微电网仿真建模及控制策略的研究论文(PDF 68页).pdf

天津大学 硕士学位论文 微电网仿真建模及控制策略的研究 姓名 曾红艳 申请学位级别 硕士 专业 电气工程 指导教师 李斌 薛莉 2011 12 摘要 由于目前的环境问题以及能源问题日益突出 寻找可以代替一次能源的清洁 型能源是目前全球关注的问题 而电能作为一种清洁性的二次能源 其发展受到 了越来越广泛的关注 生产电能这种二次能源的过程会造成污染 并且生产电能 这种二次能源的化石能源面临枯竭 利用清洁型的可再生能源发电受到了全球的 重视 所以对于可再生能源的发电的研究成为目前电力研究的热点 可再生能源发电的研究分为很多方面 当前对于微电网的研究多偏向于微电 网并网运行和孤岛运行时微电网内分布式电源的控制策略的研究 特别是对于单 个逆变型电源的双环控制的研究已经比较成熟 当前研究的主流是分布式电源组 成的微电网的控制 而微电网内部一般含有多种类型的分布式电源 微电网的稳 定运行除了依靠控制微电网内分布式电源的稳定外 还需要依靠微电网内部电源 的协调控制 目前对微电网内部分布式电源的协调控制的研究比较少 本论文对微电网内分布式电源的协调控制做了深入的研究 制定了相应的协 调控制的约束条件 确立了微电网内不同分布式电源的启停以及运行条件 并且 依照制定的启停以及运行条件 在外部的环境以及微电网负荷变化比较频繁的情 况下 实现能源的优化利用的同时也实现了分布式电源的控制策略的自动平滑切 换 从而实现了微电网内分布式电源的协调调度与控制 同时依照这些约束条件 给定了分布式电源的控制模式 并且比较了蓄电池控制模式的优劣 并利用数字 仿真平台M A T L A B s i m u l i n K 做了大量的仿真工作 最后证明了这些约束条件的 可行性 也验证了所得结论的正确性 关键词 微电网仿真建模控制策略P Q 控制v f 控制 A B S T R A C T A tp r e s e n t t h e e n v i r o n m e n t a la n d e n e r g yp r o b l e m sh a v eb e c o m e i n c r e a s i n g l v p r o m l n e n t l o o k i n gf o rc l e a ne n e r g yi sag l o b a lp r o b l e m E l e c t r i ce n e r g yi sac l e a n s o u r c e S Ot h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c e n e r g yh a sc a u g h tw o r l d w i d ea t t e n t i o n T h e p r o g r e S So fp r o d u c i n ge l e c t r i ce n e r g yh a sc a u s e dp o l l u t i o n a n dt h ef o s s i lr e s o u r c e s a 代d r y i n gu p S ot h er e n e w a b l ee n e r g yp o w e r g e n e r a t i o nb e c o m i n gm o r eo fac o n c e m A n dt h u st h er e s e a r c hf o c u si ne l e c t r i c i t yi st h er e n e w a b l e e n e r g yp o w e rg e n e r a t i o n 1n e 陀s e a r c ho fr e n e w a b l ee n e r g yp o w e r g e n e r a t i o nh a sm a n ya s p e c t s a n dn o wt h e s t u d yf o rm i c r o g r i di sb i a so nt h ec o n t r o l s t r a t e g yo fd i s t r i b u t e ds o u r c e si n g r i d c o n n e c t e dr u n n i n ga n di s l a n d r u n n i n go fm i c r o g r i d E s p e c i a l l y t h ed o u b l e c l o s e dl o o pc o n t r o lr e s e a r c hf o ras i n g l e i n v e r t e r t y p ep o w e rl o o ph a sb e e nm o r e m a t u r e T h em a i nt r e a do fd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o ni s m i c r o g r i dw h i c hc o n t a i n e ds o m e d 1 5 t n b u t e dg e n e r a t i o n s A n dt