（电力电子与电力传动专业论文）微网中多分布电源的并网协调控制研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金壁王些态堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字： 豫坪 签字日期：厶f 年年月巧日 学位论文版权使用授权书 本学泣论文作者完全了解金蟹王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 ；i 留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权一盒蟹王些太 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 一名：旁秒缸 刀 v 签字日期：加1 年4 月易细 电话： 邮编： 名1 扣 镌 肌 ( ： ： 年 名 錾 研 者 v 文 期 论 日 位 字 学 签 随着电网规模的日益扩大，大规模的传统电网的弊端日益凸显，成本高， 难度大，电力系统结构的不断老化、环保问题等，未来的电力系统应采取什么 样的发展模式是当今的研究热点。分布式发电以其能量就近消化，节省输变电 投资和运行费用，与大电网互为补充，减少电网容量，改善电网峰谷性能，安 装地点灵活，可以减少对环境的污染等优点，受到了人们的广泛关注，有效的 解决了大型集中电网的许多潜在问题。论文提出了一种基于同步发电机数学模 型的微电网逆变电源，在此基础上设计了微电网系统多分布式电源的协调组网 控制方法，使用m a t l a b 仿真软件验证了理论分析的正确性，并对微电网内黑启 动做了初步的探讨。最后设计了实验用微电网系统的平台，对组态软件进行了 简单的应用介绍。全文的主要内容如下： ( 1 ) 了解微电网的概念、结构，以及最新的发展现状。分析了实现微电网 的关键技术，阐述了本课题的研究背景和意义。 ( 2 ) 总结了常见分布式电源的发电原理，在分析传统大电网和微电网的异 同后，提出并设计了具有同步发电机特性的逆变电源。 ( 3 ) 根据微电网的特点，利用现有的逆变技术，结合电力系统一次调频， 二次调频的概念，对微源控制器和中央控制器进行了设计，最后利用m a t l a b 仿真软件搭建了单台v s g 与三台v s g 组网的仿真模型，通过仿真论证了理论 的可行性。 ( 4 ) 通过对传统大电网黑启动的初步研究，结合微电网的特点，设计了微 电网黑启动的过程。 ( 5 ) 设计并搭建了微电网系统的实验室平台。 关键词：微网；虚拟同步发电机；黑启动；中央管理器 r e s e a r c ho nt h ec o o r d i n a t i o nc o n t r o lo fd i s t r i b u t e d g e n e r a t i o n 。 m i c r o g r i d e n e r a ni nm l c r o g r l o a b s t r a c t w i t ht h eg r o w i n gs c a l eo fg r i d ，t h ed r a w b a c k so fl a r g e - s c a l ec o n v e n t i o n a l p o w e rb e c o m ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t t h e r ea r eh i g hc o s t ，d i f f i c u l t ，s t r u c t u r eo f t h ea g i n gp o w e rs y s t e ma n de n v i r o n m e n t a li s s u e s w h a tk i n do ft h ef u t u r ep o w e r s y s t e ms h o u l db ed e v e l o p e da r er e s e a r c h e dw i d e l yb yp e o p l e d i s t r i b u t e dp o w e r g e n e r a t i o nw i t hi t se n e r g yc l o s et od i g e s t i o n ，s a v i n gt r a n s m i s s i o ni n v e s t m e n ta n d o p e r a t i o nc o s t s ，i ti s t h ec o m p l e m e n to fl a r g