（电力系统及其自动化专业论文）微型电网建模与控制策略的研究.pdf

浙江人学顾i j 学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t m i c r og r i di san e wk i n do fp o w e rs y s t e mw h i c hd e v e l o p e do nd i s t r i b u t e d g e n e r a t i o n i t sc a l l e dm i c r og r i db e c a u s et h ea r e aa n dt h ea m o u n to fc o m p o n e n t so fa m i c r og r i da r eb o t hs m a l l as e l f - c o n t a i n e dm i c r og r i ds h o u l dh a v es u c hc o m p o n e n t s a sd i s t r i b u t e dg e n e r a t o r s ，d i s t r i b u t e de n e r g ys t o r a g es y s t e m ，l o a d s ，c o n t r o ls y s t e ma n d o t h e ra c c e s s o r i a le l e m e n t s t h ep r o b l e mo fi s l a n d e do p e r a t i o nb r o u g h tb yd i s t r i b u t e d g e n e r a t i o nh a sb e e ns o l v e db ym i c r og r i d w h i c hi s a b l et o o p e r a t eb o t hi n g d d c o n n e c t e do p e r a t i o nm o d ea n di ni s l a n d e do p e r a t i o nm o d e t h e nt h el o a d si na m i c r og r i dc a l la l w a y so p e r a t es t e a d i l yw h e t h e rt h em a i ng i r di sn o r m a lo rb r o k e n d o w n ，i no t h e rw o r d s ，t h er e l i a b i l i t yo fe l e c t r i c a lp o w e rs u p p l yi si m p r o v e db yt h e m i c r og r i d t h ec o n t r o ls t r a t e g yo fg r i d c o n n e c t e do p e r a t i o na n di s l a n d e do p e r a t i o no fm i c r o g r i dh a sb e e nr e s e a r c h e dd e t a i l e d l ya n dd e e p l yi nt h i sp a p e ew h e ni ng r i d c o n n e c t e d o p e r a t i o nm o d e t h ed i s t r i b u t e dg e n e r a t o r si nt h em i c r og r i ds h o u l dw o r ki ni n v a r i a b l e p o w e rc o n t r o lm o d et oi n j e c ti n v a r i a b l ea c t i v ea n dr e a c t i v ep o w e rt ot h em a i ng r i d ， a n dt h eg e n e r a t o r sw h i c hu s eg r e e ne n e r g ys h o u l dw o r ka tt h eu p p e rl i m i tt om a k e g o o du s eo fg r e e ne n e r g y t h em i c r og r i ds h o u l dc o m ei n t oi s l a n d e do p e r a t i o nm o d e i f s o m ef a u l t so c c u ri nt h em a i ng d d i ft h ec a p a c i t yo ft h em i c r o 酊di sl e s st h a nl o a d s ， ad i s t r i b u t e de n e r g ys t o r a g es y s t e mi sn e e d e dt oc o n t r o lt h ev o l t a g ea n df r