（电力系统及其自动化专业论文）分布式发电装置控制系统的设计和研究.pdf

浙、汀大学硕士学位论文 a b s t r a c t m o r er e c e n t l y ，d e v e l o p i n gr e n e w a b l ee n e f g yh a sr e c e i v e d 伊e a ta n e m i o n si n t h e s ed a y s ，f o rm ee x h a u s t i n go f 订a d i d o n a le n e i g yr e s o u r c e sa 1 1 de n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n p o w e r - e l e c 订o m c - t e c m q u e b a s e dc o n v e r t e r sm a k ew i d ea r e a sf o f 也e e ws o u r c e s s u p p l y s or e s e a r c h i n g 蚰t l l ei n t e r f a c ec o n 打o l l e r sn o wb e c o m e sa n i m p o r t a ti s s u ei nd e v e l o p i n gt l l ed i m i b u t e dg e n e r a 缸o ns y s t e m s ( d g s ) t h i s d i s r t a t i o ni sf o c u s e do nr e s c a r c h i n ga n dd e s i g i l i i l g 也ei n v e n i n gc 咖1 1 e rl 】1 1 d e r d i 压b r e mm o d e so f p o w e rs u p p l y f i f s t l y ，t h et h e s i s 砷r o d u c e sc o n l l e rd e s i g nl n l d e rt 1 1 em o d eo ft 1 1 ed g s a st h e o n l ys u p p l y b ya n a l y z i n gt h em a t l l e m a t i cm o d e l ，d u a lc o n t r o ll o o p sf b ro u t p u t c a p a c i t y sv o l 诅g ea n d 由d u c t o r sc u r r e mh a so b t a i n e du n d e rm t a t 幻n a lc o o r d b a t e + a c c o r d i n gt o t h ec u t o f ff 诧q u e n c ya n dp h a s ea n g l e ，t h ep 删e t e r so fm ep i c o n 们l l e rb a db e e ns e t 。a l s ot h es w i t c h i n gf r e q u e n c yo fs p w mm o d u l a t i o na i i dt h e o u t p u tf i l t e rh a sr e a s o n a b kc h o s e t h es i i n u l a l i o nr e s l l l tc e r t m c a t e st h eg o o d p e r f o r m a n c eo f t h e n t r o l l e r u n d e r 让坶g r 小c o n n e c t e dm o d e ，也ed g s h a sf i x e da sa “l o a d ，a c c o r d i n gt ot h i s i d e a ，d u a lc o n 朝吣ll o o p sf o io u t p u tp o w e ra n dc u 付e n ti sc h o s ea s 也ec o n l r o l 哙a t e g y b yo p t i t n i z ed e s i g n i n gt h ep ip a f a m e t e r so ft h ea v e m g ep o w c rc o l l t m ll o o p 、c l l r r e n t c o n t r o ll o o pa n ds o f t p l ll o o p ，a n dr e a s o n a b l ec h o o s i n gt h ei s o l a t e dt r a l l s f o m e r ，m e m a t l a bs i m u l a t i o nm o d e lo ft l l 。