微电源建模及其在微电网仿真中的应用.pdf - 第 22 � 第 3 期 电力系统及其自动化学报 Vol 22 No 3

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Unformatted text preview: 第 22 卷 第 3 期 电力系统及其自动化学报 Vol. 22 No . 3                            2010 年 6 月 Proceedings of t he CSU2EPSA J un.  2010 ① 微电源建模及其在微电网仿真中的应用 王  凌 , 李培强 , 李欣然 , 刘志勇 ( 湖南大学电气与信息工程学院 , 长沙 410082) 摘要 : 为节能减排的需要 ,微电网开始进入人们的视野 。通过 MA TL AB/ Simulink 软件搭建光伏电池模型 、 简化燃料电池模型以及柴油发电机模型等微电源的 Simulink 模型 ,并利用 MA TL AB 自带的风机模型一起 , 构建简单的微电网模型 。对严重故障情况下该微电网系统故障恢复能力和维持电能质量能力进行仿真试验 , 结果表明所建微电源及微电网模型都能较好模拟实际运行情况 ,为微电网的进一步研究提供了仿真平台 。 关键词 : 微电网 ; 光伏电池模型 ; 简化燃料电池模型 ; 柴油发电机模型 中图分类号 : TM727   文献标志码 : A   文章编号 : 10032 8930 ( 2010) 032 00322 07 Model ing of Micro2po wers and Its Appl ication in Micro2grid Simulation WAN G Ling , L I Pei2qiang , L I Xin2ran , L IU Zhi2yo ng ( College of Elect rical and Informatio n Engineering , Hunan U niver sit y , Changsha 410082 , China) Abstract : For t he need of saving energy and reducing emissions ,micro2grid entered people’s field of vision. In t his paper ,several micro2power models , such as p hotovoltaic cell model , simplified f uel cell model and diesel generator model are built wit h MA TL AB/ Simulink so rtware. Wit h t hese models and wind t urbine model in MA TL AB ,a simple micro2grid simulatio n platfo rm is built . Simulations are carried out to st udy t he capability of fault recovery and maintain power quality for t he micro2grid systems under t he serio us fault scenario . Simu2 latio n result s show t hat t he micro2power models and t he micro2grid model built in t his paper can simulate t he act ual system operation very well ,and it p rovides simulation platform fo r f urt her st udy of micro2grid. Key words : micro2grid ; p hotovoltaic cell model ; simplified f uel cell model ; diesel generato r model   随着分布式发电和分布式储能技术研究的广 泛开展 , 在负荷中心建立微电网模式的新型终端电 全可靠性问题 ; ( 4) 微电网具有较强的经济效益 。 从用户来看极大地提高能源利用效率 ( 使用冷热电 网 , 就地将电源和负荷结合起来进行协调控制和运 行 , 越来越受到人们的广泛关注 。 微电网的提出有 效解决了各种分布式电源接入电网的影响 , 并提供 了高效 、 安全 、 可靠的电能供应 [ 1~3 ] 。 微电网的优点 主要包括 : ( 1) 微电网能够充分利用分布式电源的 联产能源热效率能从 35 % 提高到 70 % 左右) ; 从 投资者来说微电网更环保 , 投资成本和运行成本更 低 , 更能适应终端用户能源需求变化 。 目前国内对 微电网的研究还处于起步阶段 , 但微电网的特点适 应中国电力发展的需求与方向 , 具有广阔的前景 。 