風力與光伏混合發(fā)電下的微網(wǎng)建模仿真技術
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摘要：風力和太陽能都是具有較高應用價值的可再生性的新型清潔能源，同時風力和光伏發(fā)電的互補性也比較好，通過光伏以及風力的混合發(fā)電形式能夠有效提高微網(wǎng)運行的穩(wěn)定性和可靠性，因此要加大對光伏以及風力混合微電網(wǎng)的模型構建以及相關方陣技術的研究，從而促進我國分布式發(fā)電以及新能源技術的快速發(fā)展。
關鍵詞：風力；光伏；混合發(fā)電；微網(wǎng)建模；仿真技術
隨著我國新能源以及分布式發(fā)電等新星技術的發(fā)展，以風力和太陽能新能源為基礎的混合發(fā)電方微網(wǎng)系統(tǒng)得到了較快的發(fā)展，但由于目前在微網(wǎng)建設方面還處于發(fā)展階段，缺乏相關的經(jīng)驗，還需要通過模型構建以及仿真運行等方式來進行技術驗證，才能進一步提高微網(wǎng)系統(tǒng)結構的合理性和科學性，從而實現(xiàn)優(yōu)化微網(wǎng)結構配置的目的，為我國的供電系統(tǒng)提供更加穩(wěn)定安全的電力能源。本文對以風力與光伏混合發(fā)電為基礎的微網(wǎng)建模以及仿真技術進行分析，以推動我國新能源技術、分布式發(fā)電以及微網(wǎng)系統(tǒng)建設等相關技術的現(xiàn)代化發(fā)展。
1概述微網(wǎng)的基本含義
1.1基本概念以及微網(wǎng)構成
微網(wǎng)系統(tǒng)的概念是在新能源開發(fā)利用的過程中逐步形成的。微網(wǎng)主要是指由微型電源以及負荷共同構成的系統(tǒng)，在該整合系統(tǒng)中能夠同時提供熱量以及電力能源[1]。而微網(wǎng)系統(tǒng)的控制主要由相關電子設備來實現(xiàn)，具有較高的控制靈活性，因此可以作為獨立性較高的可控單元來為用戶提供穩(wěn)定可靠的電力能源供應。在微網(wǎng)系統(tǒng)中一般主要包括分布式電源、儲能設備、電子元件、通信網(wǎng)絡以及相關的控制裝置等。同時在微網(wǎng)系統(tǒng)中還包含了可調節(jié)性負荷、敏感負荷以及非敏感性等負荷類型，這也是微網(wǎng)區(qū)別與大電網(wǎng)的重要結構特點。
1.2基于風力與光伏混合發(fā)電的微網(wǎng)建模和仿真技術研究的重要性
在微網(wǎng)系統(tǒng)構建的過程中，電力系統(tǒng)的復雜性及其結構特點會造成微網(wǎng)系統(tǒng)運行的可靠性相對較低且成本投入過高，直接影響微網(wǎng)系統(tǒng)的建設以及運行測試的正常開展。因此采取利用計算機軟件來對微網(wǎng)系統(tǒng)進行建模分析，并通過仿真技術來進行系統(tǒng)的運行模擬能夠為微網(wǎng)系統(tǒng)的設計建設、系統(tǒng)設備參數(shù)的調整以及故障排查提供便利條件，從而通過對微網(wǎng)系統(tǒng)設計方案的可行性驗證來優(yōu)化微網(wǎng)系統(tǒng)結構，從而提高系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性，降低設計以及運行測試成本。而且在現(xiàn)階段由于在微網(wǎng)建模方面還缺乏經(jīng)驗，當需要在大電網(wǎng)中大規(guī)模接入太陽能以及風能等新型能源時，給現(xiàn)有電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性保持以及未來電網(wǎng)建設的規(guī)劃都提出了全新的要求，因此必須要通過數(shù)學建模方式來準確了解光伏陣列、風力發(fā)電的負荷和相關電子元件的性能特點等技術參數(shù)，以對其并網(wǎng)運行后可能對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響進行科學的評價分析，此外還需要通過微網(wǎng)系統(tǒng)的仿真運行來驗證其各種控制策略的可行性，為實驗平臺的構建提供數(shù)據(jù)支撐，從而促進我國微網(wǎng)系統(tǒng)建設的快速發(fā)展。
2以光伏以及風力混合發(fā)電為基礎的微網(wǎng)建模分析
