（电力电子与电力传动专业论文）适于微电网的逆变电源控制策略的研究.pdf

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志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金目墨至些太堂 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。 学位论文作者签字： 蚋遣 签字嗍2 0 l 年甲月2 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金墅王些态堂有关保留、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，允许论文被查阅或借阅。本人授权金8 墨王些塞 堂可以将学位论文的全部或部分论文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) 学位论文者签名： 划详 i 签字日期驯f 年f 月习日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 新鹕：存瓜 移一 签字日期：少1 1 年牛月硝阳 电话： 邮编： 电网 难题 种趋 系统 中同步发电机在并网时的特性，根据此特性提出了逆变电源的虚拟同步发电机 控制策略，并对逆变电源进行建模和仿真，验证此控制方法的正确性和可行性， 并制作样机进行试验。全文的主要有以下几点： 1 、查阅相关资料，了解分布式发电系统及微电网的相关概念和结构，知道其研 究现状，进一步说明研究微电网的研究具有长远的意义。 2 、根据现有的分布式发电系统中对逆变电源的控制方法及其他相关技术，说明 现有的技术要求不能达到微电网运行的要求，同时分析同步发电机的控制技术， 以此为依据，提出具有同步发电机特性的逆变电源控制方法，设计主电路的拓 扑，并计算出滤波电路参数。 3 、利用同步发电机的二阶数学模型和控制技术，设计出虚拟同步发电机算法， 分析同步发电机调速器和励磁调节器的工作原理，设计出调压调频控制器，从 而设计出具有同步发电机输出特性的逆变电源。 4 、应用m a t l a b 仿真软件和p l e c s 工具箱，搭建三相逆变电源及其控制系统的 仿真模型。通过对系统模型的稳态和暂态仿真，并与同步发电机输出特性进行 比较，分析系统的总体性能，验证算法的可行性。 5 、采用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 0 6d s p 作为系统的控制芯片，设计出逆变电源 的各个部分的硬件电路，给出主要模块的软件流程图，为进一步的实验搭建平 台。 关键词：分布式发电；微电网；逆变电源；虚拟同步发电机算法 i nm i c r o g r i d ，e l a b o r a t et h es i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c ho fm i c r o g r i d 2 s u m m a r yt h er e q u i r e m e n t s o ft h ei n v e r t e ri n m i c r o g r i d ，t h ee x i s t i n gp o w e r i n v e r t e rf o rp a r a l l e lo p e r 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 i e sa n dt r a d i t i o n a l m i c r o g r i do p e r a t i o n c a nn o tm e e tt h e r e q u i r e m e n t s ，t h i sp a p e rp r o p o s e d a s y n c h r o n o u sg e n e r a t i o nf e a t u r e si n v e r t e rm o d e l ，a n dd e s i g nt h em a i n c i r c u i ti n v e r t e r t o p o l o g y ，c a l c u l a t et h ef i l t e rc i r c u i tp a r a m e t e r s 3 a n a l y s i