印度环境下虚拟电厂的挑战、建模仿真与性能分析

马赫什·S·纳克海德博士查特吉，斯玛吉特·戈什博士

学院研究学者电气工程,昌迪加尔NITTTR India1
学院教授兼系主任电气工程，印度昌迪加尔NITTTR
选举学系教授兼系主任。印度帕迪亚拉印度塔帕大学的仪器与仪器

摘要

本文尝试在Matlab/Simulink仿真的基础上，揭示智能电网中虚拟电厂(VPP)的性能分析。两种主要可再生能源能源为便于分析，我们将光伏发电和风力发电系统以及可控负荷集成到VPP中。对RES的Matlab/Simulink模型进行了评估。最后对评价结果进行了描述。

关键字

采购产品虚拟电厂，可再生能源，光伏电池发电系统，风力发电系统，分布式发电，分布式能源

框架

印度的电力建设和电网现代化面临着一系列问题。更大的电气化自然会在印度长期的经济增长中发挥重要作用，但不断增长的能源需求正在超过印度的可用供应。在印度使用高峰期，需求超过供应7%到11%。2014年2月的发电量为237.742千兆瓦。到2032年，印度的发电量预计将达到800千兆瓦。

供应缺口导致印度居民缺乏持续、全面的电力服务，因为印度大约一半以下的农村人口没有接入电网。铁路损失率平均为26%，查谟克什米尔等一些邦的铁路损失率高达62%。如果我们考虑到这个国家广泛的电力盗窃，那么输电线路的损失平均为50%。值得注意的是，尽管印度政府多年来作出了努力，这种盗窃行为仍在继续。印度燃煤电厂的热效率也落后于27%，而西方国家的热效率为37%。此外，印度北部地区(NR)、东部地区(ER)、西部地区(WR)、南部地区(SR)和东北部地区(NER)这五个地区电网的基础设施并不一致。在所有这些区域中，NR、ER、WR和NER是同步的，这被称为新网格。而SR不与交流线路的其余区域同步，因此运行在略有不同的频率上。SR与WR和ER仅通过高压直流链路连接。由于水电和煤炭资源的地理位置，输电和运输问题对发电所需的电力和燃料的运输是有问题的。 Currently there are pockets in India with surplus power that are unable to sell it to those with deficient energy supply, creating an artificial shortage scenario. As a result of these various institutional fractures, each region has developed its own protocols, and a patchwork of generation and transmission solutions. Electrical monitoring across the whole country is very imprecise, making efficient solutions all the more difficult to apply. This all results in frequent power outages, grid failures, heavy line losses, and an increase in overall grid instability.

政府已经制定了应对这些挑战的计划，并拥有庞大的人口和不断增长的IT行业专业知识来推动它向前发展。通过将印度中央政府复杂的官僚机构与各邦和私人专家联合起来，印度制定了一项雄心勃勃的计划，在未来10年内实现电网现代化。

电力部(MoP)已经启动了一些电力部门改革。它的一些主要成分是-

i)《2007年电力(修订)法》

重组-加速电力发展和改革计划(R-APDRP)

iii)分销改革、升级和管理(DRUM)计划

(四)智能电网工作组和智能电网论坛

智能电网工作组和智能电网论坛协调印度的智能电网活动。以下是智能电网中使用的技术:a)智能电表和其他传感器

b)分布式发电

c)可再生能源的整合

d)插电式混合动力车

e)高压直流和事实

f)天气状况信息系统

g)需求控制/响应

h)配电变电站SCADA

i)地理信息系统

j)微电网

k)虚拟电厂

在第1节介绍了印度电力系统场景的背景信息之后，第2节将简要介绍虚拟电厂。相关工作在第- 3节中介绍。第4节描述了在VPP中整合分布式能源所面临的挑战。第5节简要介绍了本文所使用的Matlab和Simulink软件。第6节给出了关于建模和仿真的信息。第7节继承了模拟和讨论的结果。最后，第八部分对本文进行了总结。

介绍

虚拟发电厂是一个经常与“微电网”互换使用的术语，它依靠软件系统在一个安全的网络连接系统中远程自动调度和优化发电或需求侧或存储资源。简而言之，vpp可以代表一个“能源互联网”，利用现有的电网网络为客户量身定制电力供应和需求服务，通过软件创新使最终用户和配电公司的价值最大化。

