多能源发电系统控制策略建模研究

朱美玲，马仪成，王熙，雷振锋，王鹏

(1.许继集团有限公司，河南许昌461000；2.许昌市公安局，河南许昌461000)

多能源发电系统控制策略建模研究

朱美玲1，马仪成1，王熙2，雷振锋1，王鹏1

(1.许继集团有限公司，河南许昌461000；2.许昌市公安局，河南许昌461000)

应用DIGSILENT仿真软件搭建含有多能源发电系统的仿真模型，主要包括光伏发电系统、风力发电系统和储能系统。针对不同特性的微源，在运行过程中采用不同的控制策略。利用该模型模拟了电网电压跌落下的风力发电系统输出特性，仿真结果表明，采用的仿真分析方法切实有效，模型输出与实际理论输出相似，能够快速地响应电网调度指令；利用该模型模拟了电网电压跌落下光伏发电系统和储能系统组成的微电网的输出特性，仿真结果表明，模型输出与工程运行相似，能够支持母线频率基本保持不变，提高供电可靠性。本模型可以用于实际多能源发电系统的并网分析，为实际工程研究奠定了基础。

DIGSILENT；多能源发电系统；光伏发电系统；风力发电系统；储能系统

随着能源危机和环境污染的不断加剧，新能源特别是风力和太阳能光伏发电等可再生能源发电成为世界热点[1]。由于多能源发电具有建设周期短、规模小、占地小、经济环保、运行维护方便等优点，已经成为当前国内外电力行业领域最具有前途的方法之一[2－3]。多能源发电系统将多种新能源、负荷、储能装置及控制装置等集成于一体，实现一体化运行，充分发挥新能源的各项优势，实现对新能源的有效利用，能有效解决电能质量、供电可靠性、能源和环保等方面出现的问题，是未来低碳型和智能型电网的重要组成部分，产生良好的社会效益和经济效益[4－5]。

多能源发电系统的出现也带来了新的问题和挑战，比如电网电压调整、能量管理、控制策略、电能质量、孤岛检测与安全等[6]。其中还包括多能源发电系统的特殊性：风力发电、太阳能发电等新能源具有间歇性和不稳定性；多能源发电系统中多种电源、能源、储能和负荷的复杂匹配关系。传统的控制策略已经不能满足需要，所以多能源发电系统的控制问题是限制其发展的关键问题。

本文从多能源的控制方法及工程实例入手，DIGSILENT仿真平台搭建了多能源的控制模型和多能源发电系统的工程实用模型，在此基础上对该系统模型进行仿真分析。

1 多能源发电建模仿真

多能源发电系统的结构如图1所示。图1中包含3种能源系统：风力发电系统、光伏发电系统和储能系统。光伏电池和蓄电池经PWM调制逆变器逆变成三相交流电，光伏发电系统、储能系统和负荷组成微电网接入电网。

1.1 光伏发电系统

光伏发电系统主要有光伏组件、逆变器、升压变压器组成。逆变器采用最大功率点跟踪模式，使光伏阵列始终工作在最大功率点。光伏电池是利用“光生伏特效应”将太阳能转换为电能的元器件，等效于一个半导体光电二极管。光伏电池输出的伏安特性为：

图1 多能源发电系统结构

式中：I、V分别为光伏电池的输出电流、电压；Iph为光生电流；q为电子负荷；K为波耳兹曼常数；A为二极管指数；Is为光伏电池在无光照时的反向饱和电流；Rs、Rsh分别为串联电阻和旁漏电阻。在理论研究基础上进行两点近似，得出光伏电池的工程实用数学模型：

式中：C1、C2为待定系数，分别为：

1.2 风力发电系统

风力发电系统主要由风力机、异步发电机、变流器组成，风力机从风能中得到能量，通过发电机转换成电能，经过变流器传输到电网。

本文的发电机采用双馈异步发电机，变流器采用PQ控制模式。

1.3 储能系统

储能单元可以维持短时的能量供需平衡，具有调节发电系统功率输出、平稳功率、削峰填谷、实现能量缓冲，改善电能质量的作用，因此储能系统对于多能源发电系统至关重要。

储能系统主要有电池和PWM调制逆变器以及控制器组成。为了监测储能系统的充放电过程，引入储能单元的荷电状态SOC，反应电池剩余电量的大小。

式中：qmax为电池容量，Ah。

式中：SOC(t)为t阶段的剩余电量；d为储能系统自放电率；pc、pd分别为储能系统充、放电功率；hc、hd分别为储能系统充放电效率；Ec为储能的额定容量。

当SOC(t)≤SOCmin时，储能系统不再进行放电。

2 多能源发电系统控制策略

光伏发电系统和储能系统组成微电网，微电网采用主从控制策略。主从控制是在离网过程中各微源采用不同的控制方法，其中一个或者多个微源作为主控源，支撑微电网的系统频率并保证系统电网的稳定；其他微源为从属控制，不负责系统频率电压的稳定。

