基于Typhoon HIL的风储微电网系统实时仿真

基于Typhoon HIL的风储微电网系统实时仿真

本文要介的绍微电网仿真模型包括：微型风电场、储能电池、用户负载、交流电网等部分，系统可以运行在并网模式或者孤岛模式。

Typhoon HIL402即可实现该微电网模型的实时仿真运行。Typhoon HIL402是一款小而强的FPGA实时仿真机，整机可以随身带，方便用户在办公室、实验室、甚至外部测试场地使用。 HIL402 FPGA仿真机具备4核仿真能力，500ns仿真精度，配置16路16位的模拟量输入输出通道，模拟量通道采样速率1MSPS，32路数字量输入输出通道，数字量通道最小输入输出脉冲宽度可达6.2ns。

图 1 Typhoon HIL402实时仿真机

1 微电网系统简介

微电网是一种运行灵活的配电系统，一般由负载（用户负荷、电池等）和分布式发电单元（可再生能源、电池等）以及电网等相互连接组成。根据系统结构或最经济运行条件，微电网既可以与电网连接，为电网送电（“并网模式”），也能够在某一时刻与电网断开，独立向与其所连接的用户负载供电（“孤岛模式”）。在下面本文要介绍的案例中，微电网系统是由一个微型风电场（包含三台风力发电机）、一个储能电池单元、负荷单元和电网组成。该模型可以很好地展示微电网如何在电网出现故障情况下从并网模式转入孤岛模式工作，以及在电网系统故障清除后重新进行并网运行，在这两种工况下，通过控制实现负载连续供电，使得用户负荷不会因微电网系统的两种不同工作模式的切换而受影响。

图 2 微电网模型示意图

2 微电网模型简介

该电网模型主要由包含三个风力发电机平均值模型的微型风电场构成，每个风力发电机模型由发电机、变压器、逆变器、控制单元和连接开关等模块组成。

（1）风力发电机平均值模型

图 3 风力发电机模型

风力发电机的最大输出功率为2MW，出口电压为690 V，风力发电机叶片扫过面积7854 m2，每台风力发电机各配一台0.69 kV /10 kV的升压变压器，通过地下电缆线路 (XHE 49-A 150 mm2)连接到升压变压器 (10 kV /110 kV )，并最终通过并网开关到理想电网中。电缆线路（XHE 49-A，150 mm2）参数是根据所连风力发电机的额定电流来进行选择的。各风力发电机之间的距离为均为500 m。风力机 WT3 与 WT2 通过线路连接，正常运行时单相线路流过最大电流为116A，WT2 和 WT1也通过相同的电缆进行连接，线路最大流过电流为232A，整个风电场通过一条地下电缆线路连接到电力系统，风场线路单相线路流过最大电流为347A 。风力发电机平均值模型控制采用基于PQ的双闭环控制，外环为有功、无功/电压幅值控制，内环为电流环控制。外环通过风速与功率的3次方关系得到不同风速下风力发电机有功功率参考值，无功参考值或交流电压幅值参考值可直接人为给定，控制框图及模型实现如下：

图 4 风力发电机控制框图

图 5 外环控制模型

图 6 内环电流环控制框图

图 7 整体三个风机组成的风场模型

（2）储能模型

由于风力发电机输出功率是随风速变化的，因此系统配置了1.6 MVA的电池组，微电网系统中功率缺额或者超额可由该储能电池进行平衡。储能电池额定功率1.6MVA，直流侧电压1000V，储能逆变器出口电压0.48kV(50Hz)，储能系统通过额定功率为2MVA的升压变(0.48 kV/10kV)连接到电网10kV电压等级处。

图 8 储能系统模型

   储能电池部分控制分为并网和离网两种控制策略，当并网运行时，储能电池采用PQ控制，为电网送电或从电网吸收功率；离网运行时，采用交流电压幅值控制，储能逆变器为系统提供交流电压支撑，使用户负载得到正常供电。

图 9 储能PQ控制结构框图

图 10 储能PQ控制模型

图 11 储能定交流电压控制框图

图 12 储能定交流电压控制模型

微电网内的负载模块主要为有功负载，负载总功率为 1.3 MVA（用户负载可以是住宅楼、路灯、大学、医院等），负载接入系统10 kV侧。系统中10 kV/110 kV变压额定功率为31.5 MVA，通过并网开关与110kV无穷大电网连接。

为监测系统中各处电压、电流、有功功率和无功功率等信息，模型在系统各单元的输出端加入测量模块。该模型还配置了一个友好、人机交互SCADA图形界面（如下图所示）。该界面供了各用户图形组件，用于在模型实时运行时监控仿真结果并与模型进行交互，用户也可以新建或修改SCADA面板模块以及插入Python测试代码，以满足不同场景、变化多样的测试需求。

图 13 风力发电机微电网系统SCADA显示界面

3 微电网系统运行工况

1）系统在正常模式下运行，风电场以并网发电方式运行，电池已经充满电（100%），产生的能量全部传输到电网和用户负载。

模型风速给定是直接从已有风速文件（文件为位于模型目录下的Wind speed.txt文件）中导入数据，风力发电机发出的功率直接跟风速有关，是不断变化的。在此工况下，实时运行并启动模型，将电池电量调至100%，储能电池并网开关断开，系统正常运行时，不需接入电池，风电场产生的全部电力都转移到电网和本地用户负载，通过实验数据和波形可计算显示风力发电机所发出电量。

图 14 风力发电机SCADA系统波形界面

图 15 风力发电机有功和无功功率、风机侧电压波形图

2）当电网发生故障且系统电压低于95% Vn（额定电压）时，微电网检测到系统欠压，通过启动欠电压保护开关，系统自动由并网切换到孤岛运行模式。

当切换到孤岛模式后，风力发电机与电网分离，为避免系统产生功率盈余，风力发电机侧开关断开，系统由蓄电池形成电网持续为用户负载供电，当电池持续放电至剩余电量为电池最大容量的电的5%时，闭合风力发电机侧开关，由风力发电机为负载供电，同时，风力发电机发出的多余的电能为蓄电池进行充电，此过程一直持续到电池充电到其最大容量的100%或电网恢复正常连接。

图 16 储能电池形成微电网的运行模式SCADA界面

图 17 电池形成微电网时SCADA系统显示界面

图 18 电池容量下降至最大容量5%，风电场接入微电网时SCADA界面

图 19 风电场接入微电网后电池组波形SCADA界面

图 20 孤岛模式下负载有功、无功功率、电压波形图

3）故障消失后，110kV侧并网开关闭合，系统自动接入电网运行。

电网故障消失后，系统并网开关闭合，如果此时电池电量未完全充电至100%，则由风电场继续对电池进行充电并对用户负载供电，如果风电场的发电量不足，则电池和负载缺额的电能由电网提供。储能电池充满电后，自动与系统断开连接，直到微电网发出下一个“孤岛模式”请求。在该工况下，风力发电机将一直并网运行并将电能输送到用户负载或电网。

由上述波形可以看出，上述任意一种情况下，用户负载侧均一直保持可靠的供电，并具有较高的电能质量。系统运行稳定可靠，符合预期。

4 更多信息

该模型的更多信息如下表所示

表 1. 更多信息表