微网建模的研究

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(1.国网浙江省电力公司温州供电公司，浙江 温州 325000；2.三峡大学 国际文化交流学院，湖北 宜昌 443002)

1 引言

进入21世纪以来，世界范围内能源供应持续紧张，传统的一次能源是不可再生的，终归要走向枯竭。因此，合理开发、使用高效清洁的绿色能源、提高能源利用效率已成为解决未来能源问题的重要出路，受到世界各国的普遍关注。因此，分布式电源和微网应运而生。微网的概念由美国威斯康辛大学的R.H.Lasseter于2001年在文献[1]中首先提出。微网概念一经提出就受到了国内外学者的重视，作为未来分布式发电系统运行并接入电力系统的主要模式之一。目前很多国家都开展并加强了与微网相关的科研工作，也成功建立了不少微网的模型。各国通过建立小型微网实际示范工程，验证了前期提出的大量理论分析结果，如微网的运行特性、微网的保护理论、微网的控制理论[2-17]等。

本文的主要工作是对微网的结构进行分析，深入研究微网的特点，然后在电力系统仿真软件PSCAD/EMTDC环境中对微网中各元件进行了建模，包括分布式电源的建模、输电线路的建模、负荷的建模、配电网主系统的建模。最后将各元件模块搭建成微网的模型。

2 微网的基本结构及其特点

到目前为止，国内外对微网的概念还没有形成统一的定义[18]，但其基本结构是相同的。图1是一种较经典的微网的基本结构图,该微网由一条母线引出三条馈线，馈线1和2为重要用电负荷，馈线3为非重要用电负荷。微网内部含有各种类型的分布式电源，有利用太阳能发电的光伏发电系统、利用风能发电的小型风力发电机、利用燃气能发电的微型燃气轮机等。微网内部电力电子设备可以实现对微网的运行状态的控制和功率的调节，以维持微网的正常稳定的运行。一些更为先进的微网中有专门管理能量的智能化系统，负责传送微网中的信息及控制微网稳定运行[19]。

图1 典型微网的基本结构图

微网中的分布式电源的选取，可以根据地理环境、气候条件和当地资源的不同进行选择。根据其所在地的不同，微网可以是城市区域微网、农村城镇微网、山区微网、工业区微网等。因此,微网的规模不可能有特别严格的局限，只要在建设微网的时候因地制宜即可[19]。参考并总结文献[20-22]所做的工作，本文所建微网模型的容量在5～10MW范围，直接管理配电网内一条母线，其电压等级定为10kV。

3 网模型的建立

3.1 分布式电源的建模

微网中分布式电源的形式多种多样，本文所研究的分布式电源将重点对光伏发电系统和小型风力发电机进行建模。

3.1.1 光伏电池及逆变器的建模

光伏发电是一种将太阳能转边为电能的发电方式，光伏发电系统是由光伏电池、光伏发电控制器、电能存储和变换等设备构成的发电及电能转换系统[23]。本文不对分布式电源电能的输出特性做详细分析，只关注分布式电源和微网相互间的影响。所以这里用PSCAD/EMTDC仿真软件中的直流电源模型来等效光伏电池。

本文的光伏电池及逆变器控制部分的建模包括直流电源部分、三相六桥臂逆变部分、LCL滤波器、脉冲生成模块和幅频调节控制环节。该等效的直流电源模型模拟输出的电压是光伏电池经过DC/DC升压电路升压后的电压。逆变器的控制策略为恒功率PQ控制策略，可以输出恒定的有功功率和无功功率。图2是建成后的整体框图，将功率恒定在有功P=1.6MW，无功Q=0.8MVar。其各部分的仿真建模将在下面做详细介绍。

图2 光伏电池及逆变器模型

本文所建的三相六桥臂逆变器模型,其经过DC/DC升压电路升压后的直流电压U=2.4kV，该直流电压经过SPWM调制技术[24]逆变后再通过LCL滤波模块，即可得到近似正弦波的三相输出电压,其输出电压再通过Δ-Y连接，0.7/10kV变比的变压器接入配网电网主系统或负荷。三相六桥臂逆变部分和LCL滤波模块如图3所示。LCL滤波模块中，L1=0.5mH，L2=0.36mH，R=0.1Ω,C=280μF。

