（电气工程专业论文）含分布式发电的配电网电能质量综合控制研究.pdf

硕 二学位论文 速补偿电压波动和消除本地负载和s v c 本身产生的谐波，使得分布式发电系统更 容易被配网接纳。 针对分布式电源、微网的并入对配网带来的消极影响以及其功率可控调度方 便的积极作用，本文提出了一种含分布式电源、微网以及电能质量控制装置的配 电网电能质量多代理控制系统结构，建立了以电能质量国家标准为控制目标，综 合考虑分布式电源及微网极限出力、电能质量校正装置容量为约束条件的配电网 电能质量综合控制模型。构建的含分布式发电与电能质量治理装备的经济高效的 电能质量控制平台对目前分布式发电的供电质量治理有较好的借鉴意义。 关键词：分布式发电；微网；逆变器；无功补偿；谐波治理 l a b s t r a i 吐 n e we m e r g i n gc o m p o s i t es y s t e m o fl a r g e旷i da n dd i s t r i b u t e dg e n e r a t l o n 1 s c o n s i d e r e da sa ne f f e c t i v em o d eo fs a v i n gi n v e s t m e n t ， r e d u c i n ge n e r g yc o n s u m p t l o n a n di n c r e a s i n gt h er e l i a b i l i t y f o rt h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，t h ed i s t r i b u t e dg e n e r a t l o n c o u l du t i l i z et h el o c a ls u p e r i o rr e s o u r c e ，p r o v i d i n gc l e a na n d r e l i a b l ee n e r g yt ou s e r s ， b u ta l s ob r o u 曲tm a n yn e g a t i v ee c t s d i s t r i b u t i o nn e t w o r k i sm a i n l yc o n n e c t e dn e a r t h eu s e ra tt h et e r m i n a lo ft h ep o w e rs y s t e m a n dt h ep o w e rq u a l l t yl s n o t9 0 0 d v a r i o u sk i n d so fp o w e rq u a l i t yp f o b l e m s ，s u c ha sv 0 1 t a g es a g ，v o l t a g e n i c k e r ，s u p p l y d i s r u p t i o n s ，s h o r tt e 姗t h r e ep h a s eu n b a l a n c e da n d h a 珊o n i c s e t c ，i ns o m ed e g r e e m a k et h eo c c u r r e n c eo ft h ep o w e rs u p p l yb l o c k i n ga n ds e c o n d a r y f a 1 1 l tm o r ee a s l e r h a p p e n 1 nt h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kw i t hh i 曲p e n e t r a t i o no f d g sa n dm i c r o g r l d s ，n e p r o b l e mo f h o wt ot a k ea d v a n t a g e o ft h es t r o n g p o i n to fd g s ，t o a v o i di t ss h o r t c o m l n g a n dt oc o n s t f u c te f f e c t i v e ， e n e r g y s a v i n g a sw e l la sh i 曲 l e v e l p o w e re n e r g y d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，o nt h ep r e m i s eo fn o ti n c r e a s i n g h a r d w a r ec o s to ft h ep o w e r q u a l i t yc o r r e c t i o nd e v i c e si nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，i sw o n h w h l l e t or e s e a r c n d u et ot h es a m ec i r c u i tc o n f i g u r a t i o no