当微电网处于并网状态时，光伏发电系统和储能系统采用PQ控制，向电网输送最大的功率；当电网中的设备需要进行检修或大电网出现故障时，微电网与电网脱离，微电网由并网状态进入孤岛运行状态。若微电网孤岛运行时，储能系统由PQ控制模式(图2)切换到V/f控制模式(图3)，以保障微电网频率及电压的稳定，光伏发电系统仍保持PQ控制方法继续运行，控制输出功率以维持微电网内部的功率平衡。

图2 P/Q控制模型

图3 V/F控制模型

3 仿真分析

根据负荷情况和具体项目实际情况对多能源发电系统进行配置，主要参数如下：风力发电系统额定功率为20 MWp、额定电压为0.69 kV、额定功率为50 Hz；光伏发电系统容量0.5MWp、参考光照为1 000W/m2、参考温度为25℃、开路电压为0.606 kV、工作电流为8.27 A；储能系统容量为0.5 MVA、采用铅酸电池，母线电压为0.4 kV。

多能源发电系统仿真模拟时间为6 s，初始状态微电网并网运行，各新能源采用P/Q控制。

T=0 s时，电网发生故障，电网电压跌落70%；T=5 s时，电网恢复正常；T=6 s时仿真结束。

多能源发电系统运行仿真结果如图4所示，图4(a)～图4(c)表明多能源发电系统在电网故障时有功、无功输出；图4(d)～图4(e)表明光伏系统各储能系统组成的微电网在电网电压故障时，微电网的母线电流和频率变化。

图4多能源发电系统运行特性

图4 (a)表明风力发电系统输出的有功、无功功率。由于风力发电系统的逆变器控制器中加入了无功控制，在电压跌落时可以发出一定的无功功率，因此在未加入无功控制电压跌落到0.3 p.u的情况下，加入无功控制之后电压只跌落到0.4 p.u，风力发电系统发出20MVar的无功功率。仿真结果说明了在逆变器的控制器中加入电压无功控制，使得并网点电压得到了一定程度的恢复。

图4(b)表明光伏发电系统的有功功率、无功功率输出。图4(c)表明在电网故障时，储能系统的有功输出。电网故障时，光伏发电系统发出一定的无功功率，储能系统作为主电源由P/Q转换为V/F控制，发出一定的有功功率控制母线频率和电压，当光伏发电系统检测到母线电压正常后输出有功功率供负载用电。图4(d)～图4(e)是储能系统与光伏发电系统所在母线的频率和电流，结果表明在电网故障时，在以储能系统为主控制的模式下，交流侧频率基本保持不变，电流有所减少。这主要因为配置的储能系统比较小，不能完全满足负荷需求，但是电流的波形正常，能够保证重要负荷的供电可靠性，这证明交流侧频率和电流控制的有效性。电网电压恢复后，光伏发电系统和储能系统在P/Q控制下共同为负荷提供电能，电网支持微电网运行工程中的电压和频率。

4 结论

本文建立了包含风力发电系统、光伏发电系统和储能系统的多能源发电系统控制模型。对于风力发电系统，在电网电压跌落时，能够快速地响应有功调节控制指令，发出一定的无功功率，以支撑局部电网电压，从而可减少静止无功补偿器等装置，减少建设成本，具有一定的理论和现实意义；针对光伏发电系统和储能系统组成的微电网采用主从控制模型，在并网和离网运行下采用不同的控制模式：在并网运行时光伏发电系统和储能系统均采用P/Q控制；在离网运行下，储能系统采用V/F控制，光伏发电系统采用P/Q控制，稳定交流侧频率和电压，从而可以增加重要负荷的供电可靠性，具有一定的理论和现实意义。在digsilent仿真软件中进行仿真分析，证明了系统模型的正确性，为验证多能源发电系统的控制策略提供了有效的仿真平台。

[1]DESHMUKH M K，DESHMUKH SS.Modeling of hybrid renewable energy system[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2008，12(1)：235-249．

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[3]BENJAM IN K，LASSETER R H，TOSHIFUM I，et al.Making microgridswork[J].IEEE Power and Energy Magazine，2008，6(3)：85-87.

[4]丁明，徐宁舟，毕锐．负荷侧新型储能电站动态功能的研究[J]．电力自动化设备，2011，31(5)：1-7．

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Modeling for controlstrategy ofmulti-energy power system based on DIGSILENT software

ZHUMei-ling1，MA Yi-cheng1，WANG Xi2，LEIZhen-feng1，WANG Peng1
(1.XJGroup Corporation，Xuchang Henan 461000，China;2.Xuchang's Public Security Bureau，Xuchang Henan 461000，China)

Themodeling ofmulti-energy power system was built based on DIGSILENT software，including the PV generation system，w ind generation system and energy storage system.According to the different characteristics of them icro-source，different control strategies were used.The output characteristic ofw ind generation system was simulated.The output characteristic ofwind power generation system under grid voltage dip was simulated by the model.The simulation results prove the validity of the proposed method.The model output is sim ilar with actual operation.It can be applied in paralleling operation analysis of multi-energy power system and makes a good groundwork for the practicalengineering research.

DIGSILENT;multi-energy power system;PV generation system;w ind generation system;energy storage system

TM 914

A

1002-087X(2016)07-1462-03

2015-12-01

作者简历：朱美玲(1986—)，女，河南省人，硕士，工程师，主要研究方向为新能源。