（电力电子与电力传动专业论文）微网系统逆变电源的建模与实现方法研究.pdf

r e s e a r c ho nt h em o d e l i n ga n di m p l e m e n t a t i o no fi n v e r t e r i 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 sar e l a t i v e l yc o n c e p tr e f e r i n gt o t h et r a d i t i o n a lg r i d ，t h a ti sm a n y d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n sa n di t sl o a d sc o n s t i t u t ei nc e r t a i nt o p l o g i c a la saw h o l e ，i t c o n n e c t sw i t ht h eg r i dt h r o u g hs t a t i cs w i t c h e a c hf o r mo fd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n n e e d st h ef a c eo fp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e st oc o n n e c tw i t ht h eg r i d ，t h es t o r a g e d e v i c e sa n dt h el o a d s s of i n d i n gai n v e r t e rt o p o l o g ya n dc o n t r o ls t a t e g i e ss u i t a b l ef o r m i r c r o g r i di so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e st od e v e l o pm i c r o g r i d i nt h i sp a p e r , i ti sd i s c u s s e df r o mt h ea s p e c t ss u c ha st h eo p e r a t i o nr e q u i r e m e n t s i nm i c r o g r i d ，t h eo p e r a t i o nm o d ea n dc o n t r o lm e t h o d si np o w e rs y s t e m ，h o wt or e a l i z e t h ei d e ao fm a k i n gt h ei n v e r t e ri m i t a t et h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so ft h es y n c h r o n o u s g e n e r a t o r ，t h e n t h es y s t e mc o n t r o l s t r a t e g i e s a r ef u l l ye x p l a i n e d n o to n l yt h e m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no ft h ep r o p o s e dc o n t r o ls t r a t e g i e sa r eg i v e d ，a l s oas e to f e x p e r i m e n t a li v e r t e ri sd e s i g n e d t h em a i nt a s ki sa sf o l l o w s ： 1 ad e t a i l e da n a l y s i so ft h em i c r o g r i ds t r u c t u r e ，t h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f m i c r o g r i d ，t h er e l a t i o n s h i po fm i c r o g r i d a n dt h eg r i da r ed e s c r i b e d ，s u m m i n gu pt h e i n v e r t e ro p e r a t i o nr e q u i r e m e n t si nm i c r o g r i d ，ab r i e fs t a t e m e n to ft h ee x i s t i n g p a r a l l e