st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fs y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ，d e s i g no fv i r t u a l s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r i n v e r t e ra l g o r i t h m a c c o r d i n gt ot h ea c t i y a t o ra n dt h e e x c i t a t i o ns y s t e md e s i g n e dt h ef r e q u e n c ya n dv o l t a g ec o n t r o l l e r s 4 u s et h em a t l a ba n dp l e c st o o l b o xt ob u i l dt h r e e p h a s ei n v e r t e r t h r o u g ht h e s t e a d ya n dd y n a m i cs t a t es i m u l a t i o n ，a n dc o m p a r et os y n c h r o n o u sg e n e r a t o ro u t p u t c h a r a c t e r i s i t i c s ，a n a l y s i so fo v e r a l ls y s t e mp e r f o r m a n c e ，v a l i d a t et h ea l g o r i t h m 5 u s i n gt m s 3 2 0 f 2 8 0 6d s pc h i pa st h ec o n t r o ls y s t e m ，a n dd e s i g nt h eh a r d w a r eo f v a r i o u sp a r t so ft h ei n v e r t e r ，a n dg i v e nt h em a i ns o f t w a r ef l o w c h a r t ，t ob u l i da p l a t f o r mf o rf u r t h e re x p e r i m e n t s 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 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 s g e n e r a t o ra l g o r i t h h ，无 际， 谨向所有关心、支持和帮助过我的老师和同学表示深深的谢意! 首先我要感谢我的导师苏建徽教授。两年多以来，苏老师无论是在学习上， 还是科研和生活上都给予我很大的帮助和支持。苏老师从事科研兢兢业业、一 丝不苟，为我提供丰富的实践机会和良好的实验条件，凭借苏老师丰富的科研 经验很容易解决了很多课题研究中遇到的难题，使我的课题研究能够顺利进行， 并取得一定阶段性成果，同时这些宝贵的经验将使我终生受益。在生活中，苏 老师经常牺牲个人的休息时间，给我讲了许多做人的道理和为人处世应注意的 问题，使我在今后的工作生活中受益匪浅。在此，我向他表示最真挚的谢意! 感谢张国荣老师和茆美琴老师。张国荣老师渊博的学识，严谨的治学态度 和宽厚的师长作风，给了我深刻的启发。茆美琴老师精深的理论水平和出色的 外语能力令我敬佩不已。他们的广泛的学识和忘我的工作精神以及平易近人的 待人之道，使我受益非浅。 感谢能源所的杜雪芳老师、汪海宁老师、杜燕老师、张健老师、刘宁老师、 陈林老师和刘翔老师等多位老师在平时的生活和学习中给予我的无私帮助和鼓 励。 感谢给予我帮助并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：罗浩泽、金曼、冯宝成、张 亚玉、王其兵、施勇、李宗均、刘元岗、陈鹏、郑群、张枝茂、穆俊升以及0 9 、 1 0 级多位同学的帮助和指导。 