微电网协调运行控制策略_本科论.doc

XX大学本科学位论文题 目：微电网协调运行控制策略摘要本文主要通过进行了理论研究、仿真平台搭建，研究微电网综合协调控制策略，仿真结果分析，为后续微电网的深入研究奠定了基础。本文设计了 PQ 控制器、基于下垂特性的 V/f 控制器，并对逆变器输出滤波器进 行了设计。同时，针对 PI 控制器的不足，利用模型预测控制方法设计了微网中分 布式微电源逆变器的 PQ 模型预测控制策略和基于下垂特性的 V/f 模型预测控制策略， 并在 MATLAB/Simulink 中建立了仿真模型，对单个微电源分别采用 PI 控制和 MPC 控制时的不同场景进行了分析，证明了 MPC 控制器的效果。最后，建立了微电网的模型，用风力发电机组、光伏以及蓄电池三种微电 源的模型代替直流电压源，并设计相应的控制策略，在 MATLAB/Simulink 中，搭建了整个系统的模型，分别在风机和光伏阵列出口处配置蓄电池，用于平抑并网功率并 在孤岛下提高电压和频率支撑，仿真结果验证了控制策略的可行性。关键词：微电网；综合协调控制；风光储；逆变器；模型预测控制Study on the Coordination Control Strategy of Wind-Solar-Storage Micro-gridAbstractThis paper mainly studies the micro-grid integrated and coordinated control strategies, and, by theoretically analyzing, simulation platform construction, and simulation results analyzing, laid the foundations for subsequent in-depth study of micro-grid.In this paper, a PQ controller, a V/f controller based on droop characteristic and the inverter output filter has been designed. Meanwhile, considering PI controllers insufficiency, the Model Predictive Control strategy was used to design the converters PQ model predictive control strategy and V/f model predictive control strategy based on droop characteristics, and the simulation model was established in MATLAB/Simulink. Then, by simulating a single micro-source respectively using PI controller and MPC controller in different scenes and by afterward analyzing and comparing, the effectiveness of MPC controllers was proved.After single micro-sources integrating strategy research, the model of micro-grid with multiple micro-sources was built, and through the simulating and analyzing under 3 conditions: the micro-grid operation mode switching, cutting or adding load in island mode, cutting a micro-source in island mode, it is found that the micro-source MPC controller designed in this thesis achieved a sound power control behavior under the aforementioned three conditions. Meanwhile, both the micro-grids voltage and frequency were within the required range of the system, which proves the effectiveness