e q u e n c yt o m a i n t a i nt h es t e a d yw o r ko fl o a d sa tt h eb e g i n n i n go fi s l a n d e do p e r a t i o n , a n dt h e d i s t r i b u t e dg e n e r a t o r sa r es t i l lw o r ki ni n v a r i a b l ep o w e rc o n t r o lm o d ei nt h i sp e r i o d i f t h ee n e r g yo ft h ed i s t r i b u t e de n e r g ys t o r a g es y s t e me x h a u s t sb u tt h em i c r og r i dh a s n t r e c o n n e c tt ot h em a i ng r i dy e t ，t h em i n o rl o a d sa n dd i s t r i b u t e de n e r g ys t o r a g es y s t e m s h o u l db ec u to f ff r o mt h em i c r og r i d ，o n ed i s t r i b u t e dg e n e r a t o rw i t hah i g h e rc a p a c i t y a n df a s t e rr e s p o n s er a t es h o u l ds w i t c ht ow o r ki nv o l t a g e f r e q u e n c yc o n t r o lm o d e ， o t h e rg e n e r a t o r sa r es t i l lw o r ki ni n v a r i a b l ep o w e rc o n t r o lm o d e t h em i c r og r i d s h o u l dg e tb a c kt og r i d c o n n e c t e do p e r a t i o nm o d ea f t e rt h ef a u l t si nm a i ng r i d d i s a p p e a r , a n dt h ed i s t r i b u t e de n e r g ys t o r a g es y s t e ms h o u l dr e c h a r g et og e tr e a d yf o r v 浙江人学硕l 学位论文 a b s t r a c t t h en e x ti s l a n d e do p e r a t i o n as i m u l a t i o nm o d e lc o n t a i n i n gm a i n g d d ，d i s t r i b u t e dg e n e r a t o rm o d u l e ， d i s t r i b u t e de n e r g ys t o r a g es y s t e mm o d u l ea n dl o a d si sm o d e l e di nm a t l a b t h e c o n v e r t o ri st h ei n t e r f a c eo fd i s t r i b u t e dg e n e r a t o r sa n de n e r g ys t o r a g es y s t e m ，a n da l l t h ec o n t r o ls t r a t e g i e sa r ei m p l e m e n t e do nt h ec o n v e r t o rt o o t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e c o n c l u s i o no fc o n t r o ls t r a t e g yo ft h i sp a p e ri sf e a s i b l e ，a n dt h eo p e r a t i n gp e r f o r m a n c e s o fg r i d c o n n e c t e do p e r a t i o n ，i s l a n d e do p e r a t i o n ，a n dt h et r a n s i t i o np r o c e s so ft h e s e t w om o d e s ，a r ea l lg o o d k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ；m i c r og r i d ；g r i d - c o n n e c t e do p e r a t i o n ；i s l a n d e d o p e r a t i o n ；c o n t r o ls t r a t e g y ；m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n v i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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。