Sim ulink 示例中小型微电网的简化模型分析

2020-09-24万卓鑫

科技视界 2020年26期

万卓鑫

1 模拟过程简述[1]

从20 h 到4 h，太阳能发电量为0 W；从14 h 到15 h 达到峰值（5 kW）。电力负荷作为普通住宅的典型负荷变化，分别在9 h（6500 W）、19 h、22 h（7 500 W）达到峰值。从0 h 到12 h，从18 h到24 h，由电池控制器进行电池控制。电池控制对电流进行跟踪控制，使从三绕组变压器二次侧流入系统电源的有功功率设置为0。此时，三绕组变压器二次侧的有功功率始终在零附近。蓄电池在微网供电不足时提供不足的电流，当微网供电超过负荷时从微网吸收多余的电流。从12 h 到18 h，不进行电池控制。蓄电池荷电状态（SOC）固定在一个常数上，并且自蓄电池充放电后不发生变化，电池不是由电池控制器执行的。在8 h 时，普通住宅3 号负荷被断路器断开10 秒。

图1 蓄电池模块

2 模型组成结构和原理分析

该微电网的基本组成由一个电力网络，一个太阳能发电系统，一个蓄电池，以及三个普通住宅的典型负荷，构成简化的微网模型。其中包含有对太阳能、蓄电池的控制模块，以及Scopes（示波器）模块等。

2.1 蓄电池及其控制模块

2.1.1 蓄电池模块简述

蓄电池通过可控交流电流源并联阻尼器来模拟，输出连接在微网变压器二次侧。如图1 所示，Battery_I 输入端口输入的是通过对变压器二次侧电压电流进行跟踪控制，得到的电流作为蓄电池中的可控电流源的输入。Ibattery 输出端的From 在整个模型的示波器（Scopes）部分里。Scopes 模块会在后面的示波器模块分析中进行分析。

2.1.2 蓄电池控制模块

如图2 可以看出，蓄电池控制模块对变压器的二次侧电压电流采样作为输入，根据控制要求，从0 h 到12 h，和从18 h 到24 h，由电池控制器进行控制；从12 h 到18 h，不进行电池控制。所以还有一个控制输入信号，此控制输入信号的输入在Scenario 模块中，在12 h 到18 h 期间Control 信号输出为0。

当来的控制信号为0 时，使从变压器二次侧流入系统电源的有功功率在从0 h 到12 h，和从18 h 到24 h 的时间段内保持为0。这时候输出I_RMS 作为发给蓄电池的充放电电流。因此使在0 h 到12 h，和从18 h 到24 h 的时间段内由蓄电池供电给普通住宅负荷。同理在从12 h 到18 h 时，不进行电池控制，I_RMS输出为0，这段时间不由蓄电池发电。在图2 的后半段，可以看出取I_RMS 为电流有效值，与变压器二次侧的电压的相位组成复数电流值，乘上转换为输出给蓄电池的电流。

图2 中还可以看到还有一个Battery_Simple_Dynamics 模块，此模块用于计算所消耗的蓄电池的电能，以及蓄电池的SOC。其内部结构如图5 所示，它的电池容量值（Capacity）AH 设置为1 000 Ah。

计算其电能消耗所用公式[3]为：

图3 Battery_Simple_Dynamics 模块内部

该公式的I，为模型中的I_RMS，即为上述的蓄电池控制模块所输出的蓄电池的充放电电流。所消耗电能就是该电流在时间区域内的积分。

蓄电池的SOC 的计算所用公式[2]为：

该公式的QN为标称容量，在这里是之前所设置的电池容量值1 000 Ah；其中的I 为模型中的I_RMS；其中的η 为充放电效率，在这个模型里设至为了1。

在计算SOC 时，Integrator 模块的初始条件设置为AH×0.2×3 600，也就是说在t0时Integrator 模块输出为AH×0.2×3600，因此可以看出此模型是使Battery_SOC 的初值为80%

2.2 光伏及其控制模块

2.2.1 太阳能电池板模型简述

如图4，为太阳能电池板模型，太阳能电池板也是通过可控电流源并联阻尼器来模拟。通过图4 可以看出有一个输入电流PV_I 与一个局部阴影模块（Partial Shading）相乘构成了太阳能电池板的输入；其输出端Ipv 连接到了Scopes 模块中，整个太阳能电池板连接在电网上为负荷供能。

2.2.2 太阳能电池板控制模块分析

输出电流PV-I 是通过图5 的模块得到：左侧时钟输入一个模拟时间信号，下面那条分支为太阳能查找表模块（Solar Data 1-D Lookup Table），这是通过事先的设置出来的太阳能电池板的输出功率，可人为修改。可以发现从20 h 到4 h，太阳能发电量为0 w；从14 h 到15 h 达到峰值。后面的除以200 再乘上变为峰值，与网二次侧的电压的相角结合得到复数电流PV-I 提供给太阳能电池板。

