2023微电网运行与控制

第一章

绪论7－12023年9月23日星期六§1-1

引言§1-2

微电网背景§1-1

引言一、分布式发电系统的起源传统电力系统的规约和运行环境的发展变化小型发电系统如微型涡轮发电机组、燃料电池、光伏发电系统和生物燃料发电系统等的涌现分布式发电系统包括各种类型的小型发电机、能量存贮系统、负荷控制以及小型发电机和大电网之间的先进的电力电子接口装置。二、微电网的定义微电网可以定义为一组负荷和微型发电系统作为一个单一的系统运行，为用户同时提供电能和热能，微电网中大部分微型发电系统必须基于电力电子接口，从而保证作为单一集合系统运行时提供一定的适应能力。微电网采用自适应控制，允许微电网呈现到大电网时，作为一个单一的控制单元，满足局部电力系统的可靠性和安全性的需要。7－22023年9月23日星期六§1-1

引言三、微电网与集成分布式发电系统的区别集成的分布式发电系统，传统的方法主要考虑少量的微型分布式发电系统对电力系统的影响。IEEE

P1547标准草案给出了分布式发电与电力系统互联的标准，该标准主要考虑如果电力系统发生故障时，如何保证并网发电机自动切机。设计微电网时，应考虑若电力系统发生故障，微电网应能不受影响地与大电网分裂开来，处于孤岛运行状态，一旦故障恢复时，微电网可立即与电力系统并列运行。微电网的重要特性来源于包含分布式电源在内的配电网可作为一个自我控制的实体，即对于电网来说其表现为与常规的用户具有不可区分的特点。四、设计微电网时应考虑的因素电力系统中发生故障之前微电网中包含多少分布式发电机是可以允许的，这些问题包括过电流以及随之引起的故障和电压波动。7－32023年9月23日星期六§1-1

引言微电网的结构应该遵守电网的运行规约以及除了对已存在的用户具有可接受的影响外没有任何危害。微电网应能够提供不间断电源的性质。五、微电网的优点为配电网提供电能阻塞的缓解作用，延缓新发电设备或输电容量的投资以及跟随负荷变化和局部电压的支持等。从电网的观点来看，微电网主要优点是能够在电力系统中作为一个集中的负荷运行，从而可将其视为可控制的实体。用户可从微电网受益，微电网的设计和运行不仅可满足本地用户的电能和热能的需要，还可实现不间断电源的功能，增强本地供电可靠性，减少线路损耗和维持本地电压等。7－42023年9月23日星期六§1-2

微电网背景一、技术背景微电网的关键特性取决于电力电子、控制和通信等技术，从而使得微电网可作为半自主式电力系统。往复式发动机在将来的应用中具有一定竞争能力，但由于缺少电力电子接口，从而使得它们在微电网中的作用减弱。1.

微型涡轮发电机组目前微型涡轮发电机组的额定容量在25-100kW，而更大型的微型涡轮发电机组正在开发研究中

。微型涡轮发动机为简单的单轴机械装置，具有螺旋桨轴承，其转速可高达50000-100000rpm。采用商业飞机的辅助发电单元，具有低成本的自动涡轮增压器。微型涡轮发电机组采用低污染的清洁燃料，主要燃料为天然气，某些应用中也可采用丙烷或液体燃料。7－52023年9月23日星期六§1-2

微电网背景2.燃料电池燃料电池效率高，污染物排放低，但目前价格较高。主要的燃料电池有：磷酸盐燃料电池、高温固体氧化物熔融碳酸盐燃料、低温质子交换膜(PEM)燃料电池等。燃料电池效率高，与内燃发动机结合具有较低的污染排放。3.可更新能源发电光伏发电系统风力发电系统生物燃料微型发电系统4.能量存储系统蓄电池、超级电容

、超导电磁线圈和高速飞轮储能系统。能量存储系统在微型发动机的直流母线上可提供当系统负荷改变时所需要的容量。5.热能回收技术为使微电网能够持续发展，应用于热电联产系统中的热能回收技术十必不可少的

。如低温和高温热交换技术等。7－62023年9月23日星期六§1-2

微电网背景二、热电联产(CHP）微电网的重要的潜在优点是可利用生产电能所产生的废热进行回收一半到四分之三的一次能源在电能的生产过程中将排放掉增加的转换效率所取得的经济效益可从三个方面考虑

：由于用户所需燃料的购买将下降，使得对燃料的总的消耗减小从而引起价格的下降；氧化炭的排放将减少；大型电厂排放到环境中的废热所引起的环境问题将减小。热能通常以蒸汽或热水的形式出现，不易实现经济的远距离输送

。与大规模CHP系统相比，微电网具有下述两个显著的优点：热能的生产可与用户靠的很近；微电网中单一机组产生的热能非常小，因此可与用户热能需求进行灵活的匹配。7－72023年9月23日星期六第二章

微电网的基本结构及在大电网中的作用9－12023年9月23日星期六§2-1

微电网的基本组成§2-2

微型电源控制器

§2-3

电能管理系统§2-4

微电网的保护§2-5

微电网在大电网中的作用§2-1

微电网的基本组成微电网为负荷和微型电源的集合，并作为一个单一的系统同时提供电能和热能。大多数微型电源必须基于电力电子接口技术，从而提供所需的灵活性，保证其控制运行能够作为单一的集成系统。每个微型电源可实现即插即用，并满足本地用户的需要，包括本地可靠性和安全的需要。微电网结构中应考虑的关键问题：微型电源的接口、控制和保护技术等；微电网的电压控制、潮流控制、孤岛运行时的负荷分配、保护、稳定性以及总体的运行等方面的问题；微电网与大电网的并列操作以及能否平滑地进入孤岛运行或离开孤岛运行状态。9－22023年9月23日星期六§2-1

