近年来,大机组、大电网凭借其在发电量和调配能力上的优势快速发展,并组成了我国电力供应的主要构架.但是,随着现代社会的发展,无论是城市还是乡村,对电力供应的要求都在不断提高,且这样的提高不仅仅限于电力需求量的增加,还在于供电过程中稳定性及可靠性等指标的提升.而不断扩大中的电厂和超高压输电网正逐渐暴露出环境危害大、运行难度大及维护成本高等一系列问题,越来越难以满足当前用户绿色且多样化的电力需求.因此,伴随着新电力时代前行的浪潮,微电网技术孕育而生,且逐渐受到世界各国的重视与扶持^[1].

作为未来智能电网的重要组成部分,微电网最鲜明的特点之一就是拥有孤岛运行机制.当大电网发生故障或其电能质量不符合系统标准时,微电网可以脱离大电网进入孤岛运行模式,保护自身的正常运行,提高微网的供电可靠性和安全性.本文利用Matlab/Simulink软件模拟搭建了一个由风能和水能提供电源的微电网仿真平台,并对其在遇到主网故障时的两种运行模式(关闭/开启孤岛运行)进行了仿真和分析.

1 微电网简介 1.1 微电网的概念和意义

微电网(micro-grid)也称微网,是智能电网的一种新型网络结构,由分布式电源(多为可再生能源)、储能装置、监控装置和负荷构成,既可孤岛运行,又可并入大电网,是一套能够实现自我管理与保护的自动供能系统.

在微电网中就近建设分布式电源(distributed generation,DG)不仅大大减少了电能在传输过程中的损耗,而且也为新世纪绿色发电的推广和接入提供了一条有效途径.当微电网中负荷增大时,本地电源无法满足的电能需求可由公共电网提供;当负荷减小时,微电网中多余的电量可通过向大电网输电的方式来消化.灵活的能源传输与利用使微电网真正成为一种区别于传统电网的供配电新途径^[2].

1.2 微电网发展现状

目前美国和日本等发达国家都已经完成了对微电网的基础理论研究,也建成了一些分布式电源及微电网的实验模型和平台,完成了微电网控制、保护策略和通信协议等方面规范的制定,并通过实验室和示范工程进行了验证,且已经开始出现微电网的商业化和规模化趋势.微电网的应用范围和等级也在不断扩大与提升,大多已从原来的兆瓦级以下单建筑微电网,发展到510 MW多建筑商业区或工业园微电网,并开始探索向10～30 MW级馈线、30 MW级以上的变电站以及地理范围更大的农村配网发展.我国对微电网的研究起步较晚,目前还处于理论、仿真和实验研究阶段,但我国已将“分布式供能技术”列入2006—2020年中长期科学和技术发展规划纲要,颁布了863-H973计划支持微电网领域的研究,并在深圳和内蒙古各建有一个微电网示范性工程^[3].

1.3 微电网展望

未来的微电网不仅可以建在医院、军队、科研院所等重点供电单位,以保证这些用户在公共电网遭遇自然或人为破坏时仍能获得稳定的电力供应,还可以在居民小区中推广,将住宅及屋顶电源(风能、太阳能等)连接起来,升级为智能电力社区.这样的社区不仅能满足新时代用户的绿色用电需求,而且能在社区电量富余时向大电网售电,为住户创造利润.

2 微电网建模 2.1 微电网结构

本文的微电网系统采用10 kV配网模型,通过一个35 kV/10 kV的变压器和公共连接点(PCC)与主网连接.该系统频率为50 Hz,电源为小型风力发电机组(WT)和小型水力发电机组(HT).实际情况中负荷较多、较杂,此处将负荷集中简化为三个简单大负荷(负荷1、负荷2、负荷3),均采用恒定有功模型,不考虑无功.微电网结构如图 1所示.微电网的电源和负荷如表 1所示.

2.2 小水电模型 2.2.1 水轮机模型

根据牛顿第二定律,可推出水轮机内部流量q₀与来水水头的关系式为

(1)

(2)

式中:h_L为水头损失;h为压力水头;K_f为水头损失系数;G为导叶栅开度;T_w为时间常数,表示管道内水流速度从零升至额定值所需要的时间;t为时间;g为重力加速度;L为引水管长度;q_b为来水初始流量;h_b为静水头;A为引水管断面面积.

水轮机输出的机械功率P_m^[2]可表示为

(3)

式中:q_nL为水轮机无法避免的流速损失;D为阻尼系数;Δω为角速度变量;DGΔω是对阻尼效应的整体考虑^[4].

将式(1)~(3)根据水轮机的整体布局串联后得到非线性水轮机模型框图,如图 2所示.

2.2.2 同步发电机

同步发电机的机械部分的模型方程可表示为

(4)

式中:H为惯性常数;T_m为机械转矩;T_e为电磁转矩;K_d为阻尼系数.

同步发电机的电气部分的模型方程在d-q坐标系下可表示为

(5)

式中:V_d、V_q分别为d、q轴上的电压;R_s为定子电阻;i_d、i_q分别为d、q轴上的电流;φ_d、φ_q分别为d、q轴上的磁通量分量;ω_r为转子角速度.

2.3 风电模型 2.3.1 风力机模型

由空气动力学理论可推出风力机输出的机械功率

(6)

式中:ρ为空气密度;R为风力机转轮半径;v为风速;C_p为风能利用系数, 是风力机叶尖速比λ和桨距角β的函数.