分散性 、 位置灵活的优点 , 能够提供冷热电联产 , 充 分挖掘了分布式电源的效率 ; ( 2) 微电网具有即插 即用的特点 ( 微电网可以作为一个可定制的电源 , 以满足用户多样化的需求 ) ; ( 3) 微电网能够孤网 运行 , 他与大电网互为备用极大地提高了电网的安 文献 [ 4 ] 阐述了分布式发电与微电网之间的 联系与区别 , 并介绍了微电网的概念和特点 。 文献 [ 5 ] 建立了风 2 光 2柴 2蓄的复合型发电系统 , 为微 电网的研究积累了经验 。 文献 [ 6 ] 提出了微电网的 思想 , 重点建立了其经济模型并记及正常状态下元 ①收稿日期 :20092 052 16 ; 修回日期 :20092 06208 基金项目 : 教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目 (20070532052) 第 3 期              王  等 : 微电源建模及其在微电网仿真中的应用 件故障率和战争状态下战场损伤率两个参数 , 提出 了适用于国防工程供电保障系统的孤立分布式发 电规划模型 。 文献 [ 7 ] 从理论上对微电网的控制问 题进行了研究 , 但上述文献都没有建立一个比较详 实的微电网仿真模型 。 本文通过 MA TL AB/ Simulink 软件搭建了光 伏电池模型 、 简化燃料电池模型以及柴油发电机模 型等微电源的 Simulink 模型 , 并利用 MA TL AB 自 带的风机模型一起构建简单的微电网模型 。 对严重 故障情况下该微电网系统的故障恢复能力和维持 电能质量的能力的仿真试验表明 , 本文所建的微电 Ios = Ior ( ・33 ・ qE GO 1 t 1) ) exp [ ( tr B K tr t ( 3) 式中 : q 为电荷常量 ; G 为太阳辐射系数 ; I SCR 为在 25 ℃ 和 1 000 W/ m2 时 短 路 电 流 ; Ior 为 tr = 301 . 18 ℃时饱和电流 ; Ki 为短路电流温度效应系 数 ; EGO 为硅板间隙 ; A 和 B 为 PN 节点理想因数 。 1. 2  燃料电池模型 燃料电池是利用水电解逆反应的“发电机”[ 9 ] 。 它由正极 、 负极和夹在正负极中间的电解质板所组 成。 由于其能量转换效率高 、 反应生成物没有污染 而受到人们的广泛关注 。 其原理如图 2 所示 。 源及微电网模型都能较好模拟实际运行情况 。 1  微电源的数学模型 微电网中的电源多为微电源 , 即含有电力电 子装置的小型机组 , 主要包括微型燃气轮机 、 燃料 电池 、 光伏电池 、 小型风力发电机以及超级电容 、 飞 轮、 蓄电池等储能装置 。 1. 1  光伏电池模型 光伏电池是一种利用光入射于半导体时所引 起的光电效应 , 从而将光能转变为电能的器件 [ 8 ] 。 图 2  燃料电池模型 Fig. 2  Model of f uel cell 其等值电路模型如图 1 所示 。   本文建立的仿真模型基于以下假设 : ( 1) 反应 过程是稳态的 ; ( 2) 体系温度均匀且运行过程中保 持不变 ; ( 3) 反应气体均为理想气体 ; ( 4) 多孔扩散 电极为匀相结构 , 且界面处电流密度分布均匀 。 同 时把燃料电池的电势简化为化学反应形成的电势 以及各种极化现象引起的电势损失之和 。 对于以纯 氢为燃料的燃料电池为例 , 电池总反应为 1 ( 4) H2 + O2 = H2 O 2 则由 Nernst 方程可知理想电动势为 图 1  光伏电池模型 Fig. 1  Model of photovoltaic cell( PC) 图 1 中 : Iph 为光生电流 , 其值正比于光伏电池的面 积和入射光的辐射强度 , 而且会随环境温度的升高 而略有上升 ; Id 为光伏电池 PN 结上的工作电压产 生的二极管电流 ; R sh 为旁路电阻 , 产生漏电流 I sh ; R se 为串联电阻 。 因此光伏电池的输出电流为 I = Iph - Id - I sh , 应用 Kirchhoff 电流定律 , 可得流过 负载的电流 I 与其端口电压 U 之间的关系为 I = Iph - Ios Iph = G 100 qU oc U oc exp - 1 A Kt R sh [ I SCR + Ki ( t - 25 ) ] ( 1) ( 2) E = E0 - Rt 1n ( p H2 O / p H2 pO2 ) 2F ( 5) 式中 : p H2 O 、p H2 、pO2 为各自气体分压力 ; R 为通用 气体常数 ; F 为法拉第常数 ; E0 为标准电动势 ; t 为 工作温度 。 2ΔG0 ( 6) E0 = 2F 其中ΔG0 为标准 Gibbs 自由能 , 是关于温度与压力 的函数 , 其计算式为 ΔG0 = b0 + b1 t + b2 t 1n t + b3 t2 +    b4 t3 + b5 t4 - tR 1n p0 p 电池的阳极 、 阴极活化电势分别为 ( 7) 电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报               第 22 卷 ・34 ・ ηact ,a = 2 Rt sinh 21 ( i ) ( 8) F 2 i0 ,a ηact ,c = 2 Rt sinh 21 ( i ) ( 9) F 2 i0 ,c 式中 , io ,a 和 io ,c 为阴阳极的交换电流 。 