微电网建模与控制基础 课件全套 马柯 第1-10章 课程介绍+微电网概述及变流器基础-微电网开放仿真

微电网控制系统综合实验课程介绍2总课时:64上课时间：每周五下午7-10节课(14:00-17:40)上课地点：智能电网楼106（第一次为东下院302）课程内容:理论知识介绍:30%（重要）仿真/上机实验:40%+30%成绩:出勤:10%实验报告:90%课程主要目标了解微电网典型结构。了解并掌握微电网单变流器的常见控制方法。了解并掌握微网中多变流器的协调控制策略。熟练运用PLECS仿真软件进行微电网设计分析。操作实验平台并观测微电网实际运行现象。理论知识教学安排(贯穿课程)微电网简介及变流器基础三相DC-AC变流器的电流控制三相DC-AC变流器的电压控制多变流器系统的协调控制课程安排序号章节主要内容学时分配1绪论及参观了解微电网的相关概念及课程相关要求42三相DC-AC变流器的控制基础掌握坐标变换，掌握PLECS的使用方法，搭建对应的PLECS仿真83三相DC-AC变流器的并网控制掌握三相DC-AC变流器的闭环并网控制系统，搭建对应的PLECS仿真44三相DC-AC变流器的电压控制掌握三相DC-AC变流器的闭环电压控制系统，搭建对应的PLECS仿真45微电的主从控制掌握微电网的主从控制，并搭建对应的PLECS仿真46微网的下垂控制掌握微网的下垂控制原理及控制策略，搭建对应的PLECS仿真87微网的分层控制掌握微网的分层控制原理及控制策略，搭建对应的PLECS仿真48微电网开放仿真设计针对给定条件，设计微电网控制系统，搭建对应的PLECS仿真89实验平台简介与实验说明介绍实验平台及上位机，讲解实验安排及注意事项，分配实验任务410电压型变流器控制实验在实验平台上利用上位机控制变流器，实现变流器的电压控制411电流型变流器控制实验在实验平台上利用上位机控制变流器，实现变流器的并网控制412微网主从控制实验在实验平台上利用上位机控制变流器，实现微网的主从控制413微网下垂控制及分层控制实验在实验平台上利用上位机控制变流器，实现微网的下垂控制和分层控制4L1.微电网概述及变流器基础内容微电网概述变流器建模原理三相变流器简介三相坐标变换内容微电网概述变流器建模原理三相变流器简介三相坐标变换电力系统：集中式与分布式分布式的优点：冗余度高模块化容错性好效率高可靠性高集中式电力系统vs.分布式电力系统微电网的出现背景日益丰富的新能源形式光伏（Photovoltaic）风能（Wind）小型风机（Micro-turbine）小型储能系统不间断电源（UPS）飞轮储能（Flywheel）电池（Battery）超级电容（Super-capacitor）基于分布式发电优势以及日益丰富的新能源和储能形式，研究人员提出了“微电网“概念，以实现对分布式发电和负荷单元的小规模集成及分散控制。微电网的概念与特点微电网是什么？一种区域小型电网生态系统，内部各个子系统交互运行，包括：多个分布式电源多个分布式负荷一定形式的储能装置微电网具有哪些特点？发电单元接近负荷易集成清洁及高效能源较多的电力电子变流器装置可以与大电网并网运行，或独立运行具有较复杂的控制，不仅仅是简单源-荷连接一个典型的微电网系统微网分布式电力系统结构微电网面临的新挑战微电网的保护能量双向流动微电网单元进行电压与频率支撑传统电力系统保护难以完全适用微电网的控制可再生能源的多变性、低过载承受能力和低短路容量有源负载、谐波干扰设备之间协同和通信需要较多的监测设备微电网能量的分配负载+发电管理及协同、微电网聚合、源-荷平衡商业、法规、政策等多方面因素微电网的功率等级单元微电网（<2MW）具有多个负载的小型个人微电网，如医院、学校多单元微电网（2~5MW）由中小规模发电设备及少数临近负载构成电网支线（5~20MW）由中大规模热电联产设备及中大功率临近负载构成