h e r ea r es e v e r a l t y p e so fd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o ni na m i c r o g i d a n dt h es t a b l eo p e r a t i o no fm i c r o g r i dr e l y i n go nd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n c o n t r o l a n di na d d i t i o nt or e l y i n go nt h ec o o r d i n a t i o nc o n t r o lo fD G si n m i c r o g r i d A n dt h ec o o r d i n a t i o nc o n t r o lr e s e a r c hi s r e l a t i v e l ys m a l l 1h e p a p e rI Sd e e pr e s e a r c ho nd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o nc o o r d i n a t i o n c o n t r o I a n d e s t a b l i s h e dr e l a t i v e l yc o n s t r a i n tc o n d i t i o n sf o rc o o r d i n a t i o nc o n t r 0 1 A n dt h i s p a p e r h a sm a d es o m es t a r t s t o pa n d o p e r a t i o nc o n d i t i o n sf o rd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o ni n m l c 0 g r i d A n dw h e ne x t e r n a le n v i r o n m e n ta n dt h el o a di nm i c r o g r i dh a v ec h a n g e d f r e q u e n t l y i th a sa c h i e v e do p t i m a lu s eo fe n e r g yb u ta l s oa c h i e v e da u t o m a t i c a l l v s w i t c h e so fd i s t r i b u t e d g e n e r a t i o ni nm i c r o g r i db yu s i n gt h e s e s t a r t s t o pa n d o p e r a t i o nc o n d i t i o n s A n da tl a s t i th a sa c h i e v e dt h e c o o r d i n a t i o nc o n t r o io f d l s t r i b u t e dg e n e r a t i o ni nm i c r o g r i d I nt h i sp a p e rd i s t r i b u t e d g e n e r a t i o nc o n t r o lm o d e I S c n a n g e db yu s i n gt h e s ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n s A n dc o m p a r e dt w ot y p e so ft h e b a t t e r yc o n t r o lm o d eu s e di n g r i d c o n n e c t e dr u n n i n go fm i c r o g r i d Ai o to f s i m u l a t i o nw o r kh a sb e e nd o n ei nt h i sp a p e r a n df i n a l l yp r o v e st h ef e a s i b i l i t yo f t h e s e c o n s t r a i n t s b u ta l s ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so f t h ec o n c l u s i o n s K E YW O R D S m i c r o g r i d s i m u l a t i o nm o d e l i n g c o n t r o ls t r a t e g y P Q c o n t r o l V fc o n t r 0 1 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论弗一旱殖记 由于化石能源的逐渐枯竭以及温室效应造成的全球变暖的情况日益严重 加 上核能对人类存在潜在的巨大威胁 