（电力电子与电力传动专业论文）微网系统逆变电源的组网协调控制及稳定性研究.pdf

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 la n d s t a b i l i t yo f i n v e r t e ri nm i c r o g r i d a b s t r a c t m i c r o g r i di sas y s t e mt h a ti sc o n s t i t u t e do fl o a d sa n dd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n s a n di tc a no p e r a t e a u t o n o m o u s l yo r i ni n t e r c o n n e c t e dm o d e ，t h ed i s t r i b u t e d g e n e r a t i o nn e e d st h ep o w e re l e c t r o n i cd e v i c e st oa c h i e v ep o w e rc o n v e r s i o n ， p r o v i d e dt h en e c e s s a r yc o n t r 0 1 t h ec o o r d i n a t i o nc o n t r o l o fi n v e r t e rf o rt h e m a jo r i t yo ft h eb o o m i n gr e n e w a b l ee n e r g y ( s u c ha sf u e lc e l l s ，s o l a r ，w i n d ) i st h e k e yt e c h n o l o g yf o rt h ed e v e l o p m e n to fm i c r o g r i d i nt h i sp a p e r , an e wi n v e r t e r b a s e do nam 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 ri sp r e s e n t e d ，a n do nt h i s b a s i s ，t h ec o o r d i n a t i o nc o n t r o lm e t h o do fi n v e r t e ri s d e s i g n e d ，a n dt h em a t l a b s i m u l a t i o ns o f t w a r ei su s e dt ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h e a n a l y s i s t h e na p r e l i m i n a r ys t u d yo fb l a c ks t a r ti sd o n e f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo f m i c r o g r i di sd e s i g n e d t h em a i nt e x ti 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 v u n d e r s t o o 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 da r ea n a l y z e d ；t 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 ) s u m m a r i z i n gt 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 a n a l y s i st h e d i f 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 l s 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 s ， p r o p o s i n ga n dd e s i g n i n gt h ei n v e r t e rw i t has y n c h r o n o u sg e n e r a t o rf 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 oc o o r d i n a t i o nm i c r o g r i d ， t h e n d e s i g n i n gt h em i c r