ep o w e r t h e yc a nr e d u c en e t w o r k c a p a c i t ya n di m p r o v et h ep o w e rg r i dp e a kp e r f o r m a n c e ，f l e x i b l ei n s t a l l a t i o ns i t e i t c a nr e d u c ee n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n ，a n d e f f e c t i v es o l u t i o nt ot h e l a r g e c o n c e n t r a t i o no fp o w e ri nt h em a n yp o t e n t i a lp r o b l e m s t h i sp a p e rs e ta m a t h e m a t i c a lm o d e lo fs y n c h r o n o u sg e n e r a t o rb a s e do nt h em i c r o g r i dp o w e r i n v e r t e r i td e s i g n e dam u l t i - c o o r d i n a t e dn e t w o r ko fd i s t r i b u t e dp o w e rc o n t r o l m e t h o db a s e do nt h em i c r o g r i ds y s t e m t h i st h e o r e t i c a li sv e r i f i e dc o r r e c t l yb y u s i n gm a t l a b s i m u l a t i o ns o f t w a r e ，b l a c ks t a r ti nt h em i c r o g r i ds y s t e mi ss t u d i e d a n dt h ef i n a e x p e r i m e n t a lm i c r o - g r i ds y s t e mp l a t f o r mi sd e s i g n e d t h em a i n t e x t r e a d sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ec o n c e p t ，s t r u c t u r e ，a n dt h er e s e a r c hs t a t u so fm i c r o g r i da r ed e e p l y i n t r o d u c e d t h ek e yt e c h n o l o g i e si nm i c r o g r i di sa n a l y z e d ，a n dt h em e a n i n go ft h e s t u d yo nc o o r d i n a t i o nc o n t r o lo fi n v e r t e ri se l a b o r a t e d ( 2 ) t h i sp a p e rs u m m a r i z et h ep r i n c i p l eo ft h ec o m m o nm i c r o s o u r c e s ，t h e d if f e r e n c eb e t w e e nt h ec o n v e n t i o n a ls y n c h r o n o u sg e n e r a t o r sa n di n v e r t e r sa r e a n a l y z e d ，i ti sd e s i g n i n gai n v e r t e rw i t ht h es y n c h r o n o u sg e n e r a t o r f e a t u r e s ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fm i c r o g r i da n dt h ee x i s t i n gi n v e r t e r t e c h n o l o g y , c h o o s i n gt h ec e n t r a l i z e dc o n t r o lm e t h o d st o c o o r