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，也不包含为获得逝鎏盘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己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： 乓碜久 签字日期：夕吖9 年岁月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘茔有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文 的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘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和传播，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：鼻孑穆钆 新签名： 靴敝储鹕：埠孑穆k 刷醛较 签字日期：刀年；月7 闩 铆么善 签字日期：口p 年3 月罗日 浙江大学硕i ：学位论文敛谢 致谢 本文的工作是在何奔腾教授的悉心指导下完成的。在攻读硕士学位期间，何 老师自始至终给予了我辛勤的指导和亲切的关怀。至此论文完成之际，向敬爱的 何老师致以最诚挚的谢意。同时感谢王慧芳老师对我的关心和指导。 浙江大学硕一i ：学位论文 绪论 1 绪论 1 1 课题研究的背景和意义 对于电现象的发现，最早可以追溯到公元前6 0 0 年左右，希腊哲学家泰利斯 发现了琥珀的摩擦会吸引绒毛或木屑，而英文中的“电”在古希腊文的意思就是 “琥珀”的意思。中国公元一世纪，即东汉时期的论衡一书中，也记载了琥珀 经过摩擦可以吸引轻小物体的现象【1 1 。1 8 3 1 年法拉第发明了世界上第一台发电 机，即法拉第圆盘发电机，为人类进入电气化时代拉开了序幕。到现代电已经渗 透到了生产生活的方方面面，所有的人类活动及相关的器件，都与电有直接或间 接的联系，人类在大多数领域都是以电能为媒介来进行能源消耗的。人类对于能 源的依赖，从某种层面来说就是对电能的依赖。 1 1 1能源问题 能为人类所利用的电与自然现象产生的电如闪电不同，前者是人类利用煤、 石油、天然气等常规能源，或者风能、太阳能、潮汐等新能源，通过一系列转化 而来，而这其中利用常规能源的比例非常之大。1 9 9 8 美国洛杉矶时报发表 了一篇题为“即将来临的石油危机真正的危机”的文章，其认为今后1 0 年左 右世界石油供应似乎是充足的，在今后2 0 年左右的时间全球石油产量可能开始 持续下降。虽然市场力量和石油生产技术的改进可能使石油供应继续保持到2 1 世纪，但是石油危机的到来可能比一般人的设想早得多。据美国石油业协会估计， 地球上尚未开采的原油储藏量已不足2 万亿桶，可供人类开采不超过9 5 年的时 间。在2 0 5 0 年到来之前世界经济的发展将越来越多地依赖煤炭。由于石油和天 然气供应出现紧张，全世界对煤炭资源的需求量已经比2 0 0 0 年提高了3 0 ，今 后1 0 到1 5 年内，煤炭资源将成为各国开发的重点。根据世界能源协会提供的数 据，全球已探明可开采的煤炭储量共计1 6 万亿吨，预计还可供人类开采2 0 0 年 以上。尤其是代替油气资源发挥作用后，煤炭的消耗速度将更快，可能1 0 0 到 1 2 0 年后就将被耗尽【2 1 。日益紧张的能源危机不仅为整个电力工业带来了挑战， 更将人类引入了对能源的思考，并将目光转向了如风能、太阳能等新能源，诸多 浙江人学硕i ：学位论义 绪论 利用新能源的发电设备也被研制出来并投入生产，如风能发电、光伏发电、潮汐 发电等等，并且在电力系统中所占的比例也有上升的趋势。 1 1 2 长距离输电问题 为了达到更高的有效性和经济性，电能的生产从一开始便向着大规模的方向 进化，不仅单台机组的容量越来越大，单个发电站的总发电容量也越来越大。这 带来了一个问题，对于地处偏远、用电量很小的区域，若用长距离输电的方式供 电，将在输电线路建设、维护等方面花费巨大，输电损耗相对于用较小的电量也 占了过大的比例，从经济性上来讲无论是对于电力公司或者是政府都是不利的， 因而造成了偏远落后地区缺电甚至无电的状况。以非洲为例，虽然整个非洲拥有 全球7 1 的石油、7 5 的天然气、1 0 6 的煤矿和1 3 的水资源，但是由于能源 分布不均以及电力工业落后的原因，占全世界总人口1 3 4 、总面积1 5 的非洲 大陆，只有不足1 5 的人口能拥有电力供应，且大部分电力供应并不稳定【3 1 。