基于π型等值模型的电力微网容错控制策略研究

1、基于型等值模型的电力微网容错控制策略研究第 1 章 绪 论1.1 课题研究背景与意义近几年，随着世界经济迅猛发展，创新技术不断涌现，在多领域里应用新能源技术已提上多数国家的战略日程。就现况来说，资源环境恶化，钢铁产业正面临危机等因素使人们真正地意识到利用可持续新能源的迫切性。太阳能、风能、热能、海洋能、潮汐能等新能源，尤其是电能作为清洁、高效且绿色能源已成为了人类利用的首选1。多种能源的发电过程是以分布式发电为基本途径的。而传统大电网系统以集中式发电、远程输电为特点，系统供电容量规模巨大，损耗冗多，稳定运行难度大。不仅对环境造成严重污染，更是难以满足用户多样化的供电需求与要求2。相比于此，目前

2、分布式微电源（Distributed Generation, DG）最佳利用形式是由多个其组成小型微电网系统。微电网（Micro-grid）。一种在电网发展过程中由传统电网向智能电网过渡的形式之一。可概括说其功能：能够实现系统稳定管理、控制与保护。实现过程为主动配合形式。假设当微电网系统与主网系统因突发故障，从并联状态到解列时，其系统自身仍能维持功率供应，保持现有状态直到故障排除。这期间可同时向用户提供复合能源：电能与热能。在微电网系统中，多种分布式微电源彼此组合并采取优化控制，将可再生能源利用价值最大化。其中的微电源大多定义为逆变型微电源，可通过现代电力电子变换装置接入大电网，自身还具有安装

3、点灵活、可控率高、污染少等可贵优点3。从以上优势中足以预见微电网技术的光明应用前景。国际电工委员会（International Electro-technical Commission, IEC）在应对能源挑战白皮书2010-2030中已明确将微电网技术列为未来能源发展链中的关键环节之一4。微电网技术要求：不仅系统自身能够实现能量合理地管理、输送、分配，保证内部功率供需平衡；而且需具有自我稳定运行能力：故障保护、容错运行以及故障自愈控制等5。微电网系统可靠性与稳定运行控制日益得到重视。.1.2 逆变型微源及其控制策略1.2.1 微源简化模型分类例如燃料型电池、光伏太阳能板、双馈风力发电机等均可

4、定义为分布式微电源6。系统中电源装置包括小容量机组、蓄电池、飞轮及超级电容等一系列储能装置均可接在用户端，起到增强系统运行可靠性、改善负荷端电能质量等作用。通常微电源采用的并网方式有两种，主要分为DC-AC并网方式、AC-DC-AC并网方式7。AC-DC-AC（间接交流-交流变流电路）如图1-1所示。微电网系统可靠性与稳定运行控制日益得到重视。现今针对微电网系统运行可靠性的控制目标与策略主要有：兼顾多目标优化运行、故障自愈运行、削峰填谷等方面。其中，针对系统协调控制研究主要有：集中控制方案、主从控制方案、基于外特性下垂的无联络线控制方案与分散逻辑控制方案4种；针对分布式微电源的控制策略主要有：

5、恒压恒频控制（V/f Control）、恒功率控制（PQ Control）及下垂控制(DroopControl）方式。恒压恒频控制策略特点：在控制逆变器输出功率频繁变化情况下，能够保持输系统交流母线电压、频率参考值不变。如图 1-4 所示为恒压恒频控制原理的整体框图。dq 坐标系下，udref和 uqref分别设定为微电源输出电压在 d 轴、q 轴的参考给定值。因控制输出电压为恒定幅值的三相对称正弦电压，即其输出电压幅值与频率值均取决于系统给定的参考值大小。.第 2 章 微电网故障特性分析与等值模型构建2.1 微电网发生对称故障特性分析逆变型微电源的简化模型如下图2-1所示。通常其直流侧均接有

6、大电容，目的是获得稳定的直流电压值。因此可在系统分析中将其等效为一直流电压源。假设研究是在理想条件下进行分析。即当系统发生短路故障时，认为系统以及微电源输出频率仍然维持在正常范围以内。也就是说保持初始下垂状态不变：孤岛微电网的输出频率是利用相应下垂特性曲线方程来求解出的。因微电网系统是三相对称交流供电系统。为了便于分析，简化系统线路以及线路阻抗统一用单相表示。因逆变型微电源的模型意义（等效恒压恒频电源），所以在微电源输出端电流未超过其线路允许流过最大电流值与允许输出最大功率值时，故障时其输出功率大小仍可根据公式求解。由式(2-2)可看出，短路故障工况在数学表达上可等效为：线路阻抗与负载阻抗相加

7、之和等于故障等效阻抗Zf值。故障时等效阻抗Zf值减小，故障电流I′值也比故障前电流I值增大，输出功率也相应增大。.2.2 微电网发生不对称故障特性分析当微电网系统发生不对称故障时，微电网系统中任何电气节点相应的三相电压与电流值也会表现的不对称，这是必然的。可运用电力系统中的对称相量分解法，将不对称分量通过对称相量法分解表示成三组对称分量：正序、负序与零序分量。因两相相间不对称短路故障时，系统短路故障容量相对三相短路故障来说较小，此处对于微电源达到 S=Smax功率限幅情况不作分析。总结以上分析可得：（1）微电源输出电流未达到I′.结 论为了适应全球能源互联网发展趋势，研

8、究微电网系统的可靠性与稳定运行能力具有非常重要的价值与意义。增长系统安全运行时间使得容错控制成为重要课题，研究提高微电网容错运行能力是同时解决系统可靠性与稳定运行控制的有效方法之一。本文以研究逆变型微电源、微电源间的容错控制策略为具体内容，提出一种基于 π 型等值模型的微网系统容错控制策略。在微源层面上进行了 π 型等值模型控制策略的分析设计；在微网层面上获得了 π 型等效变压器模型结构与微源间容错协同控制策略。π 型等值模型，其等效变压器特性实现了功率流定向控制，解决了线路过流与微电源输出功率受限等问题，使系统获得了无功补偿与低电压穿越能力，确保了微电网短路故障时的稳定容错运行。分别对两台、三台微电源组成的微电网系统进行模型构建与控制策略论证，说明了其普遍适用性。仿真与试验结果验证了所提策略的有效性与可行性，可得到如下结论：（1）传统下垂控制是一种有差调节。其 PV/Qf 下垂控制的有功功率不均分，微电源容量受限等因素导致故障时系统无法抵御低电压与波形畸变带来的电能质量问题，严重时甚至会损坏微电网系统本身，导致系统崩溃并增加发生连锁性事故机率。（2）微电网对称故障工况下，系统短路故障是可加以分析利用的限定条件。短路故障的发生带来