通常涉及商业和工业微电网变电站（>20MW）传统热电联产设备及大功率临近负载构成

包含城区商业和工业、住宅等村镇及岛屿多种发电设备，多见于中国、印度、巴西、欧洲和北美微电网的主要两种类型微电网关注的问题交流微电网存在的问题：电压、电流、频率、相位多自由度控制浪涌电流（变压器、感应电动机、感应发电机）三相不平衡（单相负载、单相发电机等，如光伏发电）近年来微电网的发展趋势：基于电力电子变流器的源-负载（AC/DC和DC/AC变换）小容量分布式发电（光伏、燃料电池、风电、燃气发电机组）直流型源和负载（通过电力电子变流器实现）电能质量控制（谐波，电压，频率等）电力电子变流器的控制及协调是微电网核心技术微电网中的电力电子变流器电网侧变流器

用于交流电网和微电网之间能量互联，能量双向流动。可以是单相或三相的DC-AC变流器（直流微网），也可是AC-DC-AC背靠背型变流器（交流微网）负载侧变流器

用于微网和终端负载之间能量互联，通常能量单相流动。可以是DC-AC逆变器（交流负载），或DC-DC变流器（直流负载）源侧变流器

将可再生能源与微网进行能量互联，通常能量单相流动。如光伏发电、风力发电、燃料电池供电等储能变流器

将储能设备连入微电网，随储能设备和微网的不同（如电池、飞轮、超级电容）而具有不同的拓扑，能量双向流动直流型微网通常能减少所需变流器的数量及控制复杂度=~=~=~=~=~AClineDistributedloadsH2Windturbine~=~~UtilityPCCStaticbypassswitchMicrogridCAES~~微电网结构交流微网系统多个变流器在AC端并联作为母线DC-AC变流器、AC-AC变流器微电网结构直流微网系统多个变流器在DC端并联作为母线DC-DC变流器、AC-DC变流器微电网结构交直流混联型微电网多端口电力电子变流器：交直流混合一些国内微电网项目一些微电网的实例多个微电网组成的分布式电力系统未来的电网的一种可能形态以微电网为单元组成的大电力系统能量和信息交流同等重要内容微电网概述变流器建模原理三相变流器简介三相坐标变换典型的变流器结构功率输入：变流器的输入电压/电流功率输出：变流器的输出电压/电流采样环节：采样电压/电流信号控制器：以给定信号和反馈信号作为输入，输出连续调制信号调制环节：以调制信号作为输入，产生功率开关的脉冲通断信号一个典型的电力电子变流器包括以下几个部分：调制环节和脉冲驱动是电力电子变流器与其他电能控制系统最大的差别DC-AC变流器的基本单元桥臂功率输入：DC电压源

/信号输入：PWM脉冲驱动输出：AC负载上的电压及电流前级：开关电路

—直流供电至开关桥输出后级：LC滤波器

—开关桥输出至负载电压以输出端接LC滤波器的电压源型DC-AC变流器为例：DC-AC变流器单相桥臂的工作原理DC-AC变流器单相桥臂：正半周：Buck电路负半周：反向的Boost电路开关过程及调制的建模——开关状态当VD1开通，VD2关断时（状态1）：当VD2开通，VD1关断时（状态2）：VD1VD2StateOnOn短路!OnOff输出状态1OffOn输出状态2OffOff无输出开关过程及调制的建模——开关状态函数引入一个开关状态函数S(t)：逆变器端口输出脉冲电压vi(t)可以写成：开关过程及调制的建模——开关周期平均对脉冲电压vi(t)在一个开关周期内求平均值：假设VD1的开关占空比为D(t)，VD2的开关占空比为

