（电力系统及其自动化专业论文）基于下垂控制的微电网小信号稳定性分析.pdf

牛北i u 力人学硕i ：学位论文 摘要 随着能源的短缺以及环境问题日益严峻，分布式发电技术也越发受到人 们的关注，而由此形成的微电网也成为了人们研究的热点。本文总结了微电 网发展现状，对逆变器型分布式电源进行等效建模，详细介绍了微电网联网 和孤岛运行时的控制原理和方法，并比较了孤岛运行模式下各控制方法的优 劣性，着重介绍了孤岛运行时的下垂控制方法。 分别对下垂控制单元、系统进行小信号建模，并将二者进行联合，形成 了微电网全网络的状态空间模型。针对可能会影响系统稳定性的参数，分别 进行了特征值的计算，在此基础上分析了每类参数对系统稳定性造成的影 响，并得出了相应的结论。通过时域仿真结果的验证，证明了该结论的正确 性。 关键词：微电网，微源，下垂控制，小信号稳定性 a b s t r a c t d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ( d g ) d r a w i n gm o r ea t t e n t i o ni sd u en o to n l yt oe n e r g y s h o r t a g eb u ta l s ot oe n v i r o n m e n t a la s p e c t s ，a n dh a v eb r o u g h ta b o u tt h ec o n c e p t o fam i c r o g r i d t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h es t a t e - o f - a r to fm i c r o g r i da n dd e v e l o p s d gm o d e lb a s e do nt h ev o l t a g es o u r c ei n v e r t e r c o n t r o lt e c h n i q u e sa s s o c i a t e d w i t ht h eg r i d c o n n e c t e da n da u t o n o m o u so p e r a t i o n a ls c e n a r i o so fm i c r o g r i da r e p r e s e n t e da n dd r o o pc o n t r o lm e t h o d se m p l o y e di na u t o n o m o u sm i c r o g r i da r e e m p h a s i z e d b a s e do nt h es m a l ls i g n a lm o d e l so fd r o o pc o n t r o l l e r sa n ds y s t e m t h es m a l l s i g n a ls t a t e - s p a c em o d e lo fm i c r o g r i di s e s t a b l i s h e d t h ee i g e n v a l u e so f s t a t e s p a c em a t r i xf o rd i f f e r e n tp a r a m e t e r sa r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e d h o w d i f f e r e n tp a r a m e t e r si m p a c tt h em i c r o g r i ds m a l ls i g n a ls t a b i l i t yi sc o n c l u d e da n d i sp r o v e dt ob ec o r r e c tb yt h er e s u l t so ft i m ed o m a i ns i m u l a t i o n m i a ow e i s h i ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gj i a n h u a k e yw o r d s ：m i c r o g r i d ，d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n , d r o o pc o n t r o l , s m a l l s i g n a ls t a b i l i t y 华北i 【i 力人学顾i ：学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 课题背景及意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 欧盟对微电网的研究3 1 2 2 北美对微电网的研究3 1 2 3 日本对微电网的研究3 1 2 4 我国对微电网的研究4 1 3 微电网的关键技术。