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摘要：微网是利用分布式发电技术实现自我综合控制、管理的系统，既能并网运行又能切换至孤岛模式运行。本文对利用风、光天然的互补特性进行微网系统有功功率和电压稳定控制的方法进行了研究。首先分别详细研究了风力发电系统、光伏发电系统的运行特性和控制方法，进行了并网和孤岛两种运行方式下微电网利用风光互补特性进行有功功率和电压稳定控制的仿真，结果验证了风光互补微网系统的运行可行性与稳定性。
关键词：风光互补微网；最大功率跟踪；有功功率控制；PSCAD；
1 概述
微电网是一种将分布式电源、负荷、储能装置、变流器以及监控保护装置有机整合在一起的小型发配电系统[1-2]。凭借微电网的运行控制和能量管理等关键技术，可以实现其并网或孤岛运行、降低间歇性分布式电源给配电网带来的不利影响，最大限度地利用分布式电源出力，提高供电可靠性和电能质量。将分布式电源以微电网的形式接入配电网，被普遍认为是利用分布式电源有效的方式之一。微电网作为配电网和分布式电源的纽带，使得配电网不必直接面对种类不同、归属不同、数量庞大、分散接入的(甚至是间歇性的)分布式电源。国际电工委员会(IEC)在《2010—2030 应对能源挑战白皮书》中明确将微电网技术列为未来能源链的关键技术之一。
本文对利用风、光天然的互补特性进行微网系统有功功率和电压稳定控制的方法进行了研究。首先分别详细研究了风力发电系统、光伏发电系统的运行特性和控制方法，进行了并网和孤岛两种运行方式下微电网利用风光互补特性进行有功功率和电压稳定控制的仿真，结果验证了风光互补微网系统的运行可行性与稳定性。
2 微网系统概述
微电网是指由分布式电源、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制和管理的自治系统[3]。一方面，微电网系统可以看作成是一个小型的电力系统通过其自身的管理功能，使微电网系统中的能量得到有效的优化与平衡，保证其运行的稳定性与经济性。另一方面利用微网系统内对微源的功率控制，对电力系统负荷进行移峰填谷，还可以通过与外部配电网之间进行电压、功率的联系。微网有并网和孤岛两种方式。并网运行下，微网与中低压配电网联网实现了电能的交换[4]。在孤岛运行下，一旦外部电力系统发生故障时，微网系统的自动装置会自动切换由并网运行切换到孤岛运行，为系统内的重要负荷继续供电。
当前微电网具有如下结构特征：
直流微网：系统连接直流母线，经过电力电子装置与电网相连接。此结构特征可以连接不同电压等级的外部电网，提高了其供电效率，防止内部波动。
交流微网：系统与交流母线相连接，加入的PCC（Point of Common）开关的控制来实现微网运行中孤岛与并的可靠有效的变换。
交直流混合微网：在这一种微网结构中各系统可以与直流母线相连接又可以与交流母线相连接，即时供电，提高了电力系统运行的稳定性[5]。
图1给出了典型的微电网结构示意图。
图1 微网典型的基本构成
在上图中的典型微网系统的基本结构中可以看到含有微电源系统、功率及电压控制器、公共连接装置（PCC）、隔离装置静态开关。系统在接入电网时采用的是馈线方式。馈线一与馈线二连接敏感负荷，馈线三连接非敏感负荷，馈线一、二与馈线三通过隔离装置隔开，分别向不通的负荷等级供电。在每个微源的连接出口处都配有能量管理器及P、V控制器，来调节微源的运行状态，以此达到最佳的效果。当外部大电网一旦发生故障微网系统中的隔离装置与公共连接点就会动作自动的将微网由并网运行状态切换到孤岛运行状态,实现了“即插即用”原则。
3分布式发电控制技术
3.1 风力发电技术
风力发电是叶片带动发电机转子旋转，将风能转换成电能的技术，有着较高研究与利用价值。但是随着各个国家风电技术的完善，在电能比重上会占有越来越多的比例。
风力发电系统的类型很多，有不同的划分方法，但是一种重要的划分方法就是按照风机转速的快慢将其分为恒频/恒速和恒频/变速。恒频/恒速系统是指直接并网，以异步发电机为主。在外部环境使风速变化时，通过失速控制让发电机的转速达到稳定的运行状态，但是此系统不能改变网内的无功变化量，输出功率不稳定，降低了其运行效率，所以受此限制机组的容量就会很小。恒频/变速系统可以随时调节发电机的转速，使其运行在最佳叶尖速比附近，使风机达到最佳的运行效果，同时还可以通过控制手段向外部电网内输出频率恒定的电功率。
风力发电系统中风力机的特性系数如下：
风能利用系数CP:表示风机从外部的环境中所获得能量的大小，计算公式为：
图2为风机的CP特性曲线，风机的风能利用系数与风机的叶尖速比λ和桨距角β有关，桨距角一定时，只能够改变λ以此调节CP，使其工作在最大点。因此在风速变化时，调节风轮的转速，就能使风力发电系统获得最大的输出功率。CP最大理论值为0.593。
图2 风机典型的特性曲线
图3为风机最优功率曲线。
由图2与图3可知，当风机速度和桨距角一定时，无论是增大风机转速还小减小风机转速都会使功率降低，而且，风机在不同的风速下都有一个最大功率点。找到这些点，便是系统的最大功率跟踪控制，达到最大限度的利用风能。
3.2 光伏发电技术
太阳能发出的光照到硅型半导体材料上将太阳能转换成光能，研究者称太阳正处于一个黄金时期，资源十分丰富，而且还具有较高的利用价值。