D’(t)=1–D(t)，则可以得到：脉冲离散电压变为连续线性电压开关过程及调制的建模——双极性PWM调制对于双极性PWM，定义输入交流调制波的幅值为Vm，三角载波的幅值为Vtri

假设开关频率fsw

远大于输入交流调制波vm(t)频率，则一个开关周期内vm(t)可视为恒定的常数，那么如图根据几何关系，占空比D(t)可以写成：开关过程及调制的建模——KPWM的推导将D(t)代入开关周期求平均后的电路关系：则有DC-AC变流器桥臂的开环控制如果开关频率fsw

足够大，则对于低频分量（远低于开关频率fsw），PWM调制过程在频域下可以用一个简单增益

KPWM

来表示：当对单相DC-AC变流器输入幅值为Vm

的正弦调制信号，变流器输出电压也为正弦波；若要使输出正弦波电压幅值为Vm

，三角载波幅值Vtri

应设为VDC/2。内容微电网概述变流器建模原理三相变流器简介三相坐标变换单相和三相系统中的瞬时功率单相变流器的瞬时功率为

三相变流器的瞬时输出功率为由此可见，单相变流器输出功率中含有二倍频波动，而三相变流器输出功率稳定，不含二倍频波动。直流分量二倍频分量微电网中的三相DC-AC变流器相比单相变流器，在交流微电网

中更为常见的是三相变流器。三相变流器广泛应用于中大功率

场合，如风力发电。三相变流器可看做3个相位依次相差120°的单相DC-AC变流器构成微电网中的三相DC-AC变流器L/LCL滤波器

（控制AC电流）（接有源电网）LC滤波器

（控制AC电压）

（接无源负载）微电网中的三相DC-AC变流器三相三线制：三相电流之和恒为0三相四线制：三相电流之和可以不为0内容微电网概述变流器建模原理三相变流器简介三相坐标变换三相电压/电流矢量以电压为例，三相电压间，相邻两相依次滞后120°相位，可以使用以下的矢量表示：空间结构中，静止abc坐标系中abc为3个相互垂直的坐标轴如果给定静止abc坐标系，三相电压的瞬时值所代表的矢量可以合成一个电压矢量Clark变换（abc到αβ）引入一个新的坐标系—静止αβ0坐标系。静止αβ0坐标系中0轴与abc坐标系中三个坐标轴上的单位矢量相加得到的矢量方向相同。a轴在αβ平面上的投影与α轴重合。三相电压矢量v在αβ平面上的分量vαβ逆时针旋转，角频率为ω。一个理想的三相对称电压矢量的0轴分量v0为零，则三维矢量降解为二维矢量。Clark变换（abc到αβ）如果使变换前后参量的幅值保持一致，从abc坐标系至αβ0的坐标变换关系是：相应的坐标变换矩阵是：这一坐标变换关系也称为Clark变换若v0在三相对称系统中为0，变换将3个自由度减少为2个自由度。Clark变换的另一种变换矩阵如果使矢量和的幅值保持不变，Clark变换关系将有所不同：这一变换关系本质上反映的是变换前后的总功率不变：在本课程中，我们均采用幅值不变的变换（系数为2/3）。Clark变换矩阵全为常数，仅需要三相电压作为输入量。dq同步旋转坐标系在三相系统的相关分析中，dq同步旋转坐标系也是常用的坐标系dq坐标平面与αβ坐标平面是同一平面。d轴与q轴之间呈90°夹角，相对于αβ坐标系以角频率ω逆时针旋转。当t=0，以下三个坐标轴彼此重合：a轴在αβ平面上的投影、α轴、d轴。如果dq坐标初相位为零，旋转速度ω，则d轴可以与三相电压矢量同步旋转并保持重合。αβ/dq变换令变换前后参量的幅值保持不变，那么从αβ0到dq0坐标系的坐标变换关系是：αβ到dq坐标系变换需要一个额外输入量θ，其为dq坐标系相对于静止αβ坐标系的相位差。通常d轴与电压矢量在αβ平面上的投影方向保持一致。Park变换(abc直接到dq)类似地，abc坐标系下的电压参量也可以直接变换至dq0坐标系下，坐标变换关系为：因此坐标变换矩阵为：从abc坐标系直接变换至dq0坐标系的变换关系也称为Park变换此变换除三相电压输入外，还需要一个额外相角输入量θdq同步旋转坐标变换的意义给定一个abc坐标系下的三相平衡电压矢量：设d轴始终与三相电压合成矢量方向相同且同步旋转，那么也就是说，当dq坐标系与三相电压合成矢量同步旋转时，三相电压矢量在dq0轴上均是直流量，且d轴分量为交流幅值，q轴和0轴分量为0，更易进行分析和控制。坐标变换的逆变换相反地，以上各坐标变换的逆变换矩阵关系是：

