔT＝T-T_ref              (8)

$\mathrm{\ΔS}=\frac{S}{S_{\mathrm{ref}}}-1---\left(9\right)$

其搭建分布式光伏电源的Simulink仿真模型如图2所示。光伏阵列的控制系统结构如图3所示。(模型有两个输入端S、T分别代表光照辐射量和环境温度，一个输出端I_pv代表光伏组件的输出电流。其V_m，V_oc，I_m，I_sc为光伏组件的基本参数。)

(2)蓄电池储能单元模型

目前使用最为广泛的蓄电池储能模型为戴维南等效电路模型。理想电压源Eb为电池开路电压，与SOC(荷电状态)有关；Rx为电池中电极板、电解液和间隔板的电阻；电阻Rc和电容C组成过电势网络，用于表示电池的极化反应过程。电动势Eb和电阻Rx代表开路电压和电池自身内阻，与充放电电流无关，其主导因素为SOC[11]。由Kirchhoff电流定律，蓄电池的模型可表示为：

U_b＝E_b(S_soc)-I_bR_e         (10)

式中：E_b(S_soc)为蓄电池开路电势，Ib为蓄电池充/放电电流，Re为蓄电池内阻。

其中，蓄电池的静态参数E_b(S_soc)，可根据出厂试验数据拟合得到，其计算方法如式(11)所示。

E_b(S_soc)＝a·S_soc%+b                    (11)

式中：a，b为模型拟合系数，Ssoc％为蓄电池的荷电状态，其计算方法见式(12)。

$S_{\mathrm{soc}}\left(t\right)=S_{\mathrm{soc}}(t-1)-\frac{{\∫}_{t-1}^t\mathrm{\η}\·i_{\left(r\right)}\·\mathrm{d\τ}}{C}---\left(12\right)$

式中：η为充/放电效率，i_(r)为当前充/放电电流。

综上所述，将蓄电池储能单元的模型搭建如图4所示。蓄电池储能单元的控制系统如图5所示。(模型具有一个输入端和一个输出端，分别代表蓄电池的充/放电电流和蓄电池输出电压。)

(3)柴油发电机及风力发电单元模型

对于柴油发电机，本发明为了降低建模难度以同步发电机模拟柴油发电机，其调速系统和励磁系统如图6和图7所示。风力发电单元本文采用Simulink系统中自带的风力发电模块。

最后，本发明搭建的交流微电网仿真平台中包含了一个20kW的光伏发电模块，一个6kW的风力发电模块，一个10kW的柴油发电机和10kWh的碳铅电池，以及本地小区的楼宇综合负荷构成，其仿真模型整体结构如图8所示。

微电网系统属于低压发配电网，与高压输电线路相比，其网络线路的R/X比率很高。这意味着与无功功率相比，系统中有功功率要对系统电压、频率的影响更大，因此，本发明的仿真分析主要集中在有功功率对系统电压、频率的影响上。

1)交流微电网并网运行

在仿真过程中忽略温度对光伏电池和蓄电池的影响，由于仿真时间较短，视太阳光照强度不变，为1000W/m2，考虑了风速的变化：在0-20s时，风速为6m/s，20-50s时，风速为11m/s。仿真结果如图9-11所示。

由图可知，系统在刚开始启动阶段，电压、频率发生了波动，其波动范围尚未超过电力规定范围。其原因主要是，模型自身的初始化导致了初始阶段的电压、频率的波动。随后系统的电压、频率基本稳定于额定值附近。20s时，由于风速的突变导致风力发电单元的出力发生了变化，但微电网系统的电压、频率仍保持额定值附近。结果表明，微电网并网运行时，系统的电压、频率主要上级电网维持，某个分布式电源的出力发生波动时，对微电网系统的电压、频率基本无影响。

2)交流微电网并网运行时，发生单相接地故障

交流微电网并网运行1.5s时，发生了单相短路，0.1s后故障切除。其仿真结果如图12-14所示。

由图可知，交流微电网系统在发生单相接地故障时，电压、频率严重跌落，柴油发电机的有功出力发生了波动，有功功率稳定后，较故障前增加了0.5kw；0.1s后故障切除，微网系统电压、频率在上级系统的维持下，经过数个周波的振荡后恢复到额定值附近。

3)交流微电网孤网运行

交流微电网系统并网运行在0.5s时，由并网运行切换至孤网运行，其仿真结果如图15-18所示。

由图可知，微电网由并网运行切换至孤网运行时，系统的电压、频率均发生了明显的波动；蓄电池储能单元和柴油发电机的出力均发生了波动，其中蓄电池的出力由0变成5kW，柴油发电机的出力增加了2kW，经过0.4s后，系统电压、频率基本稳定，与并网运行时相比，系统的电压、频率均有跌落，但均在电能质量允许的范围内。结果表明，微电网由并网切换至孤网运行时，储能单元充当了微电网系统的热备用，储能单元与柴油发电机的出力对系统频率、电压的稳定起着尤为重要的作用。