o s o u r c e sc o n t r o l l e ra n dm i c r o g r i dc e n t r a lc o n t r o l l e r f u n c t i o n sa n dr e a l i z a t i o nm e t h o d f i n a l l y , m a t l a bs i m u l a t i o ns o f t w a r ei su s e dt o s e tu pas i n g l ev s gm o d e la n dan e t w o r kg r o u p e db yt h r e ev s g ，v e r i f y i n gt h e c o n t r 0 1m e t h o d ( 4 ) t h ep r e l i m i n a r ys t u d yo nt h eb l a c ks t a r t ，c o m b i n e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c s o f m i c r o g r i d ，d e s i g n i n gat y p i c a lm i c r o g r i ds t a r t u 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 ，i n c l u d i n gt h e h a r d w a r e d e s i g n ，s o f t w a r ef l o w c h a r t so ft h ei n v e r t e ra n d u p p e ra t t e m p e r i n g p l a t f o r m k e y w o r d s ：m i c r o g r i d ；i n v e r t e r ；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 ；m i c r o s o u r c ec o n t r 0 1 1 e r ： m i c r o g r i dc e n t e rc o n t r o l l e r ；b l a c ks t a r t i i 插图清单 图1 1 即插即用型微网结构3 图1 2 带中央控制器的微网结构3 图2 1 光伏发电系统原理图8 图2 2 风力发电系统原理图9 图2 3 微型燃气轮机发电系统原理图一9 图2 4 燃料电池发电系统原理图1 0 图2 5 虚拟同步发电机设计框图1 l 图2 - 6 数字锁相环控制框图1 2 图2 7 虚拟同步发电机等效电路图1 2 图3 1 微网控制层次图1 4 图3 2 虚拟同步发电机一次调频控制框图1 6 图3 3 频率调节示意图1 7 图3 4 虚拟同步发电机输出电压向量图1 7 图3 5 虚拟同步发电机电压控制框图1 8 图3 - 6 微网中央控制器功能简图1 9 图3 7 频率调节示意图2 0 图3 8 虚拟同步发电机二次调频控制框图2 l 图3 - 9 虚拟同步发电机仿真模型一2 2 图3 1 0 虚拟同步发电机仿真波形2 3 图3 1 1 三台v s g 组网仿真模型2 4 图3 1 2 微网中央控制器仿真模型2 5 图3 1 3 三台虚拟同步发电机组网仿真波形2 6 图4 1 黑启动路径选择流程图3 1 图4 2 微电网黑启动实施过程流程图一3 3 图4 3 算例微网结构图3 4 图5 1 微网实验整体结构3 6 图5 2 主程序流程图3 8 图5 3p w m 定时中断流程图3 9 图5 4 调度平台构架41 图5 5 监控节点界面4l 图5 - 6 微网系统信息流动4 2 图5 7 频率控制流程图4 3 v i 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 金魍王些太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己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：炎魂荡 签字e t 期：加f o 年年月珥日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金壁王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保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 盒目壁王些太堂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) 学位论文者签名：关嘉兹 签字日期：弘和年年月辨e l 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 芴玖 签字日期：z , o l o 年年月砷日 电话： 邮编； 致谢 从本科毕业设计到研究生生活，已经在光伏中心度过了三个多春秋。