li n v e r t e rc o n t r o lm e t h o d sa n dt h et e c h n o l o g yo f t h ed i s t r i b u t e dg e n e r a t i o nt o c o n n e c tw i t ht h eg r i di sg i v e n t h e np r o p o s i n gt h eb r i e fg r a p ho ft h ei n v e r t e rs u i t a b l e f o rm i c r o g r i d 2 a n a l y z i n gt h et o p o l o g yo ft h es i n g l e - p h a s ei n v e r t e r ，g od e e pi n t o t h ek e y p o i n t sw h yt h et r a d i t i o n a lp o w e rs y s t e mc a no p e r a t es os t a b l e l y ，p r o p o s i n gv i r t u a l s y n c h r o n o u sg e n e r a t o ra l g o r i t h m t h ef r e q u e n c y a n dv o l t a g ec o n t r o l l e r sa r ed e s ig n e d a c c o r d i n gt ot h ea c t i y a t o ra n dt h ee x c i t a t i o ns y s t e m 3 b a s i n go nt h ep r o p o s e dv i r t u a ls y n c h r o n o u sg e n e r a t o ra l g o r i t h m a n dt h e c o n t r o l l e r s ，t h es i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d ，a l ls i m u l a t i o nr e s u l t sv a l i d a t et h a t t h ei n v e r t e rc a nr e p r e s e n t st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es y n c h r o n o u sg e n e r a t o r 4 t h ee x e p e r i m e n t a li n v e r t e rt oi m i t a t et h es y n c h r o n o u sg e n e r a t o ri sd e s i g n e d ， t h es y s t e mu s e sd e d i c a t e dm o t o rc o n t r o ld s pd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，t h ec o n t r o l f l o wc h a r t sa r eg i v e nf o re a c hm o d u l e ，a l lt h e s ee n s u r et h a tt h es y s t e mc a no p e r a t e e f f e c t i v e l y k e yw 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 s g e n e r a t o r a l g o r i t h ； f r e q u e n c yc o n t r o l l e r ；v o l t a g ec o n t r o l l e r i i 插图清单 图卜1 微电网结构3 图2 1 分散逻辑控制原理图7 图2 2 无互联信号线控制原理图8 图2 3 虚拟阻抗法控制框图8 图2 4 光伏并网功率调节系统9 图2 5 逆变电源模型简图l o 图3 1 逆变单元的主电路拓扑结构1 2 图3 2 逆变器主电路结构框图1 3 图3 3 具有同步发电机特性的逆变电源模型1 5 图3 4 虚拟同步发电机算法控制图1 5 图3 5 频率调节示意图1 6 图3 6 一次调频系统图1 7 图3 7 二次调频控制原理图1 7 图3 8 频率控制器框图1 8 图3 9 无功功率与电压的关系解释图1 9 图3 1 0 无功功率与电压的关系2 0 图3 1 1 励磁调节系统控制框图2 0 图3 1 2 调压控制框图2 1 图3 1 3 逆变电源系统控制框图2 2 图4 1 逆变单元主电路仿真模型2 3 图4 2p w m 信号产生模型2 3 图4 3 虚拟同步发电机算法仿真模型2 