摘要：分布式发电技术的快速发展，新能源的有效利用是现代社会发展的需要，因此一些学者提出了微电网的概念，针对直流微电网的运行特性、控制方式进行研究，这就需要利用不同仿真软件对其进行建模仿真，分析不同情况下直流微电网的运行状态，完善各类直流微电网的控制策略，为直流微电网的工程应用打下坚实的理论基础。
关键词：含分布式能源；直流微电网；建模与控制
1直流微电网的拓扑结构
直流微网的拓扑结构可分为环形、径向和双电源。目前，直流微网的建模研究主要采用径向或环形拓扑结构。下面将针对相对简单的放射结构进行建模分析，从直流微电网的结构组成入手，由接口电力器件的控制着手对直流微电网进行建模研究。微电网内的分布式发电单元、储能系统通过相应的电力电子接口电路接入直流母线，再经过电力元件向负荷供电，此外，交流配电网通过变流器与直流微电网相连，实现能量之间的交换。
直流微电网的组成结构也可分为四大模块，分别为分布式电源、储能装置、负载以及交流模块。常见的分布式电源的有风力发电机组、光伏电池、微型燃气轮机，各种分布式电源的类型不同，需要相应的电力电子器件与控制策略与直流母线连接；储能装置通常用来维持直流母线的电压稳定，保证系统内的功率平衡；负载通常包括不同电压等级、类型的负荷，根据其所需电能的差异，可利用相应的电力电子器件来实现对交直流负荷的供电。交流模块也称之并网模块，通过双向AC-DC实现直流母线与交流配电网的连接与控制，根据一定的控制策略来完直流微电网的并网或离网操作。
2含分布式能源的直流微电网建模
直流微电网具有高效、节能、可控性、低投资等优点，能够充分发挥新能源分布式电源的优势，是一种更加理想的微电网发展模式。由于分布式电源的类型千差万别，这就促使直流微电网的结构更为多元化。目前，我国对直流微电网的建模与控制等方面的研究尚处于起步阶段，需要进一步建立更为复杂的直流微电网模型。
2.1光伏发电系统建模
2.1.1光伏电池数学模型及特性
根据电路理论，光伏电池输出电流、电压表达式为：
式中：
式中，A为二极管品质因数，Isc为标准环境下的短路电流，Kl为温度系数，q为电子电荷常数，k为玻尔兹曼常数。
光伏电池作为直流电源，不同于一般的电压源，也不同于一般的电流源，而是具有较强的非线性。此外，由于光伏电池的输出功率与外部环境的温度，光照强度密切相关，所以在研究分析中需要注意其特殊性。
2.2风力发电系统建模
2.2.1直驱永磁风机数学模型
（1）风速模型
风速模型通常独立于风力机组模型，对风速建模的研究很多，主要有四分量模型、概率分布模型、时间序列模型等。论文采用风速概率分布模型进行建模，风速概率分布模型常用的主要包括威布尔分布、瑞利分布、卡方分布、对数市态分布等，在建模中应用较多的为威布尔分布模型。通过分析实测风速数据可以发现，长期的风速数据近似服从威布尔分布。根据风速的威布尔模型，其概率密度和分布函数分别为：
风电场的平均风速由尺度参数C反映，F为给定风速（ｍ／ｓ）。根据风速的历史数据，通过计算可得到其分布参数。对分布函数进行反函数变换，可得到下式：
2.2.2风力机模型
风力机的主要作用是将风能转换为机械能，具体原理为通过叶片获取风能，并将其转化为轮毂上的机械能。根据空气动力学理论可得到其机械功率为：
风力机输出转矩Twt为：
其中，Cp表示风能利用系数；p为空气密度；R表示风轮半径；v为风速。
3含燃气轮机直流微电网的控制
3.1光伏发电系统的控制
3.1.1 MPPT控制
基于光伏电池的输出特性是非线性的，在不同的光照强度与温度下，光伏发电系统的最大输出功率也大不相同。在实际运行中，由于温度与光照存在很大的不确定性，使得系统最大输出功率难维持稳定的状态，通过MPPT控制方式可以使光伏发电系统保持在最大输出功率的工作状态。MPPT控制模式实质上是一种自寻优算法，应用较为广泛的有扰动观察法、固定电压法、电导增量法等方法。固定电压法根据根据光伏电池输出特性得到最大功率点的电压，将输出电压控制在这一电压值，原理较为简单，易于实现，但其精确度较差；扰动观察法是指为电压施加扰动，对比扰动前的输出电压与功率情况，确定下一次扰动方式，结构较为简单，所需参数较少，但效果受扰动步长影响很大；电导增量法根据最大功率点只有一个的原理，通过求导得到斜率为零的点，找到最大功率点，具有稳定性较高，控制效果好的特点，但需要较高的采样率。
3.1.2恒压控制
直流微电网并网运行时，为了充分发挥光伏单元的经济效益，通常采用MPPT控制光伏发电，使其保持最大的功率输出。若直流电网处于离网运行状态，系统内的负荷减少时，并且储能装置无法吸收多余功率的情况下，为了维持母线电压的稳定，需要降低光伏发电系统的输出功率，这就需要一定的降功率控制方法。可通过恒压控制实现光伏发电系统的降功率控制，主要是通过控制光伏发电系统中的Boost升压电路来实现，保持直流母线电压稳定性。
3.2 风力发电系统的控制
对风力发电系统的控制主要体现在对最大输出功率的跟踪，其基本控制思想为：风机在风速变化时，通过调整发电机转速和叶尖速比，追求最大的风能利用系数，使风机保持最大输出功率。风机最大功率跟踪控制常用的方法有最优叶尖速比法，该方法需要准确测量实时风速，对测量装置的硬件需求很高，但由于其响应速度快，精度高的特点在工程应用中较为广泛。
结语
直流微电网是由直流构成的微电网，是未来智能配用电系统的重要组成部分，直流微电网将以更为高效、节能和低成本的供电方式，大力推动直流配电网、直流输电技术的发展，这对推进节能减排和实现能源可持续发展具有重要意义。
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论文作者:陈磊,王翔飞
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第1期
论文发表时间:2018/5/8
标签：电网论文; 风速论文; 建模论文; 光伏论文; 电压论文; 分布式论文; 系统论文; 《建筑模拟》2018年第1期论文;