回顾 这三年的历程，无不凝聚了各位师长、同学和亲友的关怀和帮助。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。三年多以来，苏老师在学习、科研和生活 方面都给了我很大的帮助和支持。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，课题研究中遇到的难题，多次在苏老师的指导下迎刃而 解。我的课题研究能够顺利进行，并取得阶段性的成果，和苏老师的无私帮助 和精心指导是分不开的。永远忘不了，苏老师在百忙之中牺牲休息时间为我解 决各种难题，使我明白许多道理，逐渐走向成熟。苏老师治学严谨、知识渊博、 诲人不倦，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 示最真挚的感谢! 感谢张国荣老师和茆美琴老师。张老师严谨的治学态度，渊博的学识和宽 厚的师长作风，给了我深刻的启迪。茆老师精深的理论水平、广泛的知识范围 和出色的外语能力令我敬佩不已。他们博学、忘我的工作以及平易近人的作风， 使我受益非浅。 感谢能源所的汪海宁老师、杜燕老师、杜雪芳老师、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。 感谢杨向真博士、张颖媛博士和焦道海、于德政、贺静等师兄师姐，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调试方面给予我很大 的帮助。 感谢与我同届的同学们，三年来我们朝夕相处，相互帮助，留下了美好的 回忆，结下了深厚的友谊。他们是：朱丹、汪长亮、喻丽、齐国虎、虞海贤、 陈忠、盛男、李丹、张学友等。 感谢能源所0 8 级的金曼、张亚玉和0 9 级的牛芳芳、谭玉茹，以及其他0 8 、 0 9 级多位同学的帮助和指导。 最后要特别感谢我的父母、朋友、同学，是他们的关心和支持，才使我得 以完成今天的学业。还要感谢我的父亲、母亲，是他们从物质上、思想上，倾 力支持我求学，亲情至此，终生难忘。论文的完成，字里行间同样凝聚了他们 的亲情厚望和支持关爱! 作者：吴蓓蓓 2 0 1 0 年3 月 第一章绪论 近年来，随着电力需求的迅速增长，传统电力系统所表现出来的成本高、 损耗大等问题，用户对电能质量的高标准要求以及世界能源紧缺，已成为世界 各国电力工业所面l 临的严峻挑战。另一方面，随着风力发电、光伏发电、燃料 电池发电等新型发电技术的发展，分布式发电技术( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，d g ) 日渐成为满足负荷增长需求、减少环境污染、提高能源综合利用效率和供电可 靠性的一种有效途径。d g 具有投资少、发电方式灵活、与环境兼容等优点， 在配电网中得到广泛的应用，但是d g 的大规模接入电网也产生了一些负面影 响，如分布式发电单机接入成本较高、控制较复杂等。另外，从系统的角度来 分析，分布式发电是不可控的发电单元，可能对大系统的电压和频率产生冲击。 根据i e e e l 5 4 7 标准，当电力系统发生故障时，分布式发电必须马上切机退出 运行，但是这在很大程度上限制了分布式发电的运行方式、削弱了其优势和潜 能【l 儿2 。为充分发挥分布式发电的各项优势，同事削弱其对电网的冲击和负面 影响，有学者提出了一种能更好地发挥分布式发电潜能的组织形式微电网 ( m i c r o g r i d ) 。本章将对微电网的基本概念、结构、关键技术、国内外的研究 现状进行概括和总结。 1 1 微网概述 1 1 1 微网的概念 为了减少分布式发电系统对大电网的不利影响，同时发挥其固有的优势和 潜能，一个合理有效的解决方案是采用系统的方法，将分布式发电装置和相应 的负荷组成一个系统，即微网系统。目前，国际上对微网的定义还没有统一的 标准。美国电气可靠性技术措施解决方案联合会( c o n s o r t i u mf o r e l e c t r i c r e l i a b i l i t yt e c h n o l o g ys o l u t i o n ，c e r t s ) 最先提出了“微电网”的概念：微网是一种 由负荷和微型电源共同组成的系统，它可同时提供电能和热量；微网内部的发 电装置主要是由电力电子装置负责能量转换，并提供必须的控制；微网相对外 部大电网表现为单一的可控单元，可同时满足用户对电能质量和供电可靠性、 安全性的要求【3 】。欧盟微网项目对微网的定义为：利用一次能源；使用微型分 布式发电系统，分为不可控、部分可控和完全可控3 种类型，并可冷、热、电 三联供；配有储能装置；使用电力电子设备进行能量转换和控制。