四端环形直流微电网母线电压控制策略研究

硕 士 学 位 论 文四端环形直流微电网母线电压控制策略研究 ： ：电力电子与电力传动：直流微电网 年 月摘要大部分形式的新能源，如风力、太阳能、潮汐发电由于其能量密度低，且分布不集中，必须采用分布式发电的形式。而采用分布式发电，通常需要建立一种小型、灵活的电网微电网将分布式电能输送到用户，实现分布式能源的就地发电和使用。目前国内外已经有许多学者对微电网展开了研究，微电网作为一种弱电网系统，当其受到冲击时，供电可靠性容易受到影响，因此，如何解决其母线电压稳定性，是保证微电网供电质量的关键问题。本文综合考虑了目前微电网的拓扑结构特点以及线路阻抗对输电的影响，选择一种四端环形直流微电网作为研究对象，该结构的直流微电网包含线路模型、并网变流器、蓄电池储能系统、光伏发电系统和负载。论文首先对目前直流微电网母线电压控制策略的研究现状进行了系统的归纳总结，介绍几种目前常见的控制方式，然后对四端环形直流微电网的母线电压特性进行数学分析，并对各个端口变流器进行数学建模，为控制策略的提出奠定理论基础。为了稳定该直流微电网的母线电压，本文提出一种与之对应的分层式控制方式。该种控制方式对微电网的各种工作模式以及模式间的切换条件进行了定义，并介绍了各模式下微电网各端口的本地控制策略以及模式判别流程。通过MATLAB/Simulink仿真，对本文提出所提出的母线电压控制策略进行了验证。针对仿真中出现的并网/孤岛切换时母线电压跌落问题，以及正负母线电压不对等问题，本文提出一种母线电压稳定性控制策略，包含并网/孤岛无缝切换技术以及母线电压平衡器，进一步提高了母线电压的稳定性。通过仿真验证，该稳定性控制策略的有效性。本文最后对微电网母线电压控制策略研究进行了展望。关键词：直流微电网；母线电压控制；运行模式；无缝切换；电压平衡器AbstractFor the reason that the energy density of most renewable energy, such as wind power, solar energy and tidal energy, is relatively lower than the traditional fossil energy, the distributed generation technology should be adopted in the renewable energy generation. Additionally, taking the particularity of distributed generation into consideration, a kind of small-scaled and feasible grid, which is microgrid, should be developed to connect the renewable energy source and users. There are many scholars around the world are researching microgrid. As a kind of weak power system, the power supply robustness of microgrid is not perfect when the microgrid is affected by uncontrolled power. Therefore, stability of microgrid bus voltage is of great importance to the power supply quality of microgrid.Taking the topologies which are commonly adopted in the microgrid and impact of impedance of transmission lines into consideration, a loop DC microgrid(DCMG) is studied in this paper. The DCMG consists of four terminals including a grid-connected converter, a battery energy storage, a photovoltaic generation system, loads and transmission line models. Firstly, the latest development and research of control strategy of DCMG bus voltage have been summarized. Then the characters of DCMG bus are analyzed by mathematical method and the mathematical