风力与光伏混合发电下的微网建模仿真技术
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摘要：风力和太阳能都是具有较高应用价值的可再生性的新型清洁能源，同时风力和光伏发电的互补性也比较好，通过光伏以及风力的混合发电形式能够有效提高微网运行的稳定性和可靠性，因此要加大对光伏以及风力混合微电网的模型构建以及相关方阵技术的研究，从而促进我国分布式发电以及新能源技术的快速发展。
随着我国新能源以及分布式发电等新星技术的发展，以风力和太阳能新能源为基础的混合发电方微网系统得到了较快的发展，但由于目前在微网建设方面还处于发展阶段，缺乏相关的经验，还需要通过模型构建以及仿真运行等方式来进行技术验证，才能进一步提高微网系统结构的合理性和科学性，从而实现优化微网结构配置的目的，为我国的供电系统提供更加稳定安全的电力能源。本文对以风力与光伏混合发电为基础的微网建模以及仿真技术进行分析，以推动我国新能源技术、分布式发电以及微网系统建设等相关技术的现代化发展。
1概述微网的基本含义
1.1基本概念以及微网构成
微网系统的概念是在新能源开发利用的过程中逐步形成的。微网主要是指由微型电源以及负荷共同构成的系统，在该整合系统中能够同时提供热量以及电力能源[1]。而微网系统的控制主要由相关电子设备来实现，具有较高的控制灵活性，因此可以作为独立性较高的可控单元来为用户提供稳定可靠的电力能源供应。在微网系统中一般主要包括分布式电源、储能设备、电子元件、通信网络以及相关的控制装置等。同时在微网系统中还包含了可调节性负荷、敏感负荷以及非敏感性等负荷类型，这也是微网区别与大电网的重要结构特点。
1.2基于风力与光伏混合发电的微网建模和仿真技术研究的重要性
在微网系统构建的过程中，电力系统的复杂性及其结构特点会造成微网系统运行的可靠性相对较低且成本投入过高，直接影响微网系统的建设以及运行测试的正常开展。因此采取利用计算机软件来对微网系统进行建模分析，并通过仿真技术来进行系统的运行模拟能够为微网系统的设计建设、系统设备参数的调整以及故障排查提供便利条件，从而通过对微网系统设计方案的可行性验证来优化微网系统结构，从而提高系统运行的可靠性和稳定性，降低设计以及运行测试成本。而且在现阶段由于在微网建模方面还缺乏经验，当需要在大电网中大规模接入太阳能以及风能等新型能源时，给现有电网的运行稳定性保持以及未来电网建设的规划都提出了全新的要求，因此必须要通过数学建模方式来准确了解光伏阵列、风力发电的负荷和相关电子元件的性能特点等技术参数，以对其并网运行后可能对电网产生的影响进行科学的评价分析，此外还需要通过微网系统的仿真运行来验证其各种控制策略的可行性，为实验平台的构建提供数据支撑，从而促进我国微网系统建设的快速发展。
2以光伏以及风力混合发电为基础的微网建模分析
在以光伏以及风力混合发电为基础的微网结构中，主要是利用变压器以及逆变整流设备来通过工频交流母线接入风力变速直驱发电机，同时其储能装置则主要采用的是蓄电池，并借助接口逆变装置来使双向有功功率流通得以实现。此外，还可以利用光伏逆变装置将光伏阵列并入配电网内。其中同步直驱型发电机主要包括直接耦合型风机以及风力变速发电机等。为了便于微网系统在运行过程中的维护管理，在微网结构中可以为风力发电系统配置齿轮箱等设备。同步直驱发电机在励磁调节效应的作用下，机端电压能够保持其稳定性，同时应在变流装置前端设置二极管不可控型整流装置，并利用双极型绝缘栅功率开关接入系统中，从而形成完整的电源逆变装置[2]。在该系统的后端则应设置LC滤波装置，以确保能够有效滤除系统运行过程中形成的主要滤波。