实际上，对 于公用电力企业，微电网可作为电力系统的一个简单的可调度负荷，在数秒内 做出响应，以满足系统的需求；对于用户，微网可以作为一个可定制的电源， 以满足用户多样化的需求【4 儿5 1 。 微网中的电源被称为微源( m i c r o s o u r c e ) 。微源是微网中重要的组成部分， 微源可以含有多种能源发电形式，例如：可再生能源发电( 风力发电、光伏发电) 、 燃料电池发电、微型燃气轮机发电。另外，为了提高经济性，微源在向负载供 电的同时，还可通过热电联产或是冷热电联产的形式向负荷用户供热或制冷， 从而提高能源多级利用的效率。因此，和传统大电网相比，微网具有一些显著 的优点，例如：能充分利用新型能源、减少环境污染、减少线路损耗、发电机 组效率高、应用灵活等。在资源日益紧张的今天，微网的发展越来越受到人们 的重视。 1 1 2 微网的基本结构 常用的微网结构有两种：即插即用型和带中央控制器型。即插即用型的微 网结构如图1 1 所示，其各个微源间是完全对等的关系，各微源之间是冗余的， 但是这种结构没有上层的控制器对其进行调度，在控制策略的切换和负载分配 上存在着缺点。目前，大多数国家的微网采用带中央控制器的微网结构，如图 1 2 所示，它与即插即用型微网结构的最主要区别在于微网中存在上层的中央 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 ) 、下层的本地微源控制器( m i c r o s o u r c e c o n t r o l ，m c ) 和本地负载控制器( 1 0 a dc o n t r o l ，l c ) ，上层的控制器m g c c 提供 下层单元的参考电压值、有功和无功设置点，这就需要上层和下层之间的通讯。 无论哪种结构形式，整个微网相对于大电网来说是一个整体，可通过一个静态 开关和配电变压器( d i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e r ，d t ) 和大电网相联系，实现孤网 与并网运行模式间的平滑无缝转换。当外界大电网出现故障停电或电能质量问 题时，微网可通过主断路器切断与电网的联系，孤网运行。此时，微网的负荷 全部由微源承担。图1 2 所示的微网包括3 条馈线a 、b 和c ，整个网络呈放 射状。在微网中，多个微源局部地向重要负荷提供电能和电压支撑，这在很大 程度上减少了直接从大电网买电和电力线传输的负担，并可增强重要负荷抵御 来自主网故障影响的能力。此外，在大电网发生故障或其电能质量不符合系统 标准的情况下，微网可以以孤岛模式进行独立运行，保证微网自身和大电网的 正常运行，从而提高供电可靠性和安全性。因此，孤岛运行是微网最重要的能 力，实现这一性能的关键在于微网与大电网之间的电力电子接口处静态开关的 控制。该静态开关允许在接口处灵活可控地接受或输送电能。从大电网的角度 看，微网如同电网中的发电机或负荷，是一个模块化的整体单元。另一方面， 从用户侧看，微网是一个自治运行的电力系统，它可以满足不同用户对电能质 量和可靠性的要求1 6 】。 2 图1 1 即插即用型微网结构 图1 - 2 带中央控制器的微网结构 1 1 3 微网的研究现状 随着经济的高速发展和用电负荷的日益增加，各国的电力工业面临着许多 前所未有的严峻挑战：系统老化、能源危机、环境污染以及用户对电能质量高 要求等。微网对分布式发电系统表现出极大的潜能和优势，成为很多国家发展 电力行业、解决能源问题的主要战略之一。目前，美国、欧盟、日本、加拿大、 北美等国家和地区已加快进行微网的研究和调试，并根据各自的能源政策和电 力系统的现有状况，提出了具有不同特色的微网概念和发展规划1 7 - 9 。 美国最早提出了微电网的概念。目前，美国c e r t s 微电网的可行性研究已 经在威斯康星大学麦迪逊分校的实验室得到了初步检验。微网的初步理论和方 法已在美国电力公司w a l n u t 微网测试基地得到了成功验证。由美国北部电力系 统承接的m a dr i v e r 微网是美国第一个微网示范性工程，微网的建模和仿真方 法、保护和控制策略以及经济效益在此工程中得到了验证，并且关于微网的管 理条例和法规得到了完善，因此m a dr i v e r 微网成为美国微网工程的成功范例。 同时美国能源部制订了“g r i d2 0 3 0 ”发展战略，即以微网形式整合和利用微型分 布式发电系统的阶段性计划，详细阐述了今后微网的发展规划。 欧洲从电力市场自身需求、电能安全供给以及环境保护等方面综合考虑， 在2 0 0 5 年提出了“智能电网”的计划，并在2 0 0 6 年出台了该计划的技术实现方 案。作为欧洲2 0 2 0 年及后续电力的发展目标，该计划指出未来欧洲电网应具有 灵活、可接入、可靠和经济等特点。为此，欧洲提出要充分使用分布式发电系 统、智能技术、先进的电力电子技术等实现集中式供电与分布式发电的高效整 合，积极鼓励独立运营商和发电商参与电力市场交易，快速推进电网技术的发 展。