fg i r d c o n n e c t e di n v e r t e ro fp v a n da c t l v e p o w e r 丘l t e r ，t h em i c r o g r i dp vp o w e rs y s t e mw i t hn l t e r i n gf u n c t i o n w h l c hc a nw o r k a st h eg r i d c o n n e c t e d i n v e r t e ra n da c t i v ep o w e r6 l t e rs i m u l t a n e o u s l y a n dl t s c o l l r e s p o n d i n gu n i f i e dc o n t r o lm e t h o da r ep r e s e n t e d af e a s i b i l i t ys t u d y f o ru n l t l e d c o n t r o la n dt h es y s t e md e s i g np a r a m e t e r s a r ep u tf o r w a r d t h e o r e t i ca n a l y s l sa n d e x p e r i m e n t sp r o v e dt h ef e a s i b i l i t y o f t h i ss c h e m ew h i c hi n c r e a s e st h ea d v a n t a g eo t d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o nb ys u p p l y i n ge n o u g ha c t i v ep o w e r t ot h el o a da n dl m p r o v e st h e p o w e rq u a l i t yb ys u p p r e s s i n g t h eh a r m o n i c sc a u s e db yt h en o n l i n e a rl o a d i no r d e r t o l e tm i c r o - g r i d b em o r ee a s i l ya c c e p t e d b yd i s t r i b u t i o nn e t w o r ka n du n d e r t o o km u c h r e s p o n s i b i l i t y ，i nt h i sp 印e r ，r e a c t i v ev o l t a g ec o l l a b o r a t i v e c o n t r o ls y s t e mc o n s l s t e do t d s t a t c o ma n dm i c r o g r i d i s p r o p o s e d i tu s es m a l l c a p a c i t yd s t a t c o ma s c o n t i n u o u ss u b s y s t e mf o rr a p i dc o n t i n u o u sr e a c t i v ep o w e r r e g u l a t i o na n dm l c r o g r l d a sd i s c r e t es u b s y s t e m t o p r o v i d e l a r g e - c a p a c i t yg r a d e d r e a c t i v ep o w e r lh e l r c o l l a b o r a t i v ew o r k i n gc o u l df e a l i z er a p i da d j u s t m e n to f r e a c t l v ep o w e l c o n ng u r a t i o no fs t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ( s v c ) i nt h ed i s t r i b u t e dp o w e rs u p p l y s v s t e mi saw i d e l ya d o p t e da n de f f e c t i v e m e a s u r et oi m p r o v et h eq u a l i t yo fp o w e r s u p p l y a ss v ci t s e l fi sh a r m o n i cs o u r c e ， t h ep a p e rp r o p o s e dt oa d dh a m o m c l v 硕上学位论文 c o n l p e n s a t i o no r d e ri nt h ec u r r e n tr e g u l a t i o nl o o po fg r i d c o n n e c t e di n v