4 图4 4 逆变电源功率计算模型2 4 图4 5 频率控制器模型2 5 图4 6 电压控制器模型2 5 图4 7 逆变器及其控制系统模型2 6 图4 8 滤波器幅频特性2 8 图4 9 逆变电压系统稳态仿真一3 0 图4 1 0 逆变电源系统稳态仿真二3 1 图4 1 l 逆变电源系统动态仿真3 2 图4 1 2 同步发电机稳态输出特性3 3 图4 1 3 同步发电机动态输出特性3 4 图4 1 4 下垂法稳态输出电压3 5 v i 图4 1 5 下垂法动态输出电压3 6 图5 一l 微电网总体架构3 7 图5 2 主电路原理图3 8 图5 3 控制电路框图3 9 图5 4 控制电路板4 1 图5 5 采样电路板4 l 图5 6 主电路板4 2 图5 7 驱动电路板4 2 图5 8 系统控制主流程图4 4 图5 9p w m 中断流程图4 4 图5 一1 0 信号接收流程图4 4 图5 1 l 信号发送流程图4 4 图5 1 2 采样保护流程图4 5 v i i 表格清单 表卜1 主要分布式电源及其特点2 表卜2 微网示范工程4 表4 1 逆变器仿真模型参数设置2 8 v i i 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 金壁互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。 学位论文作者签名：签字日期： 如f o 午竹月斗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 盒肥王些太堂 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 金艘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：肇与 签字日期：如l o 年叶月斗日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：加f o 年年月2 乒日 电话： 邮编： 致谢 近三年的研究生生活即将结束，回顾走过的每一步，无不凝聚着师长、同 学和亲友的无私关怀与帮助。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。两年多以来，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，并取得一定阶段性成果，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作出了榜样。在此，我向他 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。 感谢给予我帮助，陪伴我学习的同学和好友，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：吴蓓蓓、喻丽、盛男、李丹、 汪长亮、虞海贤、朱亦丹、黄荣赓、马骏、张学友、陈忠及杨向真师姐和0 8 级多位同学的帮助和指导。 感谢我的挚友赵贺，在学习、生活中遇到挫折时，是她一直鼓励我，支持 我，使我不断进步。 最后感谢我的家人多年来对我的养育和支持，家人的支持是我前进的动力， 我的点滴收获无不凝聚着家人的心血! 作者：朱丹 2 0 10 年3 月1 日 第一章绪论 随着国民经济的发展，电力需求迅速增长，电网规模不断扩大，超大规模 电力系统的弊端也日益凸现，成本高，损耗大，难以满足用户越来越高的可靠 性要求，近年来世界范围内接连发生的几次大面积停电事故充分暴露了现有电 网的脆弱性。另一方面，能源供应持续紧张，大量地消耗以煤为主的能源带来 的污染日益严重。研究利用清洁高效的可再生能源成为迫在眉睫的课题，在此 背景下欧美等发达国家已广泛研究能源多样化的、经济的分布式发电系统【卜3 1 ， 并取得突破性进展。 1 1 分布式发电系统简介 分布式发电( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，简称d g ) 这个概念早在上个世纪7 0 年代就在美国颁布的公共事业管理政策法案( p u b l i cu t i l i t yr e g u l a t o r yp o l i c y a c t ，简称r u r p a ) 中提了出来但是从目前的文献报道中看，还没有一个广泛 被接受的统一定义，所提出的专业名词或术语众多，例如，d g 在英国被称为 “嵌入式发电( e m b e d d e dg e n e r a t i o n ) ，北美国家称为“分散式发电( d i s p e r s e d g e n e r a t i o n ) ，还有一些其它国家称为“非集中式发电( d e c e n t r a l i z e d g e n e r a t i o n ) ”。 