of control strategies.Last, the wind-solar-storage micro-grid model was built, which used a wind power generation system, a photovoltaic cell and a storage battery to replace DC voltage sources, along with the design of corresponding control strategies. The whole model of the system was then built in MATLAB/Simulink, in which a storage battery was placed respectively in the outlet of wind power generation system and the export of PV array column, for stabilizing grid power and offer voltage and frequency support in island mode. The simulation results validated the feasibility of the control strategies.Key Words: Micro-grid；Integrated coordination control；Wind-Solar-Storage；Converter；Model Predictive Control目录摘要 . IAbstract .II第一章 绪论 . 11.1 选题背景及意义 . 11.2 微电网发展现状 . 21.3 微电网的控制 . 41.4 论文工作的主要内容 . 7第二章 微电源并网及控制模型 . 82.1 微电源并网模型及参数确定 . 82.1.1 三相电压型逆变器的数学模型 . 82.1.2 PQ 计算 102.1.3 LC 滤波器的设计 112.2 微电源的 PI 控制策略 112.2.1 PQ 控制器 112.2.2 基于下垂特性的 V/f 控制器 122.3 本章小结 . 17第三章 微电源的模型预测控制 . 183.1 模型预测控制机理 . 183.2 微电源的模型预测算法 . 193.2.1 PQ 模型预测控制器 193.2.2 基于下垂特性的 V/f 模型预测控制器 233.3 系统建模与仿真 . 233.3.1 基于 Matlab/Simulink 的控制系统建模 233.3.2 仿真结果分析 . 253.4 本章小结 . 28IV第四章 微电源组网运行控制策略 . 294.1 微电网主电路模型和仿真参数 . 294.2 微电源组网运行仿真分析 . 314.2.1 微电网运行模式切换的仿真 . 314.2.2 微电网孤岛模式下增/切增负荷的仿真 . 324.2.3 微电网孤岛模式下切除微电源的仿真 . 334.3 本章小结 . 34 第五章 结论 . 47参考文献 . 48致谢 . 52第一章 绪论1.1 选题背景及意义微电网成为近年来越来越多被研究的发电形式，它主要包含风能，光能，燃料电池和其他形式的可再生清洁能源，它不仅能保护环境，还可以节约资源，实现能源的多元化利用。目前已被广泛研究的大规模发电，远距离传输和大电网并联的电力形态，存在其 固有的缺点：高成本，难维护，并越来越难满足使用者的需要1,2。而分布式能源可 以解决这些问题，他可以提高电能质量，增加电能供应的灵活性和可扩展性，增强电 力系统的稳定性，优化配电系统，增加旋转备用容量，减小输配电的成本，这些都是 对电能应用非常有利的特点3,4。CERTS最早提出微电网的概念，其定义如下1：微电 网是一种负荷和微电源的集合；其中，微电源为系统同时提供电力和热力，微电源中 的大多数必须是电力电子型的，并能提供所要求的灵活性，以确保能以一个集成系统 运行，其控制的灵活性使微电网能作为大电力系统的一个受控单元，以适应当地负荷 对可靠性和安全性的要求5。图 1.1 微电网基本结构Fig.1.1 Basic structure of Microgrid图 1.1 为微电网的基本结构，3 条馈线 A，B 和 C 及 1 条负荷母线构成了网络整 体辐射结构，馈线通过主分隔装置与配电系统相连，微电网通过 PCC 与外部大电网 相连，通过控制 PCC 点状态实现微电网的孤岛运行和并网运行，系统中还包括光伏 发电、风能、燃料电池、微型燃气轮机等微电源形式，其中一些接在热力负荷附近， 可以为当地用户提供热源，从而提高了能量的利用率和经济效益6-7。1.2 微电网发展现状目前已经有相当多的国家在研究“微网”。