models of every terminal is built in this paper. Besides, in order to realize the control objects, a hierarchical control strategy which defines the operation modes of DCMG and the criterion of modes switching is proposed in this paper. The identifying process and the local control strategies of each terminal in different operation modes is introduced. The control strategy is verified through MATLAB/Simulink.Through simulation, two problems were discovered. When the operation modes of DCMG is switching, a serious voltage sag is happening on the DC bus. Meanwhile, the voltage deviance exists between the positive transmission line and negative transmission line influenced the security of power supply. In order to overcome two problems and improve the robustness of DCMG, two methods including Grid/Islanding seamless switch technology and voltage balancer are introduced in this paper. The two methods are verified through simulation. The last part is the sum and prospect.Keywords: DC microgrid; Bus voltage control; Operation mode; seamless switch; Voltage balancer目 录摘要IVAbstractV1 绪论11.1 选题意义11.1.1 分布式发电与微电网11.1.2 直流微电网21.2 直流微电网电压控制策略研究现状41.2.1运行模式研究现状41.2.2直流母线电压稳定性控制策略111.3 本文工作141.3.1论文研究对象141.3.2论文组织结构152 四端环形直流微电网静态电压分析162.1 四端环形直流微电网架结构162.1.1 网架结构介绍162.1.2 端口分类182.2直流微电网各端口数学模型192.2.1 并网变流器数学模型192.3.2 储能系统数学模型262.3.3 光伏发电系统282.3微电网静态电压分析302.4 本章小结323 直流微电网工作模式及母线电压稳定性343.1直流微电网控制系统分层及控制目标343.2直流微电网工作模态分析363.2.1 并网模式383.2.2 孤岛模式393.3直流微电网各端口控制方法403.4.1 GCC控制方法403.4.2 BES控制方法433.4.3 PV控制方法453.4工作模态仿真以及电压稳定性问题473.4.1 仿真模型介绍473.4.2 微电网稳态下各端口运行状况503.4.3 并网时的动态性能仿真523.4.4 孤岛时的动态性能仿真543.4.5 并网/孤岛切换563.4.6 仿真结果总结573.5本章小结574 直流微电网稳定性控制策略584.1 并网/孤岛模式切换策略584.1.1 引言584.1.2 电压跌落机理分析584.1.3 切换策略594.2 母线电压平衡策略614.3 稳定性控制策略仿真634.3.1 并网/孤岛无缝切换仿真634.3.2 母线电压平衡器仿真644.4 本章小结665 总结与展望675.1 全文工作总结675.2 后续工作展望67参考文献69附录73攻读硕士学位期间发表的科研成果74致谢751 绪论1.1 选题意义1.1.1 分布式发电与微电网如今在世界各地，传统电力系统因为过度依赖化石燃料，正面临着能源枯竭、能效低下和环境污染的问题。这些问题引发一种新的研究热点，即在本地配电网上，将非常规或可再生能源发电接入。这些能源包括天然气、沼气、风力发电、太阳能发电、燃料电池、热电联产系统、微燃机和斯特林发动机（Stirling Engine）等等。这类发电技术称之为分布式发电（Distributed Generation，DG），相应的能源被称为分布式能源（Distributed Energy Resources，DER）1。