证v e m r _ b a s e d g r i d c o n n e c t e d d g sh a s e s t a b l i s h e d p o s s e s s i n gt h eg r e a tp e r f b h n a n c e0 fm l b l ea n dd y n a m i c 他s p o n s e s t h e n ，l m d e ra n a l y z i i l go nt l l ec i r c u i tc u r r e n ta n dt h eo u t p u tp o 、v e ro ft h ep a r a l i e l o p e r a t i o no ft w od g s ，a d o p t sm ew i r e l e s sd r o o pc o n t r 0 1m e m o d ，e s t a b l i s h e st h e s i m u la t i o nr n o d e l ，a c c o r d i n gt ot h cs i m u l a t e dr e s u i t s ，t h ep o s s l j t yo ft h em u d ( s s u p p l y i n gs y s t e n lb a s e do nt h ep a m l l e lt e c h n 0 1 0 9 yi sp r o o f 色d t h en l e s i sa l s oi n l ：r o d u c e s1 1 1 eh a r d w a r eo ft h ed g si n t e r f a c e ，m i t s u b i s h ii p m m o d u l ej ss e l e c t e da si n v e n e r b r i d g e ， r m s 3 2 l f 2 4 0 7i ss e l e c t e da sm e m i c r o c o n t m l l e r ，a l s op a r t i c u l a r l ye x p l a i n st h ee f 艳c t so ft h ca s s i s t a n tc i r c i l i tmt h e 浙江大学硕士学位论文 1 n v e r t e rs e t a tl a s t ，也e 1 e s i si n 仃o d u c e st h el n e 血o d so fd e a l i n gw i t ht h ei s l a n d i n g o p e r a t i o nn l o d e ，f r a m e st h ei n t e g r a t e dg r i d - c o n n e c t e ds e tf o rd g s ，a n da n a l y s e st h e p o s s i b i l i t yo fr e a l i z i n gt h ec o n 拍l i e r a l s o “a s s u r e st h ef u t u r er e s e a r c h i n gd i r e c t i o n s o f t h ei t e m k e y w o r d s ：d i s t r i b u t e dg e n e m t i 彻；p o w e re l e c 廿o n i ct e c h n i q u e ；i n v e f t i n gc o n 廿o l s y s t e m 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 分布式发电的发展背景n 2 1 在北京时间2 0 0 3 年8 月1 5 日发生了震惊全世界的美加东部联合电网大停电 事件，在停电的黑暗之中，那些拥有分布式能源发电系统的企业、单位和机构依 然享受着光明和凉风，而且拥有备用发电机组的建筑可以不用摸黑爬楼梯。在停 电事故中心区域内的麻省理工学院、纽约州立大学、新泽西r u t g e r s 大学和普林 斯顿大学等拥有分布式“冷热电”三联供电系统的大学，纽约和多伦多的股票和 证券市场，还有诸多的医院，都因为拥有资源的分布式电源，保证了正常的运行 和生活。 国际上的专家们在总结这次北美大停电中，得出了一个结论“1 发展分 散式电源，比通过改造电网来加强安全更加简便快捷。美国负责电力监管的专家 估计，改造完善美国东北部电网所需要的投资是5 0 0 亿美元，而且不能确保类似 事故不再发生。有专家计算，如果用这笔钱去建设分布式能源系统，至少可以解 决约1 亿k w 的发电容量，若考虑发电机组余热供热和制冷所能取代的用电量以及 减少的输变电损耗，应相当于代替2 3 亿k w 的发电容量。这些设施不仅不依赖 电i 网来保证其安全供电，还可以自下而上托起电网的安全，而能源利用效率可以 比现有系统提高一倍，环境污染也相应减少一倍。 从另外一个方面说，全球经济的飞速发展，随之产生的是对世界环境的巨大 破坏，现在人们已经意识到人类生存的环境已经遭到巨大的创伤，保护我们的生 态环境已经刻不容缓，所以现在世界各国都在提倡“绿色环保”，而传统的发电 方式对环境的破坏极为严重，所以世界各国都在开发新型的绿色能源，探索高效、 节能、环保的发电方式。 