e n e ro nt h e p r e m i s eo fn o ti n c r e a s i n gh a r d w a r ec o s t ，i no r d e r t os u p p r e s st h eh a r m o n i cg e n e r a t e d b vi o c a ll o a da n ds v c f o ft h ee x i s t i n gs v c c o n t r o lm e t h o di sd i f f i c u l tt oa d a p tt h e d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n sc h a r a c t e r i s t i c so fi n t e r m i t t e n t a n df l u c t u a t i o n ，t h es v c v o l t a g ec o n t r o ls t r a t e g yb a s e do no p t i m a lr e c u r s i v ei n t e g r a lp ii sp u tf o r w a r di nt h e p a p e r t h ep a p e ra n a l y s e st h ec o n t r o ls t a b i l i t y o ft h ea d d i n gf i l t e r i n gs y s t e ma n d p r o p o s e si n l p r o v e dm e a s u r e m e n t t h ei n t e l l i g e n ta n dh i g hq u a l i t yp o w e rs u p p l y s v s t e mo fi n v e n e r b a s e dd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o nw i t hs v cc o u l dn o to n l yp r o v i d e p o w e r ，b u ta l s oc o n l p e n s a t ef 0 rv o l t a g en u c t u a t i o nq u i c k l ya l o n gw i t he l i m i n a t i n g h a r m o n i cp r o d u c e db yl o c a ll o a da n ds v c a i m i n ga tt h en e g a t i v ei m p a c ta n dt h ea d v a n t a g eo fi m p r o v i n g t h ep o w e rq u a l i t y b r o u g h tb yd g s ，t h ep a p e rp u t sf 0 r w a r da k i n do fp o w e rq u a i i t ym u l t i a g e n tc o n t r o l s y s t e m a c c o r d i n gt ot h eu n i t e da n a l y s i so fe x a m p l eu n d e rv a r i o u sk i n do f c o n d i t i o n s ， t h ec o r r e c t i o na n de f t e c t i v e n e s so fp o w e rq u a l i t ym u l t i a g e n tc o n t r o lm e t h o di n d i s t r i b u t i o ns y s t e mw h i c hc o n t a i n sd i s t r i b u t e dp o w e rs u p p l yi sv e r i f i e di nt h ep a p e r k e y w o r d s ： d i s t r i b u t e d g e n e r a t i o n ； m i c r o - g r i d ； i n v e r t e r ； r e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n ；h a r m o n i ce l i m i n a t i o n v 硕上学位论文 第1 章绪论 随着在中压l o k v 等级大功率分布式电源和集中式电站、小水电以及在低压3 8 0 v 等级微 网等分布式发电形式大量接入配电网，由于部分分布式发电形式具有波动性和间歇性特征、 大量变流器件的使用带来谐波注入、单相电源接入、联网孤岛模式切换等原因，含分布式发 电的中低压配电网电能质量控制成为新的研究重点。 