李　兴，白　斌，杨　丽，甘燕凌

(青海省电力设计院，西宁　810008)



风光微源特性对交流微网孤岛运行电压稳定性的影响

李兴，白斌，杨丽，甘燕凌

(青海省电力设计院，西宁810008)

主要分析风光微电源特性对微电网孤岛运行时电压稳定性的影响。给出了以光伏发电单元和风力发电单元为微电源的微电网拓扑结构，并分析了其运行特性。针对微电网与传统大电网的区别，研究了微电网的功率传输特性。重点分析了风机及光伏发电2种典型微电源出力的随机模型，研究了其概率密度函数及等效电路模型。从功率平衡的角度研究了微电源特性对系统电压稳定性的影响并进行了相关的仿真分析。

风光特性；微电网；孤岛；电压稳定性

近年来，由于传统能源短缺及环境污染加剧，加之远距离大容量的传统电力系统运行成本高、可靠性低等原因，以分布式发电单元、储能装置以及负荷组成的微电网成为新型供电模式的发展方向[1-3]。微电网中的微电源通常包括太阳能、风能、地热能、生物质能以及潮汐能等[4]。微电源主要特性是：受环境因素影响较大，输出功率具有间歇性、随机性及波动性。

目前，以风力发电单元和光伏发电单元作为微电源的微电网是研究的重点。我国西北地区风能及太阳能资源丰富，一般白天太阳光充足时风力较弱，夜晚情况恰好相反，故太阳能与风能具有互补性。

由于微电网中分布式发电单元出力具有随机性，当微电网孤岛运行时失去了大电网的支撑，因此微电网能否维持电压稳定值得研究。本文研究的微电网结构如图1所示。在该微电网结构中包括风光微电源及作为储能装置的蓄电池，采用柴油发电机在极端情况下保证系统的持续供电。当光伏发电单元及风力发电单元输出功率大于自身负荷需求的功率时，多余的电能将储存到蓄电池中；当微电源输出功率不能满足负荷所需功率时，由蓄电池补足缺额。柴油发电机在极端情况下提供独立的电网模式。

本文基于图1所示的微电网模型，重点分析了风光微电源特性及其对交流微电网孤岛运行电压稳定性的影响。

图1　微电网结构

1　微电网功率传输特性

由于微电网自身的特殊性，其输电线路的阻抗特性恰巧与大电网相反，输电线路呈阻性。不同输电线路的典型参数如表1所示。

表1　线路典型参数

由于微电网属于低压电网，其功率传输特性不同于中、高压电网。系统中功率传输特性及电压和功角的相量关系如图2所示。图2中：δ为功角；φ为相角。

图2　功率传输等效图及相量图

由图2可知：

(1)

系统传输的有功功率和无功功率分别为：

(2)

由表1可知：微电网系统中传输线路的电阻远远大于电抗，忽略电抗化简可得：

(3)

由式(3)可知：功角δ主要由有功功率P决定，而电压差主要由无功功率Q决定。由于控制频率可控制功角δ，因此通过独立调整P和Q可控制频率和电压。

2　微电源特性分析

由于风速及光照强度的变化均具有随机性，因此其输出功率具有随机性。

2.1风力微电源特性分析

通过大量实测数据统计分析表明：威布尔分布与实际风速分布能较好地拟合，其概率密度函数为[5]

(4)

式中：ν为风速；c为尺度参数；k为形状参数。

威布尔分布的参数可以根据风速的平均值μ和标准差σ近似算出：

(5)

式中Γ(·)为伽马函数。

风机接入系统的电路如图3所示。

图3　风机接入系统的电路图

在Buck电路中，设IGBT的占空比为D，基于状态空间平均法得到Buck电路输入至Buck电路输出的传递函数为

(6)

改变Buck中IGBT的占空比D即可实现对风力微电源输出电压的控制。

风机的输出功率可表示为[6]

(7)

式中：Pw为风机所能输出的电功率；CP(λ,β)为风能利用系数，λ=ωR/V，λ为叶尖速比，β为桨距角，ω为叶片旋转角速度，R为风轮半径，V为风速；ρ为空气密度，通常取1.25kg/m3；SW为风机叶片迎风扫掠面积。

风机的动力学方程可表示为[7]

(8)

其中：T(ωr,Vω)表示风机转矩；Te表示风机的电磁转矩；B表示风机的黏滞系数(可忽略)。

T(ωr,Vω)可表示为

(9)

式中CT为转矩系数，与λ和β有关。

通过以上分析可知：风机转速的调节可以通过简单改变风机的转矩T(ωr,Vω)和电磁转矩Te来实现。

2.2光伏微源特性分析

据统计，在一定时间段内(1h或几小时)，太阳光照强度可以近似为Beta分布，其概率密度函数为[5]