d i n a t i o nm i c r o g r i d f i n a l l y ，t h i sp a p e ru s i n gm a t l a bs o f t w a r et os e tu pas i n g l ev s gm o d e la n da n e t w o r kg r o u p e db yt h r e ev s g ，a n dt h ec o n t r o lm e t h o di sv e r i f i e d ( 4 ) d e s i g n i n gat y p i c a lm i c r o g r i db l a c ks t a r tu pp r o c e s s ( 5 ) d e s i g n i n gt h el a b o r a t o r yp l a t f o r mo ft h em i c r o g r i ds y s t e m k e y w o r d s ：m i c r o g r i d ；v i r t u a ls y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ；b l a c ks t a r t ；m i c r o g r i dc e n t e r c o n t r o l l e r l i 致谢 从本科到研究生，已经在合肥工业大学度过了近七个秋春。回顾这七年的 历程，无不凝聚了各位师长、同学和亲友的关怀和帮助。如今临近毕业，借此 论文完成之际，谨向所有关心、支持我的老师与同学表示深深的谢意! 首先感谢我的导师苏建徽教授。研究生的三年学习生活中，苏老师在学习、 生活方面都给了我很大的帮助和支持。在科研过程中，苏老师为我提供丰富的 实践机会和良好的实验条件，当课题研究中遇到停滞不前时，每每都是在苏老 师的指导下迎刃而解。在与苏老师的学术交流和生活交谈中，多次使我心境豁 然开朗，而且渐渐走向成熟。课题的研究能够顺利进行，并取得一定成果，和 苏老师的精心指导是分不开的。苏老师治学严谨、知识渊博、待人诚恳，在学 术和为人上都为我做出了榜样。在此，我向恩师表示最诚挚的感谢! 另外要感谢张国荣老师和茆美琴老师。张老师严谨的治学态度，忘我的工 作精神和宽厚的师长作风，给了我深刻的启迪。茆老师精深的理论水平、宽泛 的知识领域和出色的英语能力令我敬佩不已。他们的优秀品质使我受益非浅， 在今后的人生道路上我将以他们为榜样，继续前进。 感谢能源所的汪海宁老师、杜雪芳老师、杜艳老师、张健老师、刘翔老师、 陈林老师和刘宁老师等多位老师给予的帮助。 感谢赖纪东博士、杨向真博士、张颖嫒博士、李进伟博士、陈忠博士、施 永博士、胡安平博士以及0 7 级的师兄，师姐。他们曾在仿真技术、d s p 技术、 c p l d 技术和硬件电路设计和程序调试方面给予过我很大的帮助。 感谢与我同届的同学们，三年来的朝夕相处，相互帮助，给我留下了美好 的回忆与不舍。他们是：刘洋、张亚玉、金曼、冯宝成、王其兵、穆俊升、张 枝茂、李宗军、宋刚、郑群、刘元岗、陈鹏。 最后要特别感谢我的父母，所有关心，爱护我的人，是他们的关怀和支持， 才使我得以完成今天的学业，是他们从物质上、思想上，倾力支持我求学，真 情至此，终生难报。论文的完成之际，字里行间凝聚了他们的厚望与关爱! 作者：罗皓泽 2 0 11 年4 月 1 1 】【 2 3 1 2 发展微型电网的关键技术4 1 3 论文研究意义5 1 4 本课题主要研究内容6 第二章各种典型分布式电源的控制方法。8 2 1 常见分布式电源的发电原理8 2 2 适用于微电网逆变器的要求1 0 2 2 1 虚拟同步发电机建模1 2 2 2 2 虚拟同步发电机的输出功率1 3 2 3 本章小结1 5 第三章微电网组网运行方式及控制方法1 6 3 1 微电网的运行方式及特点j 1 6 3 2 基于多代理系统的微电网控制体系1 7 3 3 微电源控制器的设计1 8 3 3 1 有功功率平衡与频率调节1 8 3 3 2 无功功率平衡和电压调节2 0 3 4 微网中央控制器的设计2 1 3 4 1 基点功率计算2 2 3 4 2 微电网的二次调频2 3 3 5v s g 的仿真与分析2 4 3 5 1 单台v s g 仿真2 4 3 5 2v s g 与同步发电机的对比仿真2 6 3 5 3 多台v s g 的组网控制仿真2 8 3 6 本章小结3 0 第四章微电网黑启动研究。