其中以欧盟、美国和日本最为先进， 他们的研究目标如表 1.2 所示。第一章 绪论表 1.2 欧盟、美国和日本的微网发展目标8Table 1.2 Microgrid development goal of EU., USA. and Japan2005 年，欧洲提出“Smart Power Networks”概念。随后，欧盟第五框架计划9 和欧洲第六框架计划10都对微电网研究进行了资助，总共出资 1300 万欧元，两次均 由希腊雅典国立大学（NTUA）领导，参与的团体包括欧盟多个国家的组织和团体， 包 括 希 腊 、 法 国 、 葡 萄 牙 的 电 力 公 司 和 EmForce 、 SMA 、 GERMANOS 、 URENCOSinmens、ABB、ZIV、I-POWER、Anco、GERMANOS 等著名公司，以及 Labie、INESC Porto、the university Mancherster、ISET Kassel 等大学和团体，并建立 了微电网的实验平台。重点研究了如何将各种分散的小电源连接成一个微电网，并连 接到配电网，多个微电网连接到配电网的控制策略、协调管理方案、系统保护和经济 调度措施，以及微电网对大电网的影响等内容。美国拥有微电网的权威研究机构 CERTS，它最早提出了微电网的概念。CERTS 在威斯康辛麦迪逊分校、俄亥俄州 Columbus 的 Dolan 技术中心建立了微网平台。此 外，美国还拥有由美国电力管理部门与通用电气建立的微网平台，加州能源认证资助 的商用微网 DUIT，北方电力和国家新能源实验室的乡村微网11-16。2005 年，美国能 源部提出了微型电网研究发展的路线图，如图 1.2 所示。3图 1.2 美国能源部提出的微型电网研究发展的路线图Fig. 1.2 Route chart of Microgrids R&D raised by Department of Energy of USA.1.3 微电网的控制微网的控制有多种方式，一种是模拟传统电力系统的分层控制方案，它是将微网 控制分为分布式电源原动机控制、分布式电源接口控制和微网及多微网上层管理系统 的控制。另一种是“即插即用”式控制，它包括两层含义：当大电网中存在多个微网 的时候，微网对大电网可以即插即用；微网中的不同类型的分布式电源对微网具有即4第一章 绪论插即用的功能。总体来说，微电网控制的主要目标为：1. 调节微网内的功率潮流，实现功率解耦控制；2. 调节微电源出口电压，保证局部电压稳定;3. 孤岛模式下，提供电压频率参考，实现微电源快速响应和功率分担；4. 平滑自主实现与主网分离、并联或二者过渡。 目前微电网控制策略已有许多研究，但仍然有一些不足之处需要改进： 首先，目前采用的控制算法在模式转换时多存在冲击大、调节时间长的问题；其次，只考虑负荷、微电源功率、或网络结构单一变化的影响；再次，多采用简化的微 电源模型。1.4 论文工作的主要内容本文主要研究了微电网综合控制策略的理论、仿真平台，为后续微电网的深入研 究奠定了基础。第二章，分析微电源逆变器的控制方法和原理，并给出了 PQ 控制器、基于下垂 特性的 V/f 控制器的设计方法，并对逆变器输出滤波器进行了设计。第三章，针对 PI 控制器的不足，利用模型预测控制方法，设计了微网中分布式 微 电 源 逆 变 器 的 PQ 控 制 策 略 和 基 于 下 垂 特 性 的 V/f 控 制 策 略 ， 并 在 MATLAB/Simulink 中建立了仿真模型，对单个微电源分别采用 PI 控制和 MPC 控制 时的不同场景进行了分析，证明了 MPC 控制器的效果。第四章，建立了微电源组网运行的微电网模型，通过对微电网运行模式的切换、 孤岛模式下切/增负荷、孤岛模式下切除某一微电源 3 种情况下的运行特性进行仿真 分析，经过仿真分析，本文设计的微电源模型预测控制器在以上三种情况时都能很好 地进行系统的功率控制，实现负荷功率共享，同时，微电网电压和频率变化在系统允 许的范围内，证明了控制策略的有效性。第二章 微电源并网及控制模型2.1 微电源并网模型及参数确定2.1.1 三相电压型逆变器的数学模型三相电压型并网逆变器的拓扑结构如图 2.1 所示。馈线图 2.1 电网侧变流器主电路模型Fig.2.1 Main circuit model of grid-side inverter三相并网逆变器通过滤波电感 L f 、电容 C f 、线路阻抗 Zln 和馈线相连，三相负 载接于滤波电路出口和传输线路之间，其阻抗为 Zld ，三相电流为 ilda、ildb、ildc 。Uia、Uib、Uic 为变流器三相出口电压， iia 、 iib 、 iic 为变流器的三相输入电流，Ula、Ulb、Ulc 为滤波电路出口电压（即三相负载 Zld 电压）， ica 、 icb 、 icc 为滤波电容 电流；U fa 、U fb 、U fc 为馈线的三相电压。