最后我要感谢我的家人对我多年的养育和支持，家人的支持是我前进的动 力，我的点滴收获和不断成长无不凝聚着家人的心血! l i l 作者：刘洋 2 0 11 年3 月31 日 目录 第一章绪论1 1 1 分布式发电系统1 1 2 微电网的基本概念及国内外发展现状2 1 2 1 微电网的总体结构2 1 2 2 微电网的发展现状3 1 2 3 微电网的未来发展方向5 1 3 论文选题的背景和意义5 1 4 本文研究的主要内容6 第二章微电网中逆变电源的控制方法7 2 1 现有微电网中的逆变电源的控制7 2 1 1p q 控制7 2 1 2 下垂控制8 2 1 3 电压频率( u 力控制1 0 2 2 传统分布式发电中的并网控制1 l 2 3 微电网中逆变电源的虚拟同步发电机算法1 2 2 4 本章总结13 第三章基于虚拟同步发电机算法的逆变电源设计1 4 3 1 微电网中的逆变电源设计1 4 3 1 1 主电路的结构1 4 3 1 2 输出l c 滤波电路的设计1 6 3 2 同步发电机的数学模型1 8 3 3 具有同步发电机特性的逆变电源系统设计1 9 3 3 1 逆变器的虚拟同步发电机的结构1 9 3 3 2 调频过程的分析2 0 3 3 3 频率控制器的设计2 2 3 3 4 电压控制器的设计2 3 3 3 5 逆变电源系统的控制框图2 6 3 4 微电网的系统设计原理2 6 3 5 本章总结2 7 第四章逆变电源建模与仿真2 8 4 1p l e c s 工具箱的简介2 8 4 2 系统的建模2 9 4 2 1 逆变电源主电路的建模2 9 4 2 2 虚拟同步发电机建模3 0 i v 4 2 3 控制器建模3 1 4 2 4 单台逆变电源系统的建模3 1 4 2 5 微电网系统的建模3 2 4 3 系统的仿真3 2 4 3 1 单台逆变电源的仿真3 3 4 3 2 三台逆变电源的仿真3 5 4 3 本章总结3 7 第五章微电网系统的整体研制3 8 5 1 微电网系统的整体结构3 8 5 2 微电网系统的硬件设计3 9 5 2 1 主电路设计3 9 5 2 2 控制电路及其供电电源电路设计3 9 5 2 3 采用电路设计一4 1 5 2 4 通信接口电路设计4 3 5 3 微电网系统的软件件设计4 4 5 3 1 主程序设计4 4 5 3 2p w m 中断程序设计4 5 5 3 3 通讯模块程序设计一4 6 5 3 4 保护模块程序设计4 7 5 3 5a d 采用模块程序设计4 7 5 4 本章小结4 8 第六章全文总结与展望4 9 6 1 课题工作总结4 9 6 2i 作展望4 9 参考文献5 1 v 插图清单 图1 1 微电网的基本结构一2 图2 1p q 控制方式一框图7 图2 2p q 控制方式二框图8 图2 3 功率流动及相量示意图9 图2 4 下垂控制结构框图1 0 图2 5 下垂特性曲线l o 图2 - 6u 厂控制框图1 1 图2 7u 厂控制1 l 图2 8 光伏并网功率调节系统1 2 图2 - 9 等效控制示意图一1 3 图3 1 单相逆变电源主电路拓扑1 4 图3 2 逆变器主电路结构框图1 6 图3 3 逆变器主电路结构框图1 6 图3 4 逆变器的虚拟同步发电机模型1 9 图3 5 虚拟同步机单元算法结构框图2 0 图3 - 6 调频示意图一2 l 图3 7 二次调频控制原理框图2 2 图3 8 频率控制器系统框图2 2 图3 - 9 功率与电压的关系2 4 图3 1 0 无功功率与电压的关系2 4 图3 1 1 励磁控制系统控制框图一2 5 图3 1 2 电压控制框图2 6 图3 1 3 逆变电源系统控制框图2 6 图3 1 4 微电网系统控制结构图2 7 图4 1p l e c si 具箱中的元器件库2 9 图4 2 逆变电源主电路模型2 9 图4 3p w m 驱动信号模型3 0 图4 4 虚拟同步发电机算法模型3 0 图4 5 电压控制器模型3 1 图4 - 6 频率控制器模型一3 1 图4 7 系统的控制模型3 2 图4 8 微电网系统仿真模型3 2 图4 9 逆变电源系统稳定状态系统仿真3 4 图4 1 0 逆变电源动态系统仿真3 5 v i 图4 1 1 三台逆变电源动态系统仿真3 7 图5 1 微电网系统实验平台结构图3 8 图5 2 主电路原理图3 9 图5 3 系统控制电路框图4 0 图5 4 控制芯片供电电源电路一4 1 图5 5 直流母线电压采样电路4 2 图5 6 电流采样电路4 2 图5 7 温度采样电路4 3 图5 84 8 5 通信接口电路4 3 图5 - 9c a n 通信接口电路一4 4 图5 1 0 主程序流程图4 5 图5 1 1p w m 中断程序流程图4 6 图5 1 2 通讯模块子程序流程图4 6 图5 1 3 保护模块子程序流程图4 7 图5 1 4a d 采样模块子程序流程图4 8 i 表格清单 表1 1 国内外部分微电网示范系统4 v i i i 第一章绪论 集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统是目前电能生产、输送和 分配的主要方式，正在为全世界9 0 以上的电力负荷供电。