微电网的基本组成微电网基本结构：9－32023年9月23日星期六§2-1

微电网的基本组成针对于微电网特定的结构形式，微电网应该具有下述三个功能：微型电源控制器：微型电源装配的功率和电压控制器可以提供对系统扰动和负荷变化等的快速响应；电能管理系统：通过为每个微型电源控制器设置功率和电压实现运行控制，该功能的时间响应为分钟数量级；保护：微电网中具有电力电子接口的电源的保护需要采用专门的保护装置。9－42023年9月23日星期六§2-2

微型电源控制器

微电网的基本运行取决于微型电源控制器的如下功能当馈线上负荷的工作点变化时调节馈线的潮流；当系统中的负荷变化时调节每个微型电源接口处的电压以及当系统处于孤岛运行状态时，确保每个微型电源迅速承担其所分配的负荷。系统能够平滑地转换到孤岛运行状态和自动地重新并入大电网。微型电源控制器的特点

：在整个系统或电网出现扰动时，其响应时间为毫秒级的，并采用本地测量的电压和电流信号来控制微型电源。为实现即插即用的功能，微电网运行时，微型电源之间最好不采用快速通信技术，每个逆变器能够按照预先设定的工作方式响应负荷的变化，不需要来自其它地方或电源的数据。即微型电源可随时投入到微电网中，而不需要改变系统中的已经存在的控制和保护装置。9－52023年9月23日星期六§2-3

电能管理系统电能管理系统通过为每个微型电源控制设置功率和电压的参考值来调节微电网的运行状态。参考值的设定准则：确保微型电源为负荷提供所需的热能和电能；保证微电网满足大电网的运行规约；微型电源的排放和系统的损耗达到最小；使微型电源的运行效率达到最大等。9－62023年9月23日星期六§2-4

微电网的保护微电网中的继电保护必须同时能够响应大电网和微电网的故障。对于大电网的故障，所需响应可能是为了保护微电网中非常重要的负荷，应该迅速地将这些负荷与大电网隔离开来。微电网与大电网解列的速度取决于微电网中特定的负荷。在某些情况下，悬垂补偿可用来保护关键的负荷而不需要将微电网与配电系统解列开来。如果故障发生在可运行于孤岛状态的微电网内部，则所需的保护是将馈线中最少可能的线路断开，从而消除故障影响。在微电网基本结构图中，区域4的故障可在最近的功率/电压控制装置中通过差动电流测量法检测出来，使得邻近的断路器将故障隔离开，从而使得微电网中其它部分受到的干扰达到最小。9－72023年9月23日星期六§2-5

微电网在大电网中的作用当微电网与大电网并列运行时，它不能影响大电网的可靠性、保护方案以及引起其它的问题。微电网除了简单地满足对大电网无害之外，还应该为大电网作出更多的贡献。如果微电网可作为不间断或可控制负荷，能够响应大电网运行条件的改变进行分流，则可以减小电力阻塞或其它威胁，从而使得大电网受益。微电网中的电力电子设备可设计为恒阻抗负荷、可调节负荷或可调度负荷等。一、负荷作为资源微电网可认为是电力系统中一个可控制的单元，在微电网内电能和热能可直接为本地用户生产，电能和热能的生产和使用都可实现控制。微电网可通过增加发电量来满足自己的负荷需要或直接减小负荷来使得微电网的总负荷减小，即将最基本的减负荷能力建立在系统中。9－82023年9月23日星期六§2-5

微电网在大电网中的作用发电和负载的共同、本地控制为微电网的核心，赋予了需求侧管理特别的意义。微电网不是通过控制负载，调节其负荷曲线来满足电力系统的要求，而是同时控制发电和负载，满足微电网中用户尽可能经济的目标，并有可能实现不间断供电的要求。二、动态相互作用目前分布式发电在电力系统中的应用还非常少，因此它们对高压输电系统稳定性的影响还可以不考虑。如果分布式发电越来越普及，则它们将影响电力系统的稳定性。分布式发电与电力系统之间不良的动态相互作用可能引起关键的、重负荷的输电线路跳闸、中断不同区域间的电能输送。如果设计微电网时，考虑它们与输电系统之间的动态影响，则可增强输电线路的稳定性，并可使得输电线路的上限输送功率增加。2023年9月23日星期六9－9第三章

微型电源工作原理和控制83－12023年9月23日星期六§3-1

微型涡轮发电机的建模和仿真§3-2燃料电池系统的建模§3-3

光伏(Photovoltaic，PV)发电系统§3-4小型风力发电系统§3-5

微电网中能量存储设备§3-1

微型涡轮发电机的建模和仿真一、微型涡轮发电机组的基本工作原理如果不考虑微型涡轮发电机组的容量大小，则它们的基本运行原理相同，即将某种形式的机械能转换为电能。随着涡轮发电机组的类型、容量的不同，这一能量转换的过程将有很大的差异。大容量的蒸汽涡轮发动机和大型的同步发动机基本的运行和控制原理可总结如下：系统稳定运行时，进入涡轮发动机的蒸汽流量所对应的功率等于发电机所输出的电功率，发电机和涡轮发动机的转速同步，发电机所输出的正弦电信号与电网信号相位相同。在负荷的暂态响应期间，负荷所需能量首先来自于大型涡轮发动机和发电机转子的转速变化。涡轮发动机的转速控制系统将检测出转速的变化，并调节蒸汽流量，使得其转速达到设定的数值。83－22023年9月23日星期六§3-1