脉冲生成模块的建模包括载波发生模块、调制波发生模块和六相SPWM生产模块的建模。其基本原理是通过以调制信号与银齿波形式的载波信号进行比较，两种信号的交点即为开关的通断时刻，从而实现对于逆变器中晶间管通断信号的控制。载波发生模块和调制波发生模块如图4～图6所示。

光伏发电系统的幅频调节控制环节如图7所示，该环节通过对实际测得的有功功率与给定的有功功率的差的比例积分控制来控制系统的有功功率的输出，通过对实际测得的无功功率与给定的无功功率的差的比例积分控制来控制系统的无功功率的输出，最后输出正弦调制波频率和调制比。

光伏电池及逆变器控制部分的模型建成后，将对其输出结果进行说明。图8和图9是逆变器出口处输出的单相电压波形和有功功率、无功功率波形，波形显示该光伏发电系统输出的电压波形很接近正弦波，有功功率和无功功率经过PQ控制策略的控制，设定了预定的输出功率。该光伏电池发电系统可用于接入微网进行进一步的研究。

图3 三相六桥臂逆变部分和LCL滤波模块

图4 载波发生模块

图5 调制波发生模块

图6 六相SPWM生产模块

图7 幅频调节控制模块

图8 逆变器出口处输出的A相电压波形

3.1.2 风力发电机的建模

风力发电就是通过叶轮将风能转变为机械转矩(风轮转动惯量)，通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机发出的电能并入电网。本文所建的风力发电机模型是基于同步发电机的模型简易风机模型，用Wind Source这个模块模拟风速来推动风力涡轮机，通过简易的控制装置控制其轮轴转速，最后驱动同步发电机发电，其输出电压再通过连接，0.4/10kV的变压器接入配网或负荷。建成的风力发电机模型如图10所示。该风力发电机的容量为4MVA，风力机的额定容量为4MW。由于本文在研究微网的模型时，其仿真时间较短，可设定恒定的风速为8m/s。

图9 P=1.6MW，Q=0.8MVar时，PQ控制输出结果

图10 风力发电机模型

3.2 输电线路、负荷的建模及配电网主系统的建模

由于微网中线路输电距离较短，输电线路采用集中参数RL模型，线路参数取R=0.273Ω/km，L=0.0011H/km，仿真过程中用串联电阻和电感的支路来等效。

负荷采用PSCAD/EMTDC仿真软件中Fixed Load模型来等效，Fixed Load模型采用恒功率感性负载模型，即将内部参数dP/dV、dQ/dV、dP/dF、dQ/dF都设置为零。

配电系统采用PSCAD/EMTDC仿真软件中Three-Phase Voltage Source Model 2模块等效，系统电压为10kV，在微网内部发生故障时，配电网主系统视为无穷大系统，将对故障点提供较大的故障电流。

3.3 微网模型的建立

最后建立的微网系统模型如图13所示，该微网直接管理配电网内一条母线，微网由一条母线引出三条馈线。线路L1长度为6km，所接非重要负荷为1.8+j06(MVA)，线路上设有母线B2，为今后接入分布式电源扩建做准备；线路L2长度为10km，所接重要负荷为3.9+j1.2(MVA)，在线路末端接入额定容量为4MVA的风力发电机；线路L3长度为12km所接重要负荷为3+j0.9(MVA)，在线路中离负荷4km处加入光伏发电系统，其额定容量为1.8MVA。微网与配电网主系统之间接有一条4km长的线路L0，该线路上装有静态开关。母线B4上还装有无功补偿装置，用于调节电压。

图11 微网建成后的模型图

4 结束语

本文从微网研究的背景和意义出发，介绍了典型微网的内部结构及其特点。基于PSCAD/EMTDC仿真软件，搭建了微网中的各种元件的模型，包括分布式电源的建模、输电线路的建模、负荷的建模及配电网主系统的建模，其中分布式电源的建模包括光伏发电系统的建模、风力发电机的建模，并重点分析了光伏发电系统逆变器出口处的故障特征。最后将各元件模块搭建成微网的模型。微网模型的建立有利于微网的运行分析、控制理论、保护理论做进一步的分析。