（电力电子与电力传动专业论文）适用于微电网的逆变电源并联组网控制技术研究.pdf

r e s e a r c ho nt h ec o n t r o lt e c h n o l o g yo f p a r a l l e l 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 w i t ht h ew i d ea p p l i c a t i o no fd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o nt e c h n o l o g y ，t h el a r g e a m o u n t so fd i s p e r s e dd gs y s t e m sb r i n gi n f l u e n c e so nt h eg r i ds e c u r i t y a n d r e l i a b i l i t y a c c o r d i n g t ot h i ss i t u a t i o n ，t h es c h o l a r sp u tf o r w a r d “m i c r o g r i d c o n c e p t 。w h i c hc a nm a k eu s eo fd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o ns y s t e m sb e t t e r d i s t r i b u t e dr e s o u r c e sa r eu s u a l l yc o n n e c t e dt om i c r o g r i dt h r o u g hi n v e r t e r s s o r e s e a r c ho nt h ec o n t r o ls t r a t e g yo fi n v e r t e r si nm i c r o g r i dt os o l v et h ep r o b l e mo f i n v e r t e r sp a r a l l e lc o n n e c t i o ni so n eo fk e yt e c h n o l o g i e sf o rm i c r o g r i dd e v e l o p m e n t i nt h i sp a p e r ，o nt h eb a s i so fa n a l y z i n go p e r a t i o nc o n d i t i o no fm i c r o g r i da n d r e f e r r i n gt ot h ea v a i l a b l eo p e r a t i o nm o d e so fp o w e rs y s t e m ，t h em a t h e m a t i cm o d e l a n dc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c so fs y n c h r o n o u sg e n e r a t o ra r es t u d i e d a n dt h ec o n t r o l s v s t e mo fi n v e r t e ri sd e s i g n e d ，w h i c hh a st h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c ss i m i l a r t o s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r t h em a i nc o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 0 nt h eb a s i so fu n d e r s t a n d i n gt h ec o n c e p to fm i c r i g r i d a n dd i s t r i b u t e d g e n e r a t i o n ，t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo f t h ep a p e ra r ed e s c r i b e d 2 a c c o r d i n gt oa n a l y z i n gt h e i n v e r t e r so p e r a t i o nc o n d i t i o ni nm i c r i g r i d ，a n i n v e r t e rc o n t r o ls t r a t e g yt os i m u l a t et h es y n c h r o n o u sg e n e r a t o ri sp r o p o s e d 3 av 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 mi sd e s i g n e d ，w h i c hi sb a s e do nt