校园微电网系统PLECS仿真软件简介常用的电力电子仿真软件Simulink能方便地与MATLAB中强大的数学运算功能对接，但仿真速度较慢，适合控制系统的仿真验证。PSIM针对功率系统的小巧仿真的软件，仿真速度高，用于简单控制系统设计和原理性的验证。PSpice和Saber针对模拟电路的高级仿真工具，功能强大，适合从电路级的仿真，但容易不收敛。PLECS简介PleximPLECS安装便捷、使用简单、运算速度快与MATLAB高度兼容，并且可集成至MATLAB中可仿真半导体器件的开关损耗等多种分布参数丰富的多物理元件库（电、热、磁、机械）：还可仿真包含磁路耦合关系和拖动机械负载环节的电力电子系统。PLECS简介PLECSStandalone作为独立的仿真软件使用多种求解器，支持定步长和变步长仿真PLECSBlockset嵌入于Simulink中使用相当于Simulink中的一个功能拓展模块，可与Matlab进行信号交互和数学处理。使用内部求解器与Simulink求解器相结合PLECS库及元件简介Control：与信号处理相关的一些元件数学计算、逻辑计算、频域系统、常用滤波器、坐标变换及调制等Electrical：与电路相关的一些元件电源、电表、无源器件、功率半导体、开关、变压器、各种电机等Thermal：与热仿真相关的一些元件热源、热阻、热容、散热器Magnetic：与磁仿真相关的一些元件气隙、绕组、磁芯等Mechanical：与机械仿真相关的一些元件平动环节（力和速度负载、弹簧等）和转动环节（转速负载、转矩负载、齿轮箱等）PLECS操作简介—新建文件和PLECS元件库Standalone双击桌面软件图标即可调出PLECS平台点击File→New

可创建新仿真文件PLECS操作简介：仿真基础设置Solver：设置仿真时间，仿真计算方法及步长等；Initialization：设计仿真初始化，按照Matlab语法规范。在Simulation—SimulationParameters中设置仿真相关参数PLECS操作示例：简单RLC电路仿真连线：鼠标点击一个端子，拖动至另一个端子上放开左键：移动元件（保持连线）中键：移动元件（断开连线）右键：复制元件Delete键可删除元件注意区分电气线（黑色）、信号线（绿色）连线，不可混连观察波形时，需要先使用电压、电流表等元件探测黑色电气量，转换为绿线信号量，然后再接入示波器（Scope）中观察波形本例中各元件位置：System库：示波器Electrical库：电阻、电容、电感、受控电压源、电压表Control库：阶跃信号PLECS操作示例：简单RLC电路仿真Standalone：Simulation→SimulationParameter中设置仿真时长和步长变步长（Variablestep）和定步长（Fixedstep）例如：仿真时间:0~0.1s仿真步长:100ns(10-7s)PLECS操作示例：简单RLC电路仿真点击Simulation→Start或者"Ctrl"+"T"开始仿真仿真结束，双击Scope，即可查看电容电压波形PLECS操作：示波器（Scope）Plecs中的示波器用于观测波形PLECS操作：示波器（Scope）Plecs中的示波器可以直接复制波形谢谢！L2：PWM和坐标变换仿真理论回顾：PWM调制及其等效增益如果开关频率fsw