导致近年来可再生能源的发展受到了极大的 关注 我国出台了一系列的法规以及相应的政策来促进可再生能源的发展 例如 中华人民共和国可再生能源法 可再生能源中长期的发展规划 可再 生能源 十一五 规划 等 可再生能源成为我国战略调整节能减排的重要内容 可再生能源包括 风能 太阳能 水能 生物质能 地热能 潮汐能 波浪 能 海流能等 与化石原料相比 他们最大的特点就是可以永远的利用 对环境 基本没有危害 是不连续的间歇性能源 1 目前可再生能源发电中最典型的就是 太阳能发电和风力发电 随着可再生能源的发电设备容量在电网中的比重逐渐的 增加 给现有的电力系统带来的很多新的挑战 例如 大量的分散的 形式多样 且性能各异的分布式电源 D i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n D G 的简单并网运行会给原有的 大电网造成一定程度的冲击 并且对电网质量 电力系统保护等带来了不利的影 响 这些不利影响限制了D G 的并网规模 如果简单的从电网安全稳定性的角度 对D G 的并网提出相应比较严格的标准 又会限制D G 的潜能 从而使D G 本身 的运行稳定和安全性无法得到保证 此外 单个分布式电源接入大电网也存在接 入成本高 控制困难等的问题P 众多的学者针对D G 存在的一些列的问题以及它们的运行特点 提出微电网 m i c r o g r i d 概念 为D G 的运行提供了一个新的模式 到目前为止 微电网没有 一个统一的概念 美国电气可靠性技术解决方案联合会 C E R T S 对微电网的定义 为 微电网是一种由负荷和微源共同组成的系统 它可以向用户提供电能和热能 微电网内的电源主要由电力电子器件负责能量的转换 并提供必要的控制 微电 网相对于外部大电网表现为单一的受控单元 并可以满足用户对电能质量和供电 安全等方面的要求 而欧盟微电网项目 E u r o p e a nC o m m i s s i o nP r o j e c tM i c r o g r i d s 对微电网的定义是 微电网是一种小型电力系统 它可以充分利用一次能源 提 供冷 热 电三联共 配有储能装置 所使用的微源分为不可控 可控和部分可 控三种 使用电力电子装置进行能量调节 3 第一章绪论 1 2 微电网的特点与研究现状 微电网是一种可以实现自我控制 保护和管理的自治型系统 微电网在工作 中存在与主网并网运行和孤岛运行这两种典型的运行状态 同时也存在两种过渡 状态 这里的过渡状态是指并网与孤岛两种运行模式之间相互切换时的状态以及 微电网从停运状态通过恢复控制向稳定状态转移时的状态 其中微电网的并网 孤岛以及停运状态之间的相互转移关系如下图1 1 所示 控制 图1 1 微电网所存在的状态以及他们之问的转移关系图 图1 1 中 微电网的三种状态由方形的框图表示 而椭圆形的框图表示的是 微电网的过渡状态 由停运状态到孤岛运行状态需要经过恢复控制 并网运行状 态与孤岛运行状态的相互转换分别需要经过解列控制以及并网控制 停运状态到 并网运行状态则需要经过恢复并网控制 而当前对微电网的研究有很多方面 包 括以下几个方面 一 如何实现图1 1 中三种状态的无缝转换 也就是实现过渡 状态到图l 一1 中三种状态的稳定转换 二 如何解决微电网并网运行和孤岛运行 时的能量优化管理 三 含分布式发电的配电网潮流计算 规划和分布式发电对 配电网电压的影响等 四 如何解决大量的微电网投入配电网之后对传统保护产 生的负面影响等等多个方面的问题 未来配电网络中必将包含众多的微电网 多 微电网的协调控制和保护更加困难 而微电网的相关基础理论与关键技术研究将 成为分布式发电投入大规模工业化应用的关键 由于太阳能 风能等可再生能源的随机性和波动性 分布式电源相关系统的 集成与控制面临着极大的挑战 世界很多国家都加大了相关研究的经费投入力 度 其中欧盟 美国 日本等国家对分布式电源的研究相对来说走在世界前列 第一章绪论 1 3 微电网的控制与保护 目前微电网的控制方案很多 从分布式电源的逆变控制上来讲 可以分为 有功 无功控制 P Qc o n t r 0 1 电压 频率控 I J v fc o n t r 0 1 下垂控带l J d r o o p c o n t r 0 1 有功 电压控 d P Vc o n t r 0 1 4 J 等 这里的微电网中分布式电源的控制都 是针对逆变型电源而言的 对于逆变电源控制的研究有很多 电压源型逆变器和 电流源型逆变器的控制都有相关的研究 其中电压源型逆变器的研究是目前的主 流研究方向 文献 5 介绍了三相光伏并网电流型P W M 逆变器的直接电流控制 并且通过 硬件电路加以实现 文献 6 介绍了电压型逆变器与电流型逆变器的输出电流控 制的控制方式 文献 7 介绍了模糊控制 神经控制以及神经模糊控制等智能控 制方法 文献 8 提出了带输出电流前馈的P I 双环数字化控制的方案 逆变器的 控制通常都是采用瞬时值控制 因为瞬时值控制能够提高逆变器的响应速度 从 而提高控制精度 文献 9 将P I 双环控制与重复控制技术结合起来 提出了基于 极点配置的逆变器的双环控制 此外还有电压单环P I D 和电流单环控制P I D 控 制 滞环控制等等 其中电压外环和电流内环的双环P I 控制是目前高性能逆变 器的控制方向 目前针对于微电网的保护的研究并不多 