d g 发展的初衷是靠近负荷侧，为负荷提供清洁、高效和可靠的电力，因 而国际上大多数学者认为d g 是指连接到配电系统或分布在负荷附近的容量规 模不大的小型发电系统。一般来说，分布式发电系统通常是指分散布置在电力 负荷附近、容量在数千瓦至数十兆瓦之间的、为环境兼容的、节能的发电装置， 如燃气轮机、内燃机以及以太阳能电池、燃料电池、风能为能源的发电装置等。 由于发电系统靠近用户，从而提高了服务的可靠性和供电质量。另外，随着 技术的发展、公共环境政策和电力市场的扩大等因素的共同作用，使得分布式 发电成为新世纪电力行业发展的重要方向。 根据所使用一次能源的不同，分布式发电系统包括：基于可再生能源的发 电系统、基于化石能源的发电系统以及混合的发电系统，表1 1 为几种主要的 d g 技术和各自的特点。 表1 1 主要分布式电源及其特点 d g 技术特点 可以独立运行或者并网运行，不消耗燃料、不受地域限制、规模灵活无污 光伏发电 染、安全可靠、维护简单，不足之处在于发电装置成本高，现阶段利用太 阳能发电还需要进行技术改进，以降低成本而适合广泛应用 可以独立运行或者并隧行，前者为微型或小型发电机组，容量为0 0 瓦一 1 0 千瓦，后者的容量通常超过1 5 0 千瓦。目前单机容量扭兆瓦以下的技术已 经相当完善。风电环境效益好，风电机组基建占地面积小，不影响农田和牧 风力发电 场的正常生产，风场施工周期短，不足之处在于由于风速随时变化，风电场 的输出功率波动较大，给电网运行带来一定的不利影响，另外，风轮机能量 转换效率不高 以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料，效率较f 氏，满负荷运行时效率只有3 0 微型燃气轮机，半负荷运行时效率贿1 0 1 5 ，目前多采用家庭热电联供的办法利用 该装置废弃的热能，以提高效率 它是一种在常温状态下直接将化学能转变为电能的电化学装置，其工作时不 燃料电池 需要燃烧，不污染环境，在获得电能的过程中，副产品仅为热、水和二氧化 碳等，燃料电池是一种很有发展前途的洁净高效的发电方式，被称恝l 世纪 的分布式电源 分布式发电系统分散独立，可靠性高，用户可以自行控制，因此大规模停 电事故完全可以被避免，有着比较高的安全可靠性，同时分布式发电也存在很 多问题，传统的分布式发电系统由于单机接入成本高，不易控制，最重要的是 对于大电网来说它是一个不可控源。分布式电源的并网运行使得传统的无源配 电网络变为包含小型电源和负荷的有源网络，能量由单方向从大电网到负荷的 流动变为双向流动，这样会带来电网的各种控制策略和保护方法的变化，同时 可能会引起大电网电压和频率偏移、电压波动和闪变等电能质量问题，给电网 的安全可靠运行带来了很大的威胁。i e e ep 1 5 4 7 对分布式能源的入网标准做了 规定：当电力系统发生故障时，分布式发电系统必须马上退出运行。这个规定 大大限制了分布式发电的发展，为了解决这个问题，各国学者相继提出了新的 分布式发电组成方式一一微电网 4 - 7 j 。 1 2 微电网的概念及发展现状 1 2 1 微电网的概念 美国电气可靠性技术解决方案联合会( c e r t s c o n s o r t i u mf o re 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 s ) 给出的微电网的定义为：微电网是一种由负荷 2 和微型电源共同组成的系统它可同时提供电能和热量，微电网内部的电源主 要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必须的控制，微电网相对于外部大 电网表现为单一的受控单元，可以满足外部输配电网络的需求，同时可以满足 用户的特定需求，增加本地可靠性，降低馈线损耗，保持本地电压，提供不问 断电源。微电删技术是分布式发电技术、可再生能源发电技术、新型电力电子 技术和储能技术的综合。 如图l - l 所示为c e r t $ 定义的微电网基本结构，它只足微电网结构的一种 形式其具体的结构随负荷等方面的需求而不同，但是其基本单元应包括微电 源、储能装置、管理系统及负荷，其中大多数微电源与电网的接口都是要求基 于电力电子的，以保证微电网以单个系统方式运行的柔性和町靠性，它通过隔 离变压嚣、静态开关和大电网相连接。以这种方式组织分布式电源而形成的微 电网的重要优势来自于它对周围的配电网呈一个可自我控制的独立个体，井便 于实现终端用户电能质量管理和能源的充分利用。它遵循电网规则，并能给电 网提供更多的价值，它可作为可中断或者可控负荷，以槭少网络拥塞和其他威 胁，可以进入独立运行状态，保证微电网内重要负荷年n 敏感负荷的供电安全性。 另外，微电网能提供优良的电能质量和其他辅助性服务，如电压支撑、向外馈 送电能甚至黑启动能力。未来的电力系统将会是由集中式与分布式友电系统有 机结合的功能系统，其主要框架结构是由集中式发电和远距离输电骨干网、以 微电网为核心的分布式发电系统向结合的统一体，能够节省投资，降低能耗， 提高能她提高电力系统可靠忡、灵i 舌性和供电质量。 ? + 盘“；：j 嘉“5 。祷 蔓”l 鞭 圈1 i 微电两结构 122 微电网的发展现状 微电网概念提出后立即受到各国重视，将其视为分布式发电无缝集成到现 有电力系统的重要组织方式。在美国能源部和国家可再生能源实验室( n r e l ) 资助威斯康星大学、橡树岭国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室等研究机构 开展微电网研究，并在2 0 0 3 年在威斯康星大学建成了一个小规模的微电网实验 室，总容量约8 0 k v a ，威斯康星大学实验和测试了在微电网不同运行状态下的 多种分布式电源控制器，从其结果来看，分布式电源控制器所需提供的这些理 想功能大多停留在理论分析和实验阶段，并未得到实现和应用。橡树岭国家实 验室和劳伦斯伯克利国家实验室主要展开微电网能量管理系统( e m s ) 的研究 日本立足于国内能源日益紧缺、负荷日益增长的现实背景，也展开了微 电网研究。有日本学者提出了灵活可靠性和智能能量供给系统( f l e x i b l e r e l i a b i l i t ya n di 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 ) ，利用 f a c t s 元件快速灵活的控制性能实现对配电网能量结构的优化1 1 4 d 5 1 。 在欧洲，欧盟七个国家、十四个组织合作展开了m i c r o g r i d 计划，资助金 额达4 5 m 欧元，该项目于2 0 0 2 年启动至2 0 0 5 年结束，继而开展了m o r e m i c r o g r i d 计划，同时参与的国家增加到1 1 个组织达到2 2 个，资助金额提高到 8 m 欧元，并且相继在希腊、德国、西班牙建立了不同规模的微电网实验平台。 其中德国太阳能研究所( i s e t ) 建成的微电网实验室规模最大，容量达到 2 0 0 k v a ，并在其实验平台上设计安装了简单的能量管理系统。为推动微电网在 电力系统中的发展，欧美国家在微电网项目示范方面也做了大量的工作，目前 建成和在建的部分微网示范主要情况如表1 2 。 表1 2 微网示范工程 微型电网 时间地理位置说明 2 8 0 k w 、10 0 k w m a dr i v e rp a r k2 0 0 3 1 1 2 0 0 5 0 9 v e r m o n t ，u s 发电机，3 0 k w m t 、p v ，接入 7 2 k v 配网 以某个军事基地 s a n d i an a t i o n a l 2 0 0 5 10 2 0 0 7 0 3am i l i t a r yb a s e 作为示范，然后推 l a b o r a t o r i e s 广到全美军事和 民用场合。 6 台光伏发电单 k y t h n o si s l a n d 2 0 0 2 - 2 0 0 4 k y t h n o s ，g r e e c e元，l 座5 k w 柴油 m i c r o g r i d 机，1 台蓄电池逆 变器系统，孤岛运 行。 以光伏发电为主， c o n t i n u o n sm v l v2 0 0 3 2 0 0 5 c o n t i n u o n ， 3 3 5 k w 光伏发电 f a c i l i t y n e t h e r l a n d s 单元，联网或孤岛 包含六台光伏发 m a n h e i mm i c r o g r i d2 0 0 6 8 m a n h e i m ，g e r m a n 电单元，共4 0 k w 目前国内多在分布式发电和分布式储能上开展相关的研究，分布式发电已 在全国各地开始了应用，合肥市很多居民小区的路灯、路脚灯都已用上了分布 4 式发电的电能，但由于一次性投入很大，如利用太阳能电池每供l k w 电成本 需要4 万元，因此“分布式发电 还没有进入寻常百姓家。我国“十一五规 划已将积极推动和鼓励可再生能源的发展作为中国的重点发展战略之一，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、燃料电池、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还 很少。 1 3 论文选题的背景和意义 展望微电网的未来，我们首先就要面对很多技术和非技术的挑战。首先也 是最重要的是克服传统电力系统固有的观念和方法造成的惯性，这就需要尽可 能地利用稀有设施包括使用寿命长的设备、系统规划与运行人员在大系统方面 的成熟经验，同时将新的思想和理念逐渐注入，并形成新的运行方式。其次， 许多关键的微电网先进设备并没有达到实用化标准或是做好市场化的准备，包 括用于微电网的联网设备、分散的智能控制系统、储能系统、适用于双向潮流 的保护设备、故障辨识和定位技术等。这些装置技术难度和价格过高，大部分 仍处于实验阶段，并且没有形成统一的标准，在性能、可靠性、耐用性等方面 尚未得到验证。