h e m a t h e m a t i cm o d e lo fs y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ；t h ep o w e r f r e q u e n c yc o n t r o l l e r a n dv o l t a g er e g u l a t o ro fv i r t u a ls y n c h r o n o u sg e n e r a t o r a r ed e s i g n e db yr e f e r r i n g t os p e e dr e g u l a t o ra n de x c i t a t i o ns y s t e mo fs y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ，t h e n1 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 ra n dc o n t r o ls y s t e mi sc o m p l e t e d 4 t h em o d e lo fi n v e r t e rv i r t u a ls y n c h r o n o u sg e n e r a t o ra n dc o n t r o ls y s t e m 1 s e s t a b l i s h e db ym a t l a b b o t hd y n a m i ca n ds t e a d ys i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t i n v e r t e rv i r t u a ls y n c h r o n o u sg e n e r a t o rp o s s e s s e st h ec h a r a c t e r i s t i c s o fr e a l s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ，i sa p p l i c a b l et om i e r o g r i d 5 t h eh a r d w a r ec i r c u i t so fi n v e r t e ra r ed e s ig n e df o rf u r t h e re x p e r i m e n t 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 ；p a r a l l e l i i 插图清单 图1 1 燃料电池发电系统结构图2 图l 一2 光伏发电系统结构图2 图1 3 风力发电系统结构图2 图l 一4 微电网结构4 图2 1 光伏并网功率调节系统9 图2 2 逆变电源下垂法控制结构图1 0 图2 3 下垂法控制输出功率示意图1 0 图2 4 逆变器虚拟同步发电机设计示意图1 1 图2 5 逆变单元的主电路拓扑一1 2 图2 6 逆变器主电路结构框图1 3 图3 1 同步发电机相量图1 6 图3 2 逆变器虚拟同步发电机本体的结构示意图1 7 图3 3 虚拟同步发电机算法结构图1 8 图3 4 发电机控制系统作用示意图1 8 图3 5 逆变器虚拟同步发电机控制系统示意图1 9 图3 - 6 同步发电机电压电流相量图1 9 图3 7 静态功频调节特性2 1 图3 8 功频调节结构框图2 1 图3 - 9 不同容量的逆变电源功频特性图2 2 图3 1 0 无功功率与电压的关系2 2 图3 1 1 励磁控制系统结构图2 4 图3 1 2 电压调节器结构图2 4 图3 13 逆变器虚拟同步发电机的结构图2 5 图4 1p l e c s 工具箱中的元器件库2 8 图4 2 逆变单元主电路仿真模型2 9 图4 3 虚拟同步发电机输出功率计算模型2 9 图4 4 虚拟同步发电机算法的仿真模型3 0 图4 5 功频调节器和电压调节器封装模型3 0 图4 6 逆变器虚拟同步发电机本体仿真模型3 1 图4 7 逆变器虚拟同步发电机及其控制系统仿真模型31 图4 8 恒定阻性负载电压波形3 2 图4 9 突增阻性负载电压波形3 2 图4 1 0 突增感性负载电压波形3 2 图4 11 虚拟同步发电机系统稳态仿真3 4 图4 1 2 虚拟同步发电机系统动态仿真3 5 v i 图4 1 3 转动惯量不同的仿真3 6 图4 1 4 两台虚拟同步发电机稳态运行3 7 图4 一l5 两台虚拟同步发电机动态运行3 8 图5 1 逆变器虚拟同步发电机的基本结构3 9 图5 2d s p 电源5 v - 3 3 v 电路设计4 l 图5 3 直流母线电压采样电路4 2 图5 4 逆变输出电压采样电路一4 2 图5 5 逆变输出电流采样电路4 3 图5 - 6 散热器温度采样电路4 3 图5 74 8 5 通信接口电路4 4 图5 8c a n 通信接口电路4 4 v 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注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金胆工些厶堂 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：呗弱叉签字日期：d 刁年夕月a 泊 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金笪巴些盍堂有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。