正是由于具有上述特性，分布式能源受到世界各国的高度重视，认为它将成 为人类能源可持续发展的一个必经阶段，成为目前解决资源短缺和环境污染的最 佳技术选择。 浙江大学硕士学位论文 1 2 可再生能源在国内外的发展状况与前景n 3 7 ”1 1 2 1 国外可再生能源的发展 全世界的风能装机容量在2 0 0 3 年增长2 6 ，全球风电由1 9 9 7 年的7 6 3 6 m 1 ；y 增 长到2 0 0 3 年的3 9 2 9 4 m w 。过去1 0 年间，全球风电装机容量的年均增长率约为3 0 。 2 0 0 3 年，全球新增风电装机容量约为8 2 5 万千瓦，总风电装机容量己达4 2 5 0 万千 瓦。目前，至少有4 8 个国家已利用风力发电，而欧洲就占全球风电总装机容量的 7 0 ，且主要集中在德国、丹麦和西班牙。据德国环境部2 0 0 4 年8 月公布的统计 数据，2 0 0 4 年l 6 月，德国电力供应中，可再生能源发电量占了1 0 ，其中风 力发电已占可再生能源发电量的5 4 。如果加海上可利用风能资源，全球风能 资源总量将超过2 0 0 万亿千瓦时。2 0 0 3 年底，近海运行中的风电机组装机容量为 5 2 9 万千瓦，但全部在欧洲。自从实用性的硅太阳能电池问世以来，世界上很快 就开始了太阳能光伏发电的应用。随着太阳能电池技术的提高，价格已大大下降 ( 以7 0 年代不变价格计算，近3 0 年间，价格下降了数十倍) ，光伏发电逐渐在地面 上得到应用，规模也日益扩大。据报道，1 9 9 8 年，全世界太阳能电池组件生产量 已达到1 5 7 8 m w ，是1 9 9 2 年5 8 2 m l v 的近3 倍，2 0 0 3 年的生产量又比1 9 9 8 年翻了一倍。 2 0 0 3 年全世界光伏电池产量7 5 万k w ，累计装机3 1 5 万k w ，其中7 5 应用于德国、日 本和美国。太阳能热发电技术基本成熟，总装机容量己达5 0 万k w ，大部分在美国。 据统计，1 9 9 0 一2 0 0 2 年，世界发达国家风力年发电量增长2 4 5 ，太阳能电池 生产的电量年增1 7 ，地热发电年增4 。 就全世界来看，能源利用效率越高、环境保护越好的国家，对于发展分布式 能源技术的推广应用就越热衷，鼓励支持政策越明确。 丹麦是世界上能源利用效率最高的国家，在过去的近2 0 年中，g d p 翻了一 番，能源消耗却没有增加，污染排放反而大幅度下降。自1 9 9 0 年以来，丹麦大 型凝气发电厂容量没有增加，新增电力主要依靠安装在用户侧的、特别是工业用 户和小型区域化的分布式能源电站( 热电站) 和可再生能源项目，热电发电量占 总发电量的6 1 6 。丹麦新的目标是在2 0 0 8 年到2 0 1 2 年期间，将二氧化碳的排 放量比1 9 9 0 年降低2 1 。丹麦对于分布式能源采取了一系列明确的鼓励政策， 先后制定了供热法、电力供应法和全国天然气供应法以及对相关各 2 浙江大学硕士学位论文 项进行了法律修正案，在法律上明确了保护和支持立场。电力供应法规定， 电网公司必须优先购买热电联产生产的电能，而消费者有义务优先使用热电联产 生产的电能( 否则将做出补偿) ；1 9 9 0 年丹麦议会决议，1 m 1 v 以上燃煤燃油供热 锅炉强制改造为以天然气或垃圾为燃料的分布式能源项目( 热电站) ，对此类工 程的建设给予财政补贴并辅以银行信贷优惠。 美国把分布式发电技术看作是一组能使电力系统发生彻底变革的具有长期 潜力的技术。在今后几年中，要利用已有的和新建的分布式发电装置，在电力短 缺时作为电网的备用电源。在美国分布式发电站被定义为从几千瓦到3 0 兆瓦之 间的发电装置，通常，大于2 0 兆瓦的分布式发电站是在当地安装，利用燃气轮 机的热电联产装置，既供电，又供热。2 0 兆瓦或更大的电站经常与电网连接， 并与现行的电力系统和本地电网同步运行。小于2 0 兆瓦的分布式发电站包括小 型燃气轮机可以交替使用天然气和柴油发电机组。正在开始利用的微型燃气轮 机、燃料电池及分布式可再生能源发电装置，近几年间还不可能形成有效的市场 份额或产量，不可能成为有重要意义的备用发电容量，但是应当允许它们同电网 连接则是十分重要的。目前在用户处已经安装的分布式发电站，估计在美国总共 有5 0 吉瓦到1 0 0 吉瓦，每个电站的规模为5 0 兆瓦及以下。近几年，每年都大约 增加分布式发电站5 吉瓦。美国的电力行业引入竞争机制后，各州在寻求各种方 法，来保证并延续传统管理模式下由电力公司管理或资助的公益计划，很多州在 其重组计划内确立了支持可再生能源项目的方法。一些州确立的分布式发电政策 ( 包括补助方案、竞争性招标程序和面向消费者的融资方案) 也已经开始为可再生 能源、特别是为光伏电项目创建市场。 在目前的技术水平下，可再生能源发电还不具备与常规能源发电进行竞争的 能力。从发展眼光看，毫无疑问可以做到通过提高技术与制造水平、降低发电成 本，使可再生能源发电更具竞争力，但当前世界各国的可再生能源的发展都离不 开强有力的激励政策，包括税收、信贷、价格等方面。在可再生能源技术开发方 面，国家的作用是相当大的，不仅在基础研究阶段，就是在应用与研究开发阶段， 国家也承担了主体责任。