为了简化微网模型，一般应采用直流电压进行储能蓄电池的建模，且在此过程中可以忽略蓄电池的放电以及充电过程。蓄电池的主要控制测量可以采用Q/f或者P/V的下垂策略，这样在风力与光伏混合发电微网在并网模式下运行时，可以利用外部电位为其提供频率支持。而蓄电池的主要功能则是调节有功输出，并抑制风力发电机或者光伏阵列在输出有功波动时引起的电压改变幅度。同时蓄电池也是微网处于孤岛运行模式下的主控单元，此时蓄电池的主要功能则是适当调节有功或者无功功率的输出。当微网在孤岛模式下运行时，还要注意蓄电池逆变装置在进行锁相环模拟输入时，应将配电网的相电压视为正弦波，从而使微网系统频率能够保持其稳定性。
3以光伏以及风力混合发电为基础的微网仿真技术研究
对以光伏以及风力混合发电为基础的微网进行仿真技术研究时，将本地负荷设定为恒定功率负荷，并采用阻抗元件来进行微网系统的线路和模型的构建，而单位对应阻抗参数则为0.642+j0.083。当微网系统处于并网运行模式下，在确定无功功率时可以结合光伏阵列和风力发电设备的有功功率的最大输出值等因素，将其设定为0，此时本地负荷则为15+j3kVA。以风速逐步减弱的情况为例，此时风力发电机的转子转速和有功输出也会随之下降，而风力发电机的无功输出功率则基本为0。当光照强度发生改变时，光伏阵列的有功输出功率也会出现相应的改变。在光照强度达到1000W/m2时，输出功率一般约为9.5kW[3]。在仿真运行过程中可以根据光照强度的不同通过MPPT控制器来合理调节直接母线的电压，从而有效追踪光伏阵列在运行过程中的最大功率点。同时光伏阵列以及风力发电机的有功输出功率还会随着时间的变化而产生相应的波动改变，此时可以利用蓄电池的P/V下垂特点来调节有功输出，从而保持负荷电压的稳定性。此外，注入配电网系统中的有功功率也会产生相应的改变。当风力和光伏发电的微电源均保持在0左右的无功输出时，微网中的线路消耗、变压器以及负荷无功功率均有配电网提供。如果微网系统的有功功率输出发生变化时，蓄电池则负责调节电压，以确保负荷节点的有效电压保持在1.0p.u.左右，且其具体对应频率约在50Hz，变化范围则在0.6Hz左右。当配电网、光伏阵列、风力发电机以及蓄电池转换为孤岛模式仿真运行后，通过对其无功和有功功率波形的分析发现，当设定负荷值在切换过程中无变化时，微网将在6S左右切换到孤岛运行模式，而此时蓄电池的控制策略则由电压调节切换到频率调节模式，并以其下垂特性为基础按照最大有功输出对光伏阵列输出进行调节，其蓄电池的输出有功功率则在4000kW左右。蓄电池在孤岛模式下实现稳定运行时的频率变化一般在0.1Hz范围以内。
4结语
通过对以光伏和风力混合发电为基础的微网建模以及对其在并网和孤岛模式下的仿真运行分析发现，在新能源的开发利用中应对风力以及光伏发电这两个系统采用大功率控制跟踪测量，此时混合式发电微网的功率波动平滑度比较好，且能够通过蓄电池来控制间歇性电源的实际功率波动幅度。而当切换到孤岛运行模式时，由于低压配电网所具有的下垂性特点，可以利用蓄电池来为微网的无功以及有功功率输出提供基础条件，从而使微网在不同运行模式下的平滑快速转换得以实现。
参考文献
[1]刘旭峰.微电网的建模与控制策略研究[D].包头：内蒙古科技大学，2015.
[2]牛问涛.基于风力与光伏混合发电的微网建模和仿真技术研究[J].山东工业技术，2015（3）：177.
[3]杨恩泽.基于风力与光伏混合发电的微网建模和仿真技术研究[D].济南：山东大学，2012.
作者：张小雷 杜强 郭强 单位：中广核新能源投资（深圳）有限公司安徽分公司