(7)

其中

(8)

此外,叶尖速比λ可表示为λ=ω_yR/v,ω_y为叶片旋转的角速度^[5].

图 3为风能利用系数曲线.由图可知,当β恒定时,C_p随λ变化,有且仅有一个能让C_p达到最大值的叶尖速比λ,称为最佳叶尖速比,此时的角速度也称为最佳转速.所以,可用任意一条风能利用系数曲线描述定桨距风力机的运行特性.

2.3.2 双馈异步风力发电机

双馈异步风力发电机是一种绕线式感应发电机,是变速恒频风力发电机组的核心部件.在同步旋转的d-q坐标系下双馈异步发电机方程为:

(1) 电压方程

(9)

式中:Ψ_sd、Ψ_rd分别为d轴分量上的定子、转子磁链;Ψ_sq、Ψ_rq分别为q轴分量上的定子、转子磁链;p为磁极对数;ω_T为同步角速度;R_r为转子电阻;i_sd、i_rd分别为d轴上定子、转子的电流;i_sq、i_rq分别为q轴上定子、转子的电流;u_sd、u_rd分别为d轴上定子、转子的电压;u_sq、u_rq分别为q轴上定子、转子的电压.

(2) 磁链方程

(10)

式中:L_s、L_r分别为定子、转子的电感;L_m=3L_a/2,L_a为定子、转子之间的互感峰值.

(3) 转矩方程

(11)

(4) 转子运动方程

(12)

式中,T_j为双馈异步发电机的惯性时间常数^[6].

3 仿真模拟

为了进行比较,仿真实验分两套方案进行,即:当大电网发生故障时,采取方案一,微电网不作出任何反应(PCC仍然闭合),微电网继续与大电网相连;方案二,微电网的检测设备发现主电网异常并反馈到能量管理系统,该系统在0.2 s内作出反应(断开PCC),微电网随即进入孤岛运行模式.

3.1 方案一

微电网在35 s的仿真时间内始终运行在联网状态.故障发生前,微电网中风力发电及水力发电系统均稳定满负荷运行,5 s时主电网侧发生三相短路故障,1 s后故障排除,故障全程微电网未开启孤岛独立运行模式.

经分析:0~5 s时微电网运行稳定,微电网中主干电压有名值维持在10 kV(选10 kV为基准电压,则标幺值为1 P.U.,P.U.代表该值处于标幺制换算状态下),风力发电有功功率稳定输出为9 MW,水力发电有功功率稳定输出为32 MW,负荷2稳定吸收功率为12.5 MW(此处选择负荷2作为样本检测对象);5 s时,35 kV外部电网发生三相短路故障,电压降为0.2 P.U.,故障发生1 s后恢复正常,但未作孤岛运行处理的微电网系统在外网故障消除后的短时间内无法恢复到稳定运行状态.图 4为关闭孤岛运行模式时各电气量的波形.由图中可以看出,从5 s开始,网中电压持续振荡,直到30 s时才恢复正常,期间最大电压为1.9 P.U.,最低电压为0.2 P.U..与此同时,风力发电和水力发电有功功率也都发生了剧烈振荡,受此影响,负荷2有功功率也出现了长时间的高频振荡.

3.2 方案二

微电网初始运行在联网状态,微电网中风力发电和水力发电系统均满负荷稳定运行,5 s时主配电网侧发生三相短路故障,5.2 s时，微电网监控系统作出反应，PCC断开,微电网进入孤岛运行模式;6 s时,主电网故障排除.

经分析:0~5 s时微电网运行稳定,网中10 kV主干电压维持在1 P.U.,风力发电有功功率稳定输出为9 MW,水力发电有功功率稳定输出为32 MW,负荷2稳定吸收功率为12.5 MW;5 s时,35 kV外部电网发生三相短路故障,电压降为0.2 P.U.;5.2 s时,微电网监控与能量管理系统作出反应(PCC断开),进入孤岛运行模式.图 5为开启孤岛运行模式时各电气量波形.由图中可以看出:及时与外网断开后的微电网系统很快恢复稳定,电压在5.5 s时恢复至正常值(1 P.U.),振荡期间最大值达到1.72 P.U.,最小值为0.2 P.U.;风力发电有功功率输出在5.71 s时恢复正常;水力发电有功功率输出在6.25 s时结束较大幅度的振荡后进入32±(1~2) MW范围内的小幅振荡,并在14.09 s时完全恢复正常,而且这次波动较小,最大波峰为47 MW,最小波谷为10 MW,相比孤岛机制未开启时其波动幅度已明显减小;负荷2有功功率也在6.25 s时恢复正常.

4 结论

对比两个仿真方案可以得出:开启孤岛运行模式后,微电网在遇到主网发生故障时的抗干扰能力明显增强.若遇到公共电网故障,方案一将会导致微电网中电压与功率高频振荡,且振幅过大,恢复时间较长,对微电网中的DG和负荷会产生不良影响.如果在公共电网故障后,微电网的检测及能量管理系统能快速发现问题,并断开PCC,进入孤岛运行状态(方案二),那么来自外网的影响将会得到有效隔离.这不仅能使系统恢复时间明显缩短,而且能使电压及有功功率在受到扰动时的波动频率及振幅都大大减小,微电网中的DG 和负荷都将得到有效保护,造成的影响将大幅降低.