5 1 3 1 微源方面5 1 3 2 控制方面6 1 3 3 保护方面6 1 4 论文的主要工作6 第二章微网的基本控制方法8 2 1 微网的概念8 2 2 微源的建模9 2 3 微网的基本控制1 2 2 3 1 并网运行方式下的控制1 2 2 3 2 孤岛运行方式下的控制1 4 2 4 本章小结。18 第三章小信号稳定性分析1 9 3 1 状态空间表示法1 9 3 2 线性化2 0 3 3 特征值与稳定性2 2 3 3 1 动态系统的稳定性2 2 3 3 2 系统特征值2 3 3 4 本章小结2 4 第四章基于下垂控制的小信号稳定性分析2 6 4 1 下垂控制单元小信号模型2 6 4 2 系统单元小信号模型2 9 4 3 全网络小信号模型3 0 4 4 算例分析3l 4 4 1 算例一3 2 4 4 2 算例二3 5 4 4 3 算例三3 6 4 4 4 算例四3 7 4 5 本章小结3 7 第五章结论与展望3 9 5 1 ；2 ；论3 9 5 2 工作展望3 9 f 仁北i 【l 力人学顾l ：学位论文 参考文献4l 致j 射4 4 在学期间发表的学术论文和参加科研情况。4 5 n # 北i 乜力人学硕i ：学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 在现代社会，能源是人们赖以生存和发展的基础，在所有能源中，电力以其最 为清洁便利的能源形式，成为国民经济的命脉。随着国民经济的发展，人们对电力 的需求不断扩大，而传统的发电能源，诸如煤炭、石油等一次能源是不可再生的， 终归是要走向枯竭的。另外，传统大电网也出现了一些弊端，诸如运行成本高、运 行难度大等等，难以适应电力用户对供电越来越高并且多样化的需求。在世界范围 内经历了接连发生的几次大面积停电事故后，传统的大规模电网暴露出了其脆弱性 。同时，2 0 0 8 年我国南方雪灾给南方电网造成的巨大影响，使人们认识到：除了 单一扩大电网规模，建设超高压输电网外，利用新能源以及可再生能源在负荷处就 近供电，对提高供电安全性和可靠性可起到至关重要的作用。因此，就需要人们提 高一次能源利用效率，加强对诸如风能、太阳能等可再生能源的利用，开辟新能源 领域。 研究与实践已表明，分布式发电被认为是满足人们日益增长的电力需求，提高 能源综合利用效率，减少温室气体排放，保护环境并能提高供电可靠性的有效途径 忙1 。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 ，d g ) ，d g p 一1 由美国于1 9 7 8 年在公共事业 管理政策法中公布并正式推广，其定义为： 1 ) 与传统供电模式完全不同的新型供电系统，为满足特定用户需要或支持现 有配电网的经济运行，以分散方式布置在用户附近、发电功率为数k w - - 5 0m w 的 小型模块式、与环境兼容的独立电源。 2 ) 任何安装在用户附近的发电设施，不论其规模大小和一次能源的类型如何， 可独立输出电能、热能或冷能的系统( 包括d g 、热电联产、冷热电联产以及各种 蓄能技术等) 。 当d g 与大电网并联时，大规模d g ( 通常为几十m w ) 一般与较高电压等级 的电网( 一级配电电压) 相联，如3 5 k v 、1 1 0k v 甚至更高。非常分散的居民、商 业和工业用d g 一般与当地配电电压等级电网相联，如3 5 k v 、1 0 k v 和3 8 0 2 2 0 v p 。 分布式电源位置灵活、分散的特点很好地适应了分散电力需求和资源分布，延缓了 输、配电网升级换代所需要的巨额成本，同时，它与大电网互为备用也使供电可靠 性得以改善一川。 分布式发电技术研究已r 益受到各国的关注。据世界银行2 0 0 8 年初发布的报 告，2 0 0 7 年全球可再生能源发电容量达到了2 4 万兆瓦，比2 0 0 4 年增加了5 0 。分 布式发电技术已成为国际上一项重要的技术增长点，开展这一领域的基础研究工 1 华北f 【l 力人学硕i ：学位论文 作，将有助于培育自主创新能力，提升本国在能源技术领域的国际竞争力。 近年来，众多发达国家已投入巨资广泛丌展分布式发电供能系统相关技术的研 究工作捧1 ，在我国，通过近年来所颁布的可再生能源法、可再生能源中长期发 展规划、国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) 等一系列政策 法规可以看出，分布式发电技术己被列入重点发展与支持领域，其发展潜力将是不 可估量的。 然而，分布式发电并非是完美的，随着其发电渗透率的提升，其固有问题也逐 渐彰显出来。比如：分布式电源单机接入成本较高、控制复杂等。