目前，欧盟主要资助和推进“m i c r o g r i d s ”和“m o r em i c r o g r i d s ”2 个微网项目， 通过拓展和发展微网概念，增加微型发电装置的渗透率，初步形成微网的运行、 控制、保护、安全以及通信等基本理论。欧盟对微网的研究主要集中在可再生 微型发电系统的控制策略和微网的规划、多微网管理运行优化工具的研发和技 术、商业化规范的制定、示范性微网测试平台的推广、电力系统运行性能的综 合评估等，这些可为分布式发电系统和可再生能源系统大规模并入微网以及传 统电网向智能电网过渡提供条件。 日本根据本国资源日益缺乏、负荷需求增长迅速的发展现状，开展了微网 的研究。目前，日本已在国内建立了多个微网工程。近年来，可再生能源和新 能源一直是日本电力行业关注的重点之一，新能源与工业技术发展组织大力支 持一系列微网示范性工程，并鼓励可再生和分布式发电技术在微网的应用。日 本在微网的网架拓扑结构、微网集成控制、热电冷综合利用等方面开展了一系 列研究，为分布式发电系统和基于可再生电源的大规模独立系统的应用提供了 较为广阔的发展空间。日本立足于国内能源日益紧缺、负荷日益增长的现实背 景，展开了微电网研究，但其发展目标主要定位于能源供给多样化、减少污染、 满足用户的个性化电力需求。对于微电网的定义，日本三菱公司将微电网从规 模上分为三类：大规模、中规模、小规模。应用的燃料为石油，煤( 大规模) 、 可再生能源( 小规模) 。基于该框架，目前日本已在其国内建立了多个微电网工 程。日本学者还提出了灵活可靠性和智能能量供给系统( f l e x i b l er e l i a b i l i t ya n d i n t e l l i g e n te l e c t r i c a le n e r g yd e l i v e r ys y s t e m ，f r i e n d s ) 其主要思想是在配电网中 加入一些灵活交流输电系统装置，利用控制器快速、灵活的控制性能，实现对配 电网能源结构的优化，并满足用户的多种电能质量需求。目前，日本已将该系 4 统作为其微电网的重要实现形式之一，还将该思想与热电联供设计理念相结合， 以期更好地实现环境友好和能源高效利用。 此外，加拿大b c 和q u e b e c 两家水电公司已经开始开展微网示范性工程的 建设，测试微网的主动孤网运行状况，旨在通过合理地安置独立发电装置 ( i n d e p e n d e n tp o w e rp r o d u c e r ，i p p ) 改善用户侧供电可靠性。希腊、德国、西班 牙等国家建立了不同规模的微网实验室。德国太阳能研究所建成的微网实验室 的规模最大，容量达到2 0 0 k v a ，该研究所还在其实验平台上设计安装了简单 的能量管理系统。 1 2 微网的关键技术 微电网作为分布式发电的一部分，存在大量的技术问题需要解决，例如： 微电源的优化配置；微电源、负荷及微电网系统的控制；微电网与大电网的协 调运行；能量管理和调度；微电网通信和可视化；安全与保护技术等【1 0 】。 微源及微网系统的协调控制是实现微电网的关键问题。微电网如此灵活的 运行方式和高质量的供电服务，离不开完善和稳定的控制系统。微网系统是可 以由多种发电设备、可再生能源、储能单元等构成的。由于微网系统中能源输 入形式的多样性，采用电力电子技术将不同特性的能源经电力变换并联组网是 必须的。协调控制是任何一个电力系统都必须解决的问题，微网也是如此。微 网协调控制的基本任务是使各微电源及储能装置的输出功率满足微网负荷的需 求。但是微网电源容量较小，单一负荷的变化都能对微网功率平衡产生显著的 影响，且可再生能源易受天气等因素的影响，输出存在波动。因此相对配电网 来讲，微网协调控制更为复杂。 微电网的安全与保护技术也是发展微电网的关键问题。微电网的保护问题 与传统保护有着极大不同，典型表现有：( 1 ) 潮流的双向流通；( 2 ) 微电网在并网 运行与孤岛运行种工况下，短路电流大小不同且差异很大。因此，如何在孤岛 和并网两种运行工况下均能对微电网内部故障做出响应以及在并网情况下快速 感知大电网故障，同时保证保护的选择性、快速性、灵敏性与可靠性，是微电 网保护的关键，也是微电网保护的难点。传统的电流保护显然无法满足微电网 保护的特殊要求。 储能技术也是微电网发展的关键技术1 1 1 1 。储能单元在微电网中的作用主要 有以下两方面：( 1 ) 提高系统的稳定性。使得微电网能够运行在一个较稳定的输 出水平；适量的储能可以在适当时候作为电源使用或与大电网并网运行。( 2 ) 分布式电源与储能技术的结合可以大大提高微电网的稳定性、经济性和能源利 用率。风力发电、光伏发电的直接并网运行，对于大型主干电网不会产生影响， 但对于脱离大型主干电网而独立运行的微网系统，根据其并网功率所占比例及 其能源输入的随机型和不稳定性，会影响其运行的稳定性。因此，在微网系统 5 中，可再生能源的直接并网方式不能占据较大份额。而采用可再生能源经储能 单元的并网方式应是今后微网系统的重要组成方式。