微型涡轮发电机的建模和仿真微型涡轮发电机组的基本工作原理稳态工作时，进入涡轮的天然气和空气的燃烧所获得的能量与发电机输出电能相等，微型涡轮发电机组的转速不是关键的因素，因为发电机输出的正弦交流信号首先经过整流然后再通过逆变器输出。直流侧电压必须保证能够提供逆变器输出的功率的要求，该运行模式需要对微型涡轮发动机的转速进行良好的控制。在负荷暂态响应期间，所需的功率也可首先从微型涡轮发动机转子的转速变化获得，但是由于系统的转动惯量比较小，所存储的动能也小，因此转子的转速将变化迅速。微型涡轮发动机的转速控制系统将检测出转速的变化，并调节输入到微型涡轮发动机的燃料流量，使发动机的转速达到设定数值。微型涡轮发动机的转速需要迅速调节，保证发电机能够正常运行。在这种运行模式下，涡轮发电机组也能跟随负荷的变化。83－32023年9月23日星期六§3-1

微型涡轮发电机的建模和仿真

83－42023年9月23日星期六二、微型涡轮发电机系统的结构微型涡轮发电机系统的基本功能方框图回流换热器利用燃烧过程产生的排出废气，增加了系统的效率。系统中的发电机为永磁发电机

。发电机和电力电子接口电路的方框图逆变器采用电压源逆变器，可采用PWM控制、矢量控制或其它类型的控制方式。§3-1

微型涡轮发电机的建模和仿真三、微型涡轮发电机组的数学模型ll

v

e

eu

K

sin

tp2e

m

dclldcIu

3

e

Ls

3 2

uudc

Ke

m

Kx

mI

dc

eK

3Kv2

xK

3

pLs6052000500

0.092

2

me

udcK3vK

Ke

0.096用Honeywell微型涡轮发电机参数计算Kv、Ke和Kx。Idc=0，设直流母线电压为500V，转子转速为52000rpm

当输出功率60kW时，转速为60000rpm

，直流侧电压为515V51583－52023年9月23日星期六6000060

5

8.459

10

515 60000

e

K

/

Kx

2

§3-1

微型涡轮发电机的建模和仿真输出功率和转矩：2dc

e

m

dc

x

m

dcP

K

I

K

Ix

dcm

e

dcKI

2T

K

I微型涡轮发电机的转速模型：83－62023年9月23日星期六§3-1

微型涡轮发电机的建模和仿真为验证转速模型，在转速的输入端加入了一个二阶的控制器，模拟燃料控制和调节器的动态特性。

为了使得模拟结果与Honeywell

75kW的发电机的实际响应接近，采用曲线拟合建立转速和功率给定值之间的关系。83－72023年9月23日星期六§3-1

微型涡轮发电机的建模和仿真功率给定值如图所示，时间序列与Honeywell涡轮发电机测试数据有稍许差别，但阶跃变化和幅度与实际测试数据相同。输出功率仿真结果83－82023年9月23日星期六§3-1

微型涡轮发电机的建模和仿真输出转速仿真结果由于采用了曲线拟合，仿真结果与实际测试数据非常接近。曲线拟合转速模型的直流侧电压仿真结果当负荷阶跃变化时，转速和直流侧电压的调整具有一定的超调量，这样的响应是由该模型的特性所决定的，若采用理想模型，可控制超调量的大小。83－92023年9月23日星期六§3-1

微型涡轮发电机的建模和仿真根据上述分析，可对建模所需要的条件总结如下：转速为测试数据的曲线拟合；暂态脉冲被不实际地放大了，对于不同的运行条件，引入的参数需进行调整；当逆变器的输出电流随着负荷变化时，应限制其输出电流的响应，因此负荷电流必须采用同样的方式进行限制。模型的主要缺点是没有考虑微型涡轮发动机的动态特性，涡轮和发电机将影响转速设定值变化时的转子响应，这些影响没有考虑在模型中，但是模型参数可进行正确的调整。四、微型涡轮发电机组的输入转矩模型为考虑涡轮发动机的动态特性，采用转矩作为输入的模型。mdtJ

d

m283－102023年9月23日星期六

T

J

1Mr

2§3-1

微型涡轮发电机的建模和仿真微型涡轮发电机组的输入转矩模型83－112023年9月23日星期六§3-1

微型涡轮发电机的建模和仿真83－122023年9月23日星期六§3-1

微型涡轮发电机的建模和仿真电流的上升时间与转速模型相同；输出转矩、转速和直流侧电压的仿真结果与测试数据很接近，与实际系统具有相同的特性；在测试数据和模型中具有相同的电压和转速的超调；直流电压和转速的峰值与测试数据也基本相同。83－132023年9月23日星期六§3-2