简而言之，VPP将所有可用的潜在资源的独特特征网格化到一个“虚拟”设施中，该设施可以按项目类型、供应方资源类别或分配网络上的位置进行组织。vpp通过聚集大量的分布式代(dg)或分布式RES和/或具有可控负载的客户，以一种全新的方式获得规模经济的回报，从而帮助公用事业公司应对智能电网。与建造越来越大的实体发电厂相比，软件和其他控制使公用事业公司能够根据邻近程度、成本、环境表现和/或其他标准在短期内聚集资源。

分布式发电(DG)是将10到10,000千瓦的小型发电机分散在整个电力系统中，与电网相互作用或向孤立的站点提供电力。

分布式能源的有效整合带来以下好处:

A)中央发电能力降低;

B)提高输配电网络容量的利用率;

C)增强系统安全性;和

D)降低了总体成本

e)减少二氧化碳排放。

整合分布式能源的挑战

以下是分布式能源整合所面临的挑战。

a)这些电源必须以不同的电压等级连接到配电网中。

b)许多类型的大型分布式发电厂使用直连的旋转机器，这往往会增加网络的故障水平。

c)分布式发电存在暂态电压偏差，电力电子电路在网络中注入谐波和暂态，影响电能质量。

d)分布式发电所采用的保护方案，除了常规的内部故障保护、电网失压保护等分级保护外，还需要具备多种保护方案。

e)集成方案应能提供电压和频率可容忍变化的电源

MATLAB / SIMULINK仿真软件

MATLAB®是用于数值计算、可视化和编程的高级语言和交互环境。使用MATLAB，我们可以分析数据，开发算法，创建模型和应用程序。语言、工具和内置的数学函数使我们能够探索多种方法，并比使用电子表格或传统编程语言(如C/ c++或Java™)更快地找到解决方案。我们可以在包括电力系统在内的一系列应用中使用MATLAB。

Simulink®是一个广泛用于多领域仿真和基于模型的设计的框图环境。它支持嵌入式系统的系统级设计、仿真、自动代码生成以及连续测试和验证。Simulink提供了图形编辑器、可定制的块库和求解器，用于建模和模拟动态系统。它与MATLAB®集成，使我们能够将MATLAB算法合并到模型中，并将仿真结果导出到MATLAB中进行进一步分析[12]。

建模与仿真

下一节介绍了关于开发的VPP模型和在这项工作中使用的不同类型的可再生能源模型的信息。

图1描述了本工作开发的VPP模型。基本上VPP由一个集中的能源管理系统组成。该系统与不同的分布式(可能由可再生能源组成)能源进行通信。这些分布式能源分布在不同的位置。在提出的模型中，作者考虑了光伏电站、风力电站、蓄电池、可控负荷、不可控负荷和公用电网作为VPP的组成部分。

A.光伏阵列

这是一个通过两个DC-DC升压变换器和一个三相VSC连接到25kv电网的200kw阵列的平均模型。基于“扰动与观察”技术的MPPT控制器通过MATLAB函数块实现，该函数块生成可嵌入的C代码。

这个模型包含

i)两个光伏阵列，在1000w /m2太阳辐照度下，每个光伏阵列最大输出100kw。

ii)两种升压变换器的平均模型，将电压从PV1和PV2电压增加到500v DC。两个MPPT控制器使用“扰动和观察”技术。

iii) VSC的平均模型。VSC将500v直流转换为260v交流，保持功率因数统一。

iv) 20- kVAr电容器组滤波由VSC产生的谐波。

v) 200kva,260V/25kV三相耦合变压器。

模型如图2所示。光伏阵列采用两种不同的模块。一个是SunPower SPR-305 WHT，另一个是京瓷KD205GX-LP。SunPower-SPR305光伏阵列的特性如下图3所示。

B.风电场

这在模型[14]中进行了模拟。这说明了使用由风力涡轮机驱动的双馈感应发电机(DFIG)的平均模型对一个9兆瓦风电场的模拟。在这种类型的模型中，电压源转换器(igbt)由等效电压源表示，产生在一个开关频率周期内平均的交流电压。

一个9兆瓦的风电场由6个1.5兆瓦的风力涡轮机组成，连接到一个25千伏的配电系统，向电网输出电力。

模型如图4所示

采用双馈感应发电机(DFIG)的风力发电机由绕线转子感应发电机和基于电压源建模的交流/直流/交流igbt型PWM变换器组成。定子绕组直接连接到60hz电网。转子通过AC/DC/AC变换器变频馈入。DFIG技术允许在低风速下从风中提取最大的能量。这可以通过优化涡轮机的速度来实现，同时在阵风期间将涡轮机的机械应力降至最低。