储能单元的电能存储形式 一般为直流，如蓄电池、超级电容器、燃料电池等。 1 3 论文研究意义 本课题来源于国家自然基金项目( 5 0 8 3 7 0 0 1 ) “微网并网控制及微网中多分 布式电源协调控制。微网系统不仅可以解决分布式电源的接入问题，而且充 分发挥分布式电源的各项优势。因此微电网的特点适应中国电力发展的需求与 方向，在我国有着广阔的发展前景。对于供电网难以达到的边远分散用户，微 网在技术经济上具有竞争力，在电网崩溃和意外灾害( 例如地震、暴风雪、人 为破坏、战争) 情况下，可以维持重要用户的供电。对分布式发电系统中的微 网技术进行研究具有重要意义。 微网中的分布式电源通常具有多种不同的类型，电力电子技术在分布式电 源的电能变换、传递和存储中具有关键作用。不同电源之间常通过电力电子装 置实现互联，这使得基于微网的分布式发电供能系统与常规配电系统或输电系 统有着根本性的差异。同时，由于微网系统既要能够并网运行又要能够脱网独 立运行，在正常情况下，微电网并网运行，由大电网提供刚性的电压和频率支 撑，内部微源工作在电压源( v o l t a g es o u r c e ，v s ) 或电流源( c u r r e n ts o u r c e ，c s ) 状态，采用传统的分布式发电控制技术控制逆变器，调整各自功率输出，系统 能够稳定运行。但是，当大电网出现电压骤升、骤降、不平衡和谐波等电能质 量问题或有计划检修时，微电网需要转入孤岛运行模式，此时的电压频率和幅 值由内部微源控制器负责调节。在这种情况下，传统的并网逆变器控制方式难 以满足微电网稳定运行的需要。目前，虽然已有一些项目应用于分布式发电系 统，如微型燃气轮机及内燃机发电、燃料电池发电、风力发电、光伏并网电站、 小型发电厂等，但其一般只为单机独立运行或并接大型电网运行，采用多台逆 变电源并联组成微型电网并网或离网运行的技术示范虽然国外已有一些，但是 仍然还很少。逆变器作为分布式电源组成微电网的电力电子接口，其组网协调 控制及稳定性研究是微电网运行技术的关键问题之一。因此研究适用于微电网 的逆变电源组网协调控制技术，具有十分重要的意义。 1 4 论文研究内容 论文主要研究微网系统逆变电源的组网协调控制及稳定性分析。对大多数 正在蓬勃兴起的可再生能源( 如燃料电池、太阳能、风能) 来说，逆变电源的协 调控制是发展微电网的关键技术。本文在了解微电网的发展、概念、结构和关 键技术的基础上，首先分析讨论了各种常见微源的发电原理，提出构建具有同 步发电机输出特性的逆变电源控制系统，建立了模拟同步发电机特性的逆变器 6 模型，称为虚拟同步发电机( 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 ) ，并使用m a t l a b 仿真软件搭建系统模型并验证理论分析的正确性。然后，提出了在微电网领域 基于集中控制技术的逆变电源组网协调控制方法，对微电网黑启动做了初步的 研究。最后设计系统的的实验平台。具体地讲，本文的主要内容如下： ( 1 ) 深入了解微电网的发展、概念及结构，并对微电网的研究现状进行调 研。分析了实现微电网的关键技术，阐述了对微电网内逆变电源协调控制技术 研究的意义。 ( 2 ) 分析总结微电网中常见微源的发电原理，提出并设计具有同步发电机 特性的逆变电源控制方法。 ( 3 ) 通过分析集中控制方式和分散控制方式，选择适用于现有逆变技术的 微网协调控制方法。然后对微源控制器和中央控制器的功能及实现方法进行了 分析，最后利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件搭建了单台v s g 和三台v s g 组网 的仿真模型，通过仿真结果分析验证了理论的可行性。 ( 4 ) 通过对黑启动的初步研究，并结合微电网的特点，设计了典型微电网 的启动过程。 ( 5 ) 设计了微电网系统的实验室平台，包括单元逆变器硬件设计，软件设 计和上层调度平台设计。 7 第二章微网逆变电源的控制方法研究 微网中的分布式电源通常具有多种不同的类型，这是微网系统与基于同步 发电机的常规电力系统的根本性差异。不同的分布式发电电源都需要通过电力 电子装置实现互联运行。原有的分布式发电控制策略已不能满足微电网的稳定 运行要求，必须对传统的控制方法做出较大的调整才能满足系统要求。因此要 研究新的逆变电源控制算法，为微电网内分布式发电组网提供解决方案，并为 微电网的能量管理和协调控制研究提供良好的平台。 2 1 常见微源的种类及发电原理 现有的分布式发电系统主要包括：光伏发电系统、风力发电系统、燃料电 池发电系统、微型燃气轮机发电系统等。无论是哪种分布式能源形式，一般都 要通过电力电子变流接口装置实现并网运行。 ( 1 ) 光伏发电系统 光伏发电系统是将太阳能电池输出的直流电通过电力电子变换器转换为交 流电的发电装置。典型的光伏发电系统是由太阳能电池、d c d c 变换器、d c a c 逆变器、控制器等组成，如图2 1 所示。