光伏模块通过串联、并联组成光伏阵列，就会得到很大输出功率和输出电压。但光伏发电系统实际发出的是直流电流，还用通过逆变器装置将其直流逆变成交流，连接大电网使用，对于这种新型的能源我国已经投入了很大的资金支持，技术水平也有了一定的提升，目前在我国关于光伏发电的企业也比较多，市场很完善。
光伏系统中的光伏电池阵列工作在最优的状态达到最大的输出值，就要跟踪最大功率点（maximum power point, MPP）,使其系统工作在此点，这就是最大功率跟踪控制（MPPT），MPPT算法有很多，例如：电导增量、最优梯度、电压回授、功率回授等，目前使用最为广泛的是电导增量法，因为在与其他的MPPT算法比较时，最大功率点的跟踪控制处的衰减震荡的幅度最小[6]。
因此，当dP/dU>0时，系统工作在MPP的左边, 此时应该增加输出电压；当dP/dU=0时，系统正好位于最大的功率点处；当dP/dU<0时，系统工作在MPP的右边, 此时应该减小输出电压。
4 风光互补微网系统的仿真
风和光每一个单独的系统发电时，都会存在着一定的弊端，但微网系统做为一个能够自我管理的系统，利用风、光天然互补特性，做为微网系统的分布式电源。微网系统的建立使能源得到了最优化的利用，节约了对不可再生能源的利用[7]。
本文基于PSCAD软件建立了风光互补微网系统的仿真模型，如图5所示。
图5 风光互补微网系统仿真模型
4.1并网运行状态
并网运行时，切除所有负载，运行时的条件如下：光伏系统S=1000W/m2，T=25℃；t=5s后S=1000W/m2，t=12s时S=1000W/m2。风力发电系统中v=8m/s, t=5s时出现3个峰值为3m/s的阵风，时长6s。由此条件观察功率变化。
图6为光伏发电和风力发电的输出功率波形。
图6 光伏发电与风力发电输出有功功率对比
由图6可以知道，两者系统呈现出互补性，光强小时，风速大。光强大时，风速小。根据这种特性，让二者达到互补的效果，保证其最大的输出。
图7为微电网与大电网交换的有功和无功功率波形。
图7 大电网风光互补的功率波形
由图7可知，无论怎么改变光强与风速，微电网与大电网交换的有功和无功功率基本保持为一条，最终的结果有很好地验证了风光功率良好的互补特性。
4.2 孤岛运行状态
设定微电网孤岛运行，光伏系统带负载Load1，风力系统带Load2，共同接负载Load3。仿真时长5s；Load1：额定有功功率46kW，无功功率23kVar的电机负荷和额定功率额定有功功率40kW，无功功率40kVar的阻感性负载。Load2、Load3：为额定功率40kW的阻性负载和额定有功功率46kW，无功功率40kVar的阻感性负载。
图8和图9分别为风力发电单元输出功率和负载3的功率波形。
由图8和图9可以看出，孤岛运行时同样能够利用风光的互补功率特性，保证负载得到所需要的有功和无功功率，确保微电网孤岛运行的稳定性。
5 结论
本文对利用风、光天然的互补特性进行微网系统有功功率和电压稳定控制的方法进行了研究。研究了风力发电系统、光伏发电系统的运行特性和控制方法，进行了并网和孤岛两种运行方式下微电网利用风光互补特性进行有功功率和电压稳定控制的仿真，仿真结果表明并网运行时，风光发电单元虽然会出现功率波动，但能够保证与大电网交换功率的稳定，孤岛运行时，能够联合向负载提供所需的功率，保证了微电网运行的稳定性。
参考文献
[1]唐炼. 世界能源供需现状与发展趋势[J]. 国际石油经济, 2005, 13(1): 30-33.
[2]刘振亚. 中国电力与能源[M]. 北京: 中国电力出版社, 2012.
[3] Ackermann T, Andersson G, Soder L. Distributed energy resources[J]. Electric Power Systems Research, 2001, 57(3): 195-204.
[4]Lasseter R H，Piagi P. Microgrid: A conceptual solution[C]. Power Electronics Specialists Conference, IEEE 35th Annual, Aachen, 2004, 6: 4285-4290.
[5]王成山. 微电网分析与仿真理论[M]. 北京: 科学出版社, 2013.
[6]周念成, 王强钢, 杜跃明. 风能/光伏混合微网的建模和仿真[J]. 中国电力, 2010, 43(4): 81-85.
[7]王成山, 高菲, 李鹏, 等. 低压微网控制策略研究[J]. 中国电机工程学报, 2012, 32(25): 2-8．
作者简介：
罗沐(1992-), 男,学士，主要从事特高压变电运行维护工作。
孟繁兴(1992-), 男, 学士, 主要从事特高压变电运行维护工作。
张云波(1990-), 男, 学士, 主要从事特高压变电运行维护工作。
论文作者:罗沐,孟繁兴,张云波
论文发表刊物:《电力设备》2016年第14期
论文发表时间:2016/10/12
标签：系统论文; 电网论文; 功率论文; 孤岛论文; 特性论文; 分布式论文; 电压论文; 《电力设备》2016年第14期论文;