如 果采用常规的大型发电厂来满足整个非洲大陆居民的用电需求，不仅投资巨大而 且见效缓慢，如果t , 2 d , 片的区域为单位，根据 - 3 地的资源现状来建设风力发电站、 太阳能发电站等，将能起到及时有效的作用。 1 1 3 分布式发电 前面所涉及的能源问题以及长距离输电的问题，推动了一项新的发电技术的 出现。这种发电方式一改以往大规模发电的方式，机组容量大多在几千瓦至几十 兆瓦【4 】，电压等级为配网等级，并且- 9 负荷所在区域的配网直接相连。由于此类 发电机组分布在负荷所在地，所以这种发电方式又称为“分布式发电”，其机组称 为“分布式发电机”。分布式发电机组通常有风力发电机、光伏电池、燃料电池、 小型热电联产、小型水力发电站等【5 】，就近利用当地的太阳能、风能、潮汐能、 地热能、水利等能源，当这些绿色能源缺乏时，可采用高效率的微型内燃机以及 燃料电池来提供电力。相比于传统的发电方式，分布式发电有着如下的优势： 1 不受常规能源资源短缺的影响：相比于日益枯竭的煤、石油等化石能源， 太阳能、风能、潮汐能及地热能等可再生能源的供应更为持久； 2 对环境的破坏程度轻：除了分布式发电设备制造、运输、安装以及报废 2 浙江大学硕t j 学位论文 绪论 后造成的污染，分布式发电机组运行期间对环境几乎无任何污染，即使是以柴油、 天然气为燃料的高效微型内燃机，其排放量也很小； 3 降低了长距离输电的成本：分布式发电机建于负荷所在区域，这在很大 程度上降低了电网输电走廊的建设费用，输电损耗也大大降低，同时也为偏远地 区的用电提供了机会； 4 投资小见效0 t ：分布式发电机运输、安装和操作比较简单，能够方便及 时的解决用户用电的问题； 5 提高用户用电的经济性：如果分布式发电设备属于用户，那么用户不仅 可以从电网购买更少的电能，而且在用户低负荷的时候，还可以向电网卖电，实 现更大的经济效益； 6 提高用户用电的可靠性：当配电网因故停电时，分布式发电设备可单独 向用户供电。 当电网出现故障时，会形成一些孤立的区域，如果这些区域内含有分布式发 电机，并且继续为用户供电，那么这些区域就被称之为“孤岛”。早期的分布式发 电系统，不允许孤岛运行，其主要原因有如下3 个： 1 分布式发电机控制方式简单，独立与主电网之外运行不稳定，负荷供电 质量不能保障； 2 当主电网故障消除与孤岛重合时，分布式发电机将对主网造成冲击，孤 岛与主网电压的频率、相位相差越大，冲击就越大，甚至造成重合不成功； 3 孤岛情况下分布式发电机的持续供电，会对检修人员造成人身安全隐患。 因此在电力系统出现孤岛的时候，需要将孤岛内的所有分布式发电机与负荷 切开，等孤岛与主网重合之后再并网，而快速可靠地检测出孤岛是关键。文献【6 】 详细叙述了现有的孤岛检测方法。2 0 0 3 年的i e e e 标准1 5 4 7 提出的原则说，非 正常孤岛需要在两秒之内有效地切除l7 1 ，不同情况下基于电压或频率的最大切除 时间参见表1 1 和表1 2 ： 表1 1 非正常电压切除时间 t a b 1 1i n t e r c o n n e c t i o ns y s t e mr e s p o n s et oa b n o r m a lv o l t a g e s 电压范围最大切除时间( 秒) v 5 0 o 1 6 浙江人学硕1 ：学位论文 绪论 5 0 墨v l m w 浙江人学硕 ：学位论文微型r u 网仿真模型 新型燃汽轮机化石燃料，可再生能源 a c 直接相联 地热发电机可再生能源 a c 直接相联 水利发电机可再生能源 a c直接相联 生物质能 可再生能源、废弃物a c直接相联 、， 发电 风力发电机可再生能源 a c 逆变器 太阳能电池可再生能源 a c 逆变器 、， 燃料电池化石燃料、可再生能源 a c 逆变器 可以看到使用逆变器作为对电网接1 3 的分布式发电机占有很大一部分，并且 随着风力发电的不断推广，随着太阳能电池和燃料电池技术的不断进步，此类发 电机所占比例将越来越大。由于使用逆变器作为接口界面，对发电机的控制策略 也可以轻易在逆变器上实现，不仅简化了对分布式发电机的控制，而且使得分布 式发电机更加具有即插即用的普遍适用性。因此本文仿真中的发电设备直接采用 m a t l a b 软件中提供的同步发电机模型，其控制系统仅采用简单的励磁控制和输入 转矩控制。虽然风力发电机以及太阳能电池与同步发电机具有不同的特性，但是 由于本文的主体为仿真微型电网联网运行模式和孤岛运行模式之间的切换，以及 相关控制策略的研究，时间跨度并不大，所以可以忽略风速和日光的变化带来的 影响，那么采用理想电压源或者同步发电机作为分布式发电机的仿真模型是合理 的。m a t l a b 中的分布式发电机的仿真模型如图2 4 ： 图2 4 分布式发电机仿真模型 f i g 2 4s i m u l a t i o nm o d e lo fd i s t r i b u t e dg e n e r a t o r 浙江人学硕一f ：学位论文微型l u 嗍仿真模型 2 2 电力系统储能设备 在风速、日光等绿色能源的来源发生突变的时候，相应的分布式发电设备由 于转动惯量很小甚至没有转动惯量，所以发电量也将随之而变化，其变化速度往 往高过电力系统中传统大型发电设备的调节速度，若此类分布式发电机所占比例 过大，那么在风速、日光突变的时候必将引起电压的突然变化且主电网来不及调 节，同样也需要有动作速度快的储能设备，通过释放或吸收功率来辅助调节电网 的电压和频率，通过纠正电压跌落、闪变、波动以及频率的失衡来改善电能的质 量。 