本人授权世 王些态堂可以将学位论文的全部或部分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) 学位论文作者签名： 碳伙 签字日期：口号年月呖 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： 电话： 邮编： 勇陟红 砂0 7 年年月m 致谢 转眼间，近三年的研究生生活即将画上句号。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：杨向真师姐、瞿晓丽、董康、 于德政、武伟、王晓刚、朱国军、陈轶涵、王英、吴胜兵、项若轩、刘程、全 江华及0 7 、0 8 级多位同学的帮助和指导。 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! i i i 作者：贺敬 2 0 0 9 年4 月1 日 第一章绪论 随着国民经济结构的调整和电力行业的飞速发展，当今社会对能源和电力 供应的质量及安全可靠性等要求日益提高，而目前电力工业在向“大电网、大 机组 模式发展的过程中，不可避免的存在着系统不稳定的弊端，局部事故极 易扩大为大面积的电网事故，严重影响着重要用户供电；同时，大量地消耗以 煤为主的化石能源所带来的日益严重的污染，以及对生态环境的破坏，使得研 究利用清洁能源和可再生能源发电成为迫在眉睫的课题。在此背景下引发了社 会各界对分布式发电系统( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n d g ) 的关注。 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【l 巧】。为了削弱分布式电源对电网的冲击和负面影响，近年来有学者 提出能更好地发挥分布式发电潜能的一种组织形式一一微电网( m i c r o g r i d ) 。 本章首先介绍分布式发电系统，随后阐述微电网的概念及研究现状，并讨论了 电力电子变换技术在分布式电源并网中的作用。 1 1 分布式发电系统 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，分布式发电系统可分为基于化石能源的发电 系统、基于可再生能源的发电系统以及混合的发电系统，具体分析如下。 ( 1 ) 基于化石能源的分布式发电系统主要由以下三种发电装置构成 往复式发动机：用于分布式发电的往复式发动机采用四冲程的点火式 引擎或压燃式引擎，以汽油或柴油为燃料，是目前应用最广的分布式发电装置。 但是该装置会造成对环境的影响，最近通过对其技术上的改进，己经大大减少 了噪音和废气的污染排放。 微型燃气轮机：它是指功率为数百千瓦以下的以天然气、甲烷、汽油、 柴油为燃料的超小型燃气轮机。与现有的其它发电装置相比，效率较低，满负 荷运行时效率只有3 0 ，半负荷运行时效率只有1 0 1 5 ，所以目前多采用家 庭热电联供的办法利用该装置废弃的热能，以提高效率。目前国外已进入示范 阶段，其技术关键主要是高速轴承、高温材料、部件加工等。 燃料电池：它是一种在常温状态下直接将化学能转变为直流电能的电 化学装置。燃料电池在工作时，不需要燃烧，也不污染环境，其电能在电化学 过程中获得即在其阳极上通过富氢燃料，而阴极上通过空气，并由电解液分离 这两种物质，在获得电能的过程中，一些副产品仅为热、水和二氧化碳等。富 氢燃料可由各种碳氢源，在压力作用下通过蒸汽重整过程或由氧化反应生成， 因此燃料电池是一种很有发展前途的洁净和高效的发电方式，被称为21 世纪 的分布式电源。图1 1 为燃料电池发电系统的结构图。 且佩丐域 l 燃料电 一电压 门 ，j ，l ， 聿章 池系统牵 u _ l i 图1 1 燃料电池发电系统结构图 ( 2 ) 基于可再生能源的分布式发电系统主要由以下几种装置构成 太阳能光伏发电装置：它是利用半导体材料的光电效应直接将太阳能 转换为电能的发电装置，可分为独立运行与并网运行两类。光伏发电具有不消 耗燃料、不受地域限制、规模灵活、无污染、安全可靠以及维护简单等优点， 但是该分布发电装置的成本非常高，所以现阶段利用太阳能发电还需要进行技 术改进，以降低成本而适合于广泛应用。图1 2 为光伏发电系统结构图。 逆变器 且侃珥线 光伏发电压， n ，、 电系统 l ， 聿章 守 l l 图1 2 光伏发电系统结构图 风力发电装置：它是将风能转化为电能的发电装置，也可分为独立运 行与并网运行两类，前者为微型或小型风力发电机组，容量为1 0 0 瓦- 1 0 千瓦， 而后者的容量通常超过1 5 0 千瓦。近年来，风力发电技术进步很快，单机容量 在2 兆瓦以下的技术已经很成熟。图1 3 为风力发电系统结构图。 风力笈l i1 u i l - j ，咒 l 聿专 l 毡堰门 l j i “ 聿宰 i丫 图1 3 风力发电系统结构图 ( 3 ) 混合的分布式发电系统通常是指由两种或多种分布式发电装置及蓄能 装置组合起来形成的复合式发电系统。