3 l 4 1 黑启动概述3 1 4 1 1 黑启动的定义3 1 4 1 2 系统的负荷恢复3 l 4 1 3 微网黑启动的问题探讨3 2 4 2 微网黑启动的实施步骤3 2 i v 4 2 1 黑启动电源的选择3 2 4 2 2 路径选择的步骤3 3 4 3 黑启动的实施过程3 4 4 3 1 黑启动的要求3 4 4 3 2 微电网黑启动恢复过程3 5 4 4 微电网黑启动算例分析3 6 4 5 本章小结3 8 第五章微网系统的总体设计。3 9 5 1 微网实验整体结构3 9 5 2 逆变电源的硬件结构3 9 5 2 1 主电路与驱动电路结构3 9 5 2 2 控制电路结构4 0 5 3 系统软件设计4 0 5 3 中央管理器的设计4 l 5 3 1 组态软件介绍4 1 5 3 2 系统构架4 2 5 3 3 软件平台设计4 3 5 4 本章小结4 4 第六章总结与展望4 5 6 1 全文工作总结4 5 6 2 工作展望4 5 参考文献4 7 攻读硕士学位期间发表的论文5 0 v 插图清单 图1 1 微电网系统结构图一2 图2 1 光伏发电系统原理图8 图2 2 双馈风力发电机系统原理图9 图2 3 典型的单轴结构m t 系统结构图9 图2 4 燃料电池工作原理图1 0 图2 5 虚拟同步发电机的系统结构图1 2 图2 - 6 虚拟同步发电机的等效电路图1 3 图2 7v s g 的输出电压相量图1 3 图3 1 微网控制体系图1 7 图3 2v s g 一次调频控制框图1 9 图3 3 功率频率静态特性2 0 图3 - 4v s g 输出电压相量图2 0 图3 5v s g 输出电压控制框图2 1 图3 6 微电网中央控制器职能_ 2 2 图3 7 频率调节示意图2 3 图3 8v s g 的二次调频控制框图2 4 图3 - 9v s g 算法仿真模型2 5 图3 10 单台v s g 的系统控制模型2 5 图3 1 1v s g 仿真输出波形2 6 图3 1 2v s g 与同步发电机稳态输出对比2 7 图3 1 3v s g 与同步发电机动态输出对比2 7 图3 1 4 多台虚拟同步发电机组网仿真模型2 8 图3 1 5 微网中央控制器仿真模型2 8 图3 1 6 多台v s g 网仿真波形2 9 图4 1 路径选择步骤流程图3 4 图4 2 黑启动实施方案3 6 图4 3 微电网黑启动算例结构图3 7 图5 1 微网实验整体结构3 9 图5 2 主程序流程图4 l 图5 3p w m 定时中断流程：4 l 图5 4 调度平台的结构图4 2 图5 5 微电网监控系统界面图4 3 图5 - 6 微电网系统信息交流图4 4 第一章绪论 随着国民经济的飞速发展，人类对能源的需求愈来愈烈，石化能源的日益 枯竭使得人们把能源问题看成是世界各国所面临的严峻挑战。由于电力部门大 力发展大型电厂并把多数投资用于高压远距离输电线路的建设上，随着电网规 模的不断扩大，这种大规模电力系统的弊端也日益凸显：不能灵活跟踪负荷的 变化；大型互联电网中的局部故障容易引发大面积的停电事故；发电成本相对 较高等等。未来的电力系统的构架究竟该如何发展成为当今研究的热点之一。 分布式发电以其能源就近消化，节省了输变电投资和运行费用，并减少了集中 输电的线路损耗；分布式发电并不与相冲突，反而与其互为有益补充，对减少 电网容量，改善电网峰谷性能起着重要的作用。分布式供电可靠性高，安装地 点灵活，其能源输入形式多为新能源，可以减少对环境的污染，有效的解决了 传统大电网中的许多潜在问题。 分布式发电( d g ) 或分布式能源( d e r ) 是一种分散的，非集中的发电方式。 分布式电源一般采用的是清洁或者是可再生能源( 天然气，沼气，太阳能，生 物能，风能，小水电) 常采用热电联产( c h p ) 或冷热电联产( c c h p ) 的方式。分 布式电源虽优点突出，但单个分布式电源接入成本高，控制困难，相对于大电 网来说又是一个不可控源。而且当电力系统发生故障时，分布式电源必须马上 退出运行，这使得分布式电源的效益没能得到充分地发挥。基于此，在本世纪 初，学者们提出了一种新的分布式能源组织形式和结构即微网( m i c r o g r i d ) 。 1 1 微网综述 1 1 1 微网定义 微电网是一个独立自主的一个小型系统，通过一个变电站与大电网相连。 典型的微电网系统由多个分布式发电单元、储能单元和负荷单元组成。微电网 中的分布式发电单元可分为可再生能源和不可再生能源，可再生能源有太阳能 发电、风力发电等，不可再生能源有微型燃气轮机等。同时，微电网中的分布 式发电单元还可有热电联产功能，既可向用户提供电能，也可向用户提供冷热 能，提高了能源的利用率。储能单元有蓄电池、超级电容等，负荷单元可分为 重要负荷和非重要负荷两种。 本世纪初，微网一直没有统一的确切定义，发达国家对微网的理解都有不 同侧重点。