根据基尔霍夫电压和电流定律，可以写出以下方程8第二章 微电源并网及控制模型在实际仿真中，需要建立用开关函数表示的逆变器数学模型。令 S A 、S B 、SC 为 开关函数，其定义如下：1Si(i= A,B,C ) = 0桥臂上管导通，下管关断 桥臂下管导通，上管导通则变流器出口电压可以表示为：以上为三相电压型变流器在三相静止坐标系（abc 坐标系）下的数学模型，为了 方便控制系统的设计，将其转化为两相旋转坐标系（d-q 坐标系）下的数学模型。将 d 轴选为与电网电压矢量同向，由三相静止坐标系到 d-q 坐标系的转换矩阵为9式中， 为 d-q 同步旋转坐标系的角频率。经过变换，d-q 同步旋转坐标系下电网侧变流器的数学模型为在电网电压矢量定向的 d-q 坐标系下，由逆变器输入到电网的有功和无功功率计 算公式为Pg = -ugd igd - ugqigq = -ugd igd= u i- u i= u iQggd gqgq gdgd gq（2.6）式（2.6）表明，当电网电压稳定时，通过调节网侧变流器电流的 d、q 分量，能 单独调节其输入电网的有功功率和无功功率，即 PQ 解耦控制。经同步旋转坐标系变换后，变流器系统的模型结构如图 2.2 所示。1LfUd1 Ids 1LfUq1 s IqIlnd Ilnq1Uldd1Cfs1Cf1Uldqs图 2.2 旋转坐标系下变流器系统模型结构图Fig.2.2 Illustration of Inverter system model under rotating coordinate system10第二章 微电源并网及控制模型2.1.2 LC 滤波器的设计滤波器的设计对于采用 SPWM 调制的逆变器是非常重要的，因为该调制方法会 在开关频率处产生大量谐波，实际工程中网侧滤波器通常采用 LC 无源滤波器，其设 计的一般原则如式（2.7）所示。10 fn fc fs / 10fc = 1/ (2 Lf C f )（2.7）式中： fc 为 LC 滤波器的谐振频率； fn 为调制波频率； fs 为 SPWM 载波信号的频率。 滤波器输出电压Vout 和输入电压Vin 的传递函数如式（2.8）所示。G( j) =Vout =1/ jC fVinjLf +1/ jC f + Rf2（2.8）=0 ( j)2 + j 2+ 2其中， 0 = 1/00RC ffLf C f , = 2L。因此，可以根据式（2.7）（2.8）设计滤波器参数，同时需要保证滤波电感上 的压降不能超过系统电压的 3。2.2 微电源的 PI 控制策略2.2.1 控制器为了保证可再生能源的最大利用，通常对可再生能源采用 PQ 控制策略，储能等 分布式电源在并网时也可采取 PQ 控制。逆变器采用 PQ 控制策略时，无论负荷、电 压、频率是否变化，微电源都能保证恒定功率输出。在微电网并网时，分布式电源 均可采取 PQ 控制，微电网孤网运行时，还需要有分布式电源采用恒频恒压控制或者 下垂特性控制来进行频率和电压的支撑。11Fig.2.3 Converter PQ control schematic逆变器 PQ 控制原理图如图 2.3 所示。从图中可以看出，d 轴和 q 轴的给定电流 由式（2.6）得到，给定电流与检测电流的差值经过 PI 调节器并进行电流前馈补偿后， 得到电压调制信号，经过 SPWM 调制解调后，给定逆变器的开关信号。系统的频率 通过三相锁相环 PLL 检测得到。2.2.2 基于下垂特性的 V/f 控制器下垂特性基于输电线路的功率传输特性，这里首先对输电线路功率传输特性进行 介绍。(1) 功率传输特性图 2.4 微电网的简化模型，直流电压源Vdc 由逆变器转化为三相交流电，通过线路 阻抗 Z 将功率输送到交流母线中。其功率传输相量图如图 2.5 所示，U 为逆变器输出 电压的幅值，E 为交流母线的电压幅值， 为逆变电源输出电压矢量与交流母线电压 矢量的相角差。12第二章 微电源并网及控制模型图 2.4 微电源到交流母线的功率传输示意图Fig. 2.4 Power transfer schematic between micro-source to exchage busU图 2.5 微电源到交流母线的功率传输相量图Fig.2.5 Power transfer vector schematic between micro-source to exchage bus逆变电源输出的复功率的表达式（2.13）可以看出低压输电系统，有功功率的传输主要决定于电压幅值 U，无功功率的传 输决定于 。高压输电系统的线路参数 XR，R 可以忽略，Z=X， = 90，假设功率角 很小，则 sin = ， cos = 1，公式可变形为：可以看出高压输电系统，有功功率的传输主要决定于功率角 ，无功功率的传输 主要决定于电压幅值 U。