电池欧姆极 化电势为 η0 = iR ( 10 ) 其中 R 为各材料的总电阻 。 电池的浓差极化电势为 o r o CH CH O CO ηcon = Rt 1n r 2 0 2 + Rt 1n r 2 2 F CH2 CH2 O 4 F CO2 ( 11 ) 其中 : Coi 为各气体在气体通道中的浓度 ; Cri 为各气 体在电解质界面处的浓度 , 计算式为 δ i a r o ( 12 ) Ci = Ci 2 FD i 其中 D i 为考虑了普通扩散和 Knudsen 扩散的系 数。 综合以上所述可得燃料电池的有效电势为 ( 13 ) E = E0 - ηact - ηcon - η0 1. 3  柴油发电机及风力发电机模型 对于柴油发电机 , 很多学者做了大量研究 [ 10 ] , 本文以一台同步发电机模拟柴油发电机的运行 。 目前风机的模型主要包括变桨距型感应风力 发电机 、 变速恒频的双馈式风力发电机以及直驱式 永磁同步风力发电机[ 11 ] 。 其中变速恒频的双馈风 力发电机和直驱式永磁同步风力发电机主要应用 在大型风电场中 , 而变桨距型感应风力发电机以其 功率小 、 便于控制 , 在微电网中应用较为广泛 。 本文 利用 MA TL AB 中自带的感应式风力发电机模型 作为该微电网仿真平台的风机 。 2  微电源的 Simulink 建模 根据以上理论分析本文通过 Simulink 建立了 如下各微电源的 Simulink 模型 。 2. 1  光伏电池的 Simul ink 模型 光伏电池 Simulink 模型如图 3 所示 。 模型输入 为 t 、R 、 V PV 分别代表实时环境温度 、 太阳辐射强 度、 光伏阵列的工作电压 , 模型的输出为电流 I 。 其 中 tref 为参考条件下光伏电池温度 ; Im 和 V m 为参考 条件下光伏电池最大功率点电流 、 电压 。 根据本仿 真平台的需要本文对光伏电池模型有所简化 , 在本 模型中没有考虑最大功率追踪 。 图 3  光伏电池的 Simulink 模型 Fig. 3  Simulink model of photovoltaic cell 2. 2  燃料电池的 Simul ink 模型 本文所模拟的燃料电池类型为简化固体氧化 物燃料电池 , 其模型的总体框架如图 4 所示 。 模型 输入 T 、p 、 i 分别代表燃料电池工作温度 、 压力以及 电流密度 。 图 5 ~ 图 7 代表各种极化现象引起的电势损 失 。图中 Rct2a 和 Rct2c 分别为阴阳极电 阻 ; CH2 2O 、 CH2 O2O 、 CO2 2O 分别代表氢气 、 水、 氧气在气体通道中 图 4  燃料电池的 Simulink 模型 Fig. 4  Simulink model of fule cell 第 3 期              王  凌等 : 微电源建模及其在微电网仿真中的应用 ・35 ・ 解质 界 面 处 浓 度 ; Pa 和 Pc 分 别 为 阳 极 和 阴 极 厚度 。 图 5  理想电势模型 Fig. 5  Model of ideal electric potential 的浓度 ; D H2 、 D H2 O 、 DO2 分别为氢气 、 水、 氧气在电 图 6  活化极化模型 Fig. 6  Model of activation polarization 图 7  浓差极化模型 Fig. 7  Model of concentration polarization 2. 3  柴油发电机励磁模块的 Simul ink 模型 柴油发电机励磁模块模型如图 8 所示 。 该励磁 模块采用基于经典控制理论的 PID 控制 , 为了提高 机组阻尼特性引入了辅助控制环节 —— —电力系统 稳定器 ( PSS) , 从而改善了发电机系统运行特性 。 3  微电源模型的仿真 利用以上由 Simulink 搭建的各微电源仿真模 型 , 本文通过仿真试验验证了各模型的有效性 。 同 时在仿真过程中为了减少谐波污染 , 在各微电源的 出口母线侧加入了滤波器 。 对于光伏电池模型考虑了太阳辐射强度的变 化 , 在仿真过程中使太阳辐射强度从 400 W/ m2 上 升到 950 W/ m2 。 图 9 为光伏电池出口母线电压 , 可 以看出在刚开始启动阶段电压稍微有些震荡 , 这是 由于 MA TL AB 自身的初始化造成的 。 在初始化完 成后出口电压基本都能维持在标幺值附近 。 图 10 为光伏电池的输出 。 光伏电池本身是非线性的 , 但 图 8  柴油机励磁模型 Fig. 8  Excitation model of diesel generator 因为模型的输入参数仅仅考虑了太阳辐射强度的 变化 , 这样忽略了大部分非线性因素因而使光伏电 电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报               第 22 卷 ・36 ・ 池的输出近似于线性 。 通过仿真发现当其他参不   图 14 为柴油发电机输出功率 。 