分布式发电目前成为了研究热点，因为相比于传统发电形式，分布式发电可以就地利用多种形式的能源发电，其优点主要有2：(1)利用可再生能源，诸如风能、太阳能、生物质能和潮沙能等，可提高可再生能源在电力生产的比例，降低化石能源比重，减少电力生产的碳排放和污染排放；(2)采用热电联供技术，提高一次能源利用效率，减少污染排放，全球天然气储备丰富，天然气作为下一代的重要能源可为热电联供分布式能源提高充足的燃料；(3)负荷侧就地发电可提高供电可靠性,将电力传输和分配损耗最小化，减少电力传输和分配成本；(4)为电力系统提供削峰填谷和备用容量等辅助服务，激励电力供应竞争，分布式发电能够对一次能源和电力价格做出更敏感的回应,在开放的电力市场环境下，分布式发电能促进电力市场的发展和完善；(5)当分布式电力发展到一定规模时,可为输电网“拥塞”建立旁路。然而由于分布式能源通常分布较为分散，而且能量密度较低，因此，传统的集中式供电很难适应分布式发电的特点，必须采用一种与之匹配的输电网络。微电网（Microgrid, MG）是由分布式发电（Distributed Generation，DG）、负荷、储能装置及控制装置构成的一个单一可控的独立发电系统。微电网中DG和储能装置并在一起，直接接在用户侧。对大电网来说，微电网可视为大电网中的一个可控单元；对用户侧来说，微电网可满足用户侧的特定需求，如增加本地供电可靠性、降低网损等。微电网是一个可以自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行3。微电网技术可为分布式发电技术及可再生能源发电技术的整合，可有效削弱分布式发电对电网的冲击和负面影响，是电力产业可持续发展的有效途径，符合当前“节能减排，建设集约型社会”的能源利用方式。加快分布式发电接入技术、微电网运行控制技术和保护协调技术等相关微电网关键技术的研究，同时建设示范性工程，对于促进分布式能源发展具有重要意义4。1.1.2 直流微电网要研究微电网，首先需要了解微电网的基本定义。目前，国际上对微电网的定义已经达成共识：微电网是由各种储能单元、分布式电源、负荷以及保护和监控装置组成的集合；具有灵活的可调度性能和运行方式，能在并网和孤岛两种运行模式之间切换；通过相关控制装置间的协调配合，可同时向用户提供电能和热能；根据实际情况，系统容量一般为数千瓦至数兆瓦，通常接在配电网中5。对大电网来说，微电网可作为一个可控的“细胞”，是一个简单的可调度负荷；对用户来说，微电网可作为一个可定制的电网。6微电网的构成可以很简单，但也可能比较复杂。例如：光伏发电系统和储能系统可以组成简单的用户级光/储微电网，风力发电系统、光伏发电系统、储能系统、冷/热/电联供微型燃气轮机发电系统可组成满足用户冷/热/电综合能源需求的复杂微电网。一个微电网内还可以含有若干个规模相对小的微电网，微电网内分布式电源的接入电压等级也可能不同。图1.1 阿肯色大学MVA级微电网如图1.1所示，为阿肯色大学的MVA级分级式交流微电网，该微电网中包含低压母线、中压母线和高压母线三种电压等级的交流母线，可以接入光伏、风力等DG端口。目前微电网可以主要分为直流微电网和交流微电网两类。交流微电是采用交流电作为主要方式的微电网，有着诸多优势：由于交流电网已经有了一百多年历史，而交流大电网技术可以很容易引入交流微电网中7。在保护措施上，交流电网中的保护设备技术较为成熟，价格相对直流保护较低，同时因为交流断路器主要依靠电压过零点进行灭弧，所以，交流断路器无法应用在直流电网中8。目前ABB、GE等公司已经有直流断路器，但是相比于交流断路器，直流断路器造价更高，而且电压等级较低9。但是交流微电网也存在着无功补偿、谐波污染、频率偏差等问题，而采用直流输电技术，可以避免这些问题10。同时，伴随着电力电子技术的发展，大功率电力电子器件使直流输电成为可能。因此，将直流输电技术和分布式发电相结合的直流微电网成为了新的研究热点。作为一种新型的供能系统，相比于交流微电网，直流微电网的可靠性更好，并且效率更高，能为用户提供高质量的电能，同时其控制策略相对简单，能有效地提高供电可靠性和稳定性。其主要优点可以概括如下11：(1)高可靠性。可以为对电能质量有较高要求的用户提供可靠的电能。例如，经试验显示当负载端出现短时的接地短路，直流微电网仍然可以为电网中其他的负载提供电能。(2)高灵活性。直流微电网的引入可以大大提高电网功能的多样性和灵活性。分布式电源可以通过多种电力电子电路与主体电网相连接。然后根据各个用户对电能的要求利用电力电子电路将的直流电转换成用户所需的电能。在电能的多次转换过程中无需体型庞大、维护复杂的变压器，仅采用电力电子变流器即可，能够有效的减小微电网的规模，达到便于维护和改建的目的。(3)便于新能源的接入。许多新能源发电系统都具有直流特性，例如光伏电池板、燃料电池以及蓄电池。利用直流微电网可以便于这些分布式电源的接入，从而大大简化结构，减少投资。(4)孤岛运行能力。在大电网出现明显波动的情况下，直流微电网可以通过控制逆变器实现与大电网的解裂，从而利用其自身的分布式电源为负载供电。