由于美国研究微电网较早，处于世界领先地位，在2 0 0 2 年，较为完 整的微电网概念由美国提出来了。微型电网( 微电网，微小电网，微网) 的定 义是( c e r t s - 美国可靠性技术解决方案协会) ：是负荷和微小能源的集合体， 可以在单一系统中同时提供电力和热的方式运行，这些微小的能源的大多数是 基于电力电子型，提供必要的灵活性以确保单一集合系统的运行，控制的灵活 性使微型电网对于大电力系统而言呈现为单一的受控单元，以满足当地对可靠 性和安全性的要求n 吲。微网中的电源被称为微源( m i c r o s o u r c e ) ，也可以称为分 布式电源。分布式电源是微电网中的重要组成部分，不同种类的分布式电源对 微电网运行的影响也不尽相同。风力发电、燃料电池发电、太阳能发电等清洁 的二次能源都可以作为分布式电源。各个分布式电源在向附近负荷提供电力保 障的同时，还可采用c h p 或c c h p 的形式充分利用整合资源，提高能源利用效 率与经济效率。总之，微电网的污染小，损耗小等特点将决定其会是与传统大 电网的有益补充者而不是竞争者。 1 1 2 微网的基本结构 _ 断路器 _ 潮流控翻器 l _ 热负载 载 图1 1 微电网系统结构图 图1 1 是由c e r t s 提出的微网基本结构图，图中主要有a ，b ，c 三条馈线， a 馈线上为敏感性负载；b 两条馈线的负荷为可中断负载，c 馈线上的负荷单元为可 调节负载。 在微电网的这种结构下，多个分布式电源同时向本地区的敏感负荷供电，所接入 的分布式电源容量一般都不大，不会对大电网造成较大的冲击，使得系统具有很 好的鲁棒性。这种微型电网有如下特点： ( 1 ) 无论整个微电网的结构和布局如何，微电网与大电网只有一个公共连 接点p c c ( p o i n tc o m m o nc o u p l i n g ) ，这与分布式发电，各个d g 单独的并网是不 一样的。微电网中的能量可双向流动，一方面微电网可以看作是大电网中的一 2 个负荷，一个整体单元，一个“好市民”；另一方面，微电网相对于大电网又是 一个可以自主独立运行的系统，它可以满足不同用户对电能质量和可靠性的要 求【6 1 。当大电网发生故障或其电能质量不符合系统标准时，微电网就会脱离大 电网，实现微电网系统并网与孤网运行之间的平滑切换需要靠静态开关p c c 来 实现。对p c c 进行合理的控制可以保证微电网自身与传统大电网的安全运行， 提高了供电的可靠性与安全性。 ( 2 ) 对在微电网内的负载进行分类。三条电能馈线分别是敏感性负载，可 调节负载，与可中断负载。当大电网出现故障时，p c c 断开，此时微型电网开 始独立运行。对于馈线b ，系统会根据网络功率平衡的需求，在必要时进行切除。 其中，一些以燃料电池，微型燃气轮机等微电源形式的d g 还可以向当地用户提 供热源。( 以小型的煤炭发电厂为例，一般的煤炭利用率只有3 0 多，采用c h p 电源方式，供电又供热，煤炭的利用率可以提高到7 0 以上) ( 3 ) 微电网的建立靠近用户，使得电源更加靠近负荷。能源就地消耗，增 强局部供电的可靠性，降低输电线路的损耗，减轻了输电线路的压力。 ( 4 ) 微电网与大电网只有一个接入点，使得控制微电网与大电网并联运行， 或使得大电网故障时，某些特定需要时脱离大电网独立运行会较为方便。微电 网的这两种运行模式，对于大电网来说，是一个简单的可以调度负荷。 ( 5 ) 所有微网内的d g 微电源，统一由中央控制器( m i c r o g r i dc e n t e rc o n t r o l ， m g c c ) 集中管理，中央控制器会统筹整个微网内的微电源，它不仅要要对整 个微网内的电能质量进行管理，提供下层微源的电压参考值，有功无功的设置 点，还要根据气候，经济，等多方面因素，统筹规划整个微网内的微电源工作 状况，使其运行达到最优化。 ( 6 ) 负荷端得馈线电压是4 8 0 v 或更低，由于电压等级低，有助于适合研 发各种低压用电设备，使微网具有即插即用( p l u ga n dp l a y ) 功能。 1 1 3 国外微电网的研究现状 北美，欧洲，日本等发达国家和地区目前都已完成了微电网的基础理论研 究，初步建立了微电网的模型和仿真工具，完成了微电网的控制和保护策略、 通信协议等。有的国家和地区已建立了现场示范工程，验证和解决了微电网运 行保护和经济性分析的基础理论问题。未来的微网研究目标是发展更高级的控 制策略，多个微电网同配电管理系统整合工作，进行微电网的标准化设计，现 场试验以进一步完善微电网的管理与运行效果【7 】。 美国是微电网概念提出最早的国家。美国可靠性技术解决方案协会所提出 的关于微电网的初步理论研究成果应用于实验室的微电网平台上。