燃料电池系统的建模燃料电池通过氢和氧的电化学反应将氢或含氢燃料直接转换CH

4

H

2O

CO

3H

2CO

H

2O

CO2

H

2氧化

e

e

e

浓缩成电能，热能和水。一、自主式燃料电池模型大多数的燃料电池系统生成电能所直接包含的全部化学反应可以简化为：2 2221

O

2H

2e

H

O

阴极

H

2H

2e

阳极

熔融碳酸盐燃料电池，忽略低温度动态，物质平衡方程为i

i

N

inN0

Ri

iUCɺin83－142023年9月23日星期六PU

N

R

x

R

RT

0

Nin

xin0i

t

t

i

t

i

ixɺU为电池电压；Niin，Nio分别为第i级反应物在电池输入和输出端的流速；Ntin是全部反应物在电池输入端的总流速，Ni=xiNt；Ri为反应物的反应速率，Rt是Ri的总和。T为电池的华氏温度，P为电池的压力，R为气体常数(8.31焦/摩尔华氏度)。§3-2

燃料电池系统的建模2221

O2e

H

O

阴极

H2

2H

2H

2e

阳极

nFIR

R

2R

2R

FCH

2 H

2O

O2 tIFC为电池电流，F为法拉第常数(96500C/摩尔)，n为第一式反应中的电子数。实际的燃料电池，反应物的摩尔浓度，xH2Oin，xH2in，xO2in是固定的常数。电池所有反应的动态特性的时间常数相同。

2

u

RT

N

1

xPUinH

2int

u为电池利用率。电池利用率可由H2定义：I83－152023年9月23日星期六RN

in

N

inxin

nFN

in

x

inN

inH

2H

2 t

H

2 t

H

2H

2H

2

FC

N

0u

t当N

in

为常数时，利用率u随着电池电流的增加而增加。电池电动势的瞬时值E可由纳斯特定律得到

1

/

2

0H

2OH

2 O2rx0

x

x0E

E

f

log

Er为标准状态时电池的开路电压；f=RT/nF。in

in83－162023年9月23日星期六t

t

i

t

i

iPUx

N

x

R

N

R

RT

in 00ixɺ§3-2

燃料电池系统的建模u=0对应于用燃料电池闲置的情况，u=1对应于电池最大输出。在实际的应用中，u的值约为0.85左右。因为反应物的扩散摩尔浓度可由下式计算：燃料电池的非线性电化学模型反应物的输入总流速Ntin为模型的独立输入信号，决定了电池的稳定状态功率。连接到电池的电气端的外部电流决定了电池电流的大小，这是模型的第二个输入信号。模型为降阶模型，因为忽略了温度引起的动态特性。适用于描述电池断续工作情况下温度在数分钟内几乎不变的特性。§3-2

燃料电池系统的建模H2和H2O在稳定状态释放的摩尔浓度，可表示为：,22u2x0u2x0inHH

2OH

2OinHxin

xinH

2H

21

x

1

x

1

u

1

u

xinxinH

2OH

2

E的稳定状态值Eocv为

xin1

u

1

u

E

E

f

log

O2O2x

0

OCV

0

inxin

x

xinH

2OH

2 O21

/

20 rE

E

f

log

83－172023年9月23日星期六

2

1

u

11

u

E

E

f

log

OCV

0Eo为利用率为零(电池闲置)时的开路电压：当u较大时，百分之五十的O2利用率可导出下述近似表达式。§3-2

燃料电池系统的建模稳定状态时电池电压和电池利用率之间的关系曲线83－182023年9月23日星期六(a)电池开路电压，(b)端电压§3-2

燃料电池系统的建模二、并网运行燃料电池模型

1.非线性模型

并网运行燃料电池系统原理图83－192023年9月23日星期六采用了两个控制环控制系统输出的交流电压和功率。§3-2

燃料电池系统的建模电压控制器通过改变逆变器的调制度来调节系统与电网接口的母线电压VT，实现无功功率的控制。通常情况下，燃料电池承担系统的基本负荷，因此燃料控制器为燃料电池提供恒定的燃料输入。燃料控制器的响应速度很慢，但是通过调节逆变器的功率角，系统可对较小的瞬时功率调节做出连续的反应。任何稳定状态功率的改变必将伴随着燃料流速的相应改变。如果电池输出功率升高，而燃料流速保持不变，则稳定状态的电池利用率将会升高而电池电压将会降低。并网运行燃料电池系统的单相等效电路83－202023年9月23日星期六§3-2

燃料电池系统的建模FCTFCFCT

sFCUU

2

s

X

XR

m

s

sin2

X

XP

E

m

s

sin

m=1，u=0.85，RFC=0.3，E=1.3，XT=0.1，(a)Xs=0.25，

(b)Xs=0.2燃料电池系统的功率特性对电池电阻和交流系统阻抗之间的比值比较敏感。

T

s

83－212023年9月23日星期六X

X

Us

E

2mRFC4RFCE

2Pmax

,

max

arcsin

最大功率受燃料电池内部参数限制，与电网的接口无关。§3-2

燃料电池系统的建模2.线性化动态模型并网运行燃料电池的小信号模型83－222023年9月23日星期六§3-2

燃料电池系统的建模(1)燃料电池线性化动态模型

1

/

2

0022H

2OOHrx0xx

E

E

f

logiint

t

i

t

iixPUR

N

R

RT

0

Nin

xin0xɺ

2

2u

xPUin

Hin

RT

Nt

1

nFN

inxinIFCt

H

2u

tIFC

,ot

,o

FC

FC

I

E

I

N

in

t

OVC

N

in

N

in

E

Eɺ

E

OVC分别为正常运行时电池电流，利用率和输入流速。I ,u,NinFC

,o

o

t

,oFC83－232023年9月23日星期六in

tint

FC

N

I

0

0 0

E

K

N

I

E

f

log

U

1

u

1

u

1

u0

E

ɺU0为电池额定电压；(2)电网络电网络采用灵敏度矩阵J表示，J为雅克比矩阵。FCTFC

FCsTFC

2

s

U

UX

XR

m

s

sin2

X

XP

E

m

s

sin

§3-2

燃料电池系统的建模(3)逆变器控制逆变器的两个控制环均采用PI控制。当燃料电池承担基本负荷时，燃料流量调节器的作用可以忽略。可假设所有电池均在恒定燃料流速下运行，即int