文献 1 0 针对高渗透率D G 并网的 配网系统 提出了区域纵联比较方案 同时还研究了故障检测与故障定位的基本 方法 文献 l l 针对含分布式电源的配电网 提出了一种基于故障过流和故障 方向信息的故障检测和故障隔离通用的矩阵算法 文献 1 2 根据分布式发电条件 下的配电网的网络结构以及故障电流的变化这些特点 提出了新型电源故障区域 定位方法 文献 1 3 针对微电网内含有多个D G 运行方式复杂多变 因此整定 困难的特性 而且电流保护的时限配合困难等情况 提出了一种快速动作的保护 方案 目前虽然国际上已经有学者研究出了微电网保护的硬件装置 14 I 但是对更 加完美的微电网的保护策略的研究和探索并没有停止 微电网接入了配电网之后 的保护的研究已经成为很多人研究的课题 1 4 微电网运行控制方式 微电网运行时 其整体的控制方式目前可以总结为以下几种 主从控制 对 等控制 分层控制 其中主从控制一般来说针对的是微电网孤岛运行时的状态 而对等控制与分层控制在微电网处于并网或者孤岛运行模式时都有相关的研究 第一章绪论 与应用 由于数字化变电站的发展 电网多代理分层控制的研究也增多 1 4 1 主从控制 站内通信网络更强 因而基于通信技术的微 因而此处会专门介绍多代理控制 主从控制指微电网孤岛运行时 微电网中一个或者多个分布式电源提供参考 电压和频率 1 川 微电网孤岛运行时 由于没有外部大电网的电压和频率的支撑 因此微电网不仅要保持内部电能的供求平衡 还需要保证电压和频率质量 主从 控制是针对对等控制而言的 对主控单元的要求比较高 分为单一主控单元运行 控制与多个主控单元运行控制 对于单一主控单元而言 意味着微电网中多个分布式电源只有一个分布式电 源为主控单元 采用V f 控制方式 其余的分布式电源均为从控单元 从控的分 布式电源的并网控制都采用P Q 控制 由主控单元为从控单元提供电压与频率支 撑 对于多个主控单元的运行控制模式而言 意味着两个或者两个以上的分布式 电源为主控单元 采用v f 控制方式 而从控的分布式电源采用P Q 控制方式 由主控单元为从控单元提供电压与频率支撑 因此 主从控制是将微电网中的分布式电源赋予不同的职能 这样一来主从 控制策略存在的最大的不足就是由于系统的频率与电压需要主单元的维持 主单 元的容量以及其控制的稳定性尤为重要 同时主从控制也十分依赖通信设备 一 旦通信异常 微电网的控制可能会失灵 甚至导致系统的崩溃 1 刚 1 4 2 对等控制 对等控制相对主从控制而言 就是微电网中的所有的分布式电源都有相同的 地位 所有的分布式电源都可以参加瞬时的有功或者无功的调节 从而维持系统 电压与频率的稳定 不需要相互的协调通信 可以实现D G 的即插即用 微电网孤岛运行时 微电网中所有的分布式电源都可以采用V f 控制 此时 为了协调各分布式电源的瞬时出力 维持系统频率与电压的稳定 需要采用下垂 特性 一种利用测量系统的频率与分布式电源输出电压幅值产生分布式电源参考 的有功与无功参考值 即f P 和V Q 下垂控制法 如下图1 2 所示 L 令1 p 且伞 茧绞e r 烁 r e a y 删 图1 2 f P 和y Q 下垂控制 4 第一章绪论 另外一种利用测量分布式电源的瞬时有功与无功功率产生分布式电源输出 电压频率与幅值 即P f 与Q v 下垂控制法 如下图1 3 所示 坠9 一虹譬互耐 p m e a s u r c a Q d 从下垂特性可知 采用对等控制时 只需要测量输出端的电压 电流与频率 就可以独立的参加到电压与频率的调节中 无需要整个系统的通信 某个电源因 为故障退出运行时 不影响其他电源的运行 如果需要增加新的电源 就只需要 对新的电源进行同等设置 微电网中原来存在的电源不需要经过改动 系统可靠 性高 文献 1 7 e O 阐明了对等控制存在的一些缺陷 主从控制与对等控制都存在优点与缺点 适用于不同的运行情况 对于同一 个微电网可能根据运行的情况的不同采用不同的控制策略 1 4 3 分层控制 为了使现有的微电网系统与配电网很好的融合 分层控制受到了越来越广泛 的关注 现有的微电网项目以及微电网的示范工程一般采用分层控制的控制策略 18 2 3 在一个大型的存在多个区域性微电网的配电网中 微电网的分层控制分成 四个层次的监控系统 其主要作用以及名称如下所示 控制层1 配网级控制层 配网级控制层用于协调主网系统与微电网系统间 的信息交换以及运行协调 实现主网配网级别的调度功能 控制层2 多微电网级控制层 用于协调由多个低压微电网系统 或者负责 直接接入大电网的大规模分布式电源所组成的中压网络的运行控制 可实现多微 电网系统相关的管理功能 控制层3 微电网级控制层 负责协调控制层2 与控制层4 之间的信息传递 使得本微电网层的效益得到最大程度的发挥 控制层4 单元级控制层 负责对微电网系统内部的分布式电源的出力以及 可控负荷进行控制 由以上的介绍可知 分层控制十分依赖通讯网络 通讯网络成本比较贵 而 且一旦发生数据传输的错误 将导致可能的运行策略的失误 微电网的多代理控制结构属于分层控制 相比传统的分层控制 多代理控制 系统更加智能化 更加依赖信息的通信 多代理控制是未来分层控制的主流发展 第一章绪论 方向 多代理系统 M u l t i A g e n tS y s t e m M A S 成为开发分散式微电网控制的一个 