但这种大规模的电 力系统的弊端也日益凸现：不能灵活跟踪负荷的变化。如夏季空调负荷的激 增会导致电力供应暂时不足，而对这种暂时的峰荷建造输电设施又得不偿失。 大型互联电力系统中，局部事故极易导致大面积停电。如2 0 0 3 年的北美大停 电。因此可以说，现有的电力系统是既“笨拙 又“脆弱 。目前，大电网与分 布式发电相结合被世界许多能源、电力专家公认为2 1 世纪电力系统发展的必然 方向，不仅可以节省成本，又可以使供电的可靠性和灵活性大大增加【l j 。 1 1 分布式发电系统 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 ) 这一概念一经提出，就被国内 外的专家学者所重视，其独特的优势在于可以充分的利用各种分散存在的能源， 但目前国内外对分布式发电的具体含义仍没有准确的定义，各个国家根据各自 的观点，提出了很多略有差别，但实质相近的定义，比如分散式发电、嵌入式 发电或者非集中式发电等。 就一般而言，分布式发电是指发电功率在数千瓦至几十兆瓦的小型模块化、 分散式、布置在用户附近的高效、可靠的发电单元。分布式发电可以用来满足 电力系统和用户特定的要求，如调峰、为边缘用户或商业区和居民区供电，其 特点是电力就地产生，就地消化，也可与大电网并网运行，具有节省输变电投 资、易于实现电网安全、经济、高效、优质运行等优点。 分布式发电系统电源位置灵活、分散的特点极好地符合了广大分散的用户 对电力需求，从而可以减轻这些地区供电所带来的输电成本。当分布式发电系 统并网运行时，又可以在一定程度上改善大电网的电能质量。当前，分布式发 电已经广泛的被欧美、日本等发达国家所接受和认可，并展开了深入的研究， 这将预示着分布式发电系统将是未来发电系统研究是主要方向。 分布式发电系统与电力系统之间存在如下的四种方式：分布式发电系统 独立运行向附近的用户供电；分布式发电系统独立运行，但在分布式发电系 统与当地电网之间有自动转换装置；分布式发电系统与电网系统并联运行， 但分布式发电系统对当地电网无电能输出；分布式发电系统与电网系统并联 运行，且向当地电网输出电能。不同的运行方式具有不同的特点。 从宏观整体上说分布式发电系统是将各个微电源、储能系统、负荷和控制 器组成一个有机的整体，通过独立或者并网的方式向周围负载供电。一般来说， 分布式发电方式中的微电源主要是如光伏发电和风力发电等，对于用户来说， 它们成本低且无污染，很容易被接受，通过电力电子接口与大电网相连，实现 并网运行，此接口我们称为公共连接点( p c c ) ，当然也可以与大电网端口，独 立的孤岛运行。 由分布式发电系统的结构可以看出，只有完善的控制系统才可能提供如此 灵活的运行方式与高质量的供电服务，所以控制问题必然成为分布式发电系统 研究中的一个重要，同时也是一个难点问题。其中针对其特点，一个基本的技 术难点在于微电源数量太多，控制中心很难对某个出错的微源做出快速而又准 确的判断，同时做出相应的响应，这样就很容易导致整个系统的崩溃。 因此，分布式发电系统的控制系统应该做到能够基于本地信息对网络中的 事件做出主动响应，利用本地信息自动转到独立( 孤岛) 运行方式，而不是像 大电网调度电能那样由电网调度中心统一协调。具体来说，对于分布式发电的 控制应当保证：任何一个分布式发电系统或者其中任意微源的接入不会对大电 网系统造成冲击影响，同时对大电网的电能质量有一定的改善，统一接受大电 网的功率调度。在2 0 0 1 年，美国针对分布式发电的并网问题专门颁布了 i e e ep 1 5 4 7 d 0 8 “分布式电源与电力系统互联的一系列相关标准 ，其中规定 了：当电力系统的大电网发生故障时，分布式发电系统必须马上与大电网断开， 转为孤岛运行或者停机。为了满足上述规定，世界各国科学家就此提出了一种 新型的发电组合方式“微电网” 2 - 5 1 。 1 2 微电网的基本概念及国内外发展现状 1 2 1 微电网的总体结构 1 分段器 ： 光伏电池 ( 断路器) ： 甲敏感贿自m * d i m n 翻巩拦制器 u 上a 1 锡 ：_ - - 一一 目二i i 爰 保护协调器 微电网调度 能量 i ， 管理器 b 、 n i r 调节桶学 u 已南 二n 而r = = = 玉 大 i 静态开关 微型燃诫电池 电 变电站 p c c ； l ! n nr 、 ： 、 ： 一恻主隔离设备 。上 i+ 非敏感负荷 。 