这种能力可以使直流微电网避免由大电网波动所带来的恶劣影响，从而大大提高电网的可靠性和稳定性。(5)便于能量交换。当出现微网中某一电源供电不足的情况，直流微电网可以成为各个分布式电源之间能量交换的通道，从而有效地弥补由某一分布式电源供能不足所带来的潮流分布不均衡的问题，达到电能分布的最优化。直流微电网具有如上优势，因此目前已经有很多国内外学者对其展开了深入研究。1.2 直流微电网电压控制策略研究现状目前对于交流微电网的能量管理研究较多，其应用也较为成熟。能量管理系统的最终目的是为了保证电能质量，为负载提供稳定，高质量的电能。然而，由于交流微电网中存在着无功补偿问题，因此，交流微电网的经验很难直接应用在直流微电网上12。直流微电网中，由于不存在无功补偿问题，母线功率和电压直接相关，因此，保证母线电压稳定即可保证微电网中功率平衡。1.2.1运行模式研究现状通常，微电网控制系统会采集电网中的各种运行信息，根据运行状况，制定微电网的运行优化策略。该优化控制策略的目的是根据微电网中各个发电端口的输出功率，以及预测负荷的输出功率，以及大电网运行状况等情况，并且考虑到微电网运行的各种约束条件和运行准则和目标等实时条件，制定微电网的调度方案。而这种运行调度方案，是通过调整各个端口的控制策略、出力，以及投切端口，改变负荷来实现微电网的运行策略13-14 。在直流微电网中，母线电压不仅关系到供电质量，也关系到微电网的经济运行，因此，母线电压控制策略是一项系统工程。目前，按照控制结构的不同，可以将直流微电网控制策略分为对等式、主从式和分层式三种模式。1.2.1.1 对等式控制策略图1.2 分布式的能量管理系统对等式的控制策略(peer-to-peer mode)也称为分布式控制模式，是指由各个端口根据本地系统运行状况，自动调节改变控制策略，进行能量分配，从而使系统稳定工作在额定工况下。对等式控制策略的好处是：因为各个端口的运行相对独立，根据接口母线电压等信息进行判别，决定端口工作在什么模式下。各控制器间不存在主和从的关系，因此不需要远距离的实时通讯线路，因此相较于主从式能量管理，经济性更好1516。这种控制模式下，各端口通常采用下垂控制（Droop Control）方法17。对等式控制目前是微电网控制策略中，应用最广泛的。如图1.2所示，为一种典型的基于对等式控制的直流微电网。下面介绍几种典型的直流微电网的对等控制策略。（1）文献18中提出了一种基于对等控制策略的直流微电网。该种控制策略针对一个由并网变流器、光伏变流器、负载和储能系统变流器组成的微电网系统进行控制，并取得了较好的控制效果。图1.3 一种对等式的微电网控制策略如图1.3所示，直流微电网有四种工作模态，四种模态下，微电网的直流母线电压不一样，分别为0.9、0.95、1、1.05倍母线电压基准值，各端口根据母线电压的不同，决定本端口变流器的控制策略。如表1.1所示，为各个端口在四种工作模态下的控制策略。表1.1 一种对等式直流微电网控制策略端口工作模式工作模态1工作模态2工作模态3工作模态4并网变流器整流逆变恒电压控制光伏变流器MPPTMPPTMPPTMPPT储能变流器放电充电充电充电该种控制的优点是各个端口可以根据母线电压值决定自身的控制策略，因此不需要建立额外的通讯系统，上传信息量，因此经济性较高。其缺点是，并没有充分考虑微电网的实际工作状况，因此模态设计考虑不够周全；另外由于需要母线电压在一定范围内波动，因此，供电质量不好，尤其是对于某些电压敏感性负荷。（2）文献19中提出另外一种基于对等控制的微电网电压控制策略，其根据电网的运行工况，将电网运行模式设置为五种，并且五种模式下电网的运行电压不同，其基本原理如图1.4所示。图1.4 一种基于母线电压偏差的微电网对等控制策略图1.4中，五种模式根据母线电压区分，当微电网处于第一级时，母线电压为额定值，由并网变流器或储能变流器控制母线电压。当微电网中过发功率时，进入正二级控制，将母线电压抬高至V2+，此时系统中由易控式DER端口或者储能系统控制母线电压，易控式DER端口指柴油发电机等发电系统，其易于控制；当微电网中发电功率持续增加，直流母线电压进一步升高，进入正三级控制，此时需要限制发电，因此，由不易控式DER端口控制直流母线电压，不易控式DER端口指风力发电系统或者光伏发电系统，其发电受制于外界环形。当微电网中发电功率不足时，直流母线电压降低至V2-，进入负二级控制模式，其基本控制方法与正二级类似。当发电功率进一步降低，母线电压跌落至V3-，进入负三级控制模式，此时微电网内部各端口的备用功率已经用尽，需要限制负载功率。该控制策略不需要通讯系统，容易实现各端口的“即插即用”，而且相比于文献18，该控制策略对微电网的各种运行工况考虑更为详尽。然而，该种控制策略仍然没有解决母线电压波动的问题，易对敏感负荷造成影响。（3）文献16中提到一种对等控制方法，应用在各端口的变流器控制上。该种方法对目前的下垂控制进行了改进，在常用的电压电流双环控制之外，增加一个功率平均环节，形成三环控制。