美国的第一 个微电网示范工程是由曼德瑞沃( m a dr i v e r ) 微电网示范工程。美国能源部已 经提出了一个以微电网的形式安放和利用微型分布式发电系统阶段性计划。美 国能源部对今后美国微电网的特点和发展目标为：提高重要负荷的供电可靠性、 3 满足用户定制的多种电能质量需求、降低成本、实现智能化。 欧洲的微电网研究被称作“聪明电网”( s m a r t g r i d ) 计划。目前欧盟主要 资助和推进两个微网项目：m i c r o g r i d s 和m o r em i c r o g r i d s ，其特点是灵活、可接 入性、可靠性、经济性等，旨在通过拓展和发展微网的概念增加微型发电装置。 未来欧盟研究将主要集中在提出新的微电网的控制策略、多微网管理运行优化、 示范性微电网测试平台的推广，以便为分布式发电系统和可再生能源系统大规 模并入微电网和传统大电网的过度做好准备工作。 加拿大对于微电网的研究偏重于中低压配网级。其主要研究集中于以下几 点：边远地区的供电问题；城市用电如何做“好市民 ；计划孤岛运行。另外 其他诸如丹麦、意大利、葡萄牙等发达国家的公司都各自在其国家建立了微网 实验点或者示范工程，进行了微电网的研究。 1 2 发展微型电网的关键技术 微型电网有着非常好的发展前景，但由于微型电网与传统的电网，以及一 般的分布式发电系统存在一定的区别，并且现在大部分的输电线路是以传统电 网的标准设计与铺设的，所以微型电网的建立要综合考虑各方面的问题。例如： 微电源的优化配置；微电源、负荷及微电网系统的协调控制；微电网与大电网 的协调运行；中央控制器的集中管理和能量调度；微电网通信和可视化；微电 网的保护与监控技术等1 8 1 。 多分布式电源在微电网系统中协调控制是实现微电网的关键问题之一。微 电网完善和稳定的控制系统是提供高质量电能服务和安全运行的重要保障。由 于微电网系统中分布式电源的种类呈多样性，有光伏发电、风力发电、燃料电 池发电等，因此必须采用电力电子装置将不同特性的能源经过电力变换并联入 网。微型电网的运行方式有两种：并网和离网孤岛独立运行。在并网运行中， 又分并网但不向主网送功率，和并网且允许微网参与到开放的电力市场当中。 离网独立运行相当于微网由并网转为孤岛运行。无论微网处于何种运行模式， 它都应该保证：( 1 ) 任一微电源的接入不对系统造成影响；( 2 ) 实现微电网由孤岛 运行状态到并网运行状态的平稳过渡。( 3 ) 调节微电网内的有功功率与无功功 率；( 4 ) 具有抑制电压暂降，暂升，稳定网内电压频率；( 5 ) 快速追随负荷与储 能的必要性( 这一点离网运行必备) ；( 6 ) 自主选择运行点。 由于微电网在并网运行和孤网运行时的运行状态不一，其中的发电设备与 用电设备将会面对不同的工况，因此研究微电网的安全与保护技术将显得十分 必要，其原因有：( 1 ) 传统的电网潮流是单向的，而现在微电网允许能量的双向 流通；( 2 ) 当分布式电源接入配电网后，分布式电源的类型和安装位置将会改变 配电网的结构，这样当电网发生故障时，短路电流大小以及对线路的保护范围 都有所改变，如果还继续沿用传统的继电保护装置，有可能会损坏线路设备。 4 因此，针对多分布式电源对配电网的继电保护影响，微电网的保护设计研究将 是实现微电网的关键技术之一。 随着微电网技术与可再生能源的开发不断进步微电网系统对储能系统的需 求将会越来越大。 储能装置的主要作用是限制当前网内的分布式电源对传统大电网的不利影 响。储能装置的类型不同，其对电力系统的影响也不一，为了提高电能质量而 选择一种合适的储能装置，需要将该装置的特性与采用该装置的电力系统需求 做对比。储能系统在微网系统中的应用主要有：( 1 ) 快速备用。防止运行中的发 电设备发生故障时造成的用户停电，避免因此所带来的经济损失。满足供电可 靠性。( 2 ) 电能质量与可靠性。由于超级电容储能器可快速吸收、释放大功率电 能，可防止由电压暂升、暂降或者数个周波到数分钟的停电。通过逆变控制单 元，可以调节储能向用户及网络提供的无功及有功功率，以及稳定、平滑电网 电压的波动，从而到达提高电能质量的目的。( 3 ) 用户能量与可再生能量的管理。 通过这种应用，使其在可用时段与负荷水平一致。( 4 ) 商业化储能。在微网系统 中加入储能装置，它可以在负荷低谷时储存电源的多余能量，而在负荷高峰时 以相对较高的价格卖出。储能系统作为微电网必要的能量缓冲环节，其重要性 越发明显。 1 3 论文研究意义 本课题来源于国家自然基金项目“微网并网控制及微网中多分布式电源协 调控制 。微电网系统可以充分发挥分布式电源的各项优势，又是传统大电网 的有益补充。