N

0FCFC

EG

PFC

PF

G112

FCFC

PF

2FCFC

E

PG

m

PF

G323FC

PF

4TFC

UG

UTF

G152

m

UT

FCF6

T

E

E

UG

m

UTF

G327T

m

UF

8FCFC

I

G

K1G

E

K

IFC2G83－242023年9月23日星期六

m

K

IFC3§3-2

燃料电池系统的建模电池电流和交流电压如下面两式所示：ECFC2RE

4R

PI

T

s83－252023年9月23日星期六FC

FC

sTX

XU

X2U2

2mX

XUB

cos

T

s

T

s

sE

2 m2

X

2

B

2上式中，B2=E2-4RFCPFC。由上述动态模型可知，当负荷功率增大时，功率偏差将增大从而使得功率角增加，提高了电池的输出功率。当电压发生变化时，逆变器的调制度将随着变化。功率控制环与电压控制环通过两个二阶反馈环相互作用，反馈环包含了电网络和电池的基本参数。电压控制环的暂态响应只受到电网络中的短时时间常数的限制。因此，电压控制器可以采用PI控制，其响应时间为工频正弦信号的一到两个周期。功率控制环的比例和积分增益应适当选取，以便得到较慢的响应，从而减少功率控制环和电压控制环以及其他系统动态特性的相互作用。§3-3

光伏(Photovoltaic，PV)发电系统一、光伏电池原理用适当波长的光照射到半导体系统上时，系统吸收光能后两瑞产生电动势，这种现象称为光生伏特效应。p-n结的光生伏特效应光照产生的非平衡载流子各向相反方向漂移，在内部构成自n区流向p区的光生电流，

在p-

n结短路情况下构成短路电流密度。在p-n结开路情况下，p-n结两端建立起光生电势差，即开路电压。将p-n结与外电路接通，只要光照不停止，就会不断地有电流流过电路，p-n结起了电源的作用。83－262023年9月23日星期六§3-3

光伏(Photovoltaic，PV)发电系统太阳能电池的电流和功率特性83－272023年9月23日星期六PL

IL

UL为使太阳能电池的输出功率达到最大，不论外界环境如何变化，必须使其运行在这一最大功率点

。可采用电子控制器实时地调节PV电池运行电压等于最大功率点的电压来实现最大功率点跟踪。§3-3

光伏(Photovoltaic，PV)发电系统受太阳辐射和负载大小影响的PV电池的电压-电流特性电池的温度影响太阳能电池的性能，随着温度的增高，其输出电压和功率将线性减小，因此PV

电池最好运行在太阳辐照度高，气温较低的时候。不同太阳辐射情况下，最大功率点的电压基本上相同，与电池受到的辐照度无关。83－282023年9月23日星期六§3-3

光伏(Photovoltaic，PV)发电系统二、PV电池等效电路IL

：光能产生的电流；Id

：二极管电流；Ish：旁路漏电流；串联等效电阻Rs表示电池中对电流的阻碍作用，其数值取决于p-n结深度、半导体材料的纯度和接触电阻；旁路电阻Rsh与电池对地的泄漏电流成反比。常规的高质量的PV电池，一平方英寸的硅电池其Rs在0.05到0.10Ω之间，Rsh在200到300Ω之间。PV电池转换效率对Rs的变化非常灵敏，而对Rsh的变化不灵敏，当Rs的值少量增加时，PV电池的输出电能将显著减小。二极管电流可采用常规的二极管电流计算公式计算：

83－292023年9月23日星期六

1

QU

oc

I

D

e

AKTI

dID为二极管饱和电流；Uoc为开路电压；Q为电子电量；A为曲线拟合常数；K为波尔兹曼常数；T为绝对温度。§3-3

光伏(Photovoltaic，PV)发电系统负载电流：RshUQUoc

ID

e

AKTI

I

L

1

oc实际的PV电池，Ish与IL和ID相比非常小，可以忽略。在黑暗条件下，将电压Uoc加到电池两端，并测量流入电池的电流即可求得二极管饱和电流，因此该电流常称为黑暗电流或反向二极管电流。描述PV电池性能的两个最重要和最常用的参数是开路电压Uoc和短路电流ISC。在满照度的条件下，将PV电池的输出端短路测量得到的电流即为短路电流。在PV电池开路的情况下，得到的最大光电压即为开路电压。

83－302023年9月23日星期六oc

nIQU

AKTlog

I

L

1

忽略旁路电流。

D

开路电压具有负的温度系数。§3-3

光伏(Photovoltaic，PV)发电系统PV电池的电气特性一般采用电流-电压(i-v)曲线表示。左边阴影区，电池工作于理想电流源工作状态，其输出电压取决于负载电阻；右边工作区，当电压少量增加时，将引起输出电流急剧增加。在此区域，电池相当于具有内阻的电压源。在两个阴影区域的中间部分，i-v曲线有一个转折点。PV电池的输出功率为其输出电压和电流的乘积。当输出电压处于i-v曲线的转折点时，输出功率达到最大。PV电池的电路应工作于靠近i-v曲线的转折点的左边。在分析系统的电气特性时，可将PV电池等效为近似理想电流源的模型。83－312023年9月23日星期六§3-3