本论文按照中压和低压配电网两个电压等级，提出一种主动与被动相结合的电能质量解 决方案：在低压配电网，研究带滤波功能的光伏并网逆变器设计，进行分布式电源并网节点 处的谐波主动治理，消除非线性负载带来的谐波，使得在配电网看来，分布式电源表现为负 责任的发电端，这在配置建筑集成光伏系统的楼宇有较广阔的应用前景；研究微网与 d s t a t c o m 在配电网无功电压联合调整中的应用，使得微网担当一定的无功调整职责，使 得其更容易被配网接纳；在中压等级，主要进行配置s v c 的高品质逆变型分布式发电供能系 统研究，在快速调整分布式发电带来的电压波动的同时，使分布式发电并网逆变器增加滤波 功能滤除s v c 产生的谐波，达到高品质供能的目的。主被动治理的思路贯穿于中低压两个电 压等级的电能质量解决方案中，具体来讲，主动控制主要由分布式发电单元本身通过进行逆 变器复用技术改进，使其具备滤波功能，来补偿本地非线性负载和其他电力电子器件产生的 谐波，以及使微网和分布式发电单元具备一定的无功补偿功能，在发电供能的同时担当更多 的电能质量控制职责，发挥分布式电源功率调度方便、响应积极的以及部分电源并网接口具 备与传统电能质量控制装置相同的拓扑结构等优势，降低传统电能质量控制装置如静止同步 发生器、无源有源滤波装置等的容量，以较低的代价维持含大功率分布式电源、微网的配电 网电能质量水平，进一步降低分布式发电并网门槛，使其在并网节点看来，更容易被配电网 接纳，同时本文建立了含多种分布式电源及电能质量控制装备的综合平台。 本章将阐述课题研究的背景及意义，综述含分布式发电的配电网电能质量相关内容的研 究现状，并简述本论文主要研究内容及各章节安排。 1 1 课题研究的背景及意义 能源是人类赖以生存和发展的基础，电力作为最清洁便利的能源形式，是国民经济的命 脉。电力生产的过程就是大规模地将各种类型的一次能源转换为容易输送和方便转换的电能 并输送分配的过程。传统的煤炭、石油等一次能源是不可再生的，终归要走向枯竭。因此， 提高能源利用效率、开发新能源、加强可再生能源的利用，就成为解决我国经济和社会快速 发展过程中日益凸显的能源需求增长与能源紧缺、能源利用与环境保护之间矛盾的必然选择。 研究与实践已表明，分布式发电供能技术将在此过程中起到越来越重要的作用。采用分布式 发电供能技术，有助于充分利用各地丰富的清洁和可再生能源，向用户提供“绿色电力”，是 l 含分布式发i l l 的配电网电能质量综合控制研究 实现我国“节能减排”目标的重要举措。分布式发电供能是指利用各种可用的分散存在的能源， 包括可再生能源( 太阳能、生物质能、小型风能、小型水能、波浪能等) 和本地可方便获取 的化石类燃料( 主要指天然气) 进行发电供能，是分布式能源最清洁、最高效的利用方式。 随着全球能源领域竞争的加剧，世界各国日益重视自身可持续发展战略的实施，作为这一战 略的核心技术之一，分布式发电供能技术的研究日益受到各国关注。随着世界各国在相关领 域投资的不断加大，分布式发电供能技术得到了迅速发展，其发电成本越来越低，尤其风力 发电、太阳能发电和采用燃气机组的冷热电联供( c c h p ) 系统的经济性几乎可以与传统的 发电方式相竞争。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 ，全球并网太阳能发电容量增加了5 2 ，2 5 0 万个家庭 使用太阳能照明，2 5 0 0 万个家庭利用沼气做饭和照明，分布式发电供能是提高可再生能源利 用水平，解决当今世界能源短缺和环境污染问题的重要途径。 大电网与分布式发电供能系统相结合，不仅有助于提高分布式发电的供能质量，有助于 分布式发电技术的大规模推广应用，也有助于防止大面积停电，提高电力系统的安全性和可 靠性，增强电网抵御自然灾害的能力，对于电网乃至国家安全都有重大现实意义。分布式发 电供能系统由于采用就地能源，可以实现分区分片灵活供电，通过合理的规划设计，在灾难 性事件发生导致大电网瓦解的情况下，可以保证对重要负荷的供电，并有助于大电网快速恢 复供电，降低大电网停电造成的社会经济损失：分布式发电供能技术还可利用天然气、冷、 热能易于在用户侧存储的优点，与大电网配合运行，实现电能在用户侧的分布式替代存储， 从而间接解决电能无法大量存储这一世界性难题，促进电网更加安全高效运行。另一方面， 分布式发电供能系统与大电网并网运行，有助于克服一些分布式电源的间歇性给用户负荷造 成的影响，进而提高系统供电的电能质量。 分布式发电供能技术将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 作，将有助于培育自主创新能力，提升我国在能源技术领域的国际竞争力。预计到2 0 1 0 年， 世界每年新增分布式发电容量将占当年新增电力装机容量的2 5 以上；欧洲电力供应的2 2 将来自可再生能源，其中的6 0 将以分布式电源的形式出现；对于美国，分布式发电供能系 统将占新增发电装机容量的2 0 。美国a l l i e d s i 鲈a 1 公司估计，2 0 1 0 年用于冷，热电联供的小 型燃气轮机的销售额将达到1 0 0 1 5 0 亿美元；2 0 0 8 年初世界银行报告，全球利用风力、太阳 能等可再生能源进行发电( 不包括大型水利发电) 的设备建设投资在2 0 0 7 年内达到了7 1 0 亿美元。世界上至少有6 0 多个国家制定了促进能源可持续发展的相关政策，这将大大促进相 关技术的发展与应用。分布式发电供能系统的相关技术将成为国际上一项重要的技术增长点， 是2 1 世纪电力工业的主要技术发展方向之一。 