目前已有多种形式的复合式发电系统被 提出，其中一个重要的方向是热电冷三联产的多目标分布式供能系统，通常简 称为分布式供能系统。它在生产电力的同时，也能提供热能或同时满足供热、 2 制冷等方面的需求，与简单的供电系统相比，分布式供能系统可以大幅度提高 能源利用率、降低环境污染、改善系统的热经济性。 分布式发电系统分散独立，可靠性高。分布式发电系统中各电站相互独立， 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。同时分布式发电系统可以对区域的电能质量和性能进行实时监控，充 分利用各地清洁能源，减少环保压力。这样使得分布式发电系统特别适用在农 村、牧区、山区、发展中的中、小城市等地区，减轻了环保压力；而且系统的 输配电损耗很低，甚至没有，无需建配电站，降低了输配电成本。 1 2 微电网的概念及研究现状 1 2 1 微电网的概念 传统的分布式发电尽管优点突出，但本身存在诸多问题，如分布式发电系 统单机接入成本高、控制困难等。另外，分布式发电系统相对大电网来说是一 个不可控源，因此大系统往往采取限制、隔离的方式来处置分布式电源，以期 减小其对大电网的冲击。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。这就大大限制了分布 式能源效能的充分发挥【6 】。为协调大电网与分布式电源问的矛盾，充分挖掘分 布式能源为电网和用户所带来的价值和效益，本世纪初，各国学者相继提出了 微电网的概念1 7 母j 。 微电网从系统观点看问题，将电源、负荷、储能装置及控制装置等结合， 形成一个单一可控的单元，同时向用户供给电能和热能。微电网中的分布式电 源称为微电源( m i c r o s o u r c e ) ，简称微源。微电网既可与大电网联网运行，也 可在电网故障或需要时与主网断开单独运行。它还具有双重角色：对于公用电 力企业，微电网可视为电力系统可控的“细胞 。例如，这个“细胞 可以被控 制为一个简单的可调度负荷，可以在数秒内做出响应以满足传输系统的需要； 对于用户，微电网可以作为一个可定制的电源，以满足用户多样化的需求。例 如，增强局部供电可靠性，降低馈电损耗，支持当地电压，或作为不可中断电 源。由于微电网灵活的可调度性且可适时向大电网提供有力支撑，学者形象地 称之为电力系统的“好市民 和“模范市民 。 图1 4 展示了c e r t s 定义的微电网基本结构，它通过隔离变压器、静态开 关和大电网相连接【l0 | 。微电网中绝大部分的微源都采用电力电子变换器和大电 网、负载相连接，控制灵活。微电网内部有三条馈线，其中馈线a 和b 上连接 有敏感负荷，根据用电负荷的不同需求情况，微源安装在馈线上的不同位置， 而没有集中安装在公共馈线处，这种接入形式可以减少线路损耗和提供馈线末 端电压支撑。馈线c 上接入普通负荷，所以没有安装微源。每个微源出口处都 配有断路器，同时具备功率和电压控制器，可以在能量管理系统( e n e r g y m a n 8 9 e r ) 或本地的拧制下调整各自功率输m 以调节馈线潮流。当配电网出现 电压扰动辞电能质量问题或断电时，静态开关动作，使微电网转入孤岛运行模 式，以保证网内重要敏感负荷的不问断供电。同时各微源的功率和电压控制器 调节输出电压，以保证微电网内部功率平衡，电压稳定。 徽谭萄嚣螂撩褊忡嚣- 黩 图1 - 4 微电网结构 l2 2 微电网的研究现状及应用前景 目前美国、欧盟、日本和加拿大等发达围家和地区已f 展了对微电州的 研究，美围晟早提出了微电网概念，近年来，其微电网研究一直在有条不紊地 进行着。美国的微电网研究项目主要受到了美国能源部的电力提供和能源可靠 性办公室、加州能源委员会的资助，其研究的重点主要集中在满足多种电能质 量的要求、提高供咆的可靠性、降低成本和实现智能化等方面。1 9 9 9 年，可靠 性技术解决方案协会( t h ec o n s o r t i u m f 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 y s o l u t i o n s ，c e r t s ) 首次对微电纠在可靠性、经济性及其对环境的影响等方面进 行了研究。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 验室得到了初步榆验。威斯康晕大学麦迪逊分校微电网于2 0 0 1 年建立目前的 系统容量为2 0 0k w ，电压等数为2 0 8 v 4 8 0 v 。c e r t s 计划对微电网进行全面 检验，近期，美国俄亥俄州哥伦布杜兰技术中心己经开始了对微电网的全面测 试t ”。2 i 。电力电子技术是美幽c e r t s 微电网实现智能、灵活控制的重要支撑， 美国c e r t s 微电网正足基于此形成了“即插即用”( p l u ga n dp l a y ) 与“对等” ( p e e rt op e e r ) 的控制思想和设计理念。从电力市场需求、电能安全供给及环 保等角度出发，欧洲于2 0 0 5 年提出“聪明电网”( s m a r tp o w e r n e t w o r k ) 计划， 并在2 0 0 6 年出台该计划的技术实现方略。