主要和候选系统 2 4 2 5 文献 2 6 2 7 介绍了M A S 在微电网系统中的应用 并提供 了一个如下图1 4 所示的三层控制方案 即包括电网层A g e n t 微电网管理层 A g e n t 以及微电网应用层A g e n t 电网层 微网管理层 微网应用层 图1 4 微电网的多代理控制结构图 M A S 系统需要有硬件配置 通信语言或者协议 一般来说 M A S 得结构体 系指的是各A g e n t 之间的通信或者控制模式 其体系结构可以分为三类 集中式 分布式和混合式 2 4 2 8 2 9 其中应用比较广泛的是混合式结构 目前由于微电网并未得到比较大规模的应用 只是各国存在一些研究性的微 电网实验点 使得M A S 系统在微电网中的应用并不广泛 研究也不是很多 1 5 本论文的工作 本论文根据不同的分布式电源的特性 建立了光伏 风机 以及蓄电池的详 细模型 并且针对微电网的两种典型的运行模式 即并网运行与孤岛运行 在仿 真过程中将风 光以及负荷都设计为随机的变换量 验证不同的条件下微电网的 控制策略相互平滑转换 并且总结了不同的控制策略对于不同的微电网运行模式 的适用性 内容总共分为五章 第一章为绪论部分 介绍了本课题的背景 并且着重介绍了微电网的发展状 况 对微电网发展存在的相关问题进行了综述 包括微电网的控制和保护 微电 网的整体控制策略等 最后对本论文的各所研究的内容进行了阐述 第二章介绍了微电网中的分布式电源的并网控制方式 介绍了光伏发电单 元 风机发电单元 蓄电池单元以及同步发电机单元 其中光伏发电单元与风机 发电单元都介绍了最大功率运行以及负载跟随运行的控制方式 而同步电机则介 6 第一章绪论 绍了其额定运行的控制方式以及负载跟随运行的控制方式 最复杂的是蓄电池系 统的控制 蓄电池系统的并网控制方式与孤岛控制方式是不同的 微网并网运行 时蓄电池逆变控制为P Q 控制 而双向D C D C 控制为电流控制或者电压电流控 制 论文中队两种方式进行了比较 微电网孤岛运行时 蓄电池双向D C D C 控 制为电压电流控制 而其逆变控制为V f 控制或者下垂V f 控制 对这两种控制 方式也进行了比较 第三章针详细的介绍了单个微网的分层控制 主要分为两层 一层是单微网 的中央控制层 另外一层是微网内分布式电源的并网控制 介绍了中央控制层输 入与输出信息的来源 以及微网运行目标 并且根据运行目标确定微网协调控制 策略的各种约束条件 最后针对微网的并网运行与孤岛运行 分析了控制策略的 转换条件 第四章 对于前面的三 四章提出的控制方法和策略 在M A T L A B S i m u l i n k 的环境下加以模拟仿真 验证控制策略的正确性并且重点仿真了运行策略的自动 平滑切换 同时对于微电网并网运行时蓄电池双向D C D C 变换器的不同的控制 模式进行了仿真结果的对比 另外对于微电网孤岛运行时蓄电池逆变器的不同的 控制模式也进行了仿真结果的对比 第五章 总结全文 并且对课题未来的发展提出展望 第二章微电网中分布式电源的并网控制 第二章微电网中分布式电源的并网控制 微电网中的分布式电源种类很多 第一类是电力电子器件接口的电源 比如 风力发电 光伏发电等 第二类是传统的发电机 例如同步发电机 每一种电源 都有自己的独特的特性 需要建立单独的模型 这里将列举应用比较多的并且有 代表性的分布式电源的并网控制 微电网内第一类型分布式电源的并网控制 主 要有P Q P V 以及V f 控制三类型 其中P Q 以及V f 控制研究比较多 2 1 光伏发电单元 由于光伏单元发电的间歇性 并且在同样的外在条件下光伏单元的输出功率 变化范围大 因此其并网控制一般需要使用P Q 控制 可以指定其输出功率或者 让其工作在最大功率点 前者利于系统的稳定 后者利于能量的有效利用 2 1 1 光伏发电单元P Q 控制 光伏发电单元的并网模式选择的是单级式并网 直接将光伏阵列的直流电能 转变为交流电能 由于只含有一级逆变环节 单级式光伏并网发电系统需要在逆 变环节同时实现最大功率跟踪和并网两个控制目的 3 0 拓扑结构如图2 1 所示 图2 1 单级式光伏并网控制拓扑结构图 第二章微电网中分布式电源的并网控制 图2 1 中的虚线方框1 内是整个控制结构 包括了最大功率跟踪控制与逆变 器的控制 对应的详细的框图如下图2 2 所示 逆变器的内环控制 图2 2 单级式光伏并网系统d q 坐标下P W M N 逆变器的双环控制框图 从图2 2 可以看到 一是由M P P T 控制器得到光伏发电系统直流母线的参 考电压值 无功功率的参考值为0 瞬时无功功率为q 光伏发电系统的直流母 线电压测量值为 矿 矿是光伏发电系统的直流母线电流测量值 d 轴的外环 P I 控制器通过控制直流母线上的电压 得到内环电流环的参考值i i 与i 分别 为逆变器经过了滤波之后的三相电流在d q 轴上的投影 即负载电流在d q 轴 上的投影 而i 的参考值为0 经过了一系列的控制之后 最终得到的是光伏发 电系统并网逆变器的调制正弦波 2 1 2 最大功率跟踪算法 最大功率点跟踪 M a x i m u mP o w e rP o i n tT r a c k i n g M P P T 是指根据光伏电池 的输出特性 通过控制保证其工作在最大功率输出状态 以最大限度地实现能量 转化 目前 用于实现M