现有研究和实践己表明，将分布式发电供能系统以微网的形式接入大电网并网运行，与 大电网互为支撑，是发挥分布式发电供能系统效能的最有效方式。微网是指由分布式电源、 储能装置、能量变换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个 能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与大电网并网运行，也可以孤立运行。 2 硕上学位论文 用户所需电能由风力发电系统、光伏发电系统、燃料电池、冷热电联供系统和公共电网等 提供，在满足用户供热和供冷需求的前提下，最终以电能作为统一的能源形式将各种分布式 能源加以融合。通过对微网内部不同形式能源( 冷热电；风光气等) 的科学调度，以及微 网与微网、微网与大电网之间的优化协调，可以达到能源高效利用、满足用户多种能源需求、 提高供电可靠性等目的；此外，通过在用户侧安装分布式电源并形成微网，有助于消除输配 电瓶颈、减少网络损耗，延缓发输配电系统的建设等；而在大电网崩溃和意外灾害( 例如 地震、暴风雪、人为破坏、战争) 出现时，由于微网可以孤网独立运行，可保证重要用户供 电不间断，并为大电网崩溃后的快速恢复提供电源支持。 1 2 含分布式发电的配电网电能质量治理研究现状 在我国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) 中明确提出要大力开 展“可再生能源低成本规模化开发利用”以及“间歇式电源并网及输配技术”，开展分布式发 电供能技术方面的研究工作符合国家重大需求。随着分布式发电、微网以及智能电网、智能 微网等概念的提出以及相关研究的不断深入l l 叫，在我国“十一五”期间“分布式能源系统微电 网技术研究”获得了国家8 6 3 高技术基金的资助，“分布式发电供能系统相关基础研究”获得了 9 7 3 国家重点基础研究发展计划项目的资助，分布式发电供能系统的相关技术将成为一项重 要的技术增长点，是2 l 世纪电力工业的主要技术发展方向之一。 国内的对中压等级分布式发电系统的研究起步较早，对分布式电源接入配电网的模型研 究较多【_ 卜1 ，在中压1 0 k v 电压等级，开展了大功率分布式电源并网控制如大规模风电接入对 配电网带来的影响研究，对分布式发电对电力系统过电压的影响、对电压分布的影响以及对 静态电压稳定性的影响、对含分布式发电的潮流计算以及考虑谐波影响的分布式电源准入功 率计算等方面有广泛研究1 1 2 27 。 近年来在低压等级我国也紧跟美国和欧洲的脚步开展了微网、智能微网以及数字化配电 网领域的研究，国内天津大学、合肥工业大学、西安交通大学、华中科技大学等高校以及南 方电网开展了高渗透率下微网与大电网相互作用机理研究、分布式储能对微网安全稳定运行 的作用机理、含微网配电系统的规划、微网及含微网配电系统的保护原理与技术、并网控制 及多分布式电源协调控制、微网经济运行理论与能量管理等的研究【2 粥4 1 。 在电能质量方面，揭示大规模分布式发电或微网引起的单一的电能质量问题机理研究较 多，但如何经济高效的解决这些问题，建立涵盖中低压电压等级的含分布式发电的配电网电 能质量群控平台研究较少，国内外尚属空白。 ( 1 ) 分布式发电系统电能质量检测研究现状 含分布式发电单元的配网电能质量控制首先要解决的是电能质量问题检测，针对大功率 分布式电源和微网并网运行带来的电能质量检测评估，国内外一直以来都十分关注，进行了 较为深入的分析和研究。在理论方面，目前单台或单种分布式电源对不同电能质量指标的影 含分布式发电的配电网电能质量综合控制研究 响研究较多【3 5 】，伴随集中+ 分布供电结构逐步出现，传统电网电能质量治理点如无功补偿节 点、有源滤波器投入节点等都会因为在配电网馈线上出现的微网而改变，这些分布于馈线上 的微网可能作为终端出现，也可能作为中间变送站出现，增加了电能质量治理装置的控制难 度，传统电网电能质量经验检测点和治理点在微网中将不再全部适用，有必要重新检定补偿 点和监测点以确定治理装置的安装位置。 ( 2 ) 高性能逆变器技术研究现状 随着重复控制技术【3 们、同步逆变器技术1 3 7 】的研究深入，在分布式发电并网逆变器的控制 策略中采用h 无穷重复控制以消除开关谐波，添加谐波和无功补偿指令构造多功能并网逆变 器【3 引，以及开发无互联的、可自动追踪配网功率分配的逆变器控制器将构成含分布式发电单 元配电网电能质量主动管理的主要内容。逆变装置作为微网的主要构件，其大量在微网中使 用是谐波问题最主要的来源，各种类型间歇式、不稳定微源以及储能装置都需要借助逆变器 输出利益群体要求的电能，进而带来更为复杂的谐波问题。依据所采用的电力电子技术不同， 逆变器可能产生不同水平的谐波，随着微网渗透率的提高，配电系统的谐波水平也将会上升。 另一方面，对于一个谐波水平已经比较高的配电系统，微网中的分布式电源也可能会成为谐 波的汇点，导致分布发电设备的损毁。 微网内大量逆变器的使用也为电能质量治理提供了良好条件，考虑其有益作用，由于有 源滤波器以及基于逆变系统的微网系统具备相同的特征，构造供能+ 滤波系统成为可能，文 献f 3 9 】【4 0 】提出根据并网逆变器和有源滤波器相同的主电路结构，在并网控制算法中加入滤波 环节，使之同时具备发电和电力滤波器的功能。