欧洲的微电网研究主要分为两个阶 段，第一个是欧盟第五框架计划( 5 t hf r a m e w o r kp r o g r a m ，f p 5 ) ，该计划由雅 典国家技术大学( n a t i o n a lt e c h n i c a lu n i v e r s i t yo f a t h e n s ，n t u a ) 组织，1 4 个成 员来自欧盟的7 个国家，还有很多高校的参与，如t h eu n i v e r s i t yo f m a n c h e s t e r ( 英国) 、i n e s cp o r t o ( 葡萄牙) 、e c o l ed em i n e s ( 法国) 等。该项目已完 成并且取得了一些很具启发意义的研究成果。第二个阶段名为“a d v a n c e d a r c h i t e c t u r e sa n dc o n t r o lc o n c e p t sf o rm o r em i c r o g r i d ，欧盟第六框架计划( 6 t h f r a m e w o r kp r o g r a m m e ，f p 6 ) 资助8 5 0 万欧元。目前，这项计划正在进行中。该 计划仍然是由n t u a 组织，参与的厂商有s i e m e n s 、a b b 、s m a 、z i v 、i - p o w e r 、 a n c o 、g e r m a n o s 等，还有来自英国、法国、德国、西班牙等国的许多专家学者。 欧洲所有的微电网研究计划都围绕着可靠性、可接入性、灵活性3 个方面来 考虑。电网的智能化、能量利用的多元化等将是欧洲未来电网的重要特点1 1 3 - 1 4 1 。 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。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。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 y a 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i l5 1 6 j 。 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，对微电网的研 究才刚刚开始，还未有明确的研究成果。而微电网既可以联网运行，又可以孤 岛运行，能保证在大电网故障情况下对用户供电。微电网在满足多种电能质量 要求和提高供电可靠性等方面有诸多优点，使它完全可以作为现有大电网的一 个有益而又必要的补偿。另外，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。然而可再生能源容量小、功率不 稳定、独立向负荷提供可靠供电的能力不强以及对电网造成波动、影响系统安 全稳定的缺点将是其发展中的极大障碍。如将分散的近距离范围内的分布式发 电单元通过电力电子控制技术组成微电网，则可协调大电网与可再生能源单元 供电的矛盾，充分发挥可再生能源的重要潜力。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。 1 3 论文选题的背景和意义 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。分 布式电源根据使用的一次能源不同大致可以分为两种类型：一种是直流源型， 如太阳能、燃料电池和蓄电池等；另一种是需要整流的高频交流源型，如风力 发电机、微型燃气轮机等。这两种类型的电源最后都需要转换成标准的工频交 流电供给负荷或并网。因此，不论是何种一次能源，都需要用到d c a c 逆变 技术，因此各类分布式电源及其交流变换器也可统称为逆变电源。 5 微电网中，微源通经电力电子变换接入微电网内。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，系统能稳定运行。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，微电网转入 孤岛运行模式，此时的电压( 指电压幅值) 和频率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。 因此要研究适用于微电网的逆变器拓扑结构及控制技术，控制网内并联的各逆 变电源能够根据自身的容量合理调节有功和无功功率，输出稳定、波形一致的 电压，以实现微电网的稳定运行。 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、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。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，为进一步的实验 搭建平台。具体地讲，本文的主要内容如下： 1 深入了解分布式发电及微电网的概念及结构，并对微电网的研究现状进行 调研。分析电力电子逆变技术在微电网中的作用，阐述对微电网内逆变电 源控制技术研究的意义。 2 分析总结微电网中逆变电源的运行要求，针对传统的分布式发电技术不能 满足微电网运行要求及目前应用下垂法控制逆变电源的不足，提出设计具 有同步发电机特性的逆变电源，并基于这种方法设计逆变电源主电路拓扑 及滤波参数。 