由图可知 , 由于 变时 , 逐步增强光辐射强度时光伏电池的输出会先 增大后减小 , 这里取了使光伏电池输出功率始终增 大的太阳辐射强度范围 。 同步发电机启动阶段存在较短的震荡过程 , 其输出 也有所震荡 , 但柴油发电机整体输出比较稳定 。 图 9  光伏电池出口母线电压 Fig. 9  Terminal bus voltage of PC 图 10  光伏电池输出功率 Fig. 10  Output power of PC   图 11 为简化固体氧化物燃料电池出口母线电 压。 图 12 为其输出功率 。 一般情况下工作温度对燃 料电池输出电势和输出功率有较大影响 , 可通过改 变工作温度来改变燃料电池输出 。 在本仿真中 , 取 所有的输入均恒定不变 , 功率输出基本不变 。 图 13  风机有功出力 Fig. 13  Active power of wind turbine 图 14  柴油发电机输出功率 Fig. 14  Output power of diesel generator 4  简单微电网系统的仿真分析 4. 1  简单微电网系统的构建 本文用以上微电源模型构建了一个简单的微 电网系统 , 其结构如图 15 所示 。 在该系统中包含一 图 11  燃料电池出口母线电压 Fig. 11  Terminal bus voltage of f uel cell 图 15  微电网结构 Fig. 15  Micro2grid conf iguration 图 12  燃料电池输出功率 Fig. 12  Output power of f uel cell 个光伏电池模块 、 一个燃料电池模块 、 一台风机以 及一台柴油发电机 。 柴油发电机单独接入母线 , 在 其他微电源出力波动时起稳定系统的作用 。风力 机、 光伏电池 、 燃料电池接入负荷侧 , 对一些重要负 荷单独供电 。 在仿真中由于时间的限制该平台忽略   图 13 为风机的有功出力 。 在 1 ~ 2 s 时风速由 了外界条件对光伏电池和燃料电池的影响但考虑 7 m/ s 上升到 11 m/ s , 然后保持在 11 m/ s 不变 。 该 了风机的风速变化情况 :在 1 ~ 2 s 时风速从 7 m/ s 风机模型是 MA TL AB 通过 2 2D 查表法得到风机 逐渐上升到 11 m/ s 。 该微电网系统通过变压器接 的输出功率与风速的关系建立的仿真模型 。 由图可 入 10 kV 的系统 。 在 10 kV 系统与微电网之间加入 知该模型能够较好跟踪风速的变化 。 主分离器 , 当外部系统发生故障或者外部电能质量 第 3 期              王  凌等 : 微电源建模及其在微电网仿真中的应用 ・37 ・ 不能满足微电网内用户的要求时该分离器动作使 畸变率的标准 , 但鉴于发生三相接地短路的几率比 微电网转入孤网运行 。 线路 C 的负荷在必要时可以 切除以保证该系统的稳定性和电能质量 。 4. 2  仿真实例 在微电网的一条母线上设置三相接地短路故 障 , 在 0 . 1 s 后故障排除 。 图 16 显示了各微电源的 较小且维持时间较短 , 故可以认为此时系统还是满 足电能质量要求的 。 总出力情况 , 由图可知在三相接地短路故障发生时 微电源的出力受到较强的冲击 , 引起出力的震荡但 通过短时的调整又能恢复稳定运行 。 仿真发现受冲 击影响较大的是风力发电机和柴油发电机 , 因此在 微电网系统的控制 、 保护中应该对这两者进行重点 考虑 。 图 17 显示了故障线路的有功无功变化情况 。 图 18 显示了系统的频率波动 , 可以看出在故障发 生时系统的频率波动比较大 , 但仍满足在正负 0 . 5 这个范围内 , 系统还是可以正常运行 。 并且在 3 . 1 s 后故障切除频率能够很快恢复到额定值附近 , 显示 了该微电网系统较强的故障恢复能力 。 为了考虑该 系统 的 电 能 质 量 , 本 文 引 入 了 总 谐 波 失 真 率 ( T HD) 这个指标 。 图 19 显示了系统的 T HD , 在正 图 19  微网总谐波失真率 Fig. 19  THD of micro2grid 5  结论 ( 1) 各个微电源模型都能较好地模拟实际微 电源的运行情况 。 ( 2) 系统故障时 , 该微电网平台能有效地抵抗 短路电流的冲击并且在故障切除后能快速地恢复 至稳定运行 。 ( 3) 该仿真平台在各种扰动下都能使系统的 频率稳定在正常运行范围之内 , 并能满足用户的电 能质量要求 。 参考文献 : [ 1 ]  赵宏伟 ,吴涛涛 ( Zhao Hongwei ,Wu Taotao) . 基于分 布式电源的微网技术 ( Review of dist ributed genera2 图 16  微网有功无功出力 Fig. 16  Active/ reactive power of microgrid tio n based microgrid technology) [J ] . 电力系统及其 自动化学报 ( Proceedings of t he CSU2EPSA ) ,2008 , 20 (1) :121 - 128. 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