仿真算例验证了模型的正确性和有效性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的范围内。

Claims (1)

1.一种整体平衡式微电网系统，其特征在于，包含如下步骤，

步骤一：搭建光伏电池、储能单元及柴油发电机等分布式电源的Simulink模型，确定多种工况下各个分布式电源及整个系统的运行特性；确定的步骤如下：

(1)分布式光伏电源模型

分布式光伏电源的等值电路模型采用的是既考虑并联电阻，又考虑串联电阻的精确模型；

假定光伏电池处于25℃和1000W/m2的条件下，设输出电压为U0、对应电流为I时，则光伏阵列的I-U方程为：

$I=I_{\mathrm{sc}}[1-c_1(\exp \frac{U_o}{c_2{U}_{\mathrm{oc}}}-1)]---\left(1\right)$

式中：Isc为短路电流，Uoc为开路电压，C1为二极管反向饱和系数，C2为PN结理想因数；根据最大功率点处U＝Um，I＝Im，以及开路状态下U＝Uo，I＝0，可得其计算结果如式(2)和(3)；

$c_1=(1-\frac{I_m}{I_{\mathrm{sc}}})\exp \frac{-U_m}{c_2{U}_{\mathrm{oc}}}---\left(2\right)$

$c_1=(1-\frac{I_m}{I_{\mathrm{sc}}})\exp \frac{-U_m}{c_2{U}_{\mathrm{oc}}}---\left(3\right)$

利用光伏电池的光生电流与阳光辐射强度成正比、开路电压UOC与阳光辐射强度呈对数关系等规律，对标准特性曲线进行修正，从而得到任意工况下的光伏电池I-U特性曲线；

其计算公式如下：

$I_{\mathrm{SC}}=I_{\mathrm{SC}}\frac{S}{S_{\mathrm{ref}}}(1+\mathrm{\α\ΔT})---\left(4\right)$

U_OC＝U_OC(1-γΔT)ln(1+βΔS)    (5)

$I_m=I_m\frac{S}{S_{\mathrm{ref}}}(1+\mathrm{\α\ΔT})---\left(6\right)$

U_m＝U_m(1+γΔT)ln(1+βΔS)    (7)

其中，一般工况与标准工况的温度差ΔT和相对照度差ΔS的计算方法为：

ΔT＝T-T_ref    (8)

$\mathrm{\ΔS}=\frac{S}{S_{\mathrm{ref}}}-1---\left(9\right)$

搭建分布式光伏电源的Simulink仿真模型；

(2)蓄电池储能单元模型

由Kirchhoff电流定律，蓄电池的模型可表示为：

U_b＝E_b(S_soc)-I_bR_e    (10)

式中：E_b(S_soc)为蓄电池开路电势，Ib为蓄电池充/放电电流，Re为蓄电池内阻；

其中，蓄电池的静态参数E_b(S_soc)，可根据出厂试验数据拟合得到，其计算方法如式(11)所示；

E_b(S_soc)＝a·S_soc％+b    (11)

式中：a，b为模型拟合系数，Ssoc％为蓄电池的荷电状态，其计算方法见式(12)；

$S_{\mathrm{soc}}\left(t\right)=S_{\mathrm{soc}}(t-1)-\frac{{\∫}_{t-1}^t\mathrm{\η}\·i_{\left(r\right)}\·\mathrm{d\τ}}{C}---\left(12\right)$

式中：η为充/放电效率，i_(r)为当前充/放电电流；

搭建蓄电池储能单元的模型；

(3)柴油发电机及风力发电单元

采用Simulink系统中自带的风力发电模块；

最后，本发明搭建的交流微电网平台中包含了一个20kW的光伏发电模块，一个6kW的风力发电模块，一个10kW的柴油发电机和10kWh的碳铅电池，以及本地小区的楼宇综合负荷构成；

步骤二：控制系统交流微电网平台在并网和孤网间的运行和调试；

并网运行，系统在刚开始启动阶段，电压、频率发生了波动，其波动范围是由于模型自身的初始化导致了初始阶段的电压、频率的波动；微电网并网运行时，系统的电压、频率主要上级电网维持，某个分布式电源的出力发生波动时，对微电网系统的电压、频率无影响；

交流微电网孤网运行

交流微电网系统并网运行在0.5s时，由并网运行切换至孤网运行；微电网由并网运行切换至孤网运行时，系统的电压、频率均发生了明显的波动；蓄电池储能单元和柴油发电机的出力均发生了波动，其中蓄电池的出力由0变成5kW，柴油发电机的出力增加了2kW，经过0.4s后，系统电压、频率稳定，与并网运行时相比，系统的电压、频率均有跌落，微电网由并网切换至孤网运行时，储能单元充当了微电网系统的热备用，储能单元与柴油发电机具有对系统频率、电压的稳定的作用。