此外，对于大电 网来说，分布式电源是一个不可控源，为了减少其对大电网的冲击，当发生故障时， 大电网往往采取限制与隔离的方法来处理分布式电源。美国2 0 0 1 年颁布的 i e e e l 5 4 7 “关于分布式电源与电力系统互联的标准草案”中提出，当电力系统发生 故障时，分布式电源必须马上退出运行，这就大大限制了分布式能源效能的充分发 挥1 。同时，配电系统目前所具有的无源辐射状运行结构，以及能量单向流动特征 等，使得分布式发电必须以负荷形式并入和运行，即分布式电源发电量必须小于安 装地用户负荷，这就导致分布式发电的能力在结构上就受到极大的限制。为了协调 大电网与分布式电源彼此问的矛盾，充分挖掘分布式发电的潜力，更好地促进大规 模分布式发电技术大规模的应用，在本世纪初，众多学者提出了微电网( m i c r o g r i d ) 概念p 1 。微电网将发电机、负荷、储能装置以及控制装置等装置进行整合，形成 一个“系统”的概念，同时可以满足用户对于电能、热能和冷能三联供的需要，并 通过配电网与主干大型电力网并联运行，最终形成一个可以大型电网与小型电网联 合运行系统。这样与大电网单独供电的方式相比，微网与大电网结合可使各种发电 设备的能力得到充分的利用，可以弥补主干网的电力不足；有利于在主干网峰荷期 间补充电力供应，减少主干网在峰值期间的紧张情况；加强了供电可靠性；提高了 整个电网的运行效率，减少了对环境的污染。 1 2 国内外研究现状 微电网作为分布式电源的整合平台，充分发 同时能够灵活的调度和管理冷、热、电多种能源 排的目标。 当前，包括欧盟、北美以及同本在内的地区 作，同时根据本国能源政策以及电力系统的现状 及发展规划。3 1 。 2 华北l 【l 力人学颀i ：学位论文 1 2 1 欧盟对微电网的研究 欧盟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，提出 “智能电网 ( s m a r tg r i d ) 的理念，并出台技术实施方案。基于此，欧盟提出要充 分利用分布式能源、智能技术、先进电力电子技术等实现集中供电与分布式发电的 高效紧密结合，同时积极鼓励独立运营商参与电力市场交易，从而加速推进微电网 技术的发展。微电网以其智能化、清洁高效、能量利用多元化等特点势必将成为欧 洲未来电网的组成部分。 目前，欧洲已初步形成了微电网的运行、控制、保护、安全和通信等理论，并 在实验室微电网平台上对这些理论进行了验证引。 欧盟资助的微电网试点主要有两个，其一为希腊克诺斯岛的微电网。该系统为 克诺斯岛一个小山谷里的1 2 户居民供电，发电系统由1 0 k w 的光伏发电组、额定 5 3 k w h 的蓄电池组和5 k w 的柴油发电机构成。其二为荷兰的c o n t i n u o n 微电网。 c o n t i n u o n 运作一家拥有超过2 0 0 个小别墅的假同野营地，装备了总共3 15 k w 的光 伏发电系统并网运行，这些小别墅通过大约4 0 0 米的馈线与一台中低压变压器相连 接。 1 2 2 北美对微电网的研究 美国可靠性技术解决方案协会( c e r t s ) 最早提出的微电网的概念川，是所有 微电网概念中最具代表性的一个。美国c e r t s 在其微电网概念报告中，系统地概 况了微电网的定义、结构、控制方式、继电保护以及经济效益分析等一系列相关问 题由于电力电子技术是微电网实现智能灵活控制的重要支撑，美国微电网正是基 于此形成了“即插即用 与“对等 的控制思想和设计理念。美国c e r t s 微电网 的初步理论研究成果己在美国电力公司沃纳特w a l n u t 微网测试基地得到了成功验 证。 此外，加拿大两家水电公司也已经开始针对微电网开展展示范性工程的建设， 特别是对于微电网孤岛运行模式中的主动孤岛运行进行测试，项目的目标是通过合 理安置独立发电装置i p p ( i n d e p e n d e n tp o w e rp r o d u c e r ) 来提高用户侧供电可靠性。 1 2 3 日本对微电网的研究 由于同本所处的地理位置，其能源长期就存在着紧缺的问题，同本根据本国现 状，开展了微电网的研究。其发展目标主要定位在能源供给的多样化、降低污染、 满足个性化用电需求方面。此外，f 1 本学者还提出了灵活可靠性和智能能量供给系 统( f r i e n d s f l e x i b l er 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 ) ， 该系统的主要思想就是在配电网中加入一些灵活交流输电系统( f a c t s ) 装置，利 3 华北l 乜力人学硕i ：学位论文 用该装置控制快速、灵活等性能，实现对配电网能源结构优化的目的，并满足电力 用户多样化的用电需求。 目前，日本己在国内建立了多个微电网工程。诸如在爱知县、京都以及青森 县都建立了微电网工程。 