从上述一些国家的成功经验中可以看到，国家层面的法 律保证和政府层面的执法决心和政策的可落实性以及执行层的力度是发展分布 式能源技术、实现可持续发展的关键保障。 浙江大学硕士学位论文 1 2 2 国内可再生能源的发展n 1 就在西方发达国家大力推广分布式能源的同时，我国分布式能源却步履维 艰。热电联产作为分布式能源的最重要组成部分，尽管在我国已经存在5 0 余年， 装机容量已经达到全国火电机组容量的1 4 5 8 ，2 0 0 2 年供热总量达到1 3 9 亿 g j ，已经为中国的节能和环保做出巨大贡献。但是，在中国全国人大颁布的4 0 0 多部法律中，却只在节能法中提及一次“热电联产”。在我国居高不下的能 源消耗水平背后，分布式能源迟迟得不到推广，是重要原因之一。 究其原因，在于政策阻碍，与发达国家相比，我国鼓励分布式能源等先进技 术的法律政策水平，还停留在一个相当初级的阶段，大约有1 5 2 0 年的差距。 分布式能源发电发展比较缓慢，主要存在以下两方面因素：在我国，分布式能 源项目连合法并网的问题都悬而未决。我国能源发展观念有待更新。 近年来，我国对分布式能源发电也开始逐渐重视起来，国家发改委能源局计 划将研究促进分布式能源发展的政策和措旖，对于工业生产用热，将支持采用小 型背压式热电联产机组，对于规模较小的县城地区，将结合秸秆等生物质资源利 用，支持生物质为燃料的热电联产机组的发展，力争到2 0 2 0 年，全国建成2 0 0 0 万千瓦生物质发电机组。同时，将研究支持天然气热电联产、沼气发电、太阳能 光伏发电等小型分布能源系统发展的政策和措施、促进我国分布式能源系统的发 展，充分有效利用能源资源，提高能源利用效率，促进我国经济和社会的可持续 发展。 1 2 3 中国发展分布式发电的意义 分布式能源的发展十分迅猛，在能源系统中的比例不断提高，正在给能源工 业带来革命性的变化。中国缺油少气，发展分布式发电必须以可再生能源的综合 利用为核心。我国可再生能源储量丰富，开发利用的前景广阔。从而在中国发展 分布式能源发电具有以下凡方面意义： ( 1 ) 解决日益严峻的环境压力的需要。中国是目前世界三大酸雨区之一，电 力行业产生的二氧化硫气体占总排放量的4 0 ，产生了严峻的环境污染问题。 ( 2 ) 我国天然气发展战略的需要。目前中国的能源战略以天然气为主的发展 4 浙江大学硕上学位论文 框架，而建立分布式能源电站是最有力的天然气买方市场的开拓者与培育者，是 中国能源结构调整的重要措施。 ( 3 ) 电力发展和调峰的需要。电源电网建设相对滞后，经济持续高速发展使 得全国范围内严重缺电，电力峰谷差较大，发展分布式发电将是削峰填谷的最有 力措施。 ( 4 ) 保障电力安全的需要。美、加、英、意大停电再次为全世界的电网安全 敲响了警钟，中国应从此吸取教训，当自下而上托起电网安全，发展分布式能源， 比通过改造电网加强安全更加简便快捷。 ( 5 ) 提高能源利用效率的需要。我国能效平均仅3 2 ，低于发达国家1 0 一2 0 ， 而人均能源占有量仅为世界平均水平的1 2 ，能效提高成为中国能源可持续发展 的重中之重。分布式能源作为已商业化的能源利用方式中效率最高的一种，对提 高能源利用效率具有非常重要的意义。 1 3 分布式发电的定义和优点3 1 1 3 1 分布式发电的定义和分类 分布式发电，又称分散式发电或分布式供能，是相对于传统的集中式供电方 式而言的，是指功率为几千瓦至几十兆瓦、与环境兼容的独立电源系统用以满 足电力系统和用户的特殊要求，具有灵活的变负荷性调峰性能，可为边远用户或 商业区提供较高的供电可靠性，节省输变电投资，适合可再生能源利用的一种新 型发电系统。 根据分布式发电系统所使用一次能源的不同，分布式发电可分为：基于可 再生能源的分布式发电技术：太阳能4 光伏发电技术、风力发电技术、小水力发 电技术、，地热及潮汐发电；基于化石能源的分布式发电技术：微型燃气轮机 技术、燃料电池技术等。 基于分布式发电与电力系统的互连关系，可将分布式 发电分为：并网分布式发电系统；独立分布式发电系统。按分布式发电电能 转换接口技术分，可分为：旋转式发电机直接发出工频交流电，直接a c 柏c 技 术；基于a c d c a c 或d c a c 的逆变技术。 浙江大学硕士学位论文 1 3 2 分布式发电的优势n 叫 分布式发电设备起停方便，负荷调节灵活，各系统相互独立，系统的可靠性 和安全性较高；此外，分布式能源多采取天然气、可再生能源等清洁能源为燃料， 更加环保。 相比与常规的集中供电方式，分布式供电具有以下优势：没有或很低输配电 损耗；无需建设配电站，可避免或延缓增加的输配电成本；适合多种热电比的变 化，系统可根据热或电的需求进行调节从而增加年设备利用小时；土建和安装成 本低；各电站相互独立，用户可自行控制，不会发生大规模供电事故，供电的可 靠性高；可进行遥控和监测区域电力质量和性能：非常适合对乡村、牧区、山区、 发展中区域及商业区和居民区提供电力：大量减少了环保压力。 1 4 分布式发电的关键技术一电力电子技术“6 1 “1 变流接口 装置 图卜1分布式发电结构示意图 如图卜1 所示，常用的分布式发电系统都采用这样的结构。