这就需要进一步的克服技术难题，降低造价，提高电力电子设 备的可靠性，包括逆变器、固态电流限制器和静态电压调节器等。 在微电网运行方式上，各国学者存在多种争议，其焦点集中在如何在不影 响现有系统运行的前提下构建智能自动化体系结构，寻找到微电网的合适运行 方式，使得分布式发电、分布式能源通过微电网完全整合到地区配电网络中运 行，并发挥出其最大效能。这就需要实时的、灵活的、智能的分布式控制器和 中央管理单元，以能够完成微电网自愈、自治、自组织等复杂功能，并探索微 电网合适的运行方式和管理策略。逆变器作为分布式电源源组成微电网的电力 电子接口，其并联组网控制技术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控制技术，具有十分重要的意义。 1 4 本文研究的主要内容 本文在了解分布式发电和微电网的概念、结构的基础上，探讨逆变电源在 微电网中多机并联运行的特点和要求，提出构建具有同步发电机输出特性的逆 变电源控制系统，以满足微电网环境下分布式电源的稳定并网。通过理论分析 建立模拟同步发电机的逆变器虚拟同步发电机，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，最后设计系统的硬件电路及软件流程图，为 进一步的实验搭建平台。本文的主要内容总结如下： 1 、对微电网的研究现状进行调研，深入了解分布式发电及微电网的概念及 结构，分析电力电子逆变技术在微电网中的作用，阐述研究微电网中逆变电源 5 的意义。 2 、总结微电网中逆变电源的运行要求，针对已有的逆变电源并联技术及传 统的分布式发电技术不能满足微电网运行要求的不足，提出具有同步发电机特 性的逆变电源模型。 3 、分析同步发电机的二阶数学模型，设计逆变电源的虚拟同步发电机算法。 研究同步发电机调速器及励磁调节系统的结构，设计相应的电压控制器和频率 控制器，从而形成具有同步发电机输出特性的逆变器。 4 、应用m a t l a b 仿真软件，搭建单相逆变电源及其控制系统的仿真模型。 通过对系统模型的稳态、动态仿真及与同步发电机输出特性的比较，分析系统 的总体性能，验证算法的可行性。 5 、设计逆变电源硬件电路，采用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 0 6d s p 和a l t e r a 公司生产的m a x 7 0 0 0 系列的c p l d 作为系统控制的核心芯片，给出主要模块 的软件流程图，为进一步的实验搭建平台。 6 第二章微电网中逆变电源的控制 微电网是一种新型的分布式发电并网方式，在结构和功能上与传统的分布 式发电系统不同，对分布式电源的电力电子接口的性能要求也随之改变，原有 的分布式发电并网拓扑结构和控制策略已不能满足微电网中逆变电源的稳定运 行。带有储能单元的并网逆变电源将会是微电网中的重要发电单元，因此要寻 求一种适合于微电网的逆变电源组网运行拓扑结构、控制策略和控制算法。 2 1 现有的逆变电源控制技术 2 1 1 逆变电源并联控制技术 ( 1 ) 分散逻辑控n t 8 j 分散逻辑控制是将系统中心控制单元的控制权分散化和独立化，在逆变电 源并联运行时，各并联单元检测出自身的有功和无功功率，通过控制总线将其 传送到其它并联模块中；与此同时也接收来自其它单元的相应功率信号，进行 综合判断并确定本单元的有功无功基准信号，与本机的有功无功信号比较后， 获得各单元的电压和同步信号( 频率和相位) 的参考值。其控制结构框图如图 2 1 所示。 图2 - 1 分散逻辑控制原理图 分散逻辑控制技术是一种相对独立的并联控制方式，当一个单元故障退出 时，并不影响其它单元的并联运行。它具有可靠性高、危险性分散、功能扩展 容易等良好的特性，在众多领域中得到了广泛的应用。但这种控制方式不易在 分布式发电系统中采用，其主要原因是：该控制策略需要大量的信号线，在分 布式发电系统和大容量u p s 系统中，信号线架设距离远，信号干扰以及信号衰 减严重。当多个模块并联时互连线数目较多，由于存在大量的信号线，使得系 统的可靠性、灵活性变差，硬件成本增高。 ( 2 ) 基于外特性下垂的无互联信号线控制 逆变电源无互联信号线并联组网控制方案是目前最理想的控制方案，其原 理框图如图2 2 所示。在这种控制方式中不存在各模块间的互联控制信号线， 7 只需将各模块的输出直接挂接在电网上，各模块通过检测自身的功率输出情况， 并根据外特性下垂法来调节自己的输出电压的相位、幅值，从而实现各模块均 负载功率【9 d 1 1 ，消除模块间的环流。它结构简单，安装维修简便快捷，系统扩 容方便，成本低；并且在有模块故障的情况下，系统仍能正常工作，系统的可 靠性高。这种控制方式实现的前提条件是检测和控制精度很高，计算速度很快， 否则均流精度很差。在分布式发电系统中，逆变电源基于无互联信号线并联运 行后，负载的有功功率可以得到较好的均分；然而由于受线路阻抗的影响，负 载的无功功率均分效果较差。 