以日本京都地区为例，在京都北部建立了第一个真正实际意义上的微电网示范 工程，即京都生态能源工程。该工程中的分布式电源包括：5 0 k w 的光伏发电机组、 5 0 k w 的风力发电机组、5 x 8 0 k w 的生物质能发电、2 5 0 k w 的熔融碳酸盐型燃料电 池以及1 0 0 k w h 的蓄电池组。能源控制中心通过运用电信网络通信，协调控制，实 现供求的平衡。其不平衡状态可以在五分钟甚至更短的时间内迅速得到校正。 为了推动微电网在电力系统中的应用和发展，欧美这些发达国家在微电项目示 范方面也做了大量工作，其已建成或正在建设中的部分微电网示范项目的主要情况 如表1 1 所示”： 表1 - 1 国外微电网示范t 程 微网项目时间说明 k y t h n o si s l a n d 提供1 2 户岛上居民用电，4 0 0 v 配网，包含6 台光伏 m i c r o g r i d ， 2 0 0 2 一2 0 0 4 发电单元，共ll k w ，l 座5 k w 柴油机，l 台 3 3 k w 5 0 k 、h 蓄电池逆变器系统。目前只能孤岛运 ( k y t h n o ，g r e e c e ) 行。 m a d 黜v c rp a r k2 0 0 3 1 6 个商业和工业厂区，1 2 个居民区，2 8 0 k w 、1 0 0 k w 发电机，3 0 k w 微型燃气轮机，光伏发电单元。接入 ( v e r m o n t ，u s ) 2 0 0 5 0 9 7 2 k v 配网。既可孤岛运行，也可联网运行。 c o n t i n u o n m 钐z 矿 用丁度假村，共四条3 8 0 v 馈线，每条长约4 0 0 m 。 f a c i l i t y 2 0 0 3 - 2 0 0 5 以光伏发电为主，共装3 3 5 k w 光伏发电单元。即可 ( c o n t i n u o n ， 孤岛运行，也可联网运行。 n e t h e r l a n d s ) s a n d i an a t i o n a l2 0 0 5 1 以某个军事基地作为示范，然后推广到全美军事和 l a b o r a t o r i e s2 0 0 7 0 3民用场合。 m a n h e i mm i c r o g r i d 2 0 0 6 8 _ 一 位于居比区，包含六台光伏发电单元，共4 0 k w ：计 ( m a n h e i m ，g e r m a n ) 划继续安装数台微型燃气轮机。 1 2 4 我国对微电网的研究 在我国，对于微电网的研究工作起步较晚，相关理论工作与实际运行经验均十 分欠缺，这就迫切需要深入开展对微电网的全面研究以及相关技术的开发应用工 作。 目前，国内一些地区率先开展了分布式冷、热、电联产系统的示范性项目建设， 并出台一系列鼓励政策，国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 ) ) 中提 出要大力发展“可再生能源低成本规模化开发利用 以及“问歇式电源并网及输配 电技术一引。同时，国家8 6 3 计划于2 0 0 7 年设立了两个分布式供能的示范项目， 4 # 北i u 力人学硕i ：学位论义 分别是由内蒙古电力( 集团) 有限责任公司、中国科学院工程热物理研究所和哈尔 滨东安发动机( 集团) 有限公司联合承担的“北方地区m w 级分布式冷热电联供系 统集成技术与示范工程”；由天津大学和南方电网公司于2 0 0 7 年建成投入运行的广 州大学城三联供的分布式能源站，该能源站规划了两套7 8 m w 等级燃气蒸汽联合 循环机组作为分布式电源。 这标志着我国在推动微电网技术发展与应用工作方面迈出了重要性的一步。不 过，在这些微网系统中，成功并网运行的还不多，目前的微网项目仅为一些小型示 范性工程或实验平台，距离其真正应用与推广还有许多关键技术及相关问题亟待解 决。 在能源紧缺的今天，发展微电网是中国走可持续发展路线的具体体现。利用可 再生能源发电，将地理位置接近的重要负荷组成微电网，为负荷提供优质、可靠的 电能，对于中国调整能源结构、解决农村及边远地区用电、保护环境，落实科学发 展观，构建和谐社会具有十分重要的意义。 1 3 微电网的关键技术 对于微电网来说，其中的微源方面、控制方面以及保护方面是微电网研究中的 关键技术方面。 1 3 1 微源方面 微电网中的微源包括微型燃气轮机、燃料电池、光伏电池、风力发电机、蓄电 池和高速飞轮等，在这其中又可分为发电装置与储能装置，其容量一般不超过 1 0 0 k w 。这些微源与传统发电机组的最大区别就在其接口方式上，由于微源所发出 的或是非工频交流电或是直流电，因此无法与负荷直接相连，这样就需要通过电力 电子装置来对其进行整流、逆变，转变成工频电，这样才可与负载或配电网互联运 行捌。 