(10)

式中： r和rmax分别为某一时间段内光照强度的实际值和最大值；

(11)

光伏阵列的有功出力Ppv一般可通过式(12)简化计算。

(12)

式中：A为光伏阵列的总面积；η为光伏阵列的光电转化效率。研究表明：光伏出力的概率密度函数同样也呈Beta分布：

(13)

随机风速及光伏阵列的有功出力均可由蒙特卡罗方法获取，本文不作详细研究。

光伏微电源接入系统的电路如图4所示。

图4　光伏微电源接入系统的电路

在Boost电路中，设IGBT的占空比为D，基于状态空间平均法，得到Boost电路输入至Boost电路输出的传递函数为：

(14)

可见，改变Boost中 IGBT的占空比D即可实现对输出电压的控制。

PV等效电路如图5所示。主要包括理想电流源、二极管、并联电阻Rsh和串联电阻Rs。其中：Iph为短路电流，与光伏电池板所处位置的环境温度及光照强度密切相关；ID为流经二极管的电流；Ish为光生电流；I为负载电流；U为光伏电池板的输出电压。

图5　PV等效电路

依据Shockloy扩散理论及等效电路原理可得光伏电池的U-I方程为[8]：

(15)

式中：I0为反向饱和电流，为在黑暗中通过P-N结的少数载流子的空穴电流和电子电流的代数和；U为等效二极管的端电压；q为电子电量；T为太阳电池板的绝对温度；k为玻尔兹曼常数；A为二极管曲线因子，取值为1～2。由于式(15)中(U+IRsh)/Rsh<

(16)

当有np和ns个光伏电池板分别并入或串入光伏阵列模块中时有

(17)

文献[9]搭建了光伏阵列的仿真模型。当光照强度恒定、温度发生变化时，仿真结果表明：光伏阵列的开路电压随温度的逐渐升高而减小，但变化量很小，对应短路电流变化量更小，同时最大功率点发生小幅度偏移。

当温度恒定而光照强度发生变化时，光伏阵列短路电流和开路电压随光照强度的变化发生明显变化。本文重点研究光照强度随机变化对系统电压稳定性的影响。

3　微电源特性对电压稳定性的影响

风光分布式发电系统均通过变流器接入交流微电网的交流母线。为了研究整个微电网系统的功率平衡关系，可先以某单个发电单元作为研究对象。单个发电单元功率平衡最终表现为逆变器直流侧电压udc恒定。系统功率平衡可由以下动态方程表达：

(18)

式中：Ps为某单个发电单元的输出功率；PLoad为对应负载功率。

3.1光伏微电源对系统电压稳定性的影响

当系统稳定运行时，微电源直流侧的电压Udc保持恒定。假设PLoad为等效交流负荷功率，系统的传输功率满足以下关系式：

(19)

忽略损耗，在系统暂态运行过程中，内部功率满足以下关系式：

(20)

(21)

(22)

当外界环境发生变化时，光伏阵列的输出功率会发生变化。假设光伏微电源输出功率的变化量为ΔPPV，则式(19)的功率平衡将会被打破，微电源及系统开始新平衡的调节过程。

当ΔPPV>0时，有

(23)

当ΔPPV<0时，有

(24)

光伏并网逆变器的输出线电压的基波分量为

(25)

式中：M为幅值调制比；ωs为调制波角频率。

当外界环境因素引起光伏微电源输出功率的变化量为ΔPPV时，光伏微电源直流侧的电压变化量为ΔUdc。此时，微电源逆变器输出的a相基波电压为

(26)

交流侧的电压变化百分比为：

(27)

由式(27)可知：光伏微电源的随机性和间歇性最终表现为系统的电压波动。当系统中负荷维持恒定时，要使系统输出电压恒定必须保证ΔUdc为0，可通过接入储能装置来保证直流侧电压的恒定，进而维持系统输出电压的恒定。

当输入输出功率不平衡时，直流侧母线电压必然会出现不稳定的现象，导致直流侧负荷及交流侧负荷端电压不稳定。母线电压波动是电能质量的一个重要方面。光伏微源对系统电压稳定性影响的仿真波形如图6～8所示：

图6　光照强度随时间变化的仿真波形

图7　输出功率随光照强度变化的仿真波形

图8　直流侧电压随光照强度变化的仿真波形

由以上的仿真波形可以看出：光照强度在0.2 s时由900 W/m2增强到1 000 W/m2，光伏发电系统的输出功率明显增大，对应直流侧的电压也明显升高；光照强度在0.4 s时由1 000 W/m2继续增强到1 200 W/m2，对应的输出功率及直流侧电压同样跟随光照强度的变化而变化；当光照强度在0.6 s时突然下降，系统的输出功率明显减小，直流侧电压随光照强度变弱而降低。