图2 2 无互联信号线控制原理图 ( 3 ) 基于虚拟阻抗法的逆变电源控制技术 基于下垂法的逆变电源控制技术有效控制的前提是逆变电源的输出阻抗是 感性的，但事实并非如此，更多的情况是逆变电源的输出阻抗是阻感性的，如 果考虑输出阻抗中阻性分量的影响，依照系统输出阻抗中感性与阻性分量对系 统输出有功功率和无功功率的影响比例，结合两者共同调节逆变电源输出功率 和幅值，又会使系统变的非常复杂。又有学者提出采用改进的下垂法即虚拟阻 抗法进行控制，如图2 3 所示为虚拟阻抗法控制框图。 图2 3 虚拟阻抗法控制框图 虚拟组抗法主要针对逆变电源在其输出电压的不同频段对输出阻抗特性要 求不同的特点，通过采用相应的闭环控制策略，使得各逆变单元的等效输出阻 抗能够呈现系统期望特性【1 2 。1 4 】。在输出电压的基波频段呈现电感特性，从而能 够满足下垂法控制的应用条件，在输出电压的谐波频段呈现电阻特性，这样就 8 在抑制系统谐波电流的同时又减少了输出电压的畸变，提高了系统输出电压的 稳态精度。虚拟阻抗法在理论上可以取得很好的效果，但是控制算法复杂，不 适合推广使用。 2 1 2 传统分布式发电并网控制技术 传统的分布式发电与微电网有很大的区别，以光伏并网发电系统为例来对 分布式发电并网技术进行简单的介绍，图2 4 所示为文献【l5 】设计的光伏并网 功率调节系统的工作原理图。其中e a = a 、b 、c ) 为大电网三相交流电源，在大 电网和负载之间并接有光伏并网调节系统。 u i b 负 h i 曲 一 咆艮1 ” 1 c 载 一 一 一_ 一一一一： i c 3i c bi c c 】 刁 =书l 、 - j-d 、一 ? 一 】 _ 石 一 - 4 , - 呻一 | 卜卜卜l li ，p ，f 一 l r 卜 i i 电漉控制 瞬时无功计算 盱p t otf f ，二 一二天 ；、- t - 一【习。： 指令电漉计算 z 刈匕 7t t 图2 - 4 光伏并网功率调节系统 整个系统包括三部分控制单元，其中m p p t 为最大功率跟踪控制单元，其 功能是确定太阳能电池阵列最大功率工作点电压，并根据输出功率、电压 幅值的大小来辨别白天和夜晚；a v r 为电压控制单元，其输出作为并网电流有 功分量幅值的给定；电流控制单元负责并网电流的跟踪控制，保证输出电流 能够跟踪指令电流。瞬时无功计算模块根据电网电流无功分量的大小确定无功 补偿电流如。，指令电流计算模块将有功、无功电流分量合成，从而得到并网电 流的指令值。 由以上分析可知，光伏并网逆变电源以电网电压为参考，通过有功电流的 调节来实现最大功率跟踪，通过调节无功电流来提供负载所需无功，最终通过 电流闭环调节来控制逆变电源主电路开关管的通断。显然这种控制方法不适应 于微电网，因为微电网在脱离了大电网孤岛运行时没有参考电压。 2 2 微电网中逆变电源的运行要求 由图1 1 可了解微电网的结构，分布式电源经过电力变换，通过逆变器转 换成工频交流电接入微电网的馈线。从电路角度看，各个逆变电源经由馈线并 9 联，为馈线上负载提供电能并经公共耦合点( p c c ) 与大电网连接。 微电网既可以联网运行，又可以孤岛运行。在联网运行时，微电网作为大 电网的一个可控单元，要接受大电网能量管理器的调度。当微电网的发电量比 较大，除供应本地负荷外还有多余电量时，大电网将从微电网吸收电量，当微 电网的发电量不足时，差额电量由大电网提供。当大电网出现故障或电能质量 问题时，微电网能够通过能量管理器控制脱离大电网，转入孤岛运行。在这种 情况下，逆变电源失去大电网提供的电压和频率支撑，传统的以电网电压、频 率为参考，以控制输出功率为目的的并网发电技术不再适用，需要寻求新的控 制技术实现微电网的稳定运行。 微电网中逆变电源运行要满足两种运行模式下的不同要求：1 ) 微电网在联 网运行时，逆变电源对外部电网要呈现一个可控的电力单元，能够服从大电网 能量管理器的统一调度，根据调度指令及时调整功率输出，改善传统分布式发 电对电力系统的不良影响。2 ) 微电网在孤岛运行时，各逆变单元能够在无电网 参考电压的情况下，自动调整并维持输出电压幅值、频率的稳定，同时能够根 据自身容量调节功率输出，合理分配负载【l “”】，保证重要负荷的不间断供电。 根据上述要求，本文在分析现有逆变电源相关控制技术的基础上，参阅电 力电子、电力系统相关资料，提出具有同步发电机特性的逆变电源模型。 2 3 适用于微电网的逆变电源模型简图 通过上述介绍我们知道，微电网中的逆变电源控制和传统的并联逆变电源 控制、分布式发电并网技术都不相同，根据微电网对逆变电源的要求我们可以 对逆变电源模型进行粗略地设计，图2 5 所示为逆变电源模型简图，我们可以 利用d s p 进行多种控制以满足微电网的需要，使逆变电源具有多种输出特性， 这样不再是电力系统根据逆变电源的不同而改变传统的调节装置，而是在原有 电力系统的基础上，根据其对微电网以及对逆变电源的要求，再由逆变电源采 取相应的控制策略来实现。 