其次，由于大部分微源利用的是可再生能源，如风力、光伏、潮汐等，这些能 源受自然条件的影响，其功率输出并非持续稳定，即电源为扰动源，这对微电网的 控制和管理提出更高的要求。 第三，由于微源的特殊性，当系统负荷发生变化时，其反应时间同传统的电源 相比，时间较长，即不能实时的跟踪负荷的变化，这就要求系统中设置储能设备单 元。当微源所发功率大于负荷总需求时，多发的功率将会存储在储能单元中，当微 源所发功率不能满足负荷需求时，储能单元将会释放能量补偿所缺失功率。可以看 出，储能设备中的能量流动是双向的，这对如何控制储能设备单元来说，也是一个 严峻的问题。 5 f # 北i 【l 力人学顾i ：学位论文 1 3 2 控制方面 如何解决控制问题，是微电网在实际运行中需要面对的关键问题之一。当微网 中的负荷或微网运行模式发生变化时，如何对微网内部的微源进行有效的协调控 制，是微网能否安全、可靠运行的关键。 微电网存在两种典型的运行模式：正常情况下微电网与常规配电网并网运行， 称为并网运行模式；当检测到电网故障或电能质量不满足要求时，微电网将及时与 电网断开而独立运行，称为孤岛运行模式。而其中的孤岛运行究其产生原因又可再 次分为主动孤岛和非主动孤岛两种。由于微电网并网和孤岛运行情况的差异，所以 控制方法和策略也不同。 文献 2 2 1 j 苗过综合各国微电网研究现状，指出微电网控制系统的未来研究方向 是： 1 ) 在并网和孤岛运行方式下，都能控制局部电压和频率，使系统安全稳定运 行。 2 ) 提供或者吸收微源和负荷之间的暂时功率差额，根据故障情况或是系统需 要，平滑自主地实现与主网分离、并列或是两者的过渡转化运行。 3 ) 研发更加先进、更加智能的控制策略。 1 3 3 保护方面 由于大多数的配电系统其结构为放射状，采用这种结构的主要目的是为了运行 的简单性和过电流保护的经济性。在放射状电力系统中，由于只有一个电源向故障 点提供故障电流，因此清除故障只需要跳开系统侧的断路器就能完成。当分布式电 源接入到配电网中，配电网变成多电源结构，在故障发生时将引起短路电流大小和 短路电流方向的改变，因此分布式电源对配电网原有的继电保护产生较大的影响。 单独一个容量较小的分布式电源对故障电流的贡献不大，但是当电力系统中接 入许多小容量分布式电源单元或接入一些容量较大的分布式电源单元，它们对故障 电流总的贡献足以改变短路水平，引起电力系统原有继电保护的熔断器和断路器的 不匹配，影响电力系统的可靠性和安全性。分布式电源相对于保护的位置不同，会 有不同的影响效果埘，为此，文献【2 4 】提出了相应的解决方案。但本文并不对此展 开深入讨论。 1 4 论文的主要工作 本文主要的研究工作有： 1 ) 本文在对微电网描述的基础上，对微源类型进行了总结，等效出大部分微 6 。仁北i 乜j j 人学硕i ：学位论义 源所通用的逆变器模型，并对逆变器模型进行了详尽的分析和建模。 2 ) 本文针对微电网并网运行以及孤岛运行的两种模式，详细分析了这两种运 行模式下的控制原理和方法，并比较了孤岛运行模式下三种控制方法的优劣性，其 中着重介绍了孤岛运行模式下基于p i f 与q y 两种下垂控制曲线的下垂控制方法。 3 ) 本文从小信号稳定性分析的基本原理出发，建立了小信号稳定性分析的数 学模型，描述了动态系统状态空间的表示方法，对系统状态空间如何进行线性化进 行了详细的阐述，并对系统状态方程的特征值与稳定性进行了分析、归类。从而可 以通过利用小信号稳定性分析这种检测手段，来判断系统在小扰动下是否稳定。 4 ) 本文搭建了基于下垂控制曲线的控制单元小信号状态空问模型，随后针对n 型等效电路搭建了系统单元的小信号状态空间模型，将二者进行整合，搭建了全网 络的小信号状态空0 自j 模型。 5 ) 本文针对可能会影响系统稳定性的元素，诸如负荷的增加、两个微源间距 离的变化以及两类下垂控制曲线的下垂增益的变化进行了讨论，并针对每类元素所 对系统稳定性造成的影响进行了计算、说明，得出了相应的结论。 7 华北i 【l 力人学硕l ：学位论文 第二章微网的基本控制方法 微电网的控制与传统电力系统有着显著的不同，其与内部微源的类型，微网运 行状态有关。本章首先介绍了微网的概念，接着对微源进行了建模，并对微网的控 制进行了详尽的阐述。 2 1 微网的概念 为了降低分布式电源对主网的不利影响，同时又能发挥其固有优势，一个合理 有效的解决方案就是运用“系统”的眼光，将分布式电源与其所带负荷看成一个整 体，看成一个子系统，即微网( m i c r o g r i d ) 川。 美国电气可靠性技术措施解决方案联合会( c e r t s m 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 ) 对微网的基本定义：微网是一种由负荷和微型电源 共同组成系统，它可同时提供电能和热能；微网内部的电源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， 并且同时满足用户对电能质量和供电可靠性安全性的要求引。