太阳能电池输入量为日射强度s 和环 境温度t ；d c d c 电路用于实现直流电的升压；d c a c 电路将直流电变为交流 电；控制器实现光伏阵列的m p p t 控制以及逆变电源的控制，并接受上级控制 指令。 网 图2 1 光伏发电系统原理图 ( 2 ) 风力发电系统 风力发电系统是将风能转化为电能的发电技术，风能是一种清洁能源，风 力发电的输出功率由风能决定。风力发电系统结构如图2 2 所示，包括风力机、 发电机、a c d c 整流器、d c a c 逆变器及相关控制器。从能量转化的角度来 看，风力发电机组包括两大部分：一部分是风力机，将风能转换为机械能；另 一部分为发电机，将机械能转换为电能。a c d c 整流器将发电机输出的高频交 流电转换为直流电，d c a c 逆变器将直流电转换为高频交流电，供用户使用。 图2 - 2 风力发电系统原理图 ( 3 ) 微型燃气轮机发电系统 以天然气、煤层气或沼气为常用燃料的微型燃气轮机发电效率可达3 0 ， 若实行热电联产，效率可提高到7 5 。因此，微型燃气轮机是实现热电联产、 高效利用能源和节能的最主要形式。微型燃气轮机具有启动速度快、机动性能 好、发电效率高、污染小、运行维护简单等优点，成为目前最成熟、最具有商 业竞争力的分布式发电电源。高速单轴结构微型燃气轮机是微型燃气轮机的主 流产品，是目前最为常用的小型热电联产的动力机组。因此，单轴微型燃气轮 机发电系统成为黑启动电源的首选。典型的单轴结构微型燃气轮机发电系统结 构如图2 3 所示，包括微型燃气轮机、永磁同步发电机、电力电子转换装置、 控制器、供热和制冷机组。 图2 3 微型燃气轮机发电系统原理图 ( 4 ) 燃料电池发电系统 燃料电池是通过电化学的过程将燃料的化学能转化为电能。和其他化学电 池不同的是，燃料电池工作时需要连续地向其供给燃料和氧化剂，所以称为燃 料电池。燃料电池发电系统主要包括燃料重装系统、燃料电池堆、d c a c 逆变 器、水热回收系统、控制系统等，结构如图2 4 所示。燃料重装系统将燃料转 化为燃料电池能够使用的以氢为主要成分的燃料；燃料电池堆通过电化学的过 程将氢气的化学能转化为直流电能；d c a c 逆变器是电能转化装置；水热回收 系统用于回收燃料电池发电时产生的热量，实现微电网热电联产。 9 图2 - 4 燃料电池发电系统原理图 2 2 微源并网接口设计 由于微网系统中能源输入形式的多样性，采用电力电子技术将不同特性的 能源经电力变换并联组网是必须的。其中燃料电池、太阳能光伏发电和储能系 统发出的是直流电，需要通过逆变器与微网连接。而微型燃气轮机、微型涡轮 机、风力发电系统发出的是高频交流电，需要通过a c d c a c 或a c a c 变频 后才能并网。电力电子变换器接口由逆变器、整流器、功率调节单元等部分组 成，微源对逆变器的性能要求较高，因此逆变器的设计至关重要。逆变器的组 网协调控制与常规的同步发电机组网运行有很多相似之处，但也存在较大差异， 其主要表现在： ( 1 ) 同步发电机相比于逆变电源具有更高的输出阻抗，因而能够更加容易 的利用下垂特性进行均流。 ( 2 ) 同步发电机能够根据输出功率自动调节转速( 频率) 。 ( 3 ) 同步发电机具有自同步功能。 ( 4 ) 同步发电机采用励磁电流调节控制，动态响应慢，限制了电压变化范 围，而逆变电源的电压变化范围大。 ( 5 ) 同步发电机的输出线路阻抗通常为感性，输出电流的变化较缓慢；而 逆变电源并联系统的线路阻抗更多的表现为阻性，线路电感很小，对于输出电 流变化的抑制作用很微弱，因此逆变电源输出电流变化极其迅速，容易过流。 这些是同步发电机组可靠组网、实现电网稳定运行不可缺少的条件。微源 大多以逆变器作为接口并联运行的，逆变电源快速的动态响应能力使其跟踪同 步发电机特性成为可能。因此，为了更好地借鉴传统电力系统多年积累的相关 调度控制经验，本文结合逆变器自身控制灵活迅速的优点，利用相应的控制方 法，对传统逆变电源做了以下调整，使逆变电源具有同步发电机特性，如图2 5 所示，具体如下： ( 1 ) 直流侧增加储能单元，起到稳定分布式能源电压，增加系统惯性的作 用，相当于电力系统中的原动机，使微源的输入功率可控。风力发电，光伏发 l o 电等因其一次能源的随机性和不稳定性，会影响微网运行的稳定性。因此，可 再生能源经储能单元的并网方式，使各微源能够根据自身容量合理调节有功和 无功电能、分配微网负荷、稳定微网并提高微网供电质量； ( 2 ) 采用同步发电机算法得到输出电压指令，使逆变器和同步发电机一样， 能够利用下垂特性均分负载，能够根据输出功率自动调节频率； ( 3 ) 利用数字锁相技术实现自同步功能； ( 4 ) 在逆变电源输出端与交流母线间串联一个并机电抗，以此来保证逆变 电源的输出阻抗呈感性，抑制电流的变化。 图2 5 虚拟l 司步发电机设计框图 2 2 1 同步发电机算法 图2 5 中，同步发电机算法可采用同步发电机的二阶、三阶、四阶、六阶 等模型。