文献【4 1 】提出一种光伏并网发电系统，将光 伏并网与无功补偿协同设计，构成光伏并网发电功率调节系统，以提高供电品质和减少功率 损耗，分析了系统工作模式及瞬时无功检测方法、最大光伏功率跟踪及并网功率的合成控制， 并研制了工程样机。文献 4 2 】 4 3 】提出一种三相四线制微网系统混合电能质量补偿器，提出的 控制方法适用于配置两套逆变系统的微源，该混合电能质量调节器可补偿无功电流、零序电 流，实现系统电能质量的改善。这也类似于国内研究较多的统一电能质量调节器，可以实现 无功发生器，调相器以及电压调节器等的功能。 在提高逆变器输出电能质量方面，文献【4 4 】介绍了分布式发电单元逆变器的控制技术， 可以在非线性负荷或是网络失真的情况下，得到低谐波失真的输出电压，改善电能质量。文 献【3 6 提出基于同步发电机模型的逆变器控制策略，适用于所有使用逆变器的场合，并且尤 其适合微网逆变器的控制，这只是对控制方法一个替换，并不带来额外的硬件开销，这种控 制策略应用于微网逆变器控制，采用频率电压下垂特性调节有功无功输出，仿真得出此种 控制策略具备积极的功率追踪性能。文献【4 5 对电压型逆变器进行控制，维持输出电压基本 恒定，并严格保持其频率水平，提出一种包含电流内环、功率外环以及锁相环三个环节的逆 变器控制策略，控制变量建立在同步旋转坐标系下，采集逆变器输出电流作为电流内环反馈 量输入，公共连接点电流及电压作为功率外环反馈量输入。文献【4 6 】实现了逆变电源的并联 同步运行，逆变电源之间的环流小。文献【4 7 4 8 】对4 0 0 h z 逆变器进行了研究，在提高频率的 4 硕l ：学位论文 同时得到了较好的输出电压波形和较大的输出功率，取得了初步的实验成果，同时还实现2 台实验样机的并联控制运行。 ( 3 ) 电能质量控制装备在含分布式发电配电网中的应用研究现状 在被动治理控制方法和装备方面，传统电网中的电能质量治理装备同样可移植到微网中 使用，例如配电网电压等级的a p f 、d s 可汀c o m 等同样可应用于微网，在中压等级，s v c 、 混合型有源滤波器h a p f 以及级联多电平技术电能质量调节装置也可应用于大规模的风电和 光伏电站中作为无功补偿和谐波治理的重要装备，值得一提的是，微网本身也可担当一定的 电能质量调节任务，与电能质量调节装置配合可起到扬长( 功率响应积极，有功无功分别可 调) 避短( 间歇、不稳定) 的作用，同时可降低配电网中配置的用户电力装置的容量。 ( 4 ) 分布式发电单元模型及电能质量问题机理研究现状 分布式电源不同于传统电网电源，传统电网可视为稳定无穷大电源，其频率和电压可维 持恒定，独立设计的分布式发电单元和微网由于其较小的规模和多种形式的电源介入，受外 界条件影响较明显，研究分布式发电模型如光伏发电模型、风力发电模型、微型燃气轮机模 型、并网电力电子辅助单元模型等，归纳出各种微源的有功功率变化特性、无功电压特性、 频率响应特性、功角稳定特性、故障响应特性，这有助于从根源研究微网电能质量问题的诱 因。文献 4 9 】、【4 8 】分析了光伏电池、风力发电、微型燃汽轮机、燃料电池各种分布式电源的 特性，建立了相应的仿真模型，分布式电源供电分析往往还需考虑不同运行情况下的不确定 性。风力、光伏等微源由于受自然条件影响较大，不可避免的带来输出功率不稳定的问题， 这是导致微网及含微网配电系统电压波动与闪变的主要因素1 4 9 铡j 。 此外，在电力系统正常运行方式下，传统供电环节所涉及的三相元件主要有发电机、变 压器等，这些设备通常具有良好的对称性，传统电网的相不平衡问题的改善措施也比较成熟， 微网包含许多新式能源多为单相电源，也带来整个系统三相不平衡的问题。另外，例如直流 注入、电压调整等问题国内外还鲜有研究实例。 ( 5 ) 运行模式对电能质量问题的影响研究现状 分布式发电系统与微网存在两种运行模式：以微网为例，正常情况下微网与传统配电网 并联接入电网运行，称为联网模式；当检测到大电网故障或电能质量不满足要求时，微网将 与配电网断开而独立运行，称为孤岛模式【5 9 1 。联网模式下，微网服从配网的系统调度，用户 可同时利用微源和从配电网获得电能，并能在自身电力充足时向大电网输送电能。文献【2 9 】 建立了小型实验室微网系统，系统中的分布式电源通过逆变器并入微网。系统以蓄电池为储 能装置，通过双向逆变器并入微网，用于维持微网的暂态功率平衡。当微网处于联网运行模 式时，以配电网电压和频率为参考，蓄电池双向逆变器、光伏并网逆变器和风机并网逆变器 采用功率控制；孤岛运行时，双向逆变器的控制策略切换为恒压、恒频控制，用以提供微网 电压和频率参考，实验结果表明，该系统可以稳定地工作在联网模式和孤岛模式，并可实现 平滑切换，提高供电可靠性。文献【3 0 】提出的蓄电池并网逆变器采用下垂控制有利于实现微 网从联网运行模式向孤岛运行模式切换的快速功率平衡，提高了微网动态响应速度，抑制了 含分布弋发i 乜的配电网电能质量综合控制研究 由于微型燃气轮机动态响应速度慢引起的电压和频率偏差，这种控制方式是在微型燃气轮机 作为频率支撑的微网的有效控制手段。 微网高性能并网逆变器及具备强鲁棒性的控制策略是微网实现平滑模式切换主要手段， 研究其控动态响应特性是研究微网并退网电能质量问题的主要着手点。