而根据文献【2 7 】，又 将微网定义为，含有两个以上的分布式电源或者储能元件，能够运行在并网或孤网 状态，并且可以为一或多个用户提供持续电能的网络。电力系统研究会( e l e c t r i c p o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ，e p r i ) 对微网的描述为：微网是分布式发电的一种延伸， 它将多个分布式电源相结合，置于工业区、商业区以及居民住宅附近。e p r i 所关注 点主要在于互联、通信以及控制“引。 简单的微网的拓扑结构如图2 1 所示，其中微网中的分布式电源与储能元件的 组合在图中简化为用d g 表示。 图2 - 1 微网拓扑结构 8 社北i u 力人学顾i ：学位论文 在图2 1 中，整个网络呈放射状结构，其中馈线l 、2 、3 中含有微源，馈线2 中含有敏感负荷( 重要负荷) 。含有微源的馈线通过静态开关与主网相连，整个微 网通过公共连接点( p o i n to f c o m m o nc o u p l i n g ，p c c ) 与主网相连。当p c c 闭合时， 对于主网来说，整个微网可以看作是一个整体，当断开p c c 时，整个微网独立运行。 当主网出现故障或电能质量不能保障时，可断开静态开关，以确保敏感负荷不受影 响，提高供电可靠性。 与传统的电网相比，微源更接近负荷，不需要建设大电网进行远距离高压或超 高压输电，可以减少线损，节省输配电建设投资和运行费用。此外，微网中的微源 可以灵活取材，可以含有多种能源形式，包括：风力发电、光伏电池、微型燃气轮 机等。此外，有些地方还运用冷、热、电三联供形式向负荷用户供热或制冷，这种 能源多梯级利用的手段，提高了能源运用的效率。 微电网的这种特殊的、灵活的结构，可以看作是主电网的重要支撑，微电网可 以就近给予负荷以电压支撑以此提高供电可靠性，从而保证了负荷实现不间断供 电，增强了负荷抵御来自主网故障影响的能力。当微电网与主网并网运行时，由主 网提供参考电压和频率，从某种意义上来说，此时的微电网可以视作一个类似于负 荷的整体模块单元。当主网发生故障或者电能质量不满足要求时，通过断开p c c ， 从而使微电网进入到孤岛运行模式，以保证微电网内部负荷正常运行，从而提高可 靠性。而此时，微电网内部电压和频率则是由微电网内部微源提供，从这个层面上 来说，微电网是一个独立、自治的电力系统，它同传统意义上的电网并无两样。 2 2 微源的建模 微网中的微源，即分布式电源，在不同的研究领域中，有着不同的分类方式。 一般可以根据分布式电源的技术类型、所使用的一次能源或与电力系统的接口技术 对其进行分类2 9 1 。 表2 1 概述了目前微网中常见的几类分布式电源的技术类型3 0 1 ： 表2 - 1 分布式电源的技术类型 技术类型一次能源输出与系统接口 风力发电可再生能源 a c 整流一逆变装置 光伏发电可再生能源d c逆变器 燃料电池 化彳i 燃料 d c 逆变器 微刑燃气轮机化彳i 燃料 a c 整流一逆变装置 通过表2 1 可以看出，从某种意义上来说，对微网中的微源的建模，实质上就 是对微源中逆变器的建模。 逆变器是电力电子中最常见的电能转换装置，它可以将直流电能转化为工频下 9 华北i 包力人学硕l ：学位论义 的交流电，其电路拓扑结构如图2 - 2 所示【3 i 】。 图2 2 三相逆变器拓扑结构图 根据图2 2 ，可以得出在静止坐标系下的两组微分方程： ( 2 1 ) ( 2 2 ) 在逆变器中的电力电子开关器件控制中采用了s p w m 方法产生脉冲控制信号， 由于开关频率远远高于逆变器系统输出的工频，可以将s p w m 逆变桥等效成为一个 k p 删环节p 2 1 。在图2 - 3 中，展示了逆变器及出口滤波器的等效模型。 选取p a r k 变换矩阵如式( 2 - 3 ) 所示： 丁= 同竺：竺戋竺乏i 协3 ， 经过p a r k 变换后，在旋转坐标系下，电压与电流的形式为： 州朝 1 0 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 吃 。l 一 1j 虬以 。，。l = 亟出盟西盟出 。l kk 。l 一 1j kk 。l = 呢百百观百 ( 1，lj 口 6 f ” “ “ rl1 = 1 ，j f 仁北l u 力人学坝i ：学位论文 不。 图2 - 3 逆变器等效模型 利用p a r k 变换对式( 2 1 ) 与( 2 - 2 ) 进行变换，可得： 隆 = 三吉 乏 + 訾。左 之 一 訾洗 笼 c 2 剐 笼 = 二缸笼 + 弩品 眨 一 訾品 臣 c 2 m 根据上述两式，可以得到在旋转坐标系下的逆变器等效数学模型，如图2 4 所 图2 4 旋转坐标系下等效数学模型 l 嘣 华北l u 力人学硕1 二学位论文 虽然式( 2 1 ) 与( 2 - 2 ) 两组微分方程，十分清晰的展示了逆变器的电流与电 压特性，但是由于其输出量均为时变量，对控制系统的设计提出了难题。