由于分布式发电 系统采用的一次侧能源的不同，所产生的电能也有相应的区别，可分为产生直流 电能和交流电能两种，但一般与生活，工业上应用的： 频的电能有较大差别，需 要进行一定的转化。目前分布式发电中常用的电力电子变流结构是直接a c a c 变换和间接a c d c a c 变换( 包括d c a c 变换) 。 1 4 1 交流形式的电能转化接口 微型燃气轮机、风轮机等通过旋转电机电磁感应原理的发电装置，其能发出 的电能三相交流电能，但频率与幅值与电网电压有很大差别的。微型燃气轮机运 行的速度很高，可以达到每分钟8 0 0 0 0 转，交流发电机的输出具有很高的频率； 6 浙江大学硕士学位论文 风轮机既可以以恒定速度运行也可以以变速度运行，所以它既可以与同步电机相 连也可以与异步电机相连，但目前自然风速不恒定，所以风轮机发出的交流电能 频率不恒定。因而这两种分布式发电系统不能被直接连接到电网上或供给用户 侧，中间需要一个变流环节。这两种发电装置可以采用直接a c a c 变流和 a c d c a c 变流，女口图1 2 ，1 3 所示。 串争一 塞蒉襄网 图卜2 微型燃气轮机、风轮机交交变流结构图 憋流器逆受器 j h 瀛母线 门 l 压一 聿宰 上7 7 聿童蠢簧袅网 燃气轮机 u t u l 图卜3 微型燃气轮机、风轮机交直交变流结构图 交交变流原理比较简单，直接将非工频电能转化为工频电能，但需要的电力 电子器件要多，控制方法较为复杂，并且要求发电端输出的电压幅值达到一定要 求才能输出正常的工频电能。交直交变流的方法需要先将交流变为直流，然后再 将直流变成交流，多出了一个直流环节，这种方法的效率没有交交变流方法高， 但是相对于控制系统比较简单，所用到的电力电子器件比较少。 1 4 2 直流形式的电能转化接口 光电系统、燃料电池等都直接产生直流电能，它们的变流装置不需要像微型 燃气轮机和风轮机一样加一级整流装露( 可以加一级直流电压升压环节) ，直接 就可以把直流电经d c a c 转换变为交流电，如图卜4 所示。 7 浙江大学硕士学位论文 逆变辫 图卜4 光伏系统燃料电池电能转化结构图 1 5 分布式发电装置变流控制系统的主要研究方向“甜“1 以上分析的几种在分布式发电系统中所采用的电力电子接口技术，都是通过 基于逆变技术的变流器进行电能的转化。随着用户对电能质量的要求越来越高， 任何由于谐波、瞬态电压、凹陷和扰动引起的偏离都会导致电能质量降低，从而 对电力电子变流控制系统提出了更高的要求。逆变控制系统作为分布式发电装置 中最为重要的一个部分，其大致可以分为以下几个研究方向。 1 5 1 数字控制技术的研究 当今数字控制技术的发展较为迅速，为高性能的逆变控制器提供了技术基 础，目前常用的几种数字控制方法有以下几种： ( 1 ) 数字p i 控制 数字p i 控制以参数简单、易整定等特点得到了广泛应用。但是，数字p i 控制 算法应用到逆变控制中，会存在着一些局限性：系统的采样量化误差，降低了 算法的分辨率，使得p i 调节器的精度变差；采样和计算延时使被控系统成为一 个具有纯时间滞后的系统，造成p i 控制器设计困难，稳定性变差，随着高速d s p 及高速a d 的发展，数字p i 控制技术在逆变控制中将会有更广的应用。 ( 2 ) 滑模变结构控制 滑模变结构控制鲁棒性强，对参数变化和外部扰动不敏感，由于其本身具有 的开关特性，适用于电能变换器的闭环反馈控制。逆变系统采用滑模控制使输出 波形有较好的暂态响应，不足之处是系统的稳态性能会不大好。滑模控制加入前 馈控制能提高暂态性能和稳态精度，但过载情况运行不好。由参数自适应的线性 8 浙江大学硕士学位论文 前馈控制器和非线性滑模控制器组成逆变控制系统，将会在这两方面得到很好的 改善。 ( 3 ) 无差拍控制 无差拍控制綦本思想是将输出正弦参考波等间隔地划分为若干个取样周期， 根据每一取样周期的起始值，计算出关于取样周期中心对称的方波脉冲作用，负 载输出在取样周期末尾。适当控制方波脉冲的极性与宽度，就能使负载上的输出 在取样周期的末与输出参考波形相重合。在很低的开关频率下，无差拍控制能够 保证输出波形的质量。采样和计算时间的延迟，对系统参数的变化反应灵敏，鲁 棒性差是无差拍控制的不足地方。通过状态观测器对系统状态提前进行预测，能 修正采样和计算延时对系统的影响。对系统参数进行在线辨识，可以提高系统的 鲁棒性 ( 4 ) 重复控制 重复控制可以克服非线性负载引起的输出波形周期性的畸变，通常结合其他 控制方式来使用。重复控制的基本思想是假定上一周期的基波将会在下一周期的 同一时间重复出现，可以根据给定信号和反馈信号的误差来确定所需的校正信 号，并在同一基波时间将此信号叠加到原控制信号上，消除重复出现的畸变。重 复控制能使系统获得了很好的静态性能，并且在微处理器中易于实现，但该技术 却不能够获得好的动态性能。 ( 5 ) 模糊控制 模糊控制器的设计不需被控对象的精确数学模型，并且有较强的鲁棒性和自 适应性。模糊控制能够在准确性和简洁性之间取得平衡，可以有效地对复杂的电 力电子系统做出判断和处理。理论上已经证明，模糊控制可以任意精度逼近任何 线性函数，不过受到当前技术水平的限制，模糊变量的分档和模糊规则都受到一 定的限制，隶属函数的确定还没有统一的理论指导，带有一定的人为因素，因此， 模糊控制的精度有待于进一步提高。 