其中电压电流双环的作用是稳定端口电压，为改善各逆变器之间的环流效应，在控制系统中增加了虚拟阻抗。功率环的作用是，计算并分析系统功率，根据微电网工作状况，调整逆变器输出功率，使微电网所需功率在各个逆变器之间平均分配。该控制方法在应用前，需要对电网进行分析，得到虚拟阻抗值，因此，计算比较繁琐。1.2.1.2 主从式控制模式与对等式控制模式对应的是主从式控制模式（master-slave mode），也称为集中控制模式，在该种控制方法下，根据端口职能，将微电网的各个端口进行分类，各个端口具有各自的控制模式。如图1.5所示，通常，在该种控制结构下，其中一个或几个端口作为主控端口，控制微电网母线电压，平衡微电网内部的能量波动，其他端口作为“从属”，按照自身要求输出或发功率即可20。图1.5主从式的微电网结构在主从式的微电网结构下，各个端口的控制和运行要满足一定条件。在微网处于并网条件下，通常会有一个主控端口，对母线电压进行控制，其余端口按照自身要求输出功率，比如在交流微电网中，分布式电源可以采用PQ控制，直流微电网中，光伏可以采用MPPT模式。当微电网从并网模式转入孤岛模式下时，控制直压的端口可能会转移，这时，要求作为主控单元的端口，能够很快从输出功率模式，转换为电压控制模式，稳定母线电压，平衡母线上的功率21。通常采用以下端口作为电压主控单元：（1）储能装置。在微电网孤岛运行时，由于并网变流器闭锁，微电网失去大电网的支撑，当分布式电源端口或者负载端口的输出功率发生波动时，势必影响微电网的母线电压，影响供电质量。此时，采用储能装置作为微电网的主控端口，可以吸收微电网的多余功率，弥补缺损功率，使母线电压稳定。但是采用储能装置作为孤岛主控端口也有缺点：由于储能装置通常采用蓄电池、超级电容等，其容量有限。当储能装置长期处于充电或放电状态时，其电量会达到极限，就不能为微电网提供电压支撑了。因此，这种模式下，微电网不能孤岛运行太长时间。（2）DER单元。能够作为主控单元的DER单元，必须具备一定特点：易于控制、输出稳定。因为作为主控单元，必须有较好的动态性能，才能及时弥补母线上的功率波动。因此，光伏、风力、潮汐等分布式电源端口，不适合作为主控单元，因为其发电功率受制于外界条件，稳定性不高，而且光伏发电系统的输出功率还受到输出电压的影响，因此，其动态性能不高。生物燃料电池等可以作为主控单元，因为其发电功率可以人为控制，而且输出稳定。如果微电网中存在多个稳定的DER单元，可以选择容量较大的单元作为主控端口。这种情况下，微电网的孤岛稳定性较强，可以长时间孤岛运行。（3）混合式主控单元。通常情况下，DER由于稳定性不强，不能单独作为电压主控单元。例如光伏和风电，其发电功率受制于气候影响，因此，单独作为主控单元时，不能很好的为母线电压提供支撑。但是，如果将DER和储能端口组合，结合储能系统的易控性和DER的持续性，可以长时间为微电网母线提供电压支撑。而且，同前两种相比，该方案在经济性上更好。目前，该种控制方法采用较多，文献22中，提出一种主从式的能量管理和协调控制方法，如图1.6所示。图1.6 一种直流微电网的主从式能量管理系统该控制方法给直流微电网定义了5种工作模态，在5种工作模态下，各个端口的控制方法不同。在模式1下，直流微电网工作在并网模式下，图1.7中的各个开关选择通道1；在模式2-1下，直流微电网并网且欠功率，并网变流器和蓄电池的开关选择通道2，其余端口选择通道1；在模式2-2下，直流微电网进入孤岛模式，并网变流器选择通道3，蓄电池控制直压，DER端口MPPT发电；模式3-1下，直流微电网中欠功率，因此蓄电池控制直压，DER端口MPPT发电，并且微电网中开始减载；模式3-2下，直流微电网中过发功率，因此，限制DER端口发电，由PV进行恒压控制，蓄电池辅助PV平衡系统功率。文献22中的这种控制方法好处在于，其模式之间的判别依据为母线电压、蓄电池和并网变流器输出电流大小以及蓄电池SOC值，能够让直流微电网母线电压稳定在额定值。然而该方法的缺点是，需要建立一套通讯系统，采集系统内部的信息量进行判别，因此经济性比对等控制差。而且，没有增加相应的模式切换时，系统母线电压波动的抑制措施，因此，在模式切换时，母线电压可能会有较大波动。图1.7 一种直流微电网的协调管理策略1.2.1.3 分层式控制模式分层模式（Hierarchical Control）和前两种控制模式不同，分层控制模式需要有一个中央控制器对微电网中的各个端口进行调度与控制，文献中23中提出一种典型的两层式微电网控制模式，如图1.8所示。该微电网中有一台主控机，其通过通信系统采集微电网的运行信息，对微电网的各个端口输出功率以及功率需求进行预测，并且根据控制算法，对整体运行方案进行优化调整，然后向各个端口下发调度控制指令。该种控制模式不但能够保证直流母线电压的稳定性，也能为微电网的各个端口提供保护。如图1.8所示，各个端口的终端控制器和上一层中有通信系统联系，而整个电网受微电网的上位机控制。文献中24中提出一种两层控制系统，应用在交直流混合微电网中。