我国西部广大地区由于居住偏远和分散，大力发展微型电网电源 技术可以减少对集中式电网供电系统的迫切需要，而在我国的其他地区则需要 通过建设分布式供电来增加能源供应，以及减轻环境污染，提高可持续发展的 能力。 微电网中的存在着各式各样的分布式电源，电力电子交流装置是微电网内 进行电能变换不可或缺的组成部分。以往单纯的以控制电流波形为目标的并网 控制方式难以满足微网系统的稳定运行需要，应研究电压源型逆变控制并网方 式。微型电网中电能质量的稳定主要依靠储能单元的能量输出支撑，而大部分 储能单元的电能存在形式为直流，其需要逆变为交流并入微网，多机组和单元 逆变并网应是今后微网的主要组成和运行模式。由多节点储能逆变单元并联组 成的微型电网系统研究，国外也是刚刚起步，国内也已有部分高校与研究所开 始探索。 逆变电源的并联控制技术研究和发展已有多年，其主要目的为了系统逆变 供电扩容和可靠性冗余，现有的并机型逆变电源大都是需要有均流互联线，无 互联线的并机型逆变电源技术只有少数国际大公司拥有，但其并机类型、并机 5 环境和数量要受到限制，但仅限于同类逆变电源间的互并，况且其并机控制原 理也不适用于微电网供电特点。微型电网由于是多种能源的组合，供电和负载 节点在地域上具有分散性，电能的电网线路传输及电能质量具有波动和不确定 性，因此，要求微网中的逆变电源能够适应这些条件的变化，具有强烈的鲁棒 性和快速性，且要求可实现电能的双向流动、调度、有功无功控制和潮流控制。 因此，现有的逆变产品和技术难以组成微网，并满足微网系统稳定运行的需要。 不同的逆变电源之间通常用互联线实现多逆变电源之间的并联，这是含有多分 布式电源的微电网供能系统与含有多同步发电机发电设备的传统大电网之间或 者常规配电系统之间的根本性差异。 目前，国内只有一些诸如像微型燃气轮机及内燃机发电、风力发电、光伏 并网电站等分布式电源示范工程，它们一般只是单机离网运行或并入大网运行， 而采用多分布式电源并联组成微电网系统进行并网或孤网运行的示范电站目前 仍很少。逆变器作为分布式电源组成微电网的电力电子接口，需要结合先进的 控制策略，才能更好的服务于微电网。目前，大电网与分布式发电技术相结合 被世界许多能源、电力专家公认为2 l 世纪电力系统发展的必然方向，不仅可以 节省成本，又可以使供电的可靠性和灵活性大大增加。 1 4 本课题主要研究内容 本文的研究内容主要是微网中多分布电源的组网控制及稳定性的研究。可 再生能源诸如太阳能、风能、等都是微电网能量的主要来源。多分布式电源的 统一协调控制是实现微电网的关键技术之一，对微电网内的稳定性起着重要的 作用。本文通过深入分析典型微电网的结构与运行方式，结合各种常见分布式 电源的发电原理与现有的多逆变电源并联控制方法，提出了一种具有同步发电 机输出特性的逆变电源的控制方法，并建立了虚拟同步发电机特性的逆变器模 型( v i r t u a ls y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ，v s g ) ，结合传统大电网中一次调频，二次调 频的思想，提出了一种基于多代理技术的微电网多分布式组网控制方法。并使 用m a t l a b 仿真软件搭建系统仿真模型并验证了上述理论分析的可行性。而后， 在结合集中控制和分散控制技术的基础上，采用混合式控制方式来实现协调多 逆变电源组网控制的方法。在了解传统大电网黑启动的基础上，对微电网黑启 动做了初步的研究。本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 了解了微电网的相关内容以及最新的研究进展。分析了构建微电网的 关键技术，阐述了对微电网内多逆变电源的协调控制技术的现实研究意义。 ( 2 ) 提出并设计了一种具有同步发电机的输出特性逆变电源的控制方法。 ( 3 ) 借鉴传统大电网的控制方法，设计一种适用于微电网多分布式电源的 协调控制方法。并利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件搭建了单台和多台微源的仿 真模型，验证了理论设计的可行性。 6 ( 4 ) 与传统大电网的黑启动研究相结合，分析了其与微电网黑启动的异同 后，设计了含分布式电源的微电网黑启动过程。 ( 5 ) 给出了实验用微电网系统的软硬件设计。 7 第二章各种典型分布式电源的控制方法 微电网系统与常规大电网系统的根本性差异在于传统大电网的能量输入主 要是基于同步发电机的出力，而微电网主要是基于各类分布式电源。不同类型 的分布式电源都需要通过相应的电力电子设备接口与大电网相连。现有的以控 制并网电流为目标的分布式发电控制策略将无法满足当前微电网运行的要求， 因此，为了解决微电网内多分布式电源组网控制问题，必须研究出新的控制算 法，保证微电网正常安全运行。 