在以光伏以及風力混合發(fā)電為基礎的微網(wǎng)結構中，主要是利用變壓器以及逆變整流設備來通過工頻交流母線接入風力變速直驅發(fā)電機，同時其儲能裝置則主要采用的是蓄電池，并借助接口逆變裝置來使雙向有功功率流通得以實現(xiàn)。此外，還可以利用光伏逆變裝置將光伏陣列并入配電網(wǎng)內。其中同步直驅型發(fā)電機主要包括直接耦合型風機以及風力變速發(fā)電機等。為了便于微網(wǎng)系統(tǒng)在運行過程中的維護管理，在微網(wǎng)結構中可以為風力發(fā)電系統(tǒng)配置齒輪箱等設備。同步直驅發(fā)電機在勵磁調節(jié)效應的作用下，機端電壓能夠保持其穩(wěn)定性，同時應在變流裝置前端設置二極管不可控型整流裝置，并利用雙極型絕緣柵功率開關接入系統(tǒng)中，從而形成完整的電源逆變裝置[2]。在該系統(tǒng)的后端則應設置LC濾波裝置，以確保能夠有效濾除系統(tǒng)運行過程中形成的主要濾波。為了簡化微網(wǎng)模型，一般應采用直流電壓進行儲能蓄電池的建模，且在此過程中可以忽略蓄電池的放電以及充電過程。蓄電池的主要控制測量可以采用Q/f或者P/V的下垂策略，這樣在風力與光伏混合發(fā)電微網(wǎng)在并網(wǎng)模式下運行時，可以利用外部電位為其提供頻率支持。而蓄電池的主要功能則是調節(jié)有功輸出，并抑制風力發(fā)電機或者光伏陣列在輸出有功波動時引起的電壓改變幅度。同時蓄電池也是微網(wǎng)處于孤島運行模式下的主控單元，此時蓄電池的主要功能則是適當調節(jié)有功或者無功功率的輸出。當微網(wǎng)在孤島模式下運行時，還要注意蓄電池逆變裝置在進行鎖相環(huán)模擬輸入時，應將配電網(wǎng)的相電壓視為正弦波，從而使微網(wǎng)系統(tǒng)頻率能夠保持其穩(wěn)定性。
3以光伏以及風力混合發(fā)電為基礎的微網(wǎng)仿真技術研究
對以光伏以及風力混合發(fā)電為基礎的微網(wǎng)進行仿真技術研究時，將本地負荷設定為恒定功率負荷，并采用阻抗元件來進行微網(wǎng)系統(tǒng)的線路和模型的構建，而單位對應阻抗參數(shù)則為0.642+j0.083。當微網(wǎng)系統(tǒng)處于并網(wǎng)運行模式下，在確定無功功率時可以結合光伏陣列和風力發(fā)電設備的有功功率的最大輸出值等因素，將其設定為0，此時本地負荷則為15+j3kVA。以風速逐步減弱的情況為例，此時風力發(fā)電機的轉子轉速和有功輸出也會隨之下降，而風力發(fā)電機的無功輸出功率則基本為0。當光照強度發(fā)生改變時，光伏陣列的有功輸出功率也會出現(xiàn)相應的改變。在光照強度達到1000W/m2時，輸出功率一般約為9.5kW[3]。在仿真運行過程中可以根據(jù)光照強度的不同通過MPPT控制器來合理調節(jié)直接母線的電壓，從而有效追蹤光伏陣列在運行過程中的最大功率點。同時光伏陣列以及風力發(fā)電機的有功輸出功率還會隨著時間的變化而產(chǎn)生相應的波動改變，此時可以利用蓄電池的P/V下垂特點來調節(jié)有功輸出，從而保持負荷電壓的穩(wěn)定性。此外，注入配電網(wǎng)系統(tǒng)中的有功功率也會產(chǎn)生相應的改變。當風力和光伏發(fā)電的微電源均保持在0左右的無功輸出時，微網(wǎng)中的線路消耗、變壓器以及負荷無功功率均有配電網(wǎng)提供。如果微網(wǎng)系統(tǒng)的有功功率輸出發(fā)生變化時，蓄電池則負責調節(jié)電壓，以確保負荷節(jié)點的有效電壓保持在1.0p.u.左右，且其具體對應頻率約在50Hz，變化范圍則在0.6Hz左右。當配電網(wǎng)、光伏陣列、風力發(fā)電機以及蓄電池轉換為孤島模式仿真運行后，通過對其無功和有功功率波形的分析發(fā)現(xiàn)，當設定負荷值在切換過程中無變化時，微網(wǎng)將在6S左右切換到孤島運行模式，而此時蓄電池的控制策略則由電壓調節(jié)切換到頻率調節(jié)模式，并以其下垂特性為基礎按照最大有功輸出對光伏陣列輸出進行調節(jié)，其蓄電池的輸出有功功率則在4000kW左右。蓄電池在孤島模式下實現(xiàn)穩(wěn)定運行時的頻率變化一般在0.1Hz范圍以內。
4結語
通過對以光伏和風力混合發(fā)電為基礎的微網(wǎng)建模以及對其在并網(wǎng)和孤島模式下的仿真運行分析發(fā)現(xiàn)，在新能源的開發(fā)利用中應對風力以及光伏發(fā)電這兩個系統(tǒng)采用大功率控制跟蹤測量，此時混合式發(fā)電微網(wǎng)的功率波動平滑度比較好，且能夠通過蓄電池來控制間歇性電源的實際功率波動幅度。而當切換到孤島運行模式時，由于低壓配電網(wǎng)所具有的下垂性特點，可以利用蓄電池來為微網(wǎng)的無功以及有功功率輸出提供基礎條件，從而使微網(wǎng)在不同運行模式下的平滑快速轉換得以實現(xiàn)。
參考文獻
[1]劉旭峰.微電網(wǎng)的建模與控制策略研究[D].包頭：內蒙古科技大學，2015.
[2]牛問濤.基于風力與光伏混合發(fā)電的微網(wǎng)建模和仿真技術研究[J].山東工業(yè)技術，2015（3）：177.
[3]楊恩澤.基于風力與光伏混合發(fā)電的微網(wǎng)建模和仿真技術研究[D].濟南：山東大學，2012.
作者：張小雷 杜強 郭強 單位：中廣核新能源投資（深圳）有限公司安徽分公司