风光储并离网切换仿真模型（下垂控制一次调频）

风光储并离网切换仿真模型（下垂控制一次调频）

模型目标与核心功能

该Simulink模型的核心目标是模拟一个包含风力发电（风）、光伏发电（光）和储能系统（储，通常是电池）的混合微电网系统，能够实现以下关键功能：

1. 并网运行： 系统与主电网连接，风光储系统根据调度或本地策略（如最大功率点跟踪MPPT）向电网或本地负载供电。

2. 离网（孤岛）运行： 在主电网故障或计划断开时，系统能够无缝或平稳地切换到独立运行模式，仅依靠风光储和本地负载维持自身的稳定运行。

3. 无缝/平稳切换： 模型重点模拟并离网状态切换的动态过程，确保切换瞬间及之后的电压和频率波动在允许范围内，避免对负载和设备造成损害。这通常需要精密的控制策略。

4. 下垂控制： 在离网模式下，模型采用下垂控制作为核心的一次调频手段。

   • 一次调频： 指系统在检测到频率偏差时，自动、快速地调整可控电源（这里主要是储能系统，有时风/光也可参与部分调节）的有功出力，以抑制频率变化，维持系统频率稳定。

   • 下垂控制原理： 模拟同步发电机的调速器特性。控制策略通常设定为：频率偏差 (Δf) = - 下垂系数 (R_p) * 有功功率变化量 (ΔP)。当系统负荷增加导致频率下降时，下垂控制器会指令可控源（如储能）增加有功出力（放电），力图将频率拉回额定值；反之亦然。风/光在离网模式下也可能从MPPT模式切换到下垂模式或功率限制模式参与部分支撑。

5. 电压控制： 虽然主要介绍一次调频（有功-频率控制），但实际模型通常也会包含电压-无功功率的下垂控制或其它电压控制策略（如V/f控制），以维持离网模式下的电压稳定。

Simulink模型的示意图：

一个典型的模型会包含以下关键模块：

1. 可再生能源模型：

   • 风力发电机模型： 包括风速模型、风力机气动模型、发电机模型（通常为永磁同步发电机PMSG或双馈感应发电机DFIG）及其电力电子变流器（AC/DC/AC）模型。包含MPPT控制。

   • 光伏阵列模型： 包括光照强度模型、温度模型、光伏电池模型及其DC/DC升压变换器模型。包含MPPT控制。

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2. 储能系统模型：

   • 电池模型： 常用等效电路模型（如Thevenin模型）或更简单的电压源串联内阻模型来表征电池的动态特性。

   • 双向变流器模型： (DC/AC) 连接电池直流母线和交流母线。这是实现功率双向流动（充电/放电）和执行下垂控制指令的关键设备。其控制器是实现下垂控制的核心。

3. 负载模型：

   • 静态负载（恒阻抗、恒功率、恒电流）。

   • 动态负载（如电机负载）。

   • 负载变化模型（模拟负荷投切）。

4. 电网接口与并离网切换逻辑：

   • 电网模型： 理想电压源或带阻抗的等效电网模型。

   • 静态开关： 模拟连接主电网的断路器（STS）。

   • 并离网检测模块： 持续监测电网侧电压的幅值、频率、相位等（如PLL输出），判断电网是否满足并网条件或已失效。常用方法有电压/频率阈值检测、相位跳变检测等。

   • 切换控制逻辑： 根据检测结果，发出断开（离网）或闭合（并网）静态开关的命令，并同步向风光储系统的本地控制器发送模式切换指令（如从MPPT模式切换到下垂模式）。

5. 本地控制器（核心 - 实现下垂控制）：

   • 下垂模式： 类似储能，参与一次调频（通常设置不同的下垂系数，储能承担主要调节责任）。

   • 恒功率/限功率模式： 输出固定功率或不超过某上限，将频率调节任务主要交给储能。

   • V/f模式： 少数情况下，由大型风机或光伏逆变器充当离网模式下的主电源建立电压和频率基准，储能配合调节。

   • 外环（功率/电压频率控制层）： 在离网模式下，实现P-f下垂控制（有时也包含Q-V下垂）。计算频率偏差Δf，根据设定的下垂系数R_p计算出需要调整的有功功率参考值ΔP_ref。该参考值叠加到基础功率设定值（可能来自上层调度或初始设定）上，形成总的P_ref。同时生成电压幅值参考V_ref（可能来自Q-V下垂或恒压设定）。

   • 内环（电流控制层）： 接收外环输出的P_ref, Q_ref（或V_ref），通过电流环（通常是d-q轴解耦控制）快速跟踪这些参考值，产生变流器开关管的PWM驱动信号。

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   • 储能变流器控制器：

   • 风光变流器控制器（在离网模式下的可选参与）： 可能从MPPT模式切换到：

6. 测量模块：

   • 电压、电流传感器（测量PCC点、关键母线、各单元出口的电压电流）。

   • 功率计算模块（计算有功P、无功Q）。

   • 锁相环：用于测量电网或本地母线的频率和相位角，对控制至关重要。

7. 监控与显示：

   • Scope模块：实时显示电压、电流、频率、有功功率、无功功率、SOC等关键波形。

   • Display模块：显示关键参数数值。

仿真的典型场景与观察重点

1. 稳态并网运行： 风光储按设定模式运行（风光MPPT，储能充放电或待机），向电网送电或从电网取电（充电）。观察功率流向、电网参数稳定。

2. 并网转离网：

   • 触发： 模拟电网故障（如电压跌落、频率异常、断电）。

   • 过程： 检测模块快速识别故障，断开静态开关。本地控制器（主要是储能）收到模式切换指令，迅速从当前状态切换到离网下垂控制模式。储能变流器接管电压和频率的建立与调节。

   • 观察重点： 切换瞬间的电压/频率暂态波动（过冲/跌落）、恢复时间、切换后系统的稳定性。评估控制策略对无缝/平稳切换的效果。

3. 离网稳态运行：

   • 风光储共同为本地负载供电。储能作为主调节单元，通过下垂控制响应负载变化，维持频率在允许范围内。

   • 观察重点： 负荷变化时（如增加/减少负载），频率的动态响应过程（偏差大小、调节时间、超调量）、各电源（尤其储能）的有功出力调整情况。验证一次调频（下垂控制） 的有效性。

4. 离网转并网：

   • 触发： 模拟电网恢复。

   • 过程： 检测模块确认电网参数（电压、频率、相位）满足要求且同步。闭合静态开关实现重新并网。本地控制器可能需要从下垂模式切换回并网模式（如MPPT或恒功率）。

   • 观察重点： 并网瞬间的冲击电流、功率波动。需要预同步控制来最小化冲击。

5. 离网模式下的抗扰动能力： 模拟风光出力波动（风速/光照变化）、负荷突变等，观察系统在下垂控制作用下的鲁棒性。

6. 运行结果：

7. 

   

   

   

   

   更多仿真模型详情见原文：https://mp.weixin.qq.com/s/Qni1HeO1tlkGy3KbR5WlQQ