该文献中的控制方法主要针对于混合式微电网中直流部分的端口变流器控制系统，分为两层，第一层针对于本地控制，第二层根据上层调度指令，对端口输出进行进一步调整。两层控制的控制目标也不相同：第一层控制针对端口直流侧电压和交流侧电流，同时通过Droop控制环，在各端口分配直流负荷功率；由于Droop控制为有静差控制，需要补偿其带来的母线电压静差。因此加入第二层控制，通过一个PI控制的直流电压外环，补偿下垂控制带来的电压跌落。图1.8 一种两层控制的微电网结构文献25中提出一种应用于直流微电网的三层电压控制策略，该文献中的直流微电网不同于其他微电网，其可以通过网侧接口变流器，接入到配电网中。如图1.9所示。图1.9 一种应用于直流微电网的三层电压控制策略三层控制分别为：（1）三级控制，该层控制为端口本地控制层；（2）二级控制，主要功能为快速恢复直流母线电压，并可以实现微网运行模式的无缝切换；（3）底层控制，为端口本地的电压电流双环控制，因此，要求响应速度达到微秒级。由于主控机需要对微电网内部运行状况进行分析，相比于主从控制和对等控制，分层控制需要额外添加通讯系统，因此，相比对等控制、主从控制更高，基于分层控制的微电网造价，控制系统相对更复杂。但是，分层控制的微电网并且根据各端口的输出参数，对其控制策略进行及时调整。同时可以把微网的保护策略集成到控制策略中，因此，基于分层式控制的微电网稳定性和供电质量更好，可以对微网内部设备以及负荷起到更好的保护作用。1.2.2直流母线电压稳定性控制策略1.2.2.1 模式切换技术目前对于微电网母线电压控制策略的研究，通常只是针对于微电网的特点，对微电网在各种工况下的运行模式给出了定义。但是当微电网在发生模式切换时，比如从并网模式切换到孤岛模式时，并没有给出相应的切换策略。然而，模式切换策略是非常必要的。当微电网发生模式切换时，由于各端口PI控制器的饱和问题，以及端口关闭或控制方法带来的功率缺损问题，都会使母线电压发生波动，严重时会影响对负荷的供电，甚至对设备造成损害。因此，在设计母线电压控制策略时，需要加入模式无缝切换技术。微电网中模式切换最极端的情况是并网/孤岛切换，因为通常在并网状态下，母线电压由大电网提供支撑，并网变流器工作在电压控制模式下，当微电网突然切换至孤岛模式时，并网变流器闭锁，会在短期内，对微电网造成功率缺损。并网/孤岛无缝切换技术是指，微电网从并网模式切换到孤岛模式时，尽量减小对微电网内部设备的电压电流冲击，保证对敏感负荷的供电质量，使微电网快速平滑的切换向孤岛模式26。并网/孤岛无缝切换技术是目前微电网研究中的关键问题，是提高负载供电可靠性、充分利用可再生能源的关键技术27。目前国内外已经有许多学者对微电网无缝切换技术进行了深入的研究。目前针对直流微电网的并网/孤岛无缝切换技术研究较少，大部分无缝切换技术针对交流微电网。对于交流微电网，因为主控端口在并网和孤岛模式下，分别会采用P/Q控制和V/f控制，因此，无缝切换通常在考虑电压幅值和频率一致的情况下，还会考虑相位同步的问题。下面介绍几种并网/孤岛无缝切换技术。文献28中提出了一种并网/孤岛平滑切换控制方法，利用反馈控制，使下垂控制器跟随V/f控制器状态。基本原理如下：该控制方法采用了主从控制和对等控制相结合的方法，并网模式下，储能变流器采用下垂控制；孤岛模式下，储能变流器转为V/f控制。其平滑切换的控制方法如图1.10所示。图1.10 基于控制器状态跟随的平滑切换控制方法并网模式下，开关K1、K4闭合，开关K2、K3断开，此时，V/f控制器自动跟随下垂控制器的输出。当微电网切换为孤岛模式时，开关K2、K3闭合，开关K1、K4断开，此时因为V/f的输出跟随上一时刻下垂控制器的输出信号，因此，逆变器的输出电压幅值、频率、相位不会突变，实现无缝切换。该种平滑切换方法简单易行，但是对于开关动作时间的要求较高，必须在下垂控制器的输出值跟随上V/f控制器的瞬间完成切换，当不能完成切除时，容易造成瞬时电流冲击。文献29中提出一种针对交流微电网的无缝切换方法，这种方法应用在包含多台并联逆变器、重要负荷、通讯母线和一台上层控制器的分层式微电网中，主要依靠上层控制器对微电网进行协调控制，完成并网到孤岛和孤岛到并网的平滑切换。通常情况下，由上层控制器对微网整体进行能量管理，采集母线电压的幅值、相位和频率信号，并计算出电压基准值信号传输给微网内各逆变器端口。并网时，微网中所有逆变器工作在电流单环控制模式，母线电压由大电网支撑，如图1.11所示。图1.11 一种含多逆变器的交流微电网其并网转孤岛模式的切换步骤如下所示：（1） 上层控制器检测到交流大电网故障时，迅速提取电网电流信息igrid；（2） 上层控制器通过通信总线，将igrid信号向电流控制模式下的逆变器传送（3） 5个开关周期以后，上层控制向直流固态开关下发关断指令；（4） 上层控制系统选择各个端口逆变器中，容量最大的作为新的电压控制端口（如图1.11中的逆变器1）。向选中的发出指令，使其在下一个母线电压过零点迅速转换为电压电流双环控制模式。（5） 逆变器1开始控制母线电压，并且向剩余逆变器传送输出电流信息，剩余逆变器将缺损功率补上。