通过分析可得：光照强度的变化会引起系统输出功率的变化，进而引起直流侧电压的不稳定，最终导致负荷端电压的不稳定。

3.2风力微电源对系统电压稳定性的影响

忽略损耗，风力微电源在暂态运行过程中，内部功率满足关系式：

(28)

其中风机对系统电压稳定性影响的分析方法与光伏微电源类似。风力发电系统直流侧的电压可表示为

(29)

若风机的输出功率受外界因素的影响，在某一时间段内的输出功率变化量为ΔPWT。当ΔPWT>0时有

(30)

(31)

同理，逆变器的输出电压的变化量为

(32)

在Matlab/Simulink环境下搭建风力发电单元的仿真模型。假设初始风速为7.5 m/s，在0.3 s时风速突降到6.5 m/s，持续0.7 s后，又恢复到初始的7.5 m/s。风速变化的仿真波形如图9(a)所示。直流母线电压设为400 V，仿真时间为2 s，仿真系统直流侧电压的变化情况如图9(b)所示。

由仿真波形可以看出：当风速在0.3 s处下降时，系统直流侧的电压跟随风速的下降而下降。同理，当风速在1.0 s恢复时，直流侧电压同样能随风速的增大而升高。

图9　风速减小时直流侧电压变化情况

图10(a)为风速随时间的变化曲线。系统初始运行时，假设风速在0.3 s时跃升为8.5 m/s，在1.0 s时又降到7.5 m/s。直流母线电压为400 V，仿真时间为2 s，直流母线电压随风速变化的波形如图10(b)所示。

由仿真波形可以看出：当风速在0.3 s处跃升时，系统直流侧的电压跟随风速的增大而升高。同理，当风速为8.5 m/s持续0.7 s后恢复，直流侧电压同样能随风速的变化而变化。

基于以上的理论分析及仿真验证可知：系统电压不稳定的根本原因是由于微电源功率失衡所致。无论是风力发电系统还是光伏发电系统，当系统发电功率与负载消耗功率中任一发生改变时，之前功率平衡的状态将会被打破，直流侧的功率将发生变动，导致直流侧电压不稳定，从而引起交流侧电压的波动。当微网中分布式发电单元总输出功率发生变化或负载的投切变动引起负荷功率变化时或整个微电网在孤岛运行时将会出现供需功率不匹配的现象，进而导致系统电压出现波动，使得系统无法稳定运行。

图10　风速增大时直流侧变化情况

4　结束语

本文研究了风光特性对交流微电网孤岛运行电压稳定性的影响。风光微电源输出功率的随机性和波动性主要表现为微电源直流侧电压的不稳定，进而影响微电网输出电压的稳定性。

就微电网而言，微电源种类繁多，本文重点研究了风力发电单元以及光伏发电单元两种微电源对微网电压稳定性的影响，其他微电源特性及负荷变化对系统电压稳定性的影响并没有提及。再者，频率及功角稳定性方面同样值得关注，这些都将是以后需要进一步研究的方面。

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(责任编辑刘舸)

Influence of Wind and Photovoltaic Characteristic on Operation Voltage Stability of the Micro-Grid Island

LI Xing, BAI Bin, YANG Li, GAN Yan-ling

(Qinghai Electric Power Design Institute, Xining 810008, China)

This paper mainly analyzed the influence of the wind and photovoltaic characteristicson voltage stability when the micro-grid isolated operation. Firstly, we expressed the micro-grid topology based on photovoltaic power generation unit and wind power generation unit as the micro sources, and analyzed the operation characteristics. According to the difference between the micro-grid and traditional power-grid, we also discussed the power transmission characteristics of the micro-grid. Secondly, we analyzed the two typical stochastic models of wind turbine power generation micro-source and photovoltaic power generation micro-source, and showed the probability density functions. Finally, the influence of micro-source characteristics on voltage stability of the system was discussed from the perspective of the power balance. The simulation analysis was carried out to verify the results.

wind and photovoltaic characteristic; micro-grid; isolated-island voltage stability

2016-01-18

李兴(1990—)，男，甘肃人，硕士研究生，主要从事微电网技术及新能源发电研究，E-mail:lixz-qhx@powerchina.cn。

format：LI Xing, BAI Bin, YANG Li, et al.Influence of Wind and Photovoltaic Characteristic on Operation Voltage Stability of the Micro-Grid Island[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(8):69-75.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.08.011

TM73

A

1674-8425(2016)08-0069-07

引用格式：李兴，白斌，杨丽，等.风光微源特性对交流微网孤岛运行电压稳定性的影响[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(8):69-75.