当微型电网中的总发电容量小于总负荷需求时，对于长期的外部故障，孤岛 运行的时候应将次要负荷切除，以保证重要负荷的供电。但是对于短时就能恢复 的瞬时故障，一进入孤岛运行就立即切处次要负荷的方法显然不尽合理，所以需 要有储能元件在联网运行时储存能量，在微型电网进入孤岛运行的初期输出功 率，保持电压的基本稳定并等待与主网重合。若外部故障是瞬时故障，那么次要 负荷也能在此期间不停止运行；如果是永久故障，那么在储能元件能量消耗殆尽 的时候，仍然需要切除次要负荷。但由于电力系统中的故障绝大多数为瞬时故障， 所以采用储能元件之后将大大提高微型电网内所有的负荷供电的连续性和可靠 性。 同时，电力系统储能设备还能够为变电站中的开关设备提供不问断的设备用 电，以及系统黑启动所需的启动用电。 电力系统储能设备现阶段包括有超级电容、蓄电池和飞轮等等。 2 2 1 超级电容 超级电容是上世纪6 0 年代出现的电力储能设备，按照其储能原理可以分为 双层电容器和法拉第电容器。双层电容器利用电极和电解溶液之间形成的界面双 电层来存储能量，其储能的实质就是电解质对电极进行的电化学极化。法拉第电 容器出现得比双层电容器要晚，其存储的电能不仅包括双电层上的电能，而且还 有电极中由于氧化还原反应储存的电能。超级电容具有以下几方面的优点：功率 密度高、充电时间短、充放电循环寿命长以及储能时间长、可实现高比功率和高 1 6 渐大学顾十学n 立 微型自目仿真模星 比能量输出可靠性高，环境温度对正常使用影响不大，可任意并联使用。由于 这些优点，许多发达国家早已开展对超级电容的研究，1 9 9 6 年欧盟提出了超级 电容的发展计划，美国能源部及国防部也制定了发展超级电容的研究计划，日本 “新阳光计划”中列出了超级电客器的研制，我国国家2 0 0 1 年8 6 3 计划也制定了 电动汽车重大专项超级电容器课题h “。图2 5 为超级电容的实物图片及原理图： 2 , 2 2 蓄电池 图2 5 超级电容 f i g 25s u p e rc a p a c i t o r 蓄电池是能够实现电能和化学能相互转化的装置。其中铅酸蓄电池从1 8 5 9 年被发明出来以后，在各个领域都有广泛的应用铅酸蓄电池用填满海绵状铅的 铅板作负极，用填满二氧化铅的铅板作正极，并用1 2 8 的稀硫酸作电解质。在 充电时，电能转化为化学能，放电时化学能又转化为电能。图2 6 为铅酸蓄电池 * 太学- 十# 女 m 型【u i q 仿真模型 储能系统的实物图片及原理图 圈2 6 铅酸蔷电池 f i g26l e a da c i db a t l e r y 电力系统储能飞轮在电力系统正常运行的时候，通过电动发电机将电能转化 为飞轮的动能，在电力中断、电压跌落时再通过电动发电机向电网提供电力。飞 轮需要有很大的转动惯量，传统的飞轮用铁制造，为防止高速旋转时变形破裂， 其速度限制在几千转每分钟之内。现在有由碳化纤维制成的飞轮，其转速可以达 到5 万转每分钟左右，并用盛悬浮轴承以降低摩擦耗损。相比于超级电容和蓄电 池，飞轮储能系统具有能量密度高、无过度充放电问题、放电深度易测量、充电 时f , q 短，对温度不敏感等优势h “，但是又带来了机械维护、高速电机控制等方 面的新问题，围27 为飞轮储能系统的实物图片及原理图h i ： 浙 学峨h 学位镕z 微型i u 嘲仿真横型 图27 飞靶储能系统 f i g27f l y w h e e le n e r g ys t o r a g es y s t e m 此外还有液流电池超导储能系统、压缩空气储能系统等 2 24 仿真模型 表2 2 对现有的储能设备做7 分类 表2 2 储能设备 t a b 22e n e r g ys t o r a g e d e v i c e s 承 小型 中型大型 技术类型 一次能源输出与系统的接口 1 0 0 k w( 1 m w i m w 蓄电池储能 电网或d c逆变墨 电容器储能 电网或d c 逆变器 飞轮储能 电网或d c逆变墨 超导电磁 电弼或d c逆壹器 储能 表2 2 中所有的储能元件都需要通过逆变器这个接口来接入电网，因此同上 一节分布武发电机中所述，储能设备的控制策略可以在逆变器上完成，而对于储 能设备本身来说在本x 中不需要针对不同的储能设备采用不同的仿真模型，均可 浙江人学硕卜学位论文微型电嗍仿真模型 以用一个理想电容器来表示，m a t l a b 中储能元件仿真模型如图2 8 ： 上 t - j 图2 8 储能元件仿真模型 f i g 2 8s i m u l a t i o nm o d e lo fe n e r g ys t o r a g ed e v i c e 2 3 功率变换器件 前面两节已经提到过，现有的分布式发电机和储能设备，大多数都是通过逆 变器为接口界面接入主电网。由于电力电子技术的发展，目前可以将几乎所有形 式的电能转化为适合电力设备使用的形式。逆变器件作为接口界面的另一个优势 是其响应速度非常快，对于异常情况的响应时间在一个周波之内。