3 通过分析同步发电机本体的数学模型，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系统的功能结构，设计虚拟同步发电机 的控制部分，从而形成具有同步发电机并网特性的逆变器虚拟同步发电机。 4 应用m a t l a b 仿真软件及p l e c s 仿真工具箱，搭建虚拟同步发电机及其控制 系统的仿真模型。通过对系统模型的稳态、动态仿真，分析系统性能，验 6 证算法的可行性。 5 采用t i 公司的d s p 控制芯片，设计逆变电源电路，为进一步的实验验证搭 建平台。 7 第二章微电网中逆变电源的控制方法 微电网作为新型的一种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。相应地，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控制策略已不能满足微电网中逆变电源的稳定运 行，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，并为微电网后续的能量管理等研究提供良好的平台。 2 1 微电网中并网逆变电源的运行要求 由图1 4 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 联，为馈线上负载提供电能并经p c c 与大电网连接。 微电网可以并网运行，也可以孤岛运行。在并网运行时，逆变电源通过馈 线与大电网并联，从结构上看与普通的d g 类似，应用现有的分布式发电并网 技术可满足系统稳定运行的要求，其运行状况与传统的d g 相同，但也同时存 在传统的d g 对电网的影响，如增加了配电网潮流的不确定性，对电力系统继 电保护的设置和动作值的整定增加了一定难度；易引起电压和频率偏移等电能 质量问题。当电网出现故障停电或电能质量问题时，微电网通过能量管理器控 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。综上所 述，微电网中逆变电源运行要满足的以下两方面的要求： 1 微电网并网运行时，服从能量管理器的统一调度，根据调度指令及时调整功 率输出。使微电网对外部电网而言是一个可控的电力单元，改善传统d g 对 电力系统的冲击和影响。 2 微电网孤岛运行时，各逆变单元能够根据自身容量调节功率输出，合理分配 负载；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，并保证各逆变单元输出电压波形保持一致。 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，提出设计模拟同步发电机并网特性的逆变电源， 应用于微电网。 2 2 现有的逆变电源控制技术 2 2 1 分布式发电并网控制技术 上文提到，传统的分布式发电并网技术不能满足微电网中逆变电源的运行 要求。在此，以光伏并网发电技术为例对分布式发电并网技术做简要介绍，以 期对适用于微电网的逆变电源控制要求有更深入的认识。 8 图2 - 1 为文献 1 7 】设计的光伏并网功率调节系统的工作原理示意图。图中， e f l j = a 、b 、c ) 为公共电网的三相交流电压源，负载接于电网的末梢，光伏并网 功率调节系统并接于供电网络与负载之间。 y i b 负 h 1 s b 盎 电i 1 c 载 盎 一 ri 1 c at c b1 c c in 一 习 =l 酶 ji ji i l j ， r 闻 、一 r i1 石f l 一 卜卜 j l ： ， ，广 介 j j 。i 湾t 阜d 啦日廿j：1 士：+ 苗 了j 己憾1 y 巾 o l w * l i p p tr t f t ，二 安冈t ： 指令电流计算 l w ， 匕 f t t 图2 - 1 光伏并网功率调节系统 控制单元m p p t 为最大功率跟踪控制单元，其完成太阳电池阵列最大功率 点工作电压魄的确定，并根据光伏阵列的输出功率和电压幅值大小识别白天 和夜晚。a v r 为电压调节控制单元，其调节输出为并网电流有功分量的幅值给 定f p 。瞬时无功计算单元检测电网电流的无功分量，由此确定无功补偿电流芘， 在指令电流计算单元内将有功分量与无功分量合成，最终得到系统的并网交流 电流指令值。电流控制单元完成并网交流电流的跟踪控制，保证输出电流跟踪 指令电流的精度。可见，逆变器以电网电压为参考，以太阳能最大功率跟踪为 目的调节有功电流，以提供负载所需无功为目的调节无功电流，最终对合成的 交流电流闭环调节控制逆变主电路开关管的关断。这种电流控制方法对于微电 网失去大电网电压参考的孤岛运行情况不适用。 2 2 2 基于下垂法的逆变电源控制技术 目前，国外一些发达国家已开展了微电网技术的研究，其中逆变电源控制 采用的方法多以下垂法为主。图2 2 即为微电网中采用下垂法的逆变电源控制 结构图。微电网中各逆变电源根据采样电压电流计算自身输出有功功率p 、无 功功率q ，然后分别对其频率给定缈+ 、电压幅值给定u 进行相应的反向调节来 实现电压负载功率的均分和输出电压波形的一致。