P P T 控制的算法很多 其中扰动观测法 P e r t u r b a t i o na n d O b s e r v a t i o nM e t h o d P O N 其算法简单 所需变量较少 易于实现等优点 应 用广泛 扰动观测法的原理是周期性地检测光伏阵列的端电压和电流 对光伏阵 列电压施加一个小的扰动 并观测输出功率的变化方向 进而决定下一步的扰动 方向 为了同时改善算法的精度和提高跟踪的速度 可以根据光伏电源的运行点 实时改变扰动大小 即采用变步长扰动观测法 3 1 1 由光伏电池的P V 特性曲线可知 功率增量d P j l J 电压增量d V 之间具有如下关 系 1 最大功率点的左侧 d P d V 0 2 最大功率点的右侧 d P d V P 根据 此时的实际出力情况与期望出力情况的值调节风叶的桨距角 直到风机单元的实 际出力情况等于期望出力情况为止 3 2 几 9 7 啊j Q 廿 一UI I I L I n P m 0母 图2 9 风机单元运行在功率限制模式时的桨距控制结构图 2 3 蓄电池单元 蓄电池的并网控制分为直流侧与交流测控制两部分 对于交流侧控制而言 蓄电池是储能单元 能够稳定提供电能 因此既可以采用V f 控制也可以采用 P Q 控制 若微电网并网与孤岛运行时没有模式切换 一些储能元件以及输出功 第二章微电网中分布式电源的并网控制 率稳定的电源采用V f 控制 3 3 但是这一原理是基于假定V f 控制单元的功率变 化没有超出所允许的最大功率限定值 然而微网并网运行时 内部分布式电源的 出力情况要经过控制 且蓄电池通过控制其充 放电电流来延长其使用寿命 微电网并网运行时 蓄电池系统逆变器采用P Q 控制方式 而微电网孤岛运 行时 蓄电池系统逆变器采用V f 的运行方式 一般来说不同时用一种逆变器的 控制方式来同时适用于微电网的并网与孤岛运行 接下来详细说明蓄电池的控制 策略的适用条件 1 V f 控制 蓄电池的逆变器采用V f 控制时 双向D C D C 控制可采用电流控制或者是 电压电流双环控制 前一种可以直接控制蓄电池系统的出力 后一种则无法控制 其出力情况 微网并网运行时 如果微网的容量不是很大 则可以使用单环电流 控制的方式 控制蓄电池的出力 防止微网系统的功率向大电网倒送 而且有大 电网提供的交流电压幅值与频率的钳制作用 系统更容易稳定 但是由于双向 D C D C 控制是单环控制 稳定性差 但是在微网孤岛运行时 系统的频率与交 流电压幅值失去了大电网的钳制作用 因此系统稳定性差 微电网内负荷变化 或者是间歇性能源出力变化对蓄电池系统而言都是干扰 并且蓄电池D C D C 控 制是单环电流控制 偏离稳态值较远 一方面使得动态调节时间长 另一方面容 易造成过电压 威胁到蓄电池系统中逆变器的使用甚至是系统稳定 因而孤岛运 行时 蓄电池逆变控制采用V f 控制 而D C D C 控制是电压电流双环控制 因 此 蓄电池系统直流D C D C 采用单环电流控制 逆变控制为V f 控制的控制方 式可适用于微网的并网运行 但是由于稳定性能差 一旦微电网的容量比较大 系统就难以稳定 蓄电池直流D C D C 采用双环电压电流控制 逆变控制为V f 控制的控制方式可适用于微网的孤网运行 2 P 0 控制 蓄电池逆变器采用P Q 控制时 其双向D C D C 的控制可以采用单环电流控 制或者双环电压电流控制 一般来说 P Q 控制适用于微电网的并网运行 因为 微电网一旦孤岛运行 如果微网内部没有容量大的同步电机提供频率支撑 那么 蓄电池作为储能元件必须为系统提供电压与频率的支撑 2 3 1 蓄电池P Q 控制 蓄电池采用P Q 控制时 其交流侧的控制也分为两种情况 均为基于d q 旋转坐标系的双闭环控制 其内环控制都是电流环控制 而外环控制则不同 一 种是电压与无功功率的控制 另外一种是有功功率与无功功率的控制 第二章微电网中分布式电源的并网控制 1 d 轴外环为电压环时 蓄电池的d 轴外环为电压环时 对蓄电池的充 放电功率的直接控制则通过 控制蓄电池的充 放电电流来实现 控制结构图如下图2 1 0 所示 图2 1 0 中虚 线方框l 内为蓄电池系统交流侧控制器 微电网并网运行时蓄电池交流侧的控制 不需要切换模式 图2 1 0 中虚线框2 内为蓄电池系统的充电控制模式 虚线框3 内为蓄电池的放电控制 微电网并网运行时 蓄电池充 放电的电流 胁方向不 同 以图2 1 0 中 砌箭头的方向为正方向 使得蓄电池直流侧存在模式切换 双向D c D c 变换器 三相P W M 逆变器 图2 1 0 蓄电池直流侧为单环控制的并网系统的与控制结构 图2 1 0 种虚线框l 的详细控制框图与图2 2 类似 其内环控制完全一样 但是外环控制则略有不同 其中q 轴增加了对逆变器交流侧输出瞬时无功功率的 控制 符号所代表的意义也类似 图2 1 0 虚线框2 与虚线框3 分别是蓄电池的充电 放电控制 其控制逻辑 框图如下图2 1 1 中 a b 所示 图2 1 0 与图2 1 l 中 m 为蓄电池的充电电流 的参考值 i 与 为蓄电池充 放 电的最小 最大值 最小值为0 而 最大值则是根据蓄电池自身参数人为设定 蓄电池实际测量的充 放电电流与期 望充放电电流J 的差 经过P I 控制环节 得到的是调制波 经过门极控制器 最后得到的是蓄电池双向D C D C 