文献30中分析了一种交直流混合母线微电网的拓扑结构，同时给出该微电网中并网变流器的P/Q控制以及电压控制两种控制模式。为使系统能够在两种模式下实现无缝切换，文献中给出了与之对应的控制算法，通过在控制系统中，增加相角控制环节，避免了切换过程中的相位差，有效地提高了微电网系统切换过程中的稳定性。但是该种控制方法中，控制参数较多，参数设计较为复杂，另外，其主要适用于交流微电网。1.2.2.2 母线电压平衡策略当直流输电采用三线制时，由于直压控制通常对正负母线之间电压进行控制，不会单独对中性点进行控制，因此当直流电压出现扰动时，可能会出现中性点电压偏差，导致电压在两极导线之间分配不均的情况。如果偏差持续增大，对线路绝缘性能造成影响，会使影响线路的正常输电，甚至损坏设备。母线电压平衡问题多见于三线制的直流输电线路中，如中点钳位型多电平的整流器中。图1.12 一种母线电压平衡器文献31中提出一种针对于中点钳位型（NPC）多电平整流器的中点平衡策略，将中点控制算法集成在SVPWM的算法中，利用矢量合成的方式，对中点偏差电压进行调整。这种方法直接在控制算法上做调整，不需要外加硬件设施，因此比较经济。但是由于该算法只能应用于基于SVPWM技术的中点钳位型三电平整流器中，当微电网进入孤岛模式，需要储能DC/DC变流器进行电压控制时，母线电压中点不能得到控制，因此该方法不适用于直流微电网中。文献32中提出一种应用于直流微电网中的母线电压平衡器，其基本原理如图1.12所示。该母线电压平衡器串联在并网变流器的输出端，对并网变流器的正负极输出电压进行调节，使并网变流器的输出电压在正负极间均匀分配。文献所述平衡器具有一定局限性，由于其必须串联在并网变流器端口，因此一旦安装后，将很难更改。另外，当微电网处于孤岛模式时并网变流器闭锁，该平衡器将无法使用。1.3 本文工作1.3.1论文研究对象本文提出了一种环网结构的四端直流微电网，包含一个光伏发电端口（PV）、蓄电池储能端口（BES）、并网变流器端口（GCC）和一个负载（Load）。目前的微电网中，常常忽略线路阻抗造成的压降，本文中的微电网考虑了传输线路对系统电压的影响，对包含线路模型的四端微电网进行了拓扑结构分析。为达到稳定直流微电网母线电压的目的，本文在文献13的基础上，分析了直流微电网的各种运行工况，对GCC、BES和PV端口进行数学建模分析。本文中提出一种直流微电网母线电压控制策略。该控制策略主要分为两部分，首先对直流微电网的各运行模式以及模式间切换条件进行定义；同时，为解决并网/孤岛模式切换的电压跌落问题，以及电压在正负母线间分布不相等的问题，进一步稳定母线电压，本文提出一种基于数字PI控制器的模式切换技术以及母线电压平衡器。现将本文主要创新点总结如下：（1）提出一种包含直压母线线路模型的环形直流微电网网架结构，并对其静态母线电压进行了数学分析；（2）提出一种分层式的母线电压控制策略，根据GCC的运行状况、直流母线电压和交流电网电压，判断系统工作模态。相比于常用的微网对等式控制策略，本文提出的控制策略可以更好的稳定母线电压。（3）为减小微电网在并网/孤岛切换时的电压跌落，进一步稳定母线电压，针对BES的控制系统进行改进，提出一种基于外环数字PI的并网/孤岛模式平滑切换技术。（4）为解决电压在正负母线间分布不均的问题，在文献18的基础上，提出了一种直流母线电压平衡器，应用于三线制直流母线上，可以使母线电压在正负极母线之间均等分配，并提出其参数设计方法。1.3.2论文组织结构本文对四端直流微电网的母线电压控制策略进行研究，主要分为四个部分，各部分内容如下：第一章介绍了微电网与分布式发电的研究意义，对目前微电网的国内外研究现状进行了调研分析。首先介绍了微电网控制系统的三种类型：主从控制、对等控制和分层控制及其研究现状。其次，提出了几种微电网的并网/孤岛无缝切换技术，最后总结了全文的主要内容及创新点。第二章首先介绍了四端环形直流微电网的基本拓扑结构，分析该拓扑结构的优劣，并对该四端环形直流微电网的稳态电压进行分析。介绍了各个端口变流器的拓扑结构，并分别对GCC、BES和PV端口进行了数学建模分析，为控制策略提出奠定理论基础。第三章首先提出微电网控制策略的系统分层及各层功能，提出了控制策略的遵循准则。其次，根据直流微电网的运行工况，提出了直流母线电压控制策略，定义了直流微电网的各种运行模态，分析模态间的切换条件。提出GCC、BES和PV端口的本地控制方法以及模式切换判别流程，最后通过Simulink仿真验证所述母线电压控制策略的有效性，并归纳仿真结果，引出下一章内容。第四章中，第一节针对第三章仿真中出现的并网/孤岛模式切换时的母线电压跌落问题，对基于BES控制策略做了改进，提出一种基于数字PI控制器的并网/孤岛无缝切换策略，利用双环控制中，内环响应速度较快这一特点，迅速补偿GCC闭锁带来的功率缺损，实现并网/孤岛模式间的平滑切换。第二节针对第三章中出现的正负级母线电压不均匀的情况，提出一种直流母线电压平衡器，并对其控制参数进行设计。