2 1 常见分布式电源的发电原理 ( 1 ) 光伏发电系统 从能源供应的诸多因素考虑，太阳能无疑是符合可持续发展战略的理想绿 色能源。光伏发电系统总是由一组光伏列阵、逆变器和一个并网变压器组成。 图2 1 所示为一个典型的光伏发电系统简图。太阳能电池的输出特性与光照强 度和环境温度有关；d c d c 电路用于实现直流电压的匹配，使光伏阵列输出电 压变换成逆变所需要的电压等级；d c a c 电路将直流电变换交流电；光伏电池 的最大功率电跟踪控制以及并网功率调节与电流波形的控制由控制器来完成， 同时控制器具有检测与保护等功能。 图2 1 光伏发电系统原理图 网 ( 2 ) 风力发电系统 在各种新能源的利用中，风力发电是最重要的一种形式。风力发电机依据 运行方式的不同，一般所用的发电机也不同。并网运行的风力发电机组中所使 用的发电机主要有双馈发电机、同步发电机、无刷双馈发电机、高压同步发电 机等。不同类型的发电机组的电气特性将有所不同，这会对整个风电机组的运 行性能有着很大影响。随着电力电子技术和微机控制技术的发展，双馈异步发 电机( d o u b l y f e di n d u c t i o ng e n e r a t o r ，d f i g ) 得到了广泛的应用与研究。双 馈风力发电系统结构如图2 2 所示，风机通过变速齿轮箱与双馈发电机相连接， 双馈发电机的定子直接与大电网相连，内转子经过交直交变频器与大电网相 8 连，可实现四象限运行。 图2 2 双馈风力发电机系统原理图 ( 3 ) 微型燃气轮机发电系统 微型燃气轮机( m i c r o t u r b i n eg e n e r a t o r ) ，由燃气轮机，压气机，燃烧室， 回热器，发电机及电力控制部分组成，以甲烷，天然气，汽油，柴油等为燃料， 是一种最近几年发展起来的小型热力发电机。它采用径流式叶轮机械向心式涡 轮机和离心压气机，在转子上采用高效板式回热器，燃汽轮机和发电机一体设 计，尺寸小，重量轻【9 】。高速单轴结构微型燃气轮机是微型燃气轮机的主流产 品，是目前分布式发电系统，特别是小型冷热联产系统的主要动力设备。单轴 结构微型燃气轮机发电系统结构由永磁同步发电机、微型燃气轮机、电力电子 转换装置、控制器、供热和制冷机组，如图2 3 所示。 空气 预热空气 燃料一 丽 回热器h 余热回收系统卜一_ t 叫 制冷机 丽困l 捧气 热交换器 蚁篡卜匾卜啐 指令 图2 3 典型的单轴结构m t 系统结构图 热负荷 冷负荷 交流电网 控制器 ( 4 ) 燃料电池发电系统 作为一种能源综合利用率高而又不污染环境的能源利用方式，燃料电池的 发展受到了人们的广泛关注，它是一种将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为 电能的发电装置。只需要向电极连续地向其供给燃料和氧化剂，就可以连续不 断获得电能，所以称为其为燃料电池【l 们。燃料电池发电具有热效率比其他火力 发电方式高、无污染、用水少，占地面积小，燃料来源广泛等特点，在未来的 几十年将会得到更大的发展，不过燃料电池的缺点在与造价较高。燃料发电系 统主要由以下几部分组成：燃料供给转换装置；空气供给装置；电池本体，即 9 电极、电解质、和外电路；余热回收装置；d c a c 变流装置，结构如图2 4 所 示。燃料重装系统主要作用是将燃料转化为供燃料电池使用的燃料成分，它一 般以氢为主；燃料电池堆通过化学反应将氢氧的化学能转化为直流电能； d c a c 将所产生的直流电接入电网，供用户使用：水热回收系统将工作时产生 的蒸汽与热水的热能回收，实现电热联产。 空气( 氧) 图2 4 燃料电池工作原理图 ( 5 ) 微网中的储能技术 用于电力系统的储能技术主要有飞轮储能、抽水蓄能、超级电容储能、铅 酸电池储能( b e s s ) 、超导线圈储能( s m e s ) 、与压缩空气储能( c a e s ) 等。 飞轮储能是将能量储存在高速旋转的飞轮里，飞轮储能具有工作效率高、能量 密度高、无污染、循环使用寿命长的特点。抽水蓄能需要两个高低水库，在电 网低估负荷时，电动机将水抽到上游水库，用电高峰时，上游水库向下游水库 放水带动发电机，将势能转化为电能。超级电容式利用双电层原理直接储存电 能，是介于蓄电池和传统电容器之间的一种新型储能装置【l 。铅酸电池是技术 最为成熟的一种二次电池，是一种低成本的储能元件。铅酸电池虽然用途广泛， 但是其有很多缺点：循环寿命短、污染严重、维护工作量大等。超导线圈储能 是将能量存储在由流经超导线圈的直流电流产生的磁场中。s m e s 具有快速的 电