l 非气思姒 一电力传输线；一信息流l 保护信息传输线 图1 1 微电网的基本结构 微电网是一个独立自主的一个小型系统，通过一个变电站与大电网相连 2 【6 ，7 l 。图l 为微电网的基本结构，由多个分布式发电单元、储能单元和负荷单 元组成。微电网中的分布式发电单元可分为可再生能源和不可再生能源，可再 生能源有太阳能发电、风力发电等，不可再生能源有微型燃气轮机等。同时， 微电网中的分布式发电单元还可有热电联产功能，既可向用户提供电能，也可 向用户提供热能，提高了能源的利用率【8 】。储能单元有蓄电池、超级电容等， 负荷单元可分为重要负荷和非重要负荷两种。 图中有a 、b 、c 三条馈线，a 、b 两条馈线的负荷单元为重要负荷，c 馈 线上的负荷单元为非重要负荷。当大电网停电时，微电网和大电网连接处的断 路器断开，微电网系统进入孤岛运行状态，所有负荷单元均由安装在a 、b 两 条馈线上的分布式发电单元承担。若此时微电网内部出现过负荷情况，电能的 供需平衡无法得到满足，可切断对c 馈线上的非重要负荷的供电，只对a 、b 两条馈线上的重要负荷供电。当大电网故障解决以后，重新合上断路器，微电 网重新对大电网的电压幅值和相位进行检查，保证微电网的电压幅值和相位与 大电网同步，实现微电网由孤岛运行状态到并网运行状态的平稳过渡。 在微电网的这种结构下，多个分布式电源同时向本地区的敏感负荷供电， 当大电网出现波动或者电能质量下降不能满足敏感负荷运行的要求时，分布式 电源可以转到孤岛的运行方式，从而保证了敏感负荷的可靠运行：同时在一定 程度上也减轻了大电网的负担。 1 2 2 微电网的发展现状 由于微电网可有效提高大电网可靠性，将分布式发电良好的接入电力系统 中，其概念一经提出，便受到各国普遍重视。欧美等发达国家和地区已经率先 完成了微电网的工作原理和运行特性研究，初步建立了分布式能源及微电网的 模型和仿真分析工具，完成了微电网控制和保护策略、通信协议等，并且通过 实验室测试到现场示范工程进行了验证，解决了一些相关基本理论性分析。根 据现在研究的成果，可以确定未来研究的方向主要集中在更加优化的控制策略 和对于组网的控制方面。 我国对微电网的研究近几年也重视起来，国家科技部“8 6 3 计划先进能源 技术领域2 0 0 7 年度专题课题中已经包括了微电网技术，但我国对微电网技术 的研究尚处于起步阶段，目前清华大学、中国科学院电工研究所、天津大学、 河海大学、东南大学、合肥工业大学等单位相继开始了对微电网的研究。清华 大学与辽宁高科能源集团合作，在国内率先将微电网应用到实际工程中，积累 了丰富的实践经验和学术成果。中国科学院电工研究所的研究课题“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，天津大学的研究 课题“分布式发电供能系统相关基础研究获得了国家9 7 3 计划项目的资助； 河海大学与英国格拉斯哥卡里多尼亚大学有着密切的学术合作交流，并共同开 展微电网的研究。目前国内对微电网的研究取得了一定的进展，但与欧洲、美 国及日本等由研究机构、制造厂商和电力公司组成的庞大研究团队相比，我国 在研究力量和取得的成果上仍与之存在较大差距，因此有必要进一步展开微电 网关键技术的研究，促进微电网在我国的应用。因此，国家在最新“十二五” 规划中，已积极和鼓励发展新兴的可再生能源产业，预计全年新增风电装机超 过1 4 0 0 万千瓦，光伏电站将新增装机5 0 万千瓦。 目前国内外建成和在建的部分微电网示范系统如表1 1 所示。 表1 1 国内外部分微电网示范系统 微电网示范系统 资助和运行机构地理位置说明 4 8 0 v 系统，包括3 c e i h s ，a e p ， 美国俄亥俄州哥伦个6 0 k wm t ，有三 c e i 汀st e s tb e dc e c ，l b n l ，n p s布市沃纳特测试基条馈线，其中两条含 等 地 有微型电源并能孤岛 运行。 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 n p s ( 2 0 ) ， m a dr i v e rp a r k美国范特蒙特电机，3 0 k wm t ， n r e l ( 8 0 ) p v 。接入7 2 k v 配 电网。既可并网运行， 也可孤岛运行。 连接到4 0 0 v 低压网 络的天然气站电网， 具有8 0 k wm t ，多 e d p s余电力可送往1 0 k v m i c r o g e n e r a t i o n e d p 葡萄牙中压电网，或供当地 f a c i l i t y 低压农村电网 ( 3 4 5 4 1 5 k v a ) ， 既可并网运行，也可 孤岛运行。 