(2)下垂特性 模拟传统发电机的下垂特性来实现微电网中微电源的无线并联控制，称微电源逆变器下垂控制。其实质为：各逆变单元检测自身输出功率，通过下垂特性得到输出电 压频率和幅值的指令值，然后各自反相微调其输出电压幅值和频率达到系统有功和无 功功率的合理分配。各逆变电源的输出电压频率和幅值均按下式变化：（2.17）其中， P 为微电源运行在额定频率下的输出功率，U 为微电源输出无功功率为n00 时的电压幅值，m、n 分别为有功和无功下垂特性系数， fn 为电网的额定频率。下 垂特性如下图 2.6、图 2.7。14第二章 微电源并网及控制模型ff nf minPnPmax P图 2.6 P/f 下垂特性Fig.2.7 Q-U droop characterastics基于 P-f，Q-U 下垂特性的 V/f 控制，根据微电网控制的要求，灵活选择与传统 发电机相类似的下垂特性曲线进行控制，将系统的不平衡功率动态的分配给各机组承 担，消除无功电流环流的目的。其具有简单、可靠、易于实现的特点。(3)基于下垂特性的 V/f 控制器设计逆变器微电网处于孤岛运行时，由于失去了电网支撑，此时主控型微电源需要转换控制 策略，采用基于下垂特性的 V/f 控制方法，以分担并网时由大电网向微电网传输的功 率，同时提供微电网系统的电压和频率参考。其控制器包括两个部分：1）功率控制 器；2）电压电流双环控制器。1）功率控制器的设计 由于频率信号便于测量，所以这里采用频率控制代替相角控制。其设计的功率控制器结构如图 2.9 所示。Fig.2.9 Structure flowchart of power controller在图 2.9 中，控制环中的功率为微电源输出的瞬时功率，以提高整个系统的实时 性，同时，有功功率 P 和无功功率 Q 须满足 0PPmax 和-QmaxQQmax 这两个条 件。功率控制器的输出将作为电压电流双环控制的参考电压和角频率。2）电压电流双环控制器的设计 为了改善三相输出电能，需对电压和电流进行精确、动态的控制。目前有许多控制策略，最典型的就是电压电流双环控制。其控制器结构如图 2.10 所示。Fig.2.10 Structure flowchart of voltage-current double-loop control16第二章 微电源并网及控制模型2.3 本章小结本章首先给出一种通用的微电源逆变器模型，并对 PQ 计算理论和逆变器输出滤 波器进行了设计。针对微电源的不同类型以及微电网的两种典型运行模式，将微电源 分为主控型和功率源型两类，主控性微电源逆变器采用基于下垂特性的 V/f 控制，功 率源型微电源采用 PQ 控制，并分别给出了两种控制策略的基本原理和控制器设计。17第三章 微电源的模型预测控制本章利用模型预测控制方法，设计了微网中分布式微电源逆变器的控制策略。在 每一个采样周期内，通过事先建立的预测模型对可选择的控制变量进行评估，使价值 函数最小的控制变量将被选择，在下一个采样周期应用。该控制策略由于省去了电流 线性控制器和 PWM 调制模块，因此，控制方法简单，很容易通过数字信号处理器进 行实现。3.1 模型预测控制机理电力电子变换器的控制取决于如何选择合适的门极驱动控制信号 S (t) 。模型预测 控制机理如图 3.1 所示，为了叙述方便，我们设系统的采样周期为 Ts ，系统状态变量 x(t) 在 tk 时刻的值为 x(tk ) ，并设能对系统进行控制的控制变量存在 n 种可能，且 n有限。定义系统的控制变量 Si (i = 1, n) ，根据状态变量 x(t) 和预测函数 f ，可以得到在 tk 时刻系统所有状态变量的预测结果 xi (tk +1 ) = f x(tk ), Si , i=1, n。预测函数 f不限形式，只要能实现预测功能可以应用于模型预测控制策略中，通常是根据系统的 离散化模型和相应的系统参数得到。xTsx(t)SS1Tsx1 (tk +1 )x1 (tk +2 )x2 (tk +1 )S1S2SS323x2 (tk +2 )Sx* (t)ntkx3 (tk +1 )Snxn (tk +n )tk +1x3 (tk +2 )xn (tk +n )ttk +2图 3.1 模型预测控制原理Fig.3.1 Model predictive control principle18第三章 微电源的模型预测控制为了确定在某一时刻最佳的控制行为，通常定义一个价值函数 fg ， fg 是参考变量x* (t) 和预测的状态变量 x (t) 之间的函数，即 g = fx* (t ), x (t) .，其中 i=1，i k +1igi k +1i k +1n。