最后通过仿真验证了模式切换技术和母线电压平衡器的有效性。第五章对本文的内容进行了总结，并就下一步工作进行了展望。2 四端环形直流微电网静态电压分析2.1 四端环形直流微电网架结构2.1.1 网架结构介绍当考虑到线路阻抗对于微电网的影响时，就必须对微电网网架结构进行分析。如何设计微电网的网架结构，对于其运行的稳定性具有重要的意义。首先，实现分布式电源大规模接入配网，增加电力系统的安全性，提高供电可靠性和电能质量，是微网概念提出的一个很重要的立足点。而微电网能够孤岛运行，是重要负荷得以持续供电的保证33 。图2.1一种多源单母线直流微电网拓扑结构目前对交流微电网的网架结构已经有了明确定义34，但是对直流微电网的网架结构，仍然缺少明确的标准和制度，通常可以参考交流微电网的经验，将直流微电网网架结构定义为辐射状网络和环形网络两种35 。（1）辐射状网络。由于微电网中通常接入多种分布式电源，因此微电网为多源、多负载式的拓扑结构。单母线式微电网是一种常用的辐射状网络，即将多个端口直接连接到一条公共直流母线中（PCB, Public Connected Bus）。如图2.1所示，为多源单母线直流微电网。该种拓扑结构的优点在于：构架比较简单，便于和其他微电网之间通过联络母线相连，容易实现优化和管理。缺点也十分明显：由于只有一条母线，当母线发生接地故障时，需要将整个系统停运，因此输电可靠性不强，适用于微电网中不含重要用户，且可能要对微电网进行扩建的情况。（2）环形网络。图2.2为一种典型的基于环形网络的直流微电网，相比于辐射状网络，该种拓扑结构的可靠性更强，当母线中某处发生接地故障时，可以通过差动保护将故障段母线从微电网中切除，而剩余部分仍然可以构成辐射状网络继续供电。该种拓扑结构适用于医院等对可靠性要求较高的用户。图2.2 一种典型的基于环形网络的直流微电网另外，微电网通常采用分布式发电作为供电源，分布式发电通常能量密度较小，发电端口分布较为分散，因此将诸多分布零散的发电端口通过微电网相连时，就必须考虑线路损耗问题，尤其是线路上的电压损耗。例如，在一个几十平方公里大小的海岛上建立微电网，如希腊的基斯诺斯岛（Kythnos）等，如果采用潮汐发电、风力发电和太阳能发电等分布式电源对负荷供电，潮汐发电需要建在海岸附近，风力发电机需要建在风力较强的地方，光伏电池需要安装在不被遮挡，光照强度较高的地方。因此，各种发电端口很难安装在同一个地方。同时也很难保证岛内的负荷集中分布在同一个点上。在这种情况下，需要建立输电线路较长的微电网36。在对该种微电网进行设计时，就必须考虑微电网的线路损耗，在对微电网进行分析设计时，必须加入线路模型。图2.3 四端环形直流微电网拓扑结构根据上述分析，综合考虑到供电可靠性和线路阻抗，本文基于单侧电源环网结构，提出如图2.3所示的四端环形直流微电网。该网架中，输电线路采用单极双线制输电方式；直流母线采用环网结构，保证微电网内部发生线路短路故障时，系统可以迅速排除故障，并且仍然可以保证供电；相比于常用的多源单母线直流微电网，该种拓扑结构可以大大提高直流微电网的供电可靠性。2.1.2 端口分类如图2.3所示，该四端环形直流微电网中，存在着四个端口，各自职能不同。文献37中提到，通常微电网中的各个端口，根据其职能，可以分为几类：发电端口、负荷端口、储能端口和并网端口。然而该种分类方式，无法确定端口发功率的特点，因此文献19中，提到一种对微电网各端口的新分类方法：根据他们对于系统运行的作用以及自身特点，可以将其分为两类：能量端口和松弛端口。（1）能量端口（Power terminals）。能量端口是一种“利己”端口，其输出端根据自身需求吸收功率或发出功率，而不会考虑系统整体的需求。例如，当光伏或者风电在MPPT工作模式下时，就属于能量端口，他们的输出功率取决于外部自然条件，而非系统需求。（2）松弛端口（Slack terminals）。松弛端口则是一种“利他”端口，其职能是根据整个微电网中的功率情况，自动补偿系统中的缺损功率和吸收系统过发功率，使系统达到功率平衡，将母线电压控制在额定范围内。典型的松弛端口包括工作在直压控制下的GCC、BES，在下垂控制下的储能系统，如超级电容、飞轮储能器、备用柴油机都属于松弛端口19。对于同一个端口，其类型不是固定的，既可以是能量端口，也可以成为松弛端口，取决于其控制方式。例如，文献38中，在微网处于Level 1模式下时，GCC工作在VSC模式下，属于松弛端口；在Level 2下，GCC工作在限流模式，其输出电流保持恒定，相当于电流源性变流器，变为能量端口。在文献39所述的交流微电网中，储能系统可以根据系统需求，工作P/Q控制或U/f控制两种模式下，储能系统在P/Q模式下属于能量端口，在U/f模式下属于松弛端口。因此，同一个端口可以根据系统需求在能量端口和松弛端口之间切换。2.2直流微电网各端口数学模型2.2.1 并网变流器数学模型并网变流器（Grid-Connected Converter, GCC）的主要功能是在微电网并网条件下，作为微电网和交流大电网能量交换的接口。通常情况下