1 5 2p w m 调制技术的研究 随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，p w m 控制已成为变流控制的核 心，任何控制算法的最终实现几乎都是以各种p w m 控制方式完成的。目前已经提 9 浙江大学硕士学位论文 出并得到实际应用的p w m 控制方案就不下十几种，尤其是微处理器应用于p w m 技术 并使之数字化以后，从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦；从效率最 优，到消除噪音，再到降低输出谐波等，p w m 控制技术的发展经历了一个不断创 新和不断完善的过程。根据p w m 控制技术的特点，常用的主要有以下几种方法： ( 1 ) 正弦s p w m 法 s p w m 法是一种比较成熟的、目前使用较广泛的p _ | v m 法。s p l v m 法采用脉冲宽度 按正弦规律变化和正弦波等效的p 嘲波形，来控制逆变电路中开关器件的通断，使 其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过 改变调制波的频率和幅值就可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。但这种方法 在逆变控制中直流电压利用率不是很高，开关器件的开合次数较多。目前常用的 s p w m 方法有：等面积法，自然采样法，规则采样法，低次谐波消去法。 ( 2 ) 电流控制p w m 电流控制删技术是一种新颖的控制技术，近年来得到了相当大的发展及较 广泛的应用。电流控制p w m 技术有不同的方案来实现，其共同特点是：通过监测电 感电流直接反馈去控制功率开关的占空比，使功率开关的峰值电流直接跟随电压 反馈回路中误差放大器输出的信号变化而变化。它适用于大量应用场合，具有控 制简单、对负载参数不敏感及具有较强鲁棒性的特点，调制性能随着现代功率器 件开关频率的增加而得到改善。目前实现电流控制的方案有：滞环比较法和三角 波比较法。 ( 3 ) 空间电压矢量控制( s v p ，i 【m ) s v p w m 以三相波形整体生成效果为前提，以逼近三相旋转磁场轨迹为目的， 用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准磁通，由它们的比较结果 决定逆变器的开关，形成p w m 波形。s v p 踟是一种优化的p w m 方法，它与传统的s p w m 方法相比，具有直流电压利用率高、谐波成份少，控制简单，数字化实现方便等 优点，大有取代传统s p _ l v m 的趋势。 浙江大学硕士学位论文 1 6 本论文的选题意义及主要的研究内容 1 6 1 选题意义 随着全球经济的飞速发展，人类对能源的需求越来越多。但是，地球不可再 生能源，如石油、煤炭等，随着过量开发利用也是趋短缺，并且对环境造成了较 为严重的污染。因此，研究和开发洁净可再生能源，比如太阳能，风能，小水电 等将会是今后2 l 世纪可持续发展的重要研究方向。而利用可再生洁净能源发电 的关键技术就是如何将其转化成的电能，并且要求输出稳定、安全、可靠，从而 分布式发电装置逆变系统的研究成为合理利用新能源供电课题中的重中之重。本 课题根据分布式发电装置不同供电模式，对逆变控制系统的设计进行了深入研 究，并在仿真实验上取得了一些研究成果，将会为今后的硬件系统的实现提供一 定的理论基础。 1 6 2 主要研究内容 本课题主要对分布式发电装置在不同供电模式下逆变控制系统的设计进行 了初步的研究，并且设计出了相应的硬件系统。主要的内容包括： ( 1 ) 分布式电源作为唯一供电电源模式。分析该模式下的供电网络结构图， 给出相应的等效电路图，基于对等效数学模型的分析，在旋转坐标系下进行逆变 系统的控制方案设计。建立仿真模型，分析所设计的逆变控制器在不同负载类型 和负载突变的情况下，能达到谐波较小、输出稳定的电能，并且控制系统具有较 好抗扰动性能。 ( 2 ) 分布式电源与电网并联运行模式。根据分布式电源并网的条件和并网后 对系统结构的影响，提出分布式电源作为功率“负载”特性的想法。基于输出功 率恒定的分析，确定功率电流双环控制的逆变策略，并通过软件锁相实现与电网 同步，选取合理的并网隔离变压器和输出滤波器，在仿真模型上实现性能较为完 备的逆变型并网分布式发电系统。 ( 3 ) 多台分布式电源并联运行模式。分析并联运行时供电网络的拓朴结构， 并以双机为例，研究分布式电源并联运行时的环流特性和功率输出等问题，并讨 浙江大学硕士学位论文 论采用无互联线控制的并联运行逆变控制系统的设计，在仿真上实现环流抑制， 功率输出动态分配良好的双机互联系统。 ( 4 ) 介绍本课题实验中搭建的硬件电路，具体说明所采用的i p m 智能模块，信 号处理器( d s p ) 的特点，并对相应电源模块，采样电路，驱动隔离电路，以及 抗干扰措施方面进行仔细的设计，为后续分布式发电装置在硬件上的实现创造良 好的实验基础。 ( 5 ) 分布式电源综合性并网控制系统的设计。分析在同一控制器里实现( 1 ) 和 ( 3 ) 的功能，以及对重新并网和“孤岛”情况的处理办法进行探讨，提出了综合性 并网控制器实现的可能性，并在此基础上提出今后研究的几个方向。 