用于度假村，供4 条 3 8 0 v 馈线。以光伏 c o n t i n u o n s发电为主，共装 m v l vg e r m a n o se m f c l r e荷兰阿纳姆3 3 5 k w 光伏发电单 f a c i l i t y 元。既可并网运行， 也可孤岛运行。主要 用于含有储能系统的 4 微电网孤岛运行性能 的测试。 位于居民区，包含6 台光伏发电单元，共 4 0 k w ；计划继续安 m a n h e i m装数台微型燃气轮 m i c r o g r i d m v v e n e r g i e 德国慕尼黑 机。将对基于代理的 分散控制进行测试， 并进行社会经济效益 评估。 基于3 台燃气轮机的 南方冷热电 南方电网公司深圳冷热电三联供深圳科 微电网示范性工程 技园微电网示范工程 1 2 3 微电网的未来发展方向 微电网具有很多优点，它的发展得到了全世界的重视，然而在发展的同时 还有很多技术难题没有克服，微电网在未来的发展将着重于【9 。1 1 】： ( 1 ) 微电网孤岛运行模式和并网运行模式的无缝切换和频率电压控制； ( 2 ) 微电网黑启动控制策略研究： ( 3 ) 微电网分散式控制策略的研究和控制器设计，使每个分布式发电单元 可独立进行频率电压调节； ( 4 ) 间歇式和可控式微电网系统，常规模式和基于变流器模式微电网系统 的运行和控制。 1 3 论文选题的背景和意义 我国具有特殊的国情，不能完全照搬国外微电网的发展模式，但是我国进 行微电网的研究是十分必要的，也是非常迫切的。( 1 ) 微电网可以提高电力系 统的安全性和可靠性，有利于电力系统抗击灾害的能力；( 2 ) 微电网可以促进 可再生能源分布式发电的并网：( 3 ) 微电网可以提高供电可靠性和电能质量， 有利于提高电网企业的服务水平；( 4 ) 微电网可以延缓电网投资，降低网损， 有利于建设节约型社会：( 5 ) 微电网可以扶贫，有利于社会主义新农村建设。 发展微电网，合理利用可再生能源，既是解决能源利用的有效途径，也是 一种治理环境的重要举措，特别是能够受电力系统突然断电造成的损失。由于 投资少、见效快，机动灵活，安全可靠，微电网越来越受到人们的关注，因此 我国开展微电网研究是十分必要的。然而微电网在运行方式上，各国学者之间 存在许多争议，但主要都集中在在不影响现有大电网系统运行前提下，与大电 网系统构成有机的整体，寻找到一种合适的微电网控制方法显得尤为重要。因 此，研究适于微电网的逆变电源的控制策略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和结构的基础上，针对微电网中的 逆变电源运行的要求和现有同步发电机的控制技术做了研究，同时根据微电网 中的逆变器并联运行的特点和要求，提出了一种新颖的控制算法，即虚拟同步 发电机算法，以满足在微电网环境下，各个逆变电源稳定运行的要求。通过理 论分析，使用m a t l a b 和p l e c s 工具箱软件分别对逆变电源和虚拟同步发电机 算法进行建模，通过仿真来验证理论分析的正确性。最后设计了逆变电源的硬 件电路和主要部分的软件流程图。本文的主要内容总结如下： 1 、查阅相关资料，了解分布式发电系统及微电网的相关概念和结构，知道其研 究现状，进一步说明微电网的研究具有长远的意义。 2 、根据现有的分布式发电系统中对逆变电源的控制方法及其他相关技术，说明 现有的技术要求不能达到微电网运行的要求，同时分析同步发电机的控制技术， 以此为依据，提出具有同步发电机特性的逆变电源控制方法，设计主电路的拓 扑，并计算出滤波电路参数。 3 、利用同步发电机的二阶数学模型和控制技术，设计出虚拟同步发电机算法， 分析同步发电机调压调频的原理，设计出算法中相应的控制器，从而设计出具 有同步发电机输出特性的逆变电源。 4 、利用m a t l a b 仿真软件对虚拟同步发电机算法和相应的控制器进行建模， 通过对单台逆变电源的稳定状态，突加和突减负载的动态特性，三台具有虚拟 同步发电机特性的逆变电源组网的功率分配进行了仿真，验证了运用此算法的 逆变电源具有很好的功率和频率的调节能力，并且具有功率自平衡等功能。 5 、采用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 0 6d s p 作为系统的控制芯片，设计出逆变电源 的各个部分的硬件电路和主要部分的程序流程图。 