其功率调节过程为：输出有 功功率大的逆变电源模块，通过频率下垂控制使其频率减小，即使得其相位向 后移动，从而减小其输出的有功功率；输出有功功率小的逆变电源模块，通过 频率下垂控制使其频率增加，即使得其相位向前移动，从而增加其输出的有功 9 功率；输出无功功率大的逆变电源模块，通过幅值下垂控制降低其电压的幅值， 从而减小其输出的无功功率；输出无功功率小的逆变电源模块，通过幅值下垂 控制升高其电压的幅值，从而增加输出的无功功率。经过下垂控制的调整，负 载功率在微电网中各逆变电源间得到合理分配，同时逆变电源输出电压幅值和 频率也自动调整在统一的工作点上。两台逆变电源下垂控制调节示意图如图2 - 3 所示h 8 - 2 们。 图2 2 逆变电源下垂法控制结构图 图2 3 下垂法控制输出功率示意图 2 3 逆变器虚拟同步发电机设计方法 2 3 1 逆变器虚拟同步发电机方法的提出 微电网与大电网相比，除规模小之外，发电单元不同是微电网区别于大电 网的显著特点。与大电网中的同步发电机相比，微电网中的逆变电源并联组网 的控制技术难度较大。因为常规的逆变电源与同步发电机有较大差异，主要表 现在【2 1 】： 1 )同步发电机在输出功率时具有降低转速( 频率) 的趋向，而逆变电源 则不具有类似功能【z 2 j ； 2 )同步发电机具有自同步功能，而逆变电源之间则不具有自同步特性； 3 )同步发电机由于采用励磁电流及气门调节控制，所以动态响应较慢， 从而导致电压控制带宽较窄，容易控制。而逆变电源则具有高带宽的电压控制 1 0 特性，微电网中多台逆变电源之间的协调控制较为困难； 4 )同步发电机的输出线路阻抗大多数情况下为感性，输出电流的变化较 缓慢，而由常规逆变电源组成的微电网更多的表现为阻性，输出电流变化极迅 速，很容易使得逆变电源过流； 5 )同步发电机的过载能力较强、过载承受时间较长。由于电力电子器件 的过载能力有限，逆变电源的过载能力比较脆弱、过载承受时间短，必须做好 过流保护或限流控制。 下垂控制法仅仅模拟了同步发电机的部分特性，而对于同步发电机的机械 惯量大、输出阻抗大等特点并没有体现，而这些特性是同步发电机组可靠并联 组网，实现电网稳定运行不可缺少的条件。因此，本文提出设计具有同步发电 机特性的逆变器虚拟同步发电机控制系统，较全面地模拟同步发电机的特点， 同时结合逆变器自身控制灵活迅速的优点，设计有利于微电网中运行的逆变电 源。相应地，具有同步发电机特性的逆变电源使微电网能量管理系统可以更好 地借鉴传统电力系统多年积累的相关调度控制经验，为整个微电网系统的发展 提供方便。图2 4 为通过数字控制技术将逆变器等效为同步发电机的方法示意 图。 丫。， 一，q ，q 图2 - 4 逆变器虚拟i 司步发电机设计示意图 其中，以为逆变电源滤波电容电压，也为输出电压，等效为同步发电机的 输出端电压，e 、q 为逆变电源输出功率。具体的逆变器虚拟同步发电机控制 系统设计在下一章中详细阐述。 2 3 2 逆变电源主电路拓扑结构 逆变电源主电路作为虚拟同步发电机设计方法的控制对象，首先要对其进 行选择和设计。从虚拟同步发电机原理上看，采用三相逆变电源或单相逆变电 源模拟同步发电机的特性在理论上没有区别，因此，为了结构简单便于分析， 本文以单相逆变电源为例进行理论分析及研究。 应用于微电网中的单相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。本文以全桥型拓扑为研究对象，图2 5 为电压型 全桥逆变电路的主电路拓扑图【2 引。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【2 4 。2 5 1 。 图2 5 逆变单元的主电路拓扑 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 弦砜s i n ( c 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，l c s 为电容，输出电压“( j ) 和a ，b 两点之间电压u ，( s ) 的关系为： 1 啪卜器2 睾 双极性s p w m 调制时，u ，可以表示为： u j = ( 2 d 1 ) 其中，占空比d 根据s p w m 调制可表示为： 。= 扣净2 扣脚， ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 其中u 。为参考正弦波信号，为三角载波峰值。由式( 2 - 3 ) 代入式( 2 - 2 ) 有 1 2 址瓦u m 或 u r n2 詈 ( 2 - 4 ) 则从调制信号输入至逆变桥输出的传递函数为： 郧删= 器= 瓦u d c ( 2 - 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( 2 - 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( 2 1 ) 可得 g ( s ) ：u o ( s _ 2 ：百u o 鬲( s ) 导黑：上广一k e 聊 (26)u r n ( s ) ( s ) ( s ) l c s 2 + 墨s + 1 ”朋 、。 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2 - 6 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