图4 太阳能电池板

图5 Scenario 模块

然后分析在太阳能电池板上Partial Shading 模块，通过设置Ton 和Toff 的值确定在哪段时间内太阳能电池板上出现阴影区域，这里设置出现阴影的时间为11 h，持续时间为20 s。其中Factor 设置值为0.3，太阳能不能完全发挥作用，控制电流变成了原来的30%；其他时间输出为1。

2.3 电力负荷及其控制模块

2.3.1 电力负荷模型简述

电力负荷在此模型中使用是三个普通住宅，内部结构都相同。这里的电力负荷也是通过可控交流电流源并联阻尼器来模拟，只是多了一个串联电阻。其中的Load3_I 的输入是来自于整个模型中的Scenario 模块。其中的IL3 是连接到了Scopes模块中了。

此处的3 号普通住房连接电网侧有一个MainBreaker，通过Trip Signal 给出控制信号，Trip Signal 的设置的断路器断开时间在8h 时，断开持续时间为10s，这期间，3 号普通住房负荷与电源端脱离，不再接收能量。

2.3.2 电力负荷的控制方案

电力负荷的控制和太阳能电池板的控制是在此模型的同一个模块Scenario 中，因此分析方法相同，这里做简要说明。如上图图6 中，按时钟通过Load Data 1-D Lookup Table，经运算得出负荷消耗电流有效值的曲线。把得出的电流分给三个负载，总的负荷消耗功率在9 h 达到一个峰值6500 W，在19 h、22 h 达到一个峰值7500 W。

2.4 电网侧模块连接分析

该微网模型的网侧连接模型从左到右依次是电网模型、变压器、输电线路、星型连接的RLC 负载以及一个三绕组变压器。电网模型电压幅值为66 kv，A 相相角为0°；变压器的二次侧电压为6.6 kV；SEND1 模块，是一个π 型等值电路[4]，长度为1 km。后面的变压器使电压变为了有效值为200 V 的电压。

3 Scopes模块分析

通过以下的分析，可对一天里各种供电源以及负荷的工作状态有一个较为清晰的认识。

首先我们看第一个波形图图6 太阳能电池板发电量随时间变化规律。

通过上图，知太阳能电池板在4 h 到20 h 期间工作；还可看见在14 h 到15 h 期间，太阳能电池板输出功率达到峰值5 kW。在11 h 到11 h20 s，由于阴影遮挡，太阳能电池板提供给负荷的功率变为了原先的30%，如图中一个下降的尖峰。

接着分析同在Scenario 模块中设置的三个普通住宅，也就是负载需求功率随时间的变化规律，如图7 所示，在0 h 时负载需求的功率约为3 280 W；在大概1 h 到6 h 这个时间段，负荷的需求功率较低，一段时间内只保持基本需求功率。6 h 后负荷需求开始上升；在8 h 到8 h10 s 时，3 号负荷被断路器切掉，在图中有一个持续10 s 的尖峰。6 h 上升到大概在9 h 时，负荷的需求开始降低；到晚上的17 h 左右，负荷需求增大直到约22 h时，符合日常的用电规律。

图6 太阳能电池板发电量随时间变化规律

图7 负载功率随时间变化规律

图8 三绕组变压器二次侧功率随时间变化规律

然后分析三绕组变压器二次侧功率随时间变化规律。如下图8 所示。因8 h 时3 号负载断开，因此有一个扰动；在11 h 时的太阳能电池板被阴影遮挡，所以也有一个扰动。可以注意到图中12 h 到17 h 左右时，电网提供的功率为正值，也就是说太阳能电池板提供的功率过剩，送到了电网；而17 h 左右到18 h时，太阳能电池板不足以单独为负荷提供功率，所以由电网为负荷提供一部分。18 h 后蓄电池投入，变压器二次侧功率回升为0 W。

然后分析蓄电池输出的功率随时间变化的规律。如图9 所示，在8 h 时，由于掉负荷，发出的功率减小，有一个尖峰。在10 h 到12 h 时，蓄电池输出的功率为负值，太阳能电池板发电把多余的能量给蓄电池存储；在其间的11 h 到11 h20 s 时，尖峰是为了填补太阳能电池板由于阴影遮挡使供给负荷功率不足的那一部分。

由以上分析可总结出，在各部分的功率供需满足一个关系。

太阳能输出功率+蓄电池输出功率-电网输出功率=负荷输出功率（3）

公式中的太阳能与蓄电池的输出功率取正，输入取负；电网在图中为正值时是给电网输入功率，为负时是输出功率，所以上式为减去电网输出功率。

接下来简要分析一下蓄电池的SOC 值随时间的变化规律，如下图10 所示。

该模型主要是靠蓄电池和太阳能供电，所以蓄电池一般不会处在浮充或者满电状态，因此初值设置为了80%[3]。从0 h 到10 h 左右时，SOC 一直处于下降状态，当在10 h 到12 h 时SOC有一个较小的回升，是由于太阳能电池板发电把多余的能量提供给了蓄电池存储。在12 h 到18 h 时，蓄电池切出，SOC 值维持在了72.85%左右，在18 h 后又开始投入，为负荷供电。