光伏(Photovoltaic，PV)发电系统光照为2流明，空气质量为2.5时，

22瓦的PV电池的i-v特性：定义外太空的空气质量为0，太阳辐射可达1350瓦/平方米。当空气质量为1时为纯净的空气且在中午的时候，可将其定义为地面的理想条件，太阳光经很小的阻挡达到地面。一般的白天，空气质量为1.5，可定义为空气质量的参考值。83－322023年9月23日星期六§3-3

光伏(Photovoltaic，PV)发电系统PV电池的光电转换效率：太阳光撞击电池的功率电功率

三、PV系统组成PV电池必须工作于一定的电压，从而保证在一定的条件下工作于最大功率点。设PV电池的输出电压为U，输出电流为I，则P=U×I。P

P

U

U

I

I

忽略上式中的高次方项：

P

UI

IU在最大功率点，ΔP应为零，因此在最大功率点：dU

UdI

I动态阻抗

静态阻抗83－332023年9月23日星期六§3-3

光伏(Photovoltaic，PV)发电系统实现PV电池工作于最大功率点的方法：第一种方法：将一个很小的电流信号按一定的周期注入到PV电池阵列的母线上，然后测量母线上的动态电阻Zd=dU/dI和静态电阻Zs=U/I，调整电池的工作电压直到Zd=

Zs，当电池运行在这一点时，其输出功率可达最大值；第二种方法：根据dP/dU的正负调节工作电压，当dP/dU为正时增加PV电池工作电压，为负时减小工作电压。如果dP/dU在一定的死区范围内接近于零则保持其工作电压不变；大多数PV电池，最大功率点的电压与开路电压的比值(Ump/Uoc)近似为常数K。第三种方法：将一个不带负载的光电池安装在PV电池板上，使其与输出电功率的PV电池处于同一环境，并不断测量其开路电压，如果将输出电功率的PV电池的工作电压设定为KUoc，则其输出功率将达到最大值。83－342023年9月23日星期六§3-3

光伏(Photovoltaic，PV)发电系统独立运行的PV系统组成：83－352023年9月23日星期六§3-3

光伏(Photovoltaic，PV)发电系统并网运行的PV系统组成：83－362023年9月23日星期六光伏发电系统的并网电路两级拓扑结构集成控制器首先在DC/DC环节中实现MPPT控制，再在一个DC/AC环节中实现正弦电流输出与相位控制。集成控制器检测太阳能板的输出电压、电流，中间环节的电压Ud，以及交流侧电压和输出电流等信号，输出DC-AC逆变器的调制信号，同时还要向DC-DC换流器发出最大功率点电压指令U*

和启动停止信号。pv§3-3

光伏(Photovoltaic，PV)发电系统四、逆变器电流跟踪控制通过基于PWM调制的电压源型逆变器(IGBT、MOSFET等)与电网互联，以输出电流作为控制对象。外部电压控制环产生内部电流跟踪控制环的参考电流，而电流环主要负责补偿误差电流，产生PWM调制信号，要求具有快速的动态响应速度和谐波补偿能力。电流跟踪型PWM的控制方法很多，根据使用的坐标系不同主要有两种类型：基于三相瞬时坐标系下的非线性控制器、基于同步旋转坐标系的线性控制器。83－372023年9月23日星期六§3-3

光伏(Photovoltaic，PV)发电系统非线性控制器采用瞬时比较的方式，将有功电流指令和无功电流指令经过Park反变换得到交变的输出电流指令ia*、ib*、ic*，分别与实际三相电流相比较，偏差通过电流环调节器输出的Ua*、Ub*、Uc*为按正弦规律变化的一系列调制脉冲，经电压放大到驱动主电路功率开关管，输出三相桥逆变电压。为了确保输出有功电流与电网电压同相位，电网电压的相位和频率信号可以经过锁相环节(Phase-locked

loop)得到。83－382023年9月23日星期六1.基于三相瞬时坐标系下的非线性控制器§3-3

光伏(Photovoltaic，PV)发电系统采用上述PLL可以较好的得到正序相角，抑制谐波分量和其它扰动信号的影响。但在不对称电压故障下，负序分量通过PLL环节会产生谐波分量，因此需要结合滤波技术，过滤负序分量。83－392023年9月23日星期六§3-3

光伏(Photovoltaic，PV)发电系统2.基于同步旋转坐标系的线性控制器三相并网系统中，常采用把三相变量变换为两相，将交流变量转换为直流变量，在d-q同步参考坐标系下设计基于空间矢量PWM(SVPWM)的线性电流控制器。83－402023年9月23日星期六功率控制器产生有功和无功电流指令id*、iq*，分别与实际的id、iq相比较，差值通过电流控制环输出空间矢量调制的电压q指令Ud*和U

*。电流控制环采用PI控制，使用交叉耦合方法并增加电压前馈环节提高控制器的动态响应特性。§3-4

小型风力发电系统风力发电是利用风能来发电，而风力发电机组(简称风电机组)是将风能转化为电能的机械。风轮是风电机组最主要的部件，由桨叶和轮毂组成。桨叶具有良好的空气动力外形，在气流作用下能产生空气动力使风轮旋转，将风能转换成机械能，再通过齿轮箱增速驱动发电机，将机械能转变成电能。理论上最好的风轮只能将约60％的风能转换为机械能。现代风电机组风轮的效率可达到40％。一、风机的特性风机的能量转换公式可以写成：12 3