通过p a r k 变化，得到在旋转坐标系下的电流与电压表达式( 2 6 ) 、( 2 7 ) ，将原来处于静止坐 标系下的基波正弦量变换为旋转坐标系下的直流变量，方便了控制系统的设计。 此外，在旋转坐标系下，输出的有功p 与无功q 的计算公式如下： p = u d 木屯+ u g 幸 ( 2 - 8 ) q = “d 一“口奉屯 ( 2 9 ) 通过以上的变换，可以达到对输出的有功与无功分别进行控制，简化了控制的 方式。 2 3 微网的基本控制 微电网相对于主网来说可以视作一个整体模块单元，对内可以提供满足负荷用 户需求的电能，而实现这些功能，则必须具有良好的微电网控制和管理，做到能够 基于本地信息对电网中的事件做出快速独立的响应。 微电网综合控制的主要目标是：首先，根据故障情况或是微电网自身的需要， 平滑自主地实现与主网分离、合闸或是两者间的过渡转化运行，保证微电网能够在 并网和孤岛运行方式之间实现平滑、可控的切换，同时能灵活调节微电网内的馈线 潮流，对无功和有功进行独立解耦控制，实现不同模式下微电网内负荷和微源问供 需平衡；其次，调节每个微源接口处的电压，保证电压的稳定性，避免微源问环流 的产生；并保证孤岛运行时，微源能够快速响应并分担由主网提供的负荷功率。 微电网控制是实现其众多优越性能的重要保证，如何解决控制问题，是微电网 在实际运行中需要面对的关键问题之一。当微电网中的负荷或运行模式发生变化 时，如何对微电网内部的微源进行有效的协调控制，是关系到微电网能否安全、可 靠运行的关键p 川。由于微电网并网和孤岛运行情况的差异，所以控制方法和策略也 不同。 2 3 1 并网运行方式下的控制 并网运行状态下，微电网通过p c c 点与主网相连，根据负荷情况与大电网交换 功率，频率的调整由大电网完成1 。在该运行状态下，微电网内部负荷功率的波动、 电压和频率的扰动均由大电网承担，各微源不参与电压以及频率的调节，利用大电 网电压和频率作为其支撑。 由于大多数微源均通过逆变器接入微网，因此可以通过逆变器的控制作用来实 现有功和无功的指定输出。当微电网处于并网运行模式下，微源采用p i q 控制方式 1 2 华北l u 力人学颂l ：学位论文 微源功率输出示意图如图2 5 所示： 负荷 e 网系统 图2 5 微源功翠输出不恿图 p q 控制方式通过p a r k 变换，利用公式( 2 - 8 ) 、( 2 9 ) 来达到测量微源有功p 与无功q 的输出。通过对微源实际输出的有功p 、无功q 与给定的参考有功、无 功进行反馈比较，误差经过p i 环节输出，逆变器触发电压，从而实现输出有功、 无功的控制。其中相角0 、幅值肘的表达式： 秒= 忆一p ( + 争) c 2 加， m = 一q ( + 争) ( 2 小) 其中，k p 与k ，分别为p i 环节的参数。 具体控制实现如图2 - 6 所示： 图2 - 6 p q 控制图 通过图2 - 6 可以获得逆变器的触发电压幅值m 与相角口，从而控制三相逆变器 的输出，最终达到恒定功率输出的目的。 1 3 华北i l i 力人学硕i ：学位论文 2 3 2 孤岛运行方式下的控制 孤岛运行是指当主网故障或电能质量不能满足要求时，断开p c c 点，微电网形 成孤岛运行模式，由微源向微电网内的负荷供电。孤岛的产生可分为主动孤岛和非 主动孤岛。微电网的孤岛运行为负荷提供了更高的可靠性和不间断供电3 6 1 。当微电 网处于孤岛运行时，其主要的控制手段有以下几类。 2 3 2 1 主从控制 主从控制是基于v i f 控制策略的微电网在孤岛运行模式下而提出的一种控制 手段，仅由一个或多个微源提供参考电压和参考频率p 。当微电网并网运行时，微 网内部微源均采取p q 控制策略，即所有微源输出的有功、无功恒定。当主网发生 故障，微电网孤岛运行时，其中的某一微源将由p q 控制转变为v i f 控制，对微网 系统的电压、频率起到支撑的作用，并通过该参考控制单元的功率跟随特性实现电 力供需平衡，同时保证较高的电压和频率质量。当微网再次并网运行时，微电网系 统的电压和频率，仍可保持在孤岛时的标准，通过锁相环节的控制，可确保微电网 与主网间的电压相角和频率的一致，减轻暂态波动过程，降低对主网的影响，基本 实现平滑、柔性地并网。 但是，运用主从控制手段，当微电网孤岛运行时，其稳定性完全取决于所参考 的微源是否能正常运行，依赖程度高，如果所依赖的微源因故障而停机，那么，在 孤岛状态下，微电网将不能正常运行。 另外，无论单主或是多主控制方法，其对提供参考电压和频率的微源的旋转备 用容量要求较高，在微电网孤岛运行时，其应能够承担并网运行时由主网提供输送 的全部功率。 2 3 2 2 基于多代理技术控制 由于微电网所具有的分布式特性，海量的控制数据以及灵活多变的控制方式， 使得以往所采用的由调度中心统一判断、调度的集中式控制方式难以实现灵活、有 效的调度 驯。