在这项工作中，风速保持恒定在15米/秒。控制系统使用转矩控制器，以保持速度在1.2 pu。风力发电机产生的无功功率调节在0毫瓦。

涡轮Cp曲线如图5所示。

涡轮功率、叶尖速比lambda和Cp值随风速的变化如图6所示。风速为15m /s时，涡轮输出功率为额定功率的1pu，俯仰角为8.7°，发电机转速为1.2 pu。

C.电网储能电池

这里，电网储能电池模型[15]在图7中进行了适当的修改。在这种情况下，电网由一个3相源模拟，系统的其余部分由一个恒定的RL负载模拟。13kV/240V降压变压器提供负载。对[13]、[14]、[15]所示模型进行适当修改，形成如图8所示的虚拟电厂示意图。VPP的运行情况如表1所示

结果与讨论

为简单起见，这里不考虑不同分布式生成器之间的通信。VPP模型仿真时间为14秒，电网功率变化如图9所示

结果清楚地描述了在T=0秒时，公用事业电网正在满足负载。在T=2秒时，VPP运营商要求光伏电站入网。VPP运营商试图在T=4秒内减少10兆瓦的可控负荷。然后负荷也很高，要求风力发电厂并网。随着T=5秒风力发电厂的加入，系统负荷急剧减少，VPP开始向电网供电。因此，在T=11秒，VPP操作员开始充电电池，因为VPP有剩余的电力。

结论

本文利用MATLAB/ Simulink对集成分布式可再生能源的虚拟电厂进行了分析。仿真的关键分析显示了DG集成环境下电力传输的各种条件。

表格一览

表1

数字一览


图1	图2	图3	图4	图5

图6	图7	图8	图9

参考文献

Felix A Farret, M. Godoy Simoes，“替代能源的整合”，John Wiley & Sons, Inc.，新泽西，2006,ISBN-13: 978-0-471-71232-9
ÃÂ´ukaszNikonowicz_，JarosÃÂ´awMilewski，“虚拟电厂——总体综述:结构、应用和优化”，Vol.92(3)， pp.135- 149,2012。
Nerea Ruiz, IñigoCobelo, jos Oyarzabal，“虚拟电厂管理的直接负荷控制模型”，IEEE电力系统学报。Vol.24, No.2, pp.959-966,2009
ElahehMashhour，王志刚，“基于电力市场的虚拟电厂竞价策略研究”，《电力系统学报》。Vol.26, No.2, pp.949-956,2011
Peter Asmus，“微电网、虚拟电厂和分布式能源的未来”，《电力学报》，第23卷，第10期，第72-82页，2010
David Shropshire, ArtursPurvins, ioulliapapaioannou, Isabella Maschio，“小型柔性核反应堆与海上风力发电场集成的效益和成本影响”，《能源政策》，Vol.46, pp.558-573, 2012
HrvojePandzic, Igor Kuzle, TomislavCapuder，“虚拟电厂中期调度优化”，苹果能源(2012)，http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.05.039
StjepanSucic, TomislavDragicevi, TomislavCapuderb, Marko Delimarb，“基于标准通信的事件驱动服务框架下虚拟电厂的经济调度”，《电力系统研究》，Vol. 81 pp. 2108 - 2119, 2011
Lawrence M. Ausubel, Peter Cramton，“虚拟电厂拍卖”，公用事业政策，卷。18, pp.201-208, 2010
N. Jenkins, J.B. Ekanayake和G. StrbacMichael，“分布式发电”，工程与技术学会，伦敦，英国，2010,ISBN 978-0-86341-958-4
陈晓明，陈晓明，“风能与光伏混合系统的仿真与分析”，软件工程学报，vol . 2, no . 2, pp . 133 - 133, 2012
www.mathworks.com
并网光伏阵列使用SimPowerSystems, Pierre Giroux, MATLAB central, www.mathworks.com
风力发电场- DFIG平均模型由Richard Gangnon(Hydro- Quebec)， Mathworks。公司
电网储能电池-模型可在MATLAB中心，http://www.mathworks.in/matlabcentral/fileexchange/38105-grid-energystorage