图2 5 逆变电源模型简图 1 0 2 4 本章小结 本章首先分析了现有的逆变电源并联技术和分布式发电并网技术，指出了 微电网中的逆变电源和传统的逆变电源控制的不同之处，对微电网中逆变电源 的运行要求进行了详细阐述，在此基础上给出了适用于微电网的逆变电源模型 简图。 第三章基于同步发电机思想的逆变电源设计 微电网既是大电网的一部分，同时它又是一个小型的电网，目前微电网的 发展仍然处在探索阶段，但是大电网的发展已经相当成熟，我们不禁想到能否 将大电网中的成熟理论和控制方法应用在微电网中，微电网和大电网的硬件设 施根本区别就在于一个接口是逆变电源，一个是同步发电机。它们有着各自不 同的特点，假如逆变电源能够通过适当的控制而对外表现出同步发电机的特性， 微电网中逆变电源的控制就可以按照大电网的模式来进行，本章正是基于这个 思想，在分析电力系统调频调压原理、同步发电机模型和逆变电源拓扑的基础 上，提出了具有同步发电机特性的逆变电源模型。 3 1 逆变电源主电路拓扑及结构框图 微电网中的单机逆变主电路拓扑与常规的逆变电源没有区别，可采用半桥 型或全桥型拓扑结构，本文以单相全桥型拓扑为研究对象，图3 1 为电压型全 桥逆变电路的主电路拓扑图【l9 1 。如图所示，为等效的分布式电源整定后输 出的直流电源，t 1 一t 4 为功率开关器件i g b t 模块，l 和c 为系统输出滤波电 感和电容，r 是系统的负载。逆变桥的后级经l c 滤波器来滤除输出电压中的 高次谐波，其中滤波电容和滤波电感的等效串联电阻没有考虑。 图3 - 1 逆变单元的主电路拓扑结构 在逆变电路控制模型中，高频s p w m 调制方式的基本思想是输入的参考正 弦玑s i n ( t o t ) 和载波信号( 如三角波) 比较得到的脉冲去控制各功率开关器件。由 于开关是不连续状态，分析时我们采用状态空间平均法建立连续的状态平均模 型来分析。状态空间平均法是基于输出频率远小于开关频率的情况下，在一个 开关周期内，用变量的平均值代替其瞬时值，从而得到连续状态空间平均模型。 建立频域传递函数g ( s ) ，其中厶为电感，1 c s 为电容，输出电压砜( s ) 和a ，b 两点之间电压u ，o ) 的关系为： 1 2 有 双极性s p w m 调制时，移，可以表示为【2 0 】： ( 3 1 ) 阢= ( 2 d 一1 ) ( 3 - 2 ) 其中，占空比d 根据s p w m 调制可表示为： 肚扣净= 扣删 3 ， 其中u 肘为参考正弦波信号，u 一为三角载波峰值。由式( 3 - 3 ) 代入式( 3 - 2 ) 抚= 等或瓷2 詈 则从调制信号输入至逆变桥输出的传递函数为： = 器= 浇 ( 3 4 ) ( 3 5 ) 在s p w m 中，载波频率( 开关频率) 远高于输出频率时，由式( 3 5 ) 可将逆 变桥看成是一个比例环节，比例系数定义为k p w m 。联立式( 3 1 ) 可得 g ：黑：而u o ( s ) 黑： 砗聊 ( 3 6 ) 一 ( s ) o ) ( s ) l c s 2 + 三s + 1 ，删 r 即为逆变器输入和输出的传递函数，根据该传递函数的表达式，可以得到 其等效框图如图3 2 所示。在高频s p w m 逆变器中，逆变器的输出l c 滤波器 主要是用来滤除开关频率及其邻近频带的谐波。 图3 2 逆变器主电路结构框图 1 3 3 2 虚拟同步发电机思想的提出 同步发电机是电力系统主要发电设备，它的输出阻抗高，可以抑制电流的 突变；接入大电网时可以自动与大电网同步；转动惯量大，过载能力强。这些 特性使其在并网发电上有独特的优势。在已有的微电网控制方式中，大多采用 的是并联逆变器控制方法中的下垂控制，但是下垂法模拟的仅仅是同步发电机 的部分特性，还不能达到微电网的控制要求。因此本文提出了虚拟同步发电机 的思想，通过在逆变电源中加入虚拟同步发电机算法，再通过相应的控制器， 可以使它对外表现出同步发电机的特性。 3 2 1 同步发电机的模型 同步发电机有六阶、五阶、四阶、三阶、二阶等不同模型【2 1 啦】，其中同步 发电机的二阶模型既包括转子的机械特性又包括定子的电气特性，虽然模型比 较简单，但是却包含了同步发电机的基本特性，从而简化算法。 同步电机的二阶模型( 包括转子运动方程和定子电压方程) 为： r ie = e s i n ( c o t + 仃) = u + ，( 吃+ 夕) 1 ，d e 一tt 一己p 。 ( 3 - 7 ) 【- j d 一1l e 一( - 0 m 其中：e 一励磁电动势，u 一定子端电压，匕一定子电枢电阻，x d 一同步 电抗，一电角速度，j一转动惯量，0 3 m 一机械角速度，p m 一机械功率，p 。 一电磁功率。 模型中的电压方程体现了励磁系统提供的无功功率与负载不平衡时端电压 的变化，当无功负荷增大时，电流增大，这时电枢绕组和同步电抗上的分压就 会增大，进而使得定子端电压u 下降，这时需要增大励磁电动势e ，励磁电动 势e 又称空载电动势，由发电机的励磁系统进行调节，改变励磁电流f ，便可 得到不同的主磁通哦和相应的励磁电动势e 。转矩运动