,

)protRuC

(P

2 u83－412023年9月23日星期六

rot

Rρ为空气密度；R为叶片旋转半径；u为风速；θ为桨距角；λ为叶尖速度比ωrot为风机的旋转速度，Cp为风机的转换效率。§3-4

小型风力发电系统理想风机的功率特性曲线

：当风速检测系统在持续10分钟内测得风速平均值达到切入风速，系统自检无故障时，控制系统发出释放制动器令，机组由待风状态进入低风速起动。当机组转速接近同步转速时，执行并网操作。输出功率随着风速的的增大而增加，当风速超过额定风速的时候，由于风机失速效应的影响，风机的输出功率恒定。83－422023年9月23日星期六§3-4

小型风力发电系统当转速超越上限发生飞车时，必须进行限速及刹车操作，以强制停机。二、风机的叶片控制风力发电机按照桨距是否控制可分为定桨距风力发电机和变桨距风力发电机。若风机的功率调节完全依靠叶片的空气动力学特性，则称为定桨距风力发电机组。风电机组的设计一般在小于额定风速时风轮具有最佳转换效率，发电机工作于同步转速附近。当风速超过额定风速时，由于叶片存在着失速效应，降低了Cp，维持发电及输出功率恒定。实际中风速的变化范围很大，特别在强风速下，风速的变化非常快，使得风机的输出功率波动要比正常风速时大，因此很难维持发电机输出功率的恒定。另外失速控制方式主要依赖于叶片独特的结构，随着叶片加长，成型工业难度加大，且失速动态特性也不好控制。83－432023年9月23日星期六§3-4

小型风力发电系统为了尽可能提高风力机风能转换效率和保证风力机输出功率更为平稳，风力机需要加装桨距调整环节进行桨距调整，这种风机称为变桨距风力发电机。变桨距风力发电机功率调节不完全依靠叶片的空气动力学特性，主要依靠与叶片相匹配的叶片攻角改变来实现。在额定风速以下时，叶片攻角处于零度附近，此时叶片角度受控制环节精度的影响，变化范围很小，等同于定桨距风机。在额定风速以上时，变桨距机构发生作用，调整叶片攻角，保证发电机的输出功率在允许范围内变动。定桨距和变桨距风机的功率特性曲线83－442023年9月23日星期六§3-4

小型风力发电系统三、风力发电系统的控制1.独立运行的风力发电系统早期10kW以下的小型风力发电系统采用直流发电系统。采用直流发电机与蓄电池储能配合向直流负载供电，直流发电机的结构复杂、维护量大，目前多采用交流发电机经整流器后输出直流电。交流发电机包括永磁式发电机、无刷自励发电机、硅整流自励交流发电机和电容自励异步电机。永磁发电机自身不能调节，为了调节输出功率，必须另加输出控制电路，与小型风电装置和经济性需求相矛盾。无刷罩极自励发电机所有的励磁都来自一套励磁绕组，具有较好的调节性能，通过调节励磁可以方便的控制输出特性，并有可能使风机实现最佳叶尖速比，得到最好的运行效率。非常适合千瓦级的微、小型风力发电装置。在整流器后接逆变器则可以向交流负载供电。83－452023年9月23日星期六§3-4

小型风力发电系统独立运行的异步发电机带负载运行时，发电机电压和频率都随负载的变化及负载的性质有较大的变化。为了维持频率不变，必须相应地增加发电机转子的转速。当负载增加时，异步发电机的滑差绝对值增大，在异步电机作为发电机运行时，转子转速大于定子电机旋转磁场的转速，异步电机的频率下降，如果维持异步发电机频率不变，必须增加转子的转速。83－462023年9月23日星期六§3-4

小型风力发电系统为了维持发电机的电压不变，当发电机负载增加时，必须相应地增加发电机端并接电容的数值。多数情况下，负载为电感性，感性电流将抵消一部分容性电流，这样将导致励磁电流减小，发电机端电压下降，所以必须增加并接电容的数值，以补偿负载增加时感性电流增加而导致容性励磁电流的减小。异步电机的功率因数由输出功率决定，不能调节，电网供给励磁的无功电流会导致功率因数下降，同步电机则可以使用励磁调节系统调整功率因数。因此单独运行时，异步电机的电压调节比同步电机困难很多。为了保证对负载的不间断供电，独立运行的风力发电系统由风力机驱动发电机，经蓄电池蓄能装置向电阻性负载供电。当风力减小时，风力机转速降低，致使直流电压低于蓄电池组电压时，则发电机不能对蓄电池充电，而蓄电池却要向发电机反向送电。83－472023年9月23日星期六§3-4

小型风力发电系统为了防止这种情况，在发电机电枢电路与蓄电池组之间装有逆流继电器控制的动触点，当直流发电机电压低于蓄电池组电压时，逆流继电器动作，断开动触点J，使蓄电池不能向发电机反向供电。为保证风机对负载持续供电，蓄电池的容量非常关键。容量选择与选定的风力发电机的额定数值，日负载状况，以及该风力发电机安装地区风力(无风持续时间)等有关系，同时还需要计算蓄电池的充电和放电电流值，保证合理的使用蓄电池，延长蓄电池使用寿命。2.恒频/恒速风力发电系统并网运行的风力发电机要求其输出频率与电网保持一致。根据风机的转速特性风力发电系统可以分为恒频/恒速和恒频/变速系统。早期风力发电系统的运行方式多为恒频/恒速，风机采用失速调节或者变桨距调节，风轮转速不随风速的改变而改变，发电机主要采用异步感应电机。83－482023年9月23日星期六§3-4