通过将控制权分散到各微电网元件，由各元件根据微电网的调度，自 行改变运行状态的分布式协调控制方式将有效解决这些问题p 训。 基于多代理技术控制方式是将基于p q 恒功率控制策略的多代理技术应用于微 网的综合控制中，通过微网控制中心( m i c r o g r i dc o n t r o lc e n t e r ) 实现微网的经济调 度和市场化运行。该方法将传统电力系统中的多代理技术应用于微电网控制系统。 代理的自治性、响应能力、自发行为等特点正好满足微电网分散控制的需要，提供 1 4 华北i l j , j j 人学顾i ：学位论文 了一个能够嵌入各种控制且无需管理者经常参与的系统。 文献 4 0 】建立了由上级电网a g e n t 、微电网a g e n t 以及元件a g e n t 所构成的三层 多代理控制系统，其拓扑结构如图2 7 所示，微电网中的诸如分布式电源、负荷等 底层元件作为独立的a g e n t 运行，接受微电网的a g e n t 管理，而众多微电网a g e n t 与上级电网a g e n t 之间通过通信协调解决各a g e n t 之间的任务划分和共享资源的分 配，上级电网a g e n t 负责电力市场以及各a g e n t 间的协调调度，并综合众多微电网 a g e n t 信息做出重大决策一。通过对各a g e n t 之间的协调控制，达到能量的灵活调 度，并保持微电网的高效、稳定运行。 图2 7 基于多代理系统结构示意图 在多代理系统中，每个a g e n t 都具有数据处理和通信的功能，可以将所处理的 运行参数、协调策略等参数与对应的a g e n t 相互通信，从而进行协调控制。 但是，目前多代理技术在微网中的应用还多集中于对微网中频率、电压等层面 进行控制。要使多代理技术在微网的控制中发挥更大的作用，还需大量的工作研究 工作。 2 3 2 3 下垂控制 所谓下垂控制就是选择与传统发电机相似的频率一次下垂特性曲线( d r o o p c h a r a c t e r ) 作为微源的控制方式，即分别通过p 厂下垂控制和q v 下垂控制来获取 稳定的频率和电压一引，这种控制方法对微网中微源输出的有功功率和无功功率分别 进行控制，无须机组问的通信协调，实现了微源即插即用和对等控制的目标，保证 了孤岛下微电网内电力供需平衡和频率的统一，具有简单可靠的特点。 1 ) p 厂下垂控制 1 5 华北i 【l 力人学硕j ：学位论文 微电网并网运行时，与主网j 日j 存在有功的交换。当微电网转为孤岛运行时，微 源需要通过逆变器的控制，重新进行出力分配，使之与负荷的需求相当。根据图2 8 所示的逆变器接口电路： 三c 滤波器 图2 - 8 逆变器接口电路 可得逆变器输出有功尸由式( 2 1 2 ) 计算4 3 1 ： p ：3 v , v e s i n 万。 2 x p ( 2 1 2 ) 其中：x 为逆变器的端i s l 滤波器和线路阻抗进行等效后的阻抗值。吒为圪，与e 2 问的夹角。 可见逆变器输出的有功主要决定于功率角万。然而由于电压初始相角未知，而 频率的控制动态控制了功角和有功1 ，所以在下垂控制中用频率( 1 90 = 2 可) 代替功 角艿。来控制有功输出，使有功输出总量与负荷需求相当，从而得到稳定的频率。各 微源输出的变化量与下垂特性的斜率有关。功率频率下垂曲线如图2 - 9 所示： p 图2 - 9e f 下垂控制曲线 图2 - 9 为两个微源的叫厂下垂控制曲线对频率调整示意图，并假定当微网与主网并 网运行时，由主网向微网输送有功。并网运行时微网频率为厶，在此图中，利用绋表 示，两个微源输出的有功分别为o 与。当微网由并网状态转变为孤岛运行时，由于 此时微源需要增大有功输出来补偿原主网向微网输送的有功部分，以达到稳定，因此微 网的频率应有所下降，假定下降至q ，此时两个微源输出的有功分别为只。与咒。，微网 系统频率相应的为石。 1 6 华北i 【l 力人学颂i ：学位论文 由此可见，在此孤岛模式运行时，由微源a 与微源b 所增发的有功，即有功增发分 配的份额，以及总增发的有功分别为： 必= 只。一只。 纰= 忍。一忍。 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) a p = 必+ 蝇 ( 2 1 5 ) 其中p 应为并网阶段，主网向微网传输的有功大小。微网的频率经过朝较低的同 一值变化，稳定为z 。 p i f 下垂控制曲线的下垂增益砟可由图中得出： k 。：笪! 鳖 ( 2 1 6 ) 。一昂 其中代表微源所能发出的最大有功，；。则对应着此时微网系统所达到的 最低频率。 2 ) q i v 下垂控制 微电网在由并网运行状态转变为孤岛运行状态过程中，微源出口电压将会发生 变化，但由于各微源所变化的电压a v 不尽相同，由此在微源间将会产生电势差，假定 此时的大于，如图2 -