6 第二章微电网中逆变电源的控制方法 微电网以其独特的优点正在受到全世界的关注，未来带有储能装置的微网 逆变电源将会是一种发展趋势，成为微电网中的主流。然而微电网的并网和孤 岛两种运行状态特性不同，从而控制策略也不同【1 2 】，因此要寻找一种适合于微 电中逆变电源的控制策略和控制算法，使其稳定高效的运行。 2 i 现有微电网中的逆变电源的控制 2 1 1 p q 控制 一般情况下，p q 控制主要用于微电网的并网控制。在并网运行时，微电 网中的负荷、频率和电压波动是由大电网来承担的，各个微源不参与频率和电 压的调节，直接采用大电网的频率和电压作为参考来支撑来调节。 在分布式电源中，逆变器采用p i q 控制方式主要有两种【l3 】：一种是通过设 定微型电源原动机的有功功率参考基准值，经过p i 调节来对有功功率进行调节 的，同时通过直流电压控制器进行辅助调节，而无功功率按照参考值进行控制； 另一种是通过控制逆变器，使其按照设定的参考基准值进行有功和无功的调节。 图2 - 1p i q 控制方式一框图 图2 1 所示为逆变器p q 控制方式一的控制框图。在该? q 控制方式下， 有功功率和无功功率有着各自不同的调节对象。有功功率调节是通过分布式电 源控制器与逆变器直流电压控制器共同完成，首先给原动机设定功率参考值 只洫，然后在原动机自身功率调节器作用下使系统输出的有功功率按照设定 的参考值输出，逆变器的直流侧电压的稳定是通过直流电压控制器控制的，主 要是通过p i i 调节器调节，从而使得直流侧电压稳定在恒定值，实现有功功率 的调节。无功功率的调节主要通过控制逆变器进行调节的，首先通过检查逆变 器输出的电流和电压，计算出相应输出的无功功率q ，与设定的无功功率参考 7 值作差，经过p 1 2 控制器的调节，改变输出无功电流的幅值，从而实现了无 功功率的调节。 户q 控制方式二是通过直接控制逆变器来实现，其控制框图如图2 2 所示。 在该控制方式下，通过选择合理的同步旋转坐标轴，在p a r k 变换下简化模型， 将逆变器输出的三相电压a b e 转化为两相坐标系( d q 坐标系) 中，使q 轴的电 压分量u 。= 0 ，则逆变器输出的有功功率和无功功率可表示为 j 岛副s a ”f g n 刮s a f g d( 2 1 ) 【q 2 一u g d g q + u 8 q i g d2 一d f g q 因此我们可以得到电流内环在d q 轴中的参考值为 j k r2 麓a ( 2 - 2 ) i k r = 一 图2 - 2p q 控制方式二框图 在闭环控制中，逆变器输出电压的参考值、碗时是由上式得到的电流 参考值k 、k 硝与实际测量的输出电流值0 、之间的差值，在p i 调节器作 用下调节给出的。根据逆变器输出侧设计的电感量设置d q 轴电压参考分量z f i 正f e f 和“i 。 f e f ，然后经过p a r k 反变换转化为三相a b e 分量，从而实现对逆变器的p q 控 制。 总之，e q 控制方式的主要目的都是通过调整频率和电压的下垂曲线来控 制逆变器输出的有功功率和无功功率稳定在给定的参考值附近，但是这些都需 要系统能够提供一个频率和电压的参考。 2 1 2 下垂控制 逆变器的下垂控制与电力系统中的一次调频控制相似，是通过解耦有功功 率( 电压) 和无功功率( 频率) 之间的下垂特性曲线，从而达到对系统的电压 和频率调节目的。 目前，针对逆变器的下垂控制方式主要有两种：一种采用有功一频率 ( p f ) 和无功一电压( q u ) 的下垂控制方式；另一种则正好相反，是采 8 用有功一电压( p u ) 和无功一频率( q f ) 的反下垂控制方式。两种控制 方式原理相似，只是在选择时要根据实际不同的线路参数特性的需要【14 1 ，选择 合适的控制策略。 设一条线路上的有功、无功潮流由a 点流向b 点，如图2 3 所示。 r 国三 l u 么ol 1 卜 i z - q ) l l 以么一艿 。 图2 - 3 功翠流动及相量不恿图 从a 点流向b 点的有功功率和无功功率可分别表示为 p _ 南 尺( u - u 2 c o s 6 ) + 删n 引( 2 3 ) l q = 甭等f 一烈l c o s 艿+ x ( u 一c 。s 艿) 当传输线路的电压很高时，线路的感抗远大于线路的阻抗，假设传输功率 因数很高，功角很小，则可以近似认为s i n 6 = 万，c o s = 1 ，则式( 2 - 3 ) 可以写 为 ip ：u i u 26 x ( 2 4 ) 【q = 了u ；- u , u , 从上式可以看出有功功率的大小与功角有关，传输线路两端的端电压差与 无功功率有关。