对于一个多机微网系统，若采用多阶模型，再加上频率控制、电压幅 值控制等，会给计算分析带来极大的困难。本文采用最简单经典的二阶模型【1 4 】， 如式2 1 所示： r j e = u + ，( + ，x d ) 盥=急一瓦podt ( 2 ，) i 一一 、一7 i ：m p 式中，巴和分别为同步发电机的机械功率和电磁功率，单位为w ，和 分别为实际电角速度和机械角速度，单位r a d s ，令极对数为1 ，则= 国， e 、u 和，分别是感应电动势、定子端电压和定子电流，和x 。分别是定子电 枢电阻和同步电抗，单位为q 。 逆变电源中，输出有功功率相当于同步发电机电磁功率；原动机输入功 率己为控制器给定值，稳态时己= ；负载电流做为电枢电流，通过二阶模 型计算，得到定子端电压频率和幅值，作为逆变器输出电压给定值，由双环控 制，逆变器输出电压的基波分量跟随给定值。 2 2 2 自同步控制模块 实现逆变电源同步的控制方法有，本文采用软件方法来实现锁相功能，包 括相位误差检测、调节器调节、输出频率调整等几个环节。相位误差检测是通 过数字信号处理器的捕捉中断来实现的。d s p 首先要捕捉到输入信号的过零点， 并记录该时刻，而后计算出该输入信号与同步信号源的相位差。检测到相差后， 采用p i 调节器进行调节，p i 调节器的输出用于调整虚拟同步发电机的机械功 率，从而调节输出信号的频率，该锁相环的控制框图如图2 - 6 所示，其中 ( 七。s + 毛) s 为数字锁相环的p i 调节器，1 ( 1 + f s ) 代表锁相环的采样和控制延迟 环节。 图2 - 6 数字锁相环控制框图 2 2 3 虚拟同步发电机的输出功率 根据图2 5 ，虚拟同步发电机等效电路如图2 7 所示。 j x d r a 由图2 - 7 ，等效电阻乞忽略不计，则虚拟同步发电机的输出功率为： i u 1 1 = u i c o s i p = 一叫2 s m 一o q ：已v s m 9 ：李c 。s 6 一笔 2 2 ) 其中：髟是逆变电源的输出电抗，艿是虚拟同步发电机输出电压矢量左与 1 2 于负载阻抗非常的小，因此相位差6 会很小，近似有s i n 6 = 6 ，c 0 s 艿= 1 。则式 2 2 可化简为： f p ：e u 2 艿 q 主堡 弘3 ， 【 义d爿d 实际系统中，u 是系统需要保持稳定的控制量，可认为其不变，令：气譬， 吒= 芝，q o = 笔挪缄2 _ 3 可表魏 落栌k q e q ( 2 - 4 ) 【q = 一q 、7 由式2 4 可得以下结论：有功功率的传输主要决定于功角，无功功率的传 输主要决定于逆变单元输出电压的幅值，即虚拟同步发电机输出电压的相位和 幅值与其输出有功功率和无功功率具有对应的近似线性耦合关系，输出电压的 幅值可以直接控制，而其相位控制则是通过调节输出频率来实现的，即有： 国：掣 ( 2 5 ) 国= i z 一) j 其中0 j 为虚拟同步发电机输出电压角频率。因此，微网中的v s g 单元就可 以通过检测本单元的输出功率大小，根据自身容量把频率( 相位) 与幅值两个 要素通过输出的有功功率和无功功率进行近似解耦控制。 2 3 本章小结 本章首先分析介绍了光伏发电、风力发电、微型燃气轮机发电及燃料电池 发电的原理。由于这些不同的分布式发电单元都需要通过电力电子接口并入微 电网系统，第二节根据电力系统中同步发电机和逆变电源的不同点，设计了具 有同步发电机特性的逆变电源接口模型，并在此模型基础上阐述了所用的同步 发电机算法、自同步控制器和虚拟同步发电机输出功率的控制方法。 第三章微网逆变电源的协调控制研究 微电网系统中，分布式能源种类多，风能、太阳能资源的随机性强，微网 系统承受扰动的能力相对较弱，尤其是在孤岛运行模式下，系统的安全性、可 靠性面临更高的风险。因此，对系统进行有效的协调控制对微网系统的可靠运 行显得至关重要。 3 1 逆变电源协调控制策略的选择 图3 1 微网控制层次图 为了实现与现有大电网的统一调度，微网的协调控制策略需要在通信网络 的支持下，通过以下3 个层次的控制，如图3 1 所示，包括：( 1 ) 配网级，包 括配电网控制器( d i s t r i b u t i o nn e t w o r ko p e r a t o r , d n o ) 和市场控制器( m a r k e t o p e r a t o r ，m o ) 。( 2 ) 微网级，包括微网中央控制器( m i c r o g r i dc e n t r a lc o n t r o l l e r , m g c c ) 。( 3 ) 单元级，包括各个微源控制器( m i c r o s o u r c ec o n t r o l l e r , m c ) 以及 负荷控制器( 1 0 a dc o n t r o l l e r ，l c ) 。其中，d n o 用于控制包含一个和多个微网的 区域，m o 负责各个特定区域内电力市场的功能。这两种控制器不属于任一微 网系统，