基于MATLAB微型风电网的建模和仿真研究

沈正元，初翠平

(东北电力大学研究生院，吉林吉林132012)

风能是取之不尽用之不竭的清洁能源，是我国绿色能源发展的重要部分，也为边远的农村、海岛居民提供了高效清洁的能源。风力发电的输出受很多的约束，具有明显的周期性和不可预测性，负荷的随机性也很大。这就需要利用储能装置来控制功率的波动。当微电源发出的功率有多余时，多余的能量可以储存在电池中;反之，就把系统储存在电池中的能量释放出来，保持系统的供需平衡。当微电网处于孤岛运行状态时，储能设备对其能否起到一次调频的作用，是微电网正常运行的关键因素。

微型风电网和大电网结合供电具有明显的优点［1-2］。微型风电网可以看作是未来新型电力系统的一种可选结构，作为输电网和配电网后的第三级电网。常用的微型风电网控制方法有:基于电力电子基础下的即插即用与对等控制［3］、微网功率管理控制［4］和基于多代理技术的微电网控制［5］。

本文研究了微电网系统的控制策略和并网条件下的稳定性。在基于MATLAB/Simulink的环境下，通过对该微电网运行模式切换的仿真分析，验证了控制策略的有效性和正确性。

1 微型风电网运行方式

微型风电网有孤岛和并网2种运行模式。并网模式是指:在系统正常运行的情况下，微型风电网与常规电网相连，并进行能量交换，微型风电网向电网提供自身多余的电能，或者从电网得到电能，弥补本身电能的缺失。孤岛模式是指:微型风电网和主电网断开，由分布式电源向微电网内部供电，大大提高了整个系统的可靠性。

1.1 并网模式下微型风电网的运行特性

微型风电网在并网模式下运行时，大电网对微型风电网是一个支撑:首先体现在对微型风网频率的调节和平衡;其次，大电网还维持了微电网内部功率的平衡。分布式电源内部的渗透率高，因此，一旦缺少了对局部电压有效而迅速地控制，大电网内部系统就会有电压振荡和偏移。那么电网中电压的控制就希望无功电流不存在于各分布式电源之间;并网时，分布式电源为大电网提供辅助局部电压支持。

1.2 孤岛模式下微型风电网的运行特性

孤岛运行分为计划内和计划外孤岛运行2种模式:出现未知状况时，例如大网故障或者电能质量出现问题，这时的微网进入了计划外孤岛，这个方法极大提高了微型风电网和大电网的可靠性;为了取得更高的效益，微型风电网主动脱离大电网独立运行，这时称为计划内的孤岛运行。对孤岛下微电网控制，难度最大的是控制其频率。

2 微型风电网控制方法

微型风电网相对于主网来说，是一个可控的模块化单元，主要的控制设备有:DG系统控制器、可控负荷管理器、中央能量管理器、继电保护装置。

根据DG的不同，一般的可控制方法有PQ并网控制和孤岛U/f，Droop控制策略以及可控负荷策略。等效电网的综合控制法有基于U/f的多主微电网控制、U/f主从控制的微型风电网系统VPD/FRB的协调控制策略、基于多代练系统的控制方法。

相对于微型风电网整体来说，微电网的控制策略可分为主从控制和对等控制。

3 微型电源及储能控制方法

微型电源在孤岛模式和并网模式运行状态下的控制模式是不同的，不同方法的采取和微型电源的种类相关。微型风电网系统内部含有大量电力电子控制器件，常用的有3种控制方法:并网模式下的P/Q控制、孤岛模式下的调差控制和U/f控制。

微型风电网在并网模式下通常使用的是P/Q控制法。此时，大电网的频率和电压对微电网内部进行支撑。一般而言，使用电力电子逆变器的DG有2种P/Q控制法。

第1种控制策略针对的是有功控制和无功控制的不同对象。该策略是通过设定微型电源的原动机有功参数来对系统进行有功功率调节(如图1所示)，根据直流电压控制器辅助调节系统的内部电压，而系统的无功功率则按参考数值控制。系统的有功控制则由直流逆变器、电压控制器和DG控制器一起完成。控制的主要方式:首先给出原动机初始参考值Psetpoint，根据参考值得出在原动机自身功率调节器作用下的有功功率输出;然后保证直流电压在控制器PI1控制调节的情况下是恒定不变的，从而输出DG的有功功率。无功功率输出的控制主要是由控制逆变器决定:首先测量并计算出逆变器端口电压与电流信号，求得输出无功功率Q;接着通过PI2的控制，求出无功功率参考值Qref与实测的逆变器无功功率输出Q之间的差值;最后通过调节逆变器控制信号中无功电流的幅值，来实现恒定无功功率调节。

图1 P/Q控制策略

第2种控制策略是直接控制电力电子逆变器实现P/Q控制。在这个控制策略中，首先选取一个同步旋转轴，通过PARK变换将逆变器输出电压的abc分量转换为成dq0分量。其中设q轴电压分量ugq=0，根据以下公式可求得逆变器输出功率［6］:

由此可以得内环电流的dq轴参考值为

dq轴的电流参考值igd，ref和igq，ref与实际测量的电压值igd、igq的差，通过PI控制器，得到逆变器输出电压参考值u'id，ref和u'iq，ref。根据逆变器的Lt，设置控制dq轴电压的参考分量，uid，ref和uiq，ref经过反PARK变换，转化成 abc分量，完成逆变器的控制［7］，其控制策略如图2所示。

4 微型风电机组的原理及其模型

本文的风机选择无齿轮箱结构的永磁直驱发电机。为了使风机最大限度的吸收风能，发电机选择恒频变速策略。双PWM控制系统不仅可控制风机的输出，也可以对风机的有功和无功进行解耦，按需求输出了功率，也调节了功率因数，保证了输出电能符合负荷端的要求。风力发电机原理结构如图3所示。

图2 P/Q控制策略框图

图3 风力发电机结构图

系统的工作流程:风带动风机叶片，使风机的叶片转动带动风机，风机切割磁感线，将风能转化成电能，电流经过整流和逆变，将电能输出;为了保证风能最大限度地被利用，风机将通过最大功率跟踪法实现最大输出，风机尽量工作在最大点。

5 微型风电网的建模和仿真

5.1 基于MATLAB/Simulink的微电网仿真模型

系统仿真如图4所示，其中DG1、DG2、DG3、 DG4和负荷构成微型风电网，再通过线路、断路器与配电网相连［8］。假设4个微电源均为直流源或经过整流后的直流源，再经SVPWM逆变器逆变为三相交流电。当微电网处于联网运行模式时，4个微电源均采用PQ控制，控制其输出的功率为恒定;当微电网与主网断开处于孤岛模式运行时，主控型分布式电源DG1和DG2都采用U/f控制，以保证母线1和母线2的电压恒定，功率源型分布式电源DG3和DG4采用PQ控制，保证输出功率恒定。负荷1和负荷2为敏感性负荷，运行时应保证其供电的可靠性;负荷3为普通负荷，必要时可以切除。LC低通滤波器用于高次谐波的去除。

5.2 系统仿真参数的设置

表1-表3为仿真系统的主要参数。

表1 微电源参数

表2 负荷参数

图4 系统仿真结构图

表3 系统其它参数

5.3 微型风电网系统的仿真结果分析

为了验证微型风电网通过合理的控制保证可靠运行，分别针对微型风电网处于并网运行或孤岛运行及两种运行模式来回切换时进行仿真。

微型风电网在0～0.1 s处于并网运行状态。0.1 s时，微型风电网与主网断开;0.1～1 s时，系统转换成孤岛模式下运行;1 s时，微型风电网重新与主网相连，进行功率交换。仿真结果如图5所示。

图5 微电网模式切换时运行特性

从图5a和图5b中看出，在0～0.1 s时，4个DG的有功功率输出和无功功率的输出曲线之间有功率差额。此时，可以得出DG1和DG2是在PQ控制下保持了有功和无无功输出的稳定，外网承担了系统内部的功率差额，分别提供了2.4 kW的有功和3.0 kVar的无功。在0.1～1 s内，微型风电网与外电网处于断开状态，它们之间不存在能量交换。这个阶段即为孤岛运行，此时，DG1与DG2转换由U/f控制法控制，由图5a和图5b可以看出，DG1和DG2输出的有功功率和无功功率都相应的增加，目的是弥补原本大电网对微网运行时承担的差额功率，DG1和DG2根据自身的容量通过下垂系数调节所承担的功率。在1 s时，微型风电网重新并入主网，此时图中线段值又增大，说明输出功率增加。在这个转换过程中，并网时，DG通过PQ控制保证稳定的有功和无功输出;进入孤岛时，主控型的微电源通过U/f控制并根据其自身下垂系数自动地调节功率输出，补偿大电网脱网后对微型风电网产生的功率差额，从而使系统维持平衡。

图5c表示在切并网过程中母线1和母线2的电压的变化。可以看出，在0～0.1 s，0.1～1 s，1 s后三个时间区间内，母线1和母线2上的电压大小一直维持在380 V上下，0.1 s刻断开时，电压有小幅度的增加。图5d表示系统内频率的变化，当断开联网后，系统的频率也有所增加。在1 s时，重新并网，电压和频率与大网匹配，在微型风电网并网、脱网、再并网的过程中，电压和频率的变化不大，满足系统的要求。

图5e所指的是系统中电流的响应曲线。0～1 s，PCC点处的电流没波动;在1 s时，系统再并网，有一个较小的电流波动，说明在并网过程中没有产生很大的冲击电流。

图5f和图5g为敏感负荷1和敏感负荷2的电压及电流的波形。从图中可以看出，DG1和DG2的电压波形以及电流的波形十分光滑，表明在合理的控制策略下，微型风电网由并网转为孤岛，再重新并网的过程是可以平滑过渡的。

6 结束语

本文概述了微型风电网的研究发展现状，对微型风电网内关键技术的发展和微型风电网的控制方法进行了系统研究。在基于MATLAB/Simulink的环境下，通过对该微电网运行模式切换的仿真分析，验证了控制策略的有效性和正确性。

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