储能装置及必要的用 户电力装置是维持微网无功和电压平衡、实现模式平滑切换、降低并退冲击的重要措施。 ( 6 ) 配网与分布式发电系统交互影响研究现状 在传统配电网中，有功、无功负荷随时间的变化会引起电压波动，线路末端波动较大， 如果负荷集中在系统末端附近，电压波动会更大，配电网一般呈辐射状，稳定运行状况下， 沿馈线潮流方向电压逐渐降低，分布式发电系统接入配电网末端后，由于馈线上传输功率减 小以及微源输出的无功的支持，使得沿馈线的各负荷节点电压被抬耐6 删】，分布式发电影响 接入点的电压分两种形式：( 1 ) 分布式电源与当地的负荷协调运行，即当该负荷变动时微源 输出跟随调度做相应调整，此时的分布式发电单元将抑制电压波动；( 2 ) 当分布式发电单元 与当地负荷不协调运行时，如利用风力、光伏系统等自然资源发电的微网，由于其本身波动 较大，较难控制，分布式发电单元接入电网后将不利于当地电压的稳定。 从配电网角度考虑，大电网对分布式发电单元的有害影响是电压不平衡和电压骤降这两 个电能质量问题。当大电网失衡严重时，连接微网和大电网的隔离设备会断开，使微网处于 孤岛运行状态。当大电网失衡不严重时，隔离设备不会动作，微网在公共耦合点维持不平衡 的电压，如果没有补偿措施，失衡电压可能导致敏感装置的不正常运行或失去电机负荷，使 得微网运行不稳定，针对这种现象，文献 6 5 】对含有多组燃料电池和微燃机的配网进行了时 域仿真，指出加大阻尼、减小机组间的功角差等手段有助于提高系统稳定性。 ( 7 ) 分布式发电单元群控技术研究现状 对单个分布式发电单元来讲，现有的风力发电和光伏发电等微源控制策略集中在从这些 电源中获取最大功率，即最大功率跟踪控制，这种控制方法只有在分布式发电单元与大电网 功率相对而言可以忽略时，才是较好的方法。实际上，任何并网的分布式发电单元带来的功 率波动都可以通过大电网发电机的功率控制来得到补偿，特别是当分布式发电单元组成微网 后，由于孤岛模式下，主要功率由微源来提供，由于这些分布式发电单元都是“不负责任”的 发电端，无法起到大电网发电机功率调节的功能，整个微网体系需要配置较多的储能节点来 平衡功率波动，这是很不经济的。如果能将微网逆变电源看做同步机运行将是一个终极的电 能质量解决方案。目前来讲，根据c e i h s 提供的微网控制主要集中在p q 控制和v f 下垂控 制，将这些传统的控制策略与新式控制方式进行电能质量对比研究将有极大空间。 对文献【6 6 】提出一种分散式多微网逆变器协同控制系统。指出目前微网技术的挑战是应 对微网多逆变环境，使它们提供高电能质量水平的电能，并在非线性负载和不平衡负载工况 下控制微网的谐波，短时扰动和不平衡。提出一种分频控制方法，将电压功率的控制任务通 过光纤分发到各逆变器控制单元。 文献【6 7 】描述了一种面向分布式发电单元的能量管理系统，并介绍了其在经济研究领域 6 硕i j 学位论文 中作为规划工具的具体应用。为实现电力市场环境下分布式发电单元的智能化分布式控制， 文献【6 8 7 0 】介绍了m u l t i i a g e n t 技术在分布式发电单元控制中的作用。基于c s 架构的多代理 分布式发电管理软件，使用客户端在分布式发电单元、负荷、能量管理终端实现了智能分层 控制，达到微网内微源之间负荷分配摄优和微网同配电网间能量交换的最优化。 1 3 本文的研究内容及各章节内容安排 本课题采用前瞻性理论探索与应用基础研究相结合的方法，其研究特点是充分重视理论 与实践的结合，不仅单独研究分布式发电供能系统，而且将分布式发电供能系统与常规配电 系统作为一个整体来研究，侧重于二者间的电能质量相互作用与影响，关注系统整体电能质 量的有效提高，以保障未来分布式发电供能系统和配电系统整体运行的电能质量以及安全性、 经济性和可靠性。 第2 章，含微网的低压配电网电能质量治理治理技术研究。本章包含2 个内容，一是带 滤波功能的光伏并网逆变器研制，可在不增加硬件开销的前提下，实现并网节点处的谐波治 理；二是d s 盯虹c o m 与微网的无功电压联合调整系统研究，它由微网作为大容量的分级无 功源，d s t a t c o m 作为小容量的连续无功源，实现无功电压的两级调整，对微网微源和 d s t a t c o m 的无功调度方法进行了讨论，可使得微网担当更多的电能质量调整任务，同时 d s w 玎c o m 的存在可降低微网内微网模式切换带来的电压波动影响。 第3 章，含分布式发电中压配电网电能质量治理技术研究。本章提出了配置s v c 的高品 质分布式供能系统的拓扑结构和原理，在s v c 控制部分，提出一种快速电压控制方法，并通 过在分布式并网逆变器电流内环添加谐波补偿指令，抵消非线性负载和s v c 产生的谐波，并 就添加的滤波环节与s v c 控制的耦合问题进行了稳定性分析并提出了一种分频检测控制方 法，有效降低了s v c 和带滤波功能的并网逆变器间的耦合，实现了高品质供能。 第4 章，含分布式发电单元与电能质量治理装备的综合控制平台。本章在前面章节对含 分布式发电中低压配电网电能质量控制技术分析的基础上，给出了一种基于多代理技术的电 能质量控制整体方案，给出了系统结构和通信方式，以及各部分的系统功能和控制目标和约 束条件，通过一个算例验证了系统的可行性。 