所以逆变器在 微型电网技术中处于非常重要的地位，不仅作为接口，更是控制策略的执行单元， 本节将详细介绍电压型逆变器的原理以及几种相关的控制策略。 2 3 1 逆变器的原理 采用i g b t 作为开关的电压型三相桥式逆变器的原理图如图2 9 所示： n 图2 9 三相电压型逆变器 f i g 2 9t h r e e - p h a s ev o l t a g es o u r c ec o n v e r t o r 直流侧实际上是一个电压源而不是两个，但是为了分析方便取出一个假想点 n 。电压型三相逆变器的基本工作方式是1 8 0 0 导电方式，即每个桥臂的导电角 度为1 8 0 0 ，同一相上下两个桥臂交替导通，各相开始导通的角度依次滞后1 2 0 。 于是在任意瞬间都有三个桥臂同时处于导通状态，或是上面一个下面两个，或是 浙江大学硕一l 学位论文 微型l u 嗍仿真模型 钏吣，叫州1 甜w u = 甜w n 一“u n ，j 甜u n2 “u n t 一“n n 1 “w n = 甜w n 一“n n 。j 材n n t = 专 ( “u n 。+ ”v n + 甜w n ) 一( “u n + “v n + “w n ) ( 2 3 ) n n ：昙( “u n + 甜v n + “w n ) ( 2 5 ) 三拳譬墨三三i 咕s i n h 参i n l 一) ( 撕，。挚( s i l l 研十军如如叫 v - j 去胁v d 耐= 0 8 1 6 玑 ( 2 7 2 l 浙江人学硕i j 学位论文微型i u 州仿真模型 u o v l m 2 x 万3 u e 一1 1 ，= 訾_ 0 7 8 ( 2 8 ) 用同样的方法可以得到负载相电压的基波幅值u u n 。和基波有效值。分别为： l m _ 2 万u d = 0 6 3 7 ，。= 警2 - o 4 5 ( 2 9 ) 万 、， 本文仿真模型中逆变器采用模型库中的基于i g b t 元件的3 桥臂逆变器，如图 2 1 0 所示： 逆变器直流输入 二二 l 岔 + 龃三 一 l c 逆变器三相输出 u n i v e r s a lb r i d g e 图2 1 0 三相电压型逆变器 f i g 2 10t h r e e p h a s ev o l t a g es o u r c ec o n v e r t o r 2 3 2p w m 控制原理 p w m 控制技术是一种对脉冲的宽度进行调制的技术，通过对一系列脉冲的 宽度进行调制，来等效获得所需波形。其主要理论基础是面积等效原理，即冲量 相等而形状不同的窄脉冲加在惯性环节上的时候，其效果基本相同。p w m 控制 技术在逆变电路中的应用最为广泛，现在大量应用的逆变电路其中绝大部分都采 用p w m 控制。p w m 逆变电路中的控制方法可以分为计算法和调制法。计算法 是通过给定输出正弦波的频率、幅值及脉冲数来准确的计算所需p w m 波形，这 种方法比较繁琐而且灵活性不强。调制法的应用更为方便也更广泛，其实质就是 把期望输出波形作为调制信号，被调制信号作为载波，通过信号波的调制来获得 p w m 波形，用等腰三角形作为载波的应用最多。图2 1 1 为一个单相p w m 逆变 电路，用来说明p w m 控制原理： 浙江大学硕l 学位论文微型电网仿真模型 m 土 图2 1 1 单相电压型p w m 逆变电路 f i g 2 11s i n g l e p h a s ev o l t a g es o u r c ep w m c o n v e r t o rc i r c u i t 负载为感性负载，电流滞后于电压。u o 为输出电压，正半周时i g b t 管v l 保持通 态，v 2 保持断开，v 3 、v 4 交替通断。由于电流滞后所以在正半周时负载电流 既有正的时候也有负的时候。电流为正时电流通过v l 和v 4 ，输出电压u 。等于直 流电压，当关断之后通过v l 和二极管v d 。续流，“。= o 。当电流为负的时候虽 然是v 和v 4 导通但其实电流是通过v d 。和v 0 流通，仍有哆，= 虬，v 4 关断v 3 开通 后，“。= o 。在负半周其原理相同。实际上“。就是一个矩形波，通过前面提到过 的面积等效原理，仍然可以实现u 。与期望波形等效，设期望波即信号波u ，为正弦 波，载波为等腰三角波，如图2 1 2 ( a ) 所示： 浙江人学硕i ：学位论文微型i u 网仿真模型 o l f 。 妒 檄 瓦 i i o ( a ) ( b ) 图2 1 2p w m 控制波形 f i g 2 12p w m c o n t r o lw a v e 如图中所示，信号波“，在正半周时载波d 。为正极性的三角波，信号波在负半 周时载波为负极性的三角波，这种方式叫做单极性控制方式，其交点的时刻就是 控制i g b t 管通断的时刻。u ，为正时v i 保持通态，v 2 保持断开，u r “。时v 3 关 断v 4 导通，u o = u d ；u r 时v 3 关断v 4 导通，u o = 0 ；u r 3 5 k v 士1 0 3 8 0 v士7 1 0 k v 士7 2 2 0 v1 0 5 传统的电力系统中，采用无功调节的方式来调节电压，即电压偏低时增大同 步发电机励磁电流以提高机端电压，增大无功输出；电压偏高时减小同步发电机 励磁电流以降低机端电压，减小无功输出。