的占空比 根据负荷要求的不同 蓄电池的充 放电电流的参考值也不相同 具体的计算公式为 r f P 枷 l 匕肋是微电 网中央控制层计算得到的蓄电池功率的期望值 以表示的是蓄电池的端电压在 第二章微电网中分布式电源的并网控制 当前时刻的测量值 如果 一超过了设定的上限值 那么蓄电池采取恒定电流放 电或者充电模式 而充 放电电流就是设定的上限值 a 蓄电池放电时直流环流器的控制 b 蓄电池充电时直流环流器的控制 图2 1 l 蓄电池直流环流器控制 蓄电池的充 放电电流值与给定的电流参考值作差 经过P I 调节之后 经 过调制 最后调节的是双向D C D C 的占空比 2 d 轴外环是有功功率环 蓄电池的d 轴外环为有功功率环时 如果需要对蓄电池的充 放电功率进行 直接控制 那么这个控制目标就可以直接在交流控制侧实现 此时蓄电池的直流 侧的控制就是一个电压电流双环控制 其具体的控制结构图如下图2 1 2 所示 此时 蓄电池与微电网系统交换的功率值根据微电网中央控制层给定信号的 不同而不同 具体的控制框图与2 2 类似 其内环控制完全一样 但是外环控制 则略有不同 其中d 轴为交流输出瞬时有功功率的控制 而q 轴为逆变器交流侧 输出瞬时无功功率控制 蓄电池充放电模式切换在D C D C 控制层中 由于蓄电 池的充电电流与放电电流的方向是不同的 定义蓄电池放电时的电流方向为正 因此蓄电池在充电和放电时的D C D C 控制器有所不同 具体体现在 1 蓄电池充电时 由直流母线给蓄电池充电 充电过程是直流母线电压逐 渐下降到设定的阀值 因此D C D C 控制器的电压外环是由直流母线的实际电压 值减去设定的阀值 经过P I 控制器得到电流内环的参考值 如图2 1 3 a 所示 2 蓄电池放电时 由蓄电池给直流母线供电 放电过程是直流母线电压逐 渐升高到设定的阀值 因此D C D C 控制器的电压外环是设定的电压阀值减去直 流母线的实际电压值 经过p I 控制器得到电流内环的参考值 如图2 1 3 b 所示 第二章微电网中分布式电源的并网控制 图2 1 2 蓄电池并网系统的与控制结构 图中 为直流母线的实际测量电压 一即为设定的直流母线电压阀值 为电流内环的参考电流值 胁为蓄电池充 放电电流 对比图2 一1 2 与图2 一1 0 蓄电池D C D C 控制分别为单 双环控制 双环控制 更稳定 受到扰动时 D C D C 单环控制易偏离稳态值较远 一方面使得动态调 节时间长 另一方面容易造成过电压 威胁到蓄电池逆变器的安全正常使用甚至 系统失稳 之后仿真过程中得到证明 I r c fm 厶r a 蓄电池充电时直流换流器的控制 b 蓄电池放电时直流换流器的控制 图2 1 3 蓄电池逆变器V f 控制时双向D C D C 的控制 微电网并网时 蓄电池有四个控制目标 一 蓄电池双向D C D C 变换器出 口电压在系统稳定时都能保持恒定 二 蓄电池的充放电电流不超过设定的上限 第二章微电网中分布式电源的并网控制 制 三 蓄电池的充 放电有功功率与中央控制层计算得到 的相对应 四 蓄电池的充 放电有功功率因素为1 2 3 2 蓄电池的v f 控制 微电网在孤岛运行时的蓄电池交流侧并网控制采用了V f 控制 微电网孤岛 运行时蓄电池逆变器未对双向D C D C 变换器出口电压加以控制 所以对该电压 的控制就需要在双向D C D C 变换器的控制中实现 其拓扑结构如图2 1 4 所示 图中的 厂为蓄电池系统的频率 即微电网孤岛运行的系统频率 u 为蓄电池 系统与微电网连接处三相电压u 咖的系统值 其计算公式为 U 十甜 这里 和U 分别为的虬k 在d q 轴上的投影 而U 为系统电压值的参考值 f 为系统频率的参考值 图2 一1 4 左下角虚线框2 和虚线框3 分别表示的充放电控制 对比图2 1 0 中 的充放电控制可知 微电网孤岛运行时 蓄电池的双向D C D C 控制改为电压外 环与电流内环控制 图2 1 4 中虚线框l 内所表示是蓄电池的逆变并网控制示意 图 其详细的控制框图如图2 1 5 所示 图2 1 4B E S S 的拓扑结构与控制结构 由图2 1 5 可知 逆变器的并网控制依然是基于d q 旋转坐标系下的双闭环 控制 外环控制包括两部分 d 轴由P I 控制器对系统的频率进行控制 从而得 2 0 第二章微电网中分布式电源的并网控制 到内环电流环的参考值l d q 轴由P I 控制器对系统交流侧的电压幅值进行控制 从而得到q 轴的内环电流的参考值e 而蓄电池直流侧控制与图2 1 3 相同 图2 1 5 微电网孤岛运行时蓄电池交流侧的控制 综上所述 蓄电池单元的控制目标是 一 蓄电池系统的功率因数位1 二 在系统稳定时 保持双向D C D C 变换器出口电压的稳定恒定 三 维持蓄电池 单元的频率的稳定 四 维持蓄电池单元交流侧电压幅值的稳定 2 3 3 蓄电池的下垂v 对空制 蓄电池的下垂V f 的控制主要指的是蓄电池逆变器的控制使用了下垂特性 即蓄电池逆变器双环控制的前面加上一个下垂特性环 蓄电池系统中逆变器加上 了下垂控制之后的拓扑结构图如下图2 1 6 所示 图2 1 6 中椭圆形框1 表示的是逆变器的控制框图 其具体控制结构如下图 2 1 7 所示 图2 1 7 中的u 跏r 瓯r 为微电网稳定运行时 蓄电池交流母线的额 定电压 以及其额定的无功功率 一般是O 而这里的P q 