浙江大学硕士学位论文 第二章分布式电源作为唯一供电电源模式 分布式电源作为唯一供电的电源，其供电网络如图2 1 所示。分布式电源可 以直接向负载供电，这样的系统将成为小型的配电网络。一般在偏远的山区或电 网不能到达的地方都可以采用这样的发散式配电网络。 图2 一1分布式电源作为唯一电源的配电网络图 分布式电源的电能输出必须要满足负载的要求，目前常用的技术是采用电力 电子接口来向负载输出电压幅值和频率恒定的交流电能，从而达到所需的有功功 率和无功功率的输出。 2 1 三相逆变型分布式电源的电路拓朴 图2 2 三辎逆变电路图 逆变器是最常用的电能转换接口，三相三线制的逆变桥可以将直流电能转化 为工频下的交流电能。如图2 2 所示，直流电能通过三相六桥逆变器转变为所需 的三相电能，实现这样的目标需要对逆变桥进行精确的控制，以下通过分析该电 路拓朴的数学模型来进行控制器的设计。 浙江大学硕上学位论文 2 2 三相逆变器的数学模型 2 2 1 帕克变换 假设三相对称系统 件压 训 u s i n ( 耐) u s i n ( f 一1 2 0 。) u s i n ( 硝+ 1 2 0 。) 经过p a r k 变换后变为旋转坐标系 阱r ；： = 丁 心 ( 2 1 ) 黼r = 信 = ，竺篆! 篡怒。， 2 2 2 旋转坐标系下的数学模型n 8 ”1 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 如图2 2 所示，利用电路基本定律( 基尔霍夫电压、电流定律) ，可以对三相 六开关桥式电路进行数学建模。在本系统的电力电子开关器件控制中采用s p w m 方法产生脉冲控制信号，由于开关频率远远高出逆变系统输出的工频，可以将 s p w m 逆变桥等效为一比例环节，或者有时也可蚍等效为一延迟环节和比例环节。 如图2 3 所示的等效数学框图，将逆变桥等效为一比例环节，其系数为k ，。，。 由图2 3 中可以得到在静止坐标系下的两组微分方程式，如式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 所示。 浙江大学硕士学位论文 c 进行帕克变换可得 d i l ， d t d i m d i l c d l d 卉 d 6 d l d 。 d t 图2 3三相逆变器等效模型 剖一目 国 r 屯 1 儿 。忆儿。 捌+ 1 等 ，班h 1 竽 o 阮 1 c 1 c j k 儿o 1 5 ( 2 4 ) ( 2 5 ) o 1 三j l j - 6 o 陬1 1 d l j 他- 7 ) 1，j 。l 一 _l_i 口 6 c u u u l = o 砌 。哪 _l_。l = = j 砌肠肠肠 浙玎大学硕士学位论文 根据( 2 6 ) 和( 2 7 ) 两式可得到在d q 坐标系下的三相逆变器等效数学模型， 如图2 4 所示，上述两式中将电容和电感内部阻抗忽略。 图2 4 旋转坐标系下的等效模型 由式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 两式可以很直观、清晰地了解逆变系统的电流电压特性， 但是由于输出侧均为时变的交流量，不利于控制系统的设计。通过帕克变换得到 的( 2 6 ) 、( 2 7 ) 式是在旋转坐标系下的电压电流表达式，将静止坐标系中的基 波正弦变量转化成同步旋转坐标系下的直流变量，简化了控制系统的设计。 通常在同步旋转坐标系下，功率的计算采用以下方法： & = “d + 耐+ 叼+ 勾 鲰= “d + 幻一叼+ 耐 由于在帕克变换后= o ，则功率计算式可化为： & = + 0 = 4 很明显，在三相电路中，同步旋转坐标系下q 轴电流与无功功率相关，d 轴电流 与有功分量相关。 2 3 逆变控制系统的设计“2 1n 5 1 1 跚2 2 1 在图2 4 中的旋转坐标系下的数学模型可知，为了改善三相输出电能，需对 电压和电流进行精确、动态控制。目前有许多种控制策略，最典型的是电压电流 1 6 浙江大学硕士学位论文 双环控制的方法，如图2 5 所示。 该策略下的逆变控制基本思想通过对输出滤波器的电感电流和电容电压的 控制来达到输出电能的要求。逆变器是一个典型的二阶系统。假如对该系统的上 述两个变量都进行控制，系统的性能将得到更大的改善。如果增加对电感电流的 控制，系统的稳态，暂态性能均能得到提高，因为电感电流等于负载电流加滤波 器电容电流，而滤波器电容电流为输出电压的微分，所以电流内环反馈相当于在 电压反馈中加了一个比例微分超前校正网络，这样可以使系统更加趋于稳定。这 种方法叫做双环控制，电压电流双环控制控制精度高，t h d 值小。目前常用的逆 图2 5 电压电流双环控制框图 变控制算法是数字p i d 控制，滑模结构控制技术，重复控制技术，无差拍控制， 模糊控制技术等“”“3 “1 。工程上比较常用的是数字p i 控制，以下就围绕在旋 转坐标轴下如何设计数字p i 控制器进行讨论。 2 3 1 电流控制环设计 由式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 可知，在旋转坐标系下，d q 两轴之问是相互耦合的，如 图5 所示。