同时电力系统还采用并联电容器、同 步调相机、静止同步补偿器等装置来协同参与电压调节。 以逆变器与电网连接的分布式发电机，控制电压的方式不同与以上所述。同 恒定功率控制中一样，电压控制仍然采用变换法来把a b c 三相电压分解为d q o 分量以实现解耦。仍然假设电网三相电压对称，在系统电压为额定电压的时候， 经过a b c - d q 变换，可以得到u d = l 、q = o 、d o = 0 。那么可以类似于恒定功率控制， 以d 轴电压为l 、q 轴电压为0 作为逆变器电压输出的指定值，其原理图为： u 图2 1 8 电压控制原理图 浙江人学硕一 ：学位论文 微型电列仿真模型 f i g 2 18s c h e m a t i cd i a g r a mo fv o l t a g ec o n t r o l 为系统三相电压的瞬时值，经过a b e d q 变换环节后取d 轴电压u d 。d 轴 电压指定值为u d _ d e f , 因为三相电压对称时q 轴电压为零，那么q 轴电压指定值 为砜d e f 设定为0 。d 轴电压指定值和实际值的误差经过p i 环节之后再传入 d q a b c 变换环节，然后出入p w m 信号发生器中，其输出作为逆变器的期望输出 波形。同样本文在m a t l a b 模型中将图2 18 中的a b c d q 及d q a c b 变换环节，除法 及比较环节，p i 控制环节整合在一个模块之中，称之为电压调节器，如图2 1 9 ( a ) 所示，其细节图如( b ) 所示： v a k f 舢 v a b c i t 蛆r a g ( p o ) s i oc o s v o l t a g er e g u l a t o r ( a ) 三相电压瞬时值 d 轴电压指定值 a b c d q 变换基准 谢l o u ( b ) 图2 1 9 电压调节器 f i g 2 19v o l t a g er e g u l a t o r 2 频率控制 同电压一样，电力系统的频率也是电能质量的另一个指标。频率的过高或者 过低都会对电气设备的运行带来不利影响。当频率下降的时候，发电机组的汽轮 机叶片会发生振动，造成寿命减少甚至断裂。频率降低时发电厂的相关电动机设 备会因此而出力减小，直接使得到锅炉和汽轮机的出力减小，从而造成频率继续 降低这样的恶性循环，直至频率崩溃。对于电动机负荷，其转速与频率近似成正 浙江人学硕1 ：学位论文微型f u 网仿真模型 比的关系，频率的变化将造成电动机转速的变化，将影响纺织、造纸等行业的产 品质量。电子设备也会因为频率的不稳而不能正常的工作。为了保持系统的频率 以减少频率变化造成的影响和危害，我国电力工业技术法规中规定，电力系 统稳定运行时，频率应该保持在5 0 i 0 2 h z 之内，在采用频率自动调整装置的时 候，频率的误差应该不超过0 0 5 0 1 5 h z 。为了防止频率崩溃还必须装设低频减 载装置。 传统的电力系统中，采用有功调节的方式来调节频率，即频率偏低时增大同 步发电机的原动机输入转矩，以增大有功输出，提高系统频率；频率偏高时减小 同步发电机的原动机输入转矩，以减小有功输出，降低系统频率。 同电压控制一样，由于分布式发电机采用逆变器为接口界面连上电网，频率 控制的原理也不同于传统同步发电机。前面已经提到过在a b c d q 和d q a b e 变换 中需要一个正弦和余弦信号作为频率基准，来进行坐标变换。在联网运行时，由 于电网系统容量很大，而且系统稳定，坐标变换所需的频率基准可以用锁相环从 电网取得。但是在孤岛运行时，负荷或者发电机的扰动都会引起微型电网频率的 变化，那么就必须为微网给定一个频率基准。本文仿真模型在孤岛运行时，用一 个理想的信号发生器为微型电网提供频率基准。图2 2 0 所示为频率控制环节原 理图： 频率基准 图2 2 0 频率调节器原理图 f i g 2 2 0s c h e m a t i cd i a g r a mo ff r e q u e n c yr e g u l a t o r 联网运行时，开关k 打向上，供坐标变换的频率基准由主电网提供。孤岛运行 时开关打向下，用一个正弦波发生器来产生坐标变换的频率基准，在此频率基准 下微型电网可以应对一些扰动而保持频率在额定频率范围内。 2 4 微型电网仿真模型 至此微型电网中的一些基本模型单元，和逆变器的控制策略已介绍完毕，图 2 2 1 为本文微型电网在m a t l a b 中的仿真模型图。 浙江人学硕l ：学位论文微型电嘲仿真模型 图中m a i ng r i d 为主电网等效系统，t 为变压器，t a ，t v 为电流互感器和 电压互感器，p l l 为锁相环。l o a d l 为主电网侧负荷，l o a d 2 为微型电网内部次 要负荷，l o a d 3 为微型电网内部重要负荷。d g l 为分布式发电模块l ，d g 2 为分 布式发电模块2 ，d s 为分布式储能系统模块。k i 为主电网和微型电网之间的开 关，闭合时微型电网为联网运行模式，打开时为孤岛运行模式。