比较常用的价值函数为参考变量 x* (t) 与预测状态变量 x (t) 差的二次方，即*2gi = x (t) - xi (tk +1 ) 。在某一时刻，系统的 n 个控制变量值导致 n 个不同的价值函数值 gi ，使价值函数 gi 最小的控制变量值将在下一个采样周期被应用。从图 3.1 可以看 出，在 tk 时刻，控制变量值 S3 使价值函数 gi 最小，所以 tk 时刻 S3 被选择；在 tk +1 时刻，控制变量值 S2 使价值函数 gi 最小，所以 tk +1 时刻控制行为 S2 将被选择，控制系统将以 同样的方式在未来的控制周期内依次去选择。3.2 微电源的模型预测算法3.2.1 PQ 模型预测控制器根据基尔霍夫定律，可以建立逆变器的三相电压电流方程为：ia Uia Ulda L d i = U - Uf dt b ib ldb ic Uic Uldc (3.1)为了方便控制系统的设计，将其转化为两相 - 坐标系下的数学模型，经过整理得到：d i =1 Ui -1 Uld (3.2)dt i L Ui L Uld 对上式进行离散化，得到1 i (k +1) - i (k) s T i (k +1) - i (k) =式中， Ts 为采样周期。 由上式可得1 Ui (k)L(k) -Ui1 Uld (k)L(k)Uld(3.3)19i (k +1) i (k) T Ui (k) -Uld (k) = + s (3.4)i (k +1)i (k)L Ui (k) -Uld (k)在用开关函数表示的逆变器模型中，Ui =2Udc Sa3 1 (S2b + Sc )(3.5)=UU2(S S ) i2dcbc三相并网逆变器开关状态的组合存在 8 种，在使用 SPWM 调制时，会在逆变器 出口产生 7 个不同的电压矢量。这 7 个不同的电压矢量如图 4 所示。u3u2S3 = (0,1, 0)u4S4 = (0,1,1)S2 = (1,1, 0)S1 = (1, 0, 0)u1S0 = (0, 0, 0)S7 = (1,1,1)S5 = (0, 0,1)u5S6 = (1, 0,1)u6u0,7图 3.2 三相电压逆变器的电压矢量Fig.3.2 Voltage vectors of three-phase voltage source converter为了进行 PQ 解耦控制，将模型转化为两相 d-q 坐标系下的模型为：id (k +1) cos tsin t i (k +1) = iq (k +1)Uldd (k +1)- sin t cos tcos t i (k +1)(3.6)sin t Uld (k +1) = (3.7)Uldq (k +1)其中， 为电网角频率。- sin tcos t Uld (k +1)三相并网逆变器在电网电压矢量定向的 d-q 坐标系下有功功率 P 和无功功率 Q可以表示为：20第三章 微电源的模型预测控制P = Uldd id +Uldqiq = Uldd idQ = Uldqid -Uldd iq = -Uldd iq(3.8)考虑到孤岛运行时馈线电压会发生波动，需要对馈线电压进行预测。本文采用拉 格朗日外推法进行电压的预测，预测公式如下：Uldd (k +1) = 3Uldd (k) - 3Uldd (k -1) + 2Uldd (k - 2)(3.9)由此可得：P(k +1) = Uldd (k +1)id (k +1)Q(k +1) = -Uldd (k +1)iq (k +1)(3.10)其价值函数 g 表示为g = P* (k +1) - P(k +1)2 +Q* (k +1) - Q(k +1)2(3.11)其中， P* (k +1), Q* (k +1) 为 k + 1 时刻有功功率和无功功率的给定值。基于模型预测 PQ 控制原理图如图 3.3 所示。逆变器馈线等效 DGUiLfiabcCfZUldabck)SB(k)SC优化函数 求解idqabc SA(k)UlddqP (k +1)dqPLLP&Q计算Q (k +1)预测模型id (k +1)iq (k +1)Uldd (k +1)Uldd(k)id (k)iq (k)Pref Qref图 3.3 基于模型预测的 PQ 控制原理图Fig.3.3 PQ control schematic based on MPC其控制算法流程如图 3.4 所示。21电流采样i (k ), i (k )电压采样Uld (k ), Uld (k )For i=0 to 7Ui (i) = S(i)Udci (k +1) i (k) T Ui (k) -Uld (k) = + s i (k +1)i (k)L Ui (k) -Uld (k)id (k +1) cos tsin t i (k +1) = iq (k +1) - sin tcos t i (k