为了方便设计p i 控制器，并且改善动态控制效果，需要进行解耦控制 “m ”。通常可以采用前馈解耦控制或反馈解耦控制，在这里，我们采用前馈 解耦的方法，并且在加入p i 控制器后的电流环框图如图2 6 所示。 1 7 浙江大学硕士学位论文 o q 坟蔓羧 以瘦 鼬踅 p w m 脒冲的 ”乒 图2 6电流环解耦控制框图 解耦后，电流环的d q 两轴可以进行独立设计，并且在d q 轴下的p i 控制器 的参数都是一样。在设计电流环时，在这里可以将逆变桥等效为一个放大环节( 比 例系数为k ，。：粤) 和延时环节( 时间常数为；，t 为采样周期) ，将负载的 变动作为扰动，以u 。表示。 如图2 7 所示的电流环等效结构图，可以得到未加入虚线框中p i 控制环节 的电流环开环传递函数： g fc 耻赤志惫c z s ， 图2 7 电流环等效结构图 对于采样保持时间常数和开关时间常数可以简化成一阶模型，其时间常数可设为 瓦“t + 耳= 1 5 t 则式( 2 8 ) 的电流环开环传递函数可转化为： 1 鳅耻志慧2 南急2 蒜。， r ，1 其中：e 2 责，甄2 壶，砭2 1 5 i 1 8 浙江大学硕士学位论文 令p i 环节 叩) 刊等) 加入p i 调节器后的电流开环传递函数： ，( 等) 揣( 2 _ 1 0 ) 在工程上p i 控制器设计有两种方法：典型1 和典型2 设计方法。为了简化 电流环的算法，可以采用典1 型设计可以将p i 控制器的时间常数取成z = 五， 则( 2 1 0 ) 式可化为： 哪，= 器 则可得闭环传递函数： 哪，2 器2 i 工去互j 蚴 k k l xp mk 。k l x m 根据典型1 设计方法，可以取阻尼下降系数d = o 7 0 7 ，即 d ： 墨 4 t x k | x l k p 则可求得 茂= = = _ 一 ( 2 一1 3 ) 2 矗砟。 典型l 设计方法的目标是将二阶系统简化为一阶模型，从式( 2 一l z ) 可知平方 项的两时间常数的乘积比较小，可以忽略。将k 值代入( 2 一1 2 ) 式后，电流环一阶 模型变为： 2 雨匆2 南 娌1 a ， 其中： e = 4 砭d 2 = 2 由( 2 一1 4 ) 式可得电流环频宽： 1 9 浙江大学硕士学位论文 z = 嘉z 去正 ( 2 1 5 ) 对于较大功率的分布式电源，其电流环时间常数t 较大，从而导致p i 控制器 的时间常数也很大，在扰动发生，将会经过长时间的调节重新进入稳定阶段。为了 改善抗扰动性能，可以将p i 控制器的时间常数取成1 0 2 0 倍的采样周期。即取 z = 1 5 f ( 2 1 6 ) 将p i 控制器的时间常数取小后，会使超调增大，但电流环等效一阶系统的频宽不 会减小，仍按( 2 一1 5 ) 式计算。 将输出滤波器的电感取l = 2 m h ，r = 1 ，m ，耳。= 3 5 0 ，采样时间l 取1 0 0 s 。 则p i 控制器的参数按( 2 1 3 ) 和( 2 1 6 ) 取，可得 墨= o 0 1 7 8 ，正= o 0 0 1 5 可得电流环p i 控制器传递函数： 叩m ( 等m 姗镒) f r e q u e n 时的吐，s ) f r e q u e n c y ( r a d ，s ) 图2 8 加入p i 控制器前的电流闭环波特图 可三iua芝 一曲告pj毋也 浙江大学硕士学位论文 d 宙- 2 0 蕾- 4 0 嚣。6 0 孟8 0 1 1 袜 j ， x x 1 卜 * 由式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 可知电压环的控制框图，如图2 1 0 所示。 图2 1 0电压环等效结构图 电流环等效一阶模型的传递函数为g 矗( j ) ，如( 2 1 4 ) 式所示。由于滤波环 节的时间常数和电流环等效时间常数比较小，可以将这两环节简化为一个环节， 其时间常数为： 2 l 浙江大学硕士学位论文 电压环的开环传递函数 电压环闭环传递函数 设p i 环节传递函数为： = r m + 正 ( 2 1 7 ) q ( 垆击( 2 - 1 8 ) 刚跏瓦击丽( 2 1 9 ) 叩m ( 写 ( 2 - 2 。) 则可得加入p i 控制器后的电压开环传递函数： 啪，2 击鼍产壶z ， 其中： = 4 t 根据控制理论中的对称优化方法，可以在穿越频率处进行对称性设计。 其中： 哎： ( 2 2 2 ) 哎2 瓦 2 ) 口：生掣 ( 2 - 2 3 ) s i n p 。= 压， 则在穿越频率处，p i 控制器的比例环节系数： 疋2 杀 ( 2 _ 2 4 ) 根据控制框图，可得到电压环的闭环传递函数 2 琢高等蕞面 z s ， l ，则可略去，从而可化为： 浙江大学硕士学位论文 删) = 鑫z e ) 由极点的对称分布，从而可设二阶系统的下降系数d = o 7 0 7 ，同时，根据对称优 化理论，可取a = 2 4 。则可得电压环的闭环频宽为： 气，：旦。上：五 ( 2 2 7 ) 。妇 2 石6 0 r 6 0 从而可知电压环的截止频率为电流环的l 3 。由上述电流环分析可得其截止 频率为1 2 k h z ，则可将