k 2 、k 3 、k 4 分 别为分布式发电模块和分布式储能系统模块的出口开关，k 5 为次要负荷的切除 开关。 分布式发电模块、分布式储能系统模块和微型电网负荷将在后文中做详细说 明。 浙江人学硕i j 学位论文微型i u 列仿真模型 互 皇 ； 哇 五= 一困 图2 2 1 微型电网仿真模型 f i g 2 21s i m u l a t i o nm o d e lo fam i c r og r i d 浙江大学硕i j 学位论文 微型f 也刚仿真模型 仿真模型中的分布式发电模块d g l 、d g 2 和储能系统模块d s ，其实是由分 布式发电机模型、超级电容模型，同逆变器组合而成的。这样才是一个完整的分 布式发电机或者储能系统。图2 2 2 为分布式发电机模块的原理图： 分 图2 2 2 分布式发电机模块原理图 f i g 2 2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f d i s t r i b u t e dg e n e r a t o rm o d u l e 为了保持逆变器直流测电压稳定，当分布式发电模块输出有功变化时，需要对分 布式发电机进行相应的输入转矩调节和励磁调节。对于风力发电机可以调节风叶 桨距角，对于太阳能电池可以调节电池板的角度等等，但是只能限定在当前可获 得的最大绿色能源的功率，以及逆变器的容量限制范围之内。一个分布式发电模 块应该同时具有恒定功率控制和电压频率控制方式，并可以根据控制策略来切 换。 分布式发电模块的m a t l a b 仿真模型如图2 2 3 。图中g e n e r a t o r 为采用同步发 电机模型的分布式发电机模型，其励磁为恒定，输入转矩根据逆变器直流侧电容 电压调节，直流侧电容额定电压为8 0 0 v 。r e c t i f i e r 为整流器，c o n v e r t o r 为逆变 器，l cf i l t e r 为无源滤波器，t a ，t v 为电流互感器和电压互感器，a b c 为逆变 器的输出，接至分布式发电模块出口开关。r m s 环节为取有效值，尸- d e f 和q e f 是恒功率控制下的有功和无功输出指定值，除以电压有效值后可以分别得到d 轴和q 轴输出电流的指定值，需要注意的是相电压的有效值与d 轴电压分量之间 有2 的关系，计算中要考虑进去。u ad e f 为电压频率控制下d 轴电压输出的指 定值。v o l t a g er e g u l a t o r 为电压调节器，c u r r e n tr e g u l a t o r 为电流调节器。当开关 打向u 时，分布式发电模块工作在电压频率控制模式；当开关打向p q 时，分布 式发电模块工作在恒定功率控制模式。p w m 控制信号发生器之后是一个离散延 时环节，然后将p w m 控制信号输入逆变器。 浙江人学硕 ：学位论文 微型l u m 仿真模型 图2 2 3 分布式发电机模块 f i g 2 2 3d i s t r i b u t e dg e n e r a t o rm o d u l e 浙江人学硕l j 学位论文微型i 乜网仿真模型 图2 2 4 为分布式储能系统模块的原理图： 超级电容 图2 2 4 分布式储能系统模块原理图 f i g 2 2 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fd i s t r i b u t e de n e r g ys t o r a g es y s t e mm o d u l e 储能系统通过开关k r 从电网吸收能量，这个过程可以在联网运行时完成，也可 以在孤岛运行时完成。由于孤岛运行时发电机为分布式发电设备，会有可再生能 源供给不充足的风险，为了保证孤岛运行时微型电网内部负荷的持续运行，则可 能需要储能系统供给能量，所以储能系统应该在微型电网运行时从电网吸收能 量，以备孤岛运行时使用。开关k 4 为储能系统模块的输出开关，如果需要储能 系统在联网运行时改善电压质量，则k 4 保持关闭，k r 在储能系统未充满电且 电网稳定运行时关闭为储能系统充电。如果主要是要储能系统在孤岛运行时维持 微型电网内负荷的稳定运行，那么在储能系统在微型电网联网运行时充电完毕之 后，则断开k r ，同时k 4 保持断开，并且在微型电网进入孤岛运行时再闭合， 储能系统启动运行。 分布式储能系统模块的m a t l a b 仿真模型如图2 2 5 。本文中储能元件采用超 级电容，其仿真模型用理想电容代替，并设定其电压初值以表示充电完毕。 浙江人学硕i ? 学位论文微型i 乜网仿真模型 n 喜善 吾2 门 图2 2 5 分布式储能系统模块 f i g 2 2 5d i s t r i b u t e de n e r g ys t o r a g es y s t e mm o d u l e 仿真模型中l o a d l 和l o a d 2 分别为微型电网内部的重要负荷和次要负荷， 均由电动机负荷和纯阻抗性质负荷组成。由于电力系统中电动机负荷占有很大比 例，在仿真模型中同样也设置电动机负荷占有较大的比例。图2 2 6 所示为微型 电网负荷的仿真模型，重要负荷和次要负荷结构相同。i