小型风力发电系统异步电动机组成的恒频/恒速风力发电系统控制策略：低风速下追求Cp最优，进入高风速时限制输出功率。83－492023年9月23日星期六§3-4

小型风力发电系统当风速在启动风速和正常风速之间时，风机的输出功率小于额定功率，此时模式切换开关调整到优化控制模式，调整桨距角获得最佳的风能转换效率Cp

。当风速在正常风速和关停风速之间时，风机的输出功率超过额定功率，模式切换开关切换到功率控制模式，调整桨距角以增强失速效应，维持输出功率在额定功率。功率控制器采用带有反缠绕设计的PI控制器，可以有效减少控制模式切换时控制器输出与实际桨距角θ不等引起的系统闭环响应变差现象。逻辑控制的主要功能是比较新的指令信号θsp与和桨距角θ的采样信号，只有θsp与采样信号不同，并持续一段时间后，新的指令信号θsp才能够传递给伺服系统。控制模式之间的切换取决于风机的运行状态，为避免桨距角出现较大偏差，控制模式切换时应同时满足两个条件：风机的输出功率是否大于额定功率；风速是否大于额定风速。83－502023年9月23日星期六§3-4

小型风力发电系统3.恒频/变速风力发电系统由于风机转速对于风机转换效率Cp影响很大，恒频/恒速的风机可调整的范围和灵敏度都是有限的。应用交流电动机的调速技术，通过调节发电机转子电流的大小和相位实现转速调节，追求Cp最优和无功功率的平衡，将这种调速系统与变桨距控制环节结合，就构了恒频/变速变桨距风力发电机的主要技术特点。实现风力发电机恒频/变速运行主要有两种方式：有限变速运行方式和全变速运行方式。(1)有限变速运行方式系统中换流器的额定容量不超过风机的容量。发电机采用高滑差绕线式转子的异步发电机，如双馈异步发电机和滑差可调的绕线式异步发电机。异步电机采用交流励磁，与电力系统之间构成一种柔性连接，根据电网电压和发电机转速通过电力电子变换装置调节励磁电流，实现变速条件下的并网运行。83－512023年9月23日星期六§3-4

小型风力发电系统双馈异步电机定子绕组直接接入电网，转子绕组由一台频率、电压可调的低频电源(一般采用交－交循环变流器)供给三相低频励磁电流。当转子绕组通过三相低频电流时，在转子中形成一个低速旋转磁场，这个磁场的旋转速度(n2)与转子机械转速(

nr)相叠加，83－522023年9月23日星期六使其等于定子的同步转速n1

，即：nr

n2

n1当转速nr变化时，相应改变转子电流的频率和旋转磁场的速度n2，以补偿电机转速的变化，保持输出频率恒定不变。发电机可以超同步运行(转子旋转磁场方向与机械旋转方向相反，n2为负)，也可以次同步速运行(转子旋转磁场方向与机械旋转方向相同，n2为正)。超同步运行时，除定子向电网馈送电力外，转子也向电网馈送一部分电力。次同步运行时，定子向电网馈送电力的同时，需要向转子馈入部分电力。§3-4

小型风力发电系统同步运行时：n=n1，滑差频率s=(n1-n)/n1，此时通入转子绕组的电流频率为0，亦即直流电流，与普通同步发电机一样双馈异步电动机的运行模式83－532023年9月23日星期六§3-4

小型风力发电系统使用双馈异步电机的风机控制系统功率控制器速度控制器电网侧整流器控制转子侧逆变器控制83－542023年9月23日星期六整个控制系统包含有风机控制和双馈感应电机控制。§3-4

小型风力发电系统(2)全变速运行方式将发电机定子绕组接同等容量换流器并网运行的。主要缺点是电力电子变换器安装于系统的主回路，容量大，成本和维护费用高，但是在中、大型风力发电系统中所占风力发电系统的总成本比例并不大。主要的风机类型和控制结构①

带有变速齿轮的异步电动机交-直-交系统83－552023年9月23日星期六以浆距控制作为主要调节手段维持异步电机转速恒定，电力电子换流器作为辅助控制手段，输出恒定功率。§3-4

小型风力发电系统②

带有变速齿轮的同步发电机交-直-交系统利用小容量硅整流器提供励磁电流，同步发电机随风轮变转速旋转，产生频率变化的电功率，励磁调节与浆距控制相结合实现恒频变速。发电机发出频率变化的交流电通过交－直－交变换电路接入电网。③

采用多极同步发电机，同时引入小容量的AC/DC整流器提供励磁电流83－562023年9月23日星期六优点是不需要机械变速齿轮。§3-4

小型风力发电系统④

采用多极永磁同步发电机的交-直-交系统永磁同步发电机不存在励磁绕组铜损耗，发电效率比同容量的电励磁发电机高；转子上没有滑环，维护简单；重量轻，制造工艺相对简便，广泛应用于小型风力发电机。缺点是电压调节能力差。以浆距控制作为主要调节手段维持异步电机转速恒定，电力电子换流器作为辅助控制手段，输出恒定功率。83－572023年9月23日星期六§3-5