总结和展望，对本文进行了总结和展望，介绍了本论文研究的特点和创新之处，同时指 出进一步研究工作的重点和方向。 7 含分布式发电的配电网电能质量综合控制研究 第2 章含微网的低压配电网电能质量治理技术研究 为实现含微网低压配电网的谐波经济治理和无功电压调整，本章提出一种带滤波功能的 光伏并网逆变器设计方案，进行分布式电源并网节点处的谐波主动治理，消除非线性负载带 来的谐波，使得在配电网看来，分布式电源表现为负责任的发电端，这在建筑集成光伏系统 的楼宇有较广阔的应用前景；同时研究微网与d s t a t c o m 在配电网无功电压联合调整中的 应用，使得微网担当一定的无功调整职责，使得其更容易被配网接纳，由微网作为大容量的 分级无功源，d s t a t c o m 作为小容量的连续无功源，实现无功电压的两级调整，对微网微 源和d s 仉盯c o m 的无功调度方法进行了讨论，可使得微网担当更多的电能质量调整任务， 同时d s 耵订c o m 的存在可降低微网内微网模式切换带来的电压波动影响。由分布式发电单 元担当电能质量调整任务，降低了单独设置电能质量控制装备的开销。 2 1 带滤波功能的微网并网逆变器设计 由分布式电源、储能装置、能量变换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的微网 形成了新的研究热点，微网是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统( 一般 0 ，则保持搜索方向状态s ，否则改变搜索方向，对 搜索方向s 进行积分获得直流侧期望的电压吒，使系统稳定于最大功率点处。 2 1 2 3 前端d c d c 变换器设计 由于用于实验的光伏阵列和蓄电池容量较小，为获得较合适的直流侧电压，采用b o o s t 型d c d c 升压模块作为复用逆变器前端变换器，如图2 3 所示，由二极管、开关管、滤波电 容和储能电感及保护电阻组成，b o o s t 电路的工作原理此处不赘述，这里主要介绍电路参数设 计。 储能电感厶的参数取值要满足的条件一是要使电路通过的电流连续，二是要保证流过峰 值电流时电感不能饱和，电感中电流应满足如下条件 屯 ( 2 1 1 ) 储能电感取值条件为 厶装 ( 2 - 1 2 ) 其中、分别为输入、输出电压平均值，l 、l ，分别为输入、输出电流平均值，r 是开关周期，开通时间为k ，关断时间为切，考虑到避免电感饱和、降低峰值电流及电压损 耗问题，这里取纹波电流值为 ：毕：1 眠 ( 2 1 3 ) 所以 厶2 甏= 锈岽 亿 输入电容c l 的主要作用是当电感电流变化时，光伏板的电压能保持稳定，电容数值越大， 直流侧电压波动越小，根据对b 0 0 s t 电路连续工作状态下电流波形分析，电容充电时间为丁2 ， 电容平均充电电流为 必。：华 ( 2 - 1 5 ) 因此电容上的纹波电压峰值为 峨= 击f 虬扯击屹丁 ( 2 1 6 ) 1 2 硕上学位论文 其中，为输入电容的电压波动，刖肪为电感电流波动。 输出电容c 2 的主要作用是减少输出电压的纹波，通常需要2 个完全相同的电容串联分压， 并且保证中点平衡，在指定纹波电压的情况下可由下式决定 c 2 筹= 踹 ( 2 1 7 ) y r 厂矿r 、 7 2 1 2 4 基于i p i q 法的谐波检测 理论易于d s p 实现，本文采用此种理论检测微网内部无功电流和谐波电流，对复用逆变 器接入点后的负荷电流么，么，0 进行三相至两相的坐标变换，将其变换到口一坐标系中 再合成为， 芝 = 乏： ( 2 毒 在三相电网电压对称无畸变的情况下，对应于基波正序有功电流，对应于基波正序 无功电流，i 和i 则对应于负序和谐波电流。对、中不同的电流分量进行反变换，且由 于c ：c ，可得口一坐标系下的负序和谐波电流 小圈 亿 c = l 三篡一盂纠 ( 2 2 0 ) l c o sw l f s l n h f _ j ：压万i 一1 2 一l 2 压2 一压2 ( 2 2 1 ) 2 1 2 5 功率控制器控制指令合成 基于逆变器复用的微网电能质量控制器的并网控制涉及有功电流指令和补偿谐波指令， 有功电流指令c 来源于图2 6 中c v t 环节的输出，最大功率跟踪控制的采用使得有功输出稳 定在最大极限，补偿信号指令来源于对微网内部谐波与无功的实施检测，使复用逆变器发出 赋值相等，方向反向的补偿电流，抵消系统无功与谐波的影响。 复用逆变器控制器的有功电流指令为 r s 妯纠1 l 乞| - is i n ( 研一2 石3 ) l c ( 2 2 2 ) l l1 s i n ( 研+ 2 厅3 ) j 补偿谐波指令为式( 2 2 1 ) ，两者叠加得复用逆变器控制指令 含分布式发电的配电网电能质量综合控制研究 k 0 + ( 2 2 3 ) ( 七= 口，6 ，c ) 为补偿谐波指令和有功指令的合成控制指令，与复用逆变器出口反馈电流 信号毫( 七= 口，6 ，c ) 做差，误差信号进入p i 调节器得到的信号作为p w m 的控制指令，使复用 逆变器输出需要的有功，并补偿微网内的谐波，达到既能供能又能滤波的目的。 2 1 3 仿真与实验 利用p s i m 建立仿真模型，使用统一控制方法，仿真参数为：三相3 8 0