所以我们可以得出结论：调节有功功率时，我们可以通过调节 相应的功角来实现，而传输的电压差大小值可以通过调节无功功率的大小来实 现，电压差值越小也说明了传输过程中的损耗越小。 当传输线路的电压水平为中、低时，线路的感抗远小于或者接近于线路的 阻抗，则式( 2 4 ) 可以改写成 iq ：u i u 26 r ， ( 2 5 ) ij p ：堕= 堡堡 l 尺 从式( 2 - 5 ) 中可以看出无功功率的大小与功角有关，传输线路两端的电 压差与有功功率有关。从而我们得出了与高压传输线路相反的结论。 9 图2 4 下垂控制结构框图 图2 4 所示为下垂控制结构框图，从图可以看出，下垂控制的输入是设定 的参考基准值与从分布式电源端口检测得来的电压和频率之间的差值，并在p i 调节器的调节下，通过电流控制来实现微电源的电压和频率调节。 图2 5 所示为频率下垂( 厂一p ) 和电压下垂( u q ) 特性曲线，分别是 由其斜率( 蚝或者k u o ) 和一个代表额定频率( f o ，e o ) 或者基准电压( ，q o ) 的基点所确定。下垂系数和基点可以通过动态地调节各个发电单元的运行点的 恢复过程来控制。下垂控制类似于传统的同步发电机的一次调频功能。 ( a ) f - p 下垂特性( b ) u q 下垂特性 图2 5 下垂特性曲线 2 1 3 电压频率( u 厂) 控制 逆变器的电压和频率控制跟前面所讲的p q 控制恰好相反，它主要适用于 微电网孤岛运行的控制，可以为微电网的孤岛运行提供强有力的电压和频率支 撑。控制方式示意图如图2 - 6 所示，通过设定给定的电压和频率的参考值，与 实时检测到的负载电压和频率之间的差值，在p i 调节器的调节下可以控制逆变 器输出的电压和频率保持恒定。 1 0 图2 - 6u i f 控制框图 随着微电网负荷的变化，下垂特性将导致稳态频率和电压的波动。而波动 幅度取决于负荷的频率电压敏感度和下垂特性本身。调节微电源的输出可以将 微电网的频率电压恢复到额定值。调节微电源的输出可以采取微电网的频率控 制方法，使微电网频率恢复到额定值。如图2 7 ( a ) 所示，通过向左或者向右 平行平移频率下垂曲线，保证频率保持在一个恒定值( 如5 0 h z ) 。同理，如图 2 7 ( b ) ，通过向左或者向右平行平移电压特性曲线，保证微电网电压保持在一 个恒定值。 ，、 星 、- 一 j 厶 b ( a ) f - p 下垂特性( b ) u q 下垂特性 图2 7u 厂控制 2 2 传统分布式发电中的并网控制 为了对微电网的逆变电源并网控制的要求有更深入的认识，本文以光伏并 网发电技术为例对分布式发电并网技术做简要介绍。 图2 8 为文献【15 】设计的三相光伏并网逆变器的工作原理图。图中， e ，f ，= 口、b 、c ) 为大电网的三相交流源。m p p t 控制单元的主要作用是控制光伏 阵列在输出最大功率时所工作的端电压以，同时依据端电压和输出功率的大小 来判断当前是白天还是黑夜。电压控制单元可以根据光照的变化，实时的改变 并网电流的有功分量给定值。无功电流计算单元来确定补偿所需的无功电流 给定艺。电流指令计算单元是把以上两个单元所计算出的电流有功分量与无功 分量合成，最终确定系统的并网电流指令值。从图中我们可以看出逆变器输出 的相位和频率是以大电网电压为参考的，以最大功率跟踪调节有功电流，以负 载所需无功来调节无功电流，最终对合成的电流实施闭环调节来控制逆变器的 开关管的导通和关断。但是这种控制方法的弊端是当逆变器在失去了大电网的 参考孤岛运行时，就无法提供可靠的基准作为参考，从而使系统崩溃。 图2 8 光伏并网功率调节系统 2 3 微电网中逆变电源的虚拟同步发电机算法 微电网除了具有规模小，设计灵活等特点以外，另一个显著的区别就是发 电单元的不同；与大电网中的同步发电机相比，微电网还存在一个难度较大的 地方，就是逆变电源的组网并联控制，主要是由于逆变电源与同步发电机在结 构和控制原理上存在较大的差异6 ，表现在：( 1 ) 同步发电机在调节输出的有 功功率时可以自动的改变转速来实现，即改变频率，而逆变电源则不具备类似 功能【1 7 】，只能通过人为设定来改变；( 2 ) 同步发电机具有自同步功能，在并网 时可以自动的与大电网同步，而逆变电源则不具备，只有通过锁相来实现与大 电网的同步；( 3 ) 同步发电机由于控制方法和本身具有较大的惯性的特点，电 压和功率不会突变，容易控制，而逆变电源本身则不存在惯性，一旦出现某些 故障，很容易使整个系统崩溃而停机；( 4