则是蓄电池所发出的 瞬时有功和无功功率 其余的符号的意义与前面的图2 一1 5 介绍相同 此时参考频率以及系统电压幅值参考根据蓄电池功率的变化而变化 公式 为 h 汰矿武 u 形 寺 Q 阿一g u 2 1 这里的蓄电池既可以充电 有可以放电 那么公式 2 1 中的瞬时功率时以蓄 电池发出功率为正 吸收功率为负 第二章微电网中分布式电源的并网控制 图2 1 6B E S S 系统的拓扑结构以及控制策略 图2 17 蓄电池单元运用了下垂特性的控制框图 2 4 同步电机单元 同步电机单元的控制可以分为对机械功率以及对励磁电压的控制 同步电机 的并网控制结构框图如图2 一1 8 示 第二章微电网中分布式电源的并网控制 p c P 图2 1 8l 司步电机并网控制结构图 图中的匕 表示的是同步电机输出电磁功率的参考功率 而只为实际瞬时测 量的同步电机的电磁功率 尸卅为拖动同步电机转子转动的机械功率 y 圪表 示同步电机转子电压在d q 轴上的投影 坎 表示同步电机转子系统电压幅值 矿表示同步电机的励磁电压 因此 同步电机的并网控制就是对同步电机的电磁 功率与励磁电压的控制 同步电机的出力大小根据微网运行的情况变化而变化 在分层控制中同步电机的出力情况则由中央控制层决定 2 5 分布式电源并网控制基础理论介绍 2 5 1 瞬时功率的计算 3 4 l 3 5 1 3 6 1 含有逆变器的系统的并网控制中都含有瞬时功率的计算环节 计算公式如 吖 2 2 I q 吾 蹦J o 一一 第二章微电网中分布式电源的并网控制 如下图2 1 9 所示 在d q 坐标轴中 系统电压矢量方向与d 轴的方向相同 即D 0 则q 轴的电压分量为零 即眈 o 逆变器输出功率计算公式为式 3 p 2 i d l d 乞 2 3 g 一i 甜d7 v i 夕d q t j 彩 曲 标系 步坐标系 图2 1 9 坐标变换矢量关系 这样一来 逆变器输出的瞬时有功功率P 就只与d 轴瞬时电流分量屯有关 而逆变器输出的瞬时无功功率就仅与q 轴瞬时电流分量f 有关 于是可以分别控 制i 和i 从而实现对有功和无功的实时控制 2 5 2 软件锁相原理 3 7 3 8 一般来说QB0 坐标系是一个两相坐标系 其中Q 轴与a 相绕组轴线重合 B 轴滞后Q 轴9 0 电角 0 序则是一个孤立的系统 将a b c 三相坐标系统变换为 QB0 坐标的变换称为c l a r k e 变换 如下图2 2 0 所示 以三相电压v V b v c 为 例 变换为V V 口 其中C 叩 为c l a r k e 变换矩阵 且为恒幅值变化矩阵 椎一 影1 2 2 韶 i 2 陪4 阡 毗 譬 h 2 v o v 肺6 v c y 3 而假设三相系统电压为0 那么 2 5 2 6 2 7 秒目 m 宝 S C U U 口 V V r 第二章微电网中分布式电源的并网控制 二 这样一来 即 C O S 0 s i n0 V c o s O V 口s i n 0 U s i n 0 c o s O b 口轴 2 8 2 9 图2 2 0 口 的坐标变换图 软件锁相的本质为 由式 2 8 计算得到瞬时v v 口 将锁相得到的实际的 c o s O s i n 臼反馈值 然后带入公式2 9 如果锁相没有误差 f f x 式 2 9 成立 否 N v c o s 0 一V 口s i n0 0 根据误差来对相角输出的修正 如下图2 2 1 所示 图2 2 l 软锁相原理框图 P I 输出的初始值为1 2 0 7 r 频率6 0 H z m o d 实现数学函数的功能 即曰除以2 万 的余数 设定 7 为锁相得到的值 而国为实际角速度 如果缈 C O 则 令x O s i nc o t c o s c o t V 口c o s c o t V 口s i nc o t 有 2 1 0 2 1 1 臼 秒 咖 啷 U U 秒 秒 S l O 玎 C S 口 卢 V V r 耐 洲 咖 f 0 缈 I S 盯 O S C r x X 0 0 7 缈 缈 锄 X r L 第二章微电网中分布式电源的并网控制 因此 则P I 的缈 输出减小 则 X I X2 Xo Xo 如果彩7 甜 则 csi n c a Itsci n ca耐t X 一X Xo xo 2 1 2 2 1 3 2 1 4 故P I 的输出的缈 增加 因此 不论输出的 7 与实际的缈的关系如何 最终 都会经过P I 的调整 使得输出的0 97 与实际的国一致 2 5 3 电流内环控制原理 3 9 4 0 电流内环控制的原理都是相同的 图2 2 2 为 H 电压型逆变器并网拓扑图 表示直流电源输出电压 v v v 表示逆变器的出口三相电压 i 肼 表示 逆变器出口电流 箭头表示的是其正方向 讹 表示滤波电容上的电压 也 等于电网侧电压 I g a b c 表示的是电网侧电流 箭头方向表示的是其正方向 图2 2 2 三相电压型逆变器并网拓扑 由上图知在静止坐标系下微分方程 2 一1 5 所示 d i d t d d t d k d t 隔离变压器 电网 2 一1 5 因为实施的P A R K 变换针对工频分量 这里假设的是t 0 时刻 a 轴与d 轴 是重合的 设定a 相的的初相角为零度 因此得到式 2 6 l lJ 口 6 C 甜 L 一 J 口 6 C V V V L 第二章微电网中分布式电源的并网控制 M