足够大，则对于低频分量（远低于开关频率fsw），PWM调制过程在频域下可以用一个简单增益

KPWM

来表示：Vdc为直流电压，Vtri为三角载波幅值理论回顾：坐标变换在三相对称系统中，通过Clark变换将abc坐标系中的3个时变交流量变成αβ0坐标系中的2个时变交流量（v0为0）：在三相对称系统中，通过αβ/dq坐标变换将αβ坐标系中的2个时变交流量变成dq坐标系中的1个常数直流量（vq和v0为0）：任务一：单相DC-AC变流器的开环控制仿真要求：直流电压源：E1=E2=400V输出电压：正弦波幅值：311V频率：50Hz电感：2.5mH电容：40μF负载：纯电阻，100Ω开关频率：20kHz仿真时长：0~0.1s仿真步长：变步长提示：可以选用PLECS中PWM调制模块搭建单相DC-AC电路及其调制环节设计开环控制（选择并设定合适的调制波信号）观测电容电压和电阻电流波形，是否满足要求任务二：三相DC-AC变流器开环输出电压仿真参数及要求：直流电压源：VDC=800V每相输出电压：正弦波幅值：311V频率：50Hz电感：2.5mH电容：40μF负载：纯电阻，100Ω开关频率：20kHz仿真时长：0~0.1s仿真步长：变步长设计开环PWM控制，调制参考电压在dq轴下给定，然后采用坐标反变换，形成所需的三相正弦交流调制波电压。观测波形：使用三相电表观测负载电压和负载电流，注意参考电位点。双击PLECS库中的SymmetricalPWM模块，查看相关模块help文档，厘清各参数设置的影响。在今后所有仿真任务中，记得将PWM的采用模式设置为“Doubleedge”持续增加任务一中调制波信号的电压幅值，尝试找到调制波电压幅值的极限最大值，观察当超过最大极限值后，电路实际输出电压波形，并分析原因。观察任务二中dq坐标系下给定直流电压幅值，与abc坐标系下正弦交流电压幅值的关系。深入研究问题：L3.三相DC-AC变流器的

并网控制原理课程内容三相电流型变流器dq坐标下的建模三相电流型变流器的控制器结构课程内容三相电流型变流器dq坐标下的建模三相电流型变流器的控制器结构三相并网变流器的基本拓扑被控制量：并网电流ig滤波器：L滤波器/LCL滤波器直流中点M与三相中性点N：M与N相连：三相四线制M与N不相连：三相三线制电感滤波器的作用开关桥臂的输出电压vi(t)为脉冲电压，包含大量开关频率次的高频谐波电感滤波器可以抑制输出电流igabc中的高次谐波（尤其是开关频率谐波，但对电压无滤波作用）并网DC-AC变流器的建模：第一级开关桥臂从调制波信号到每相桥臂输出电压，可以等效成一个增益KPWM三相电路中每一相桥臂均可做相同等效并网DC-AC变流器的建模：第二级电感滤波器对于三相电路中的每一相电流ig，电感滤波器的微分方程满足单相电路中的电压电流微分关系：或者写成abc坐标系下矩阵的形式：并网DC-AC变流器的建模：第二级电感滤波器对于三相变流器，控制通常在dq坐标系下进行，因此需要在dq坐标系下建立等效模型。对abc坐标系下的电感微分方程作Park变换，等式两边同时左乘变换矩阵：并网DC-AC变流器的建模：第二级电感滤波器根据微分计算规则，进一步整理与时间t相关的微分项：可得：并网DC-AC变流器的建模：第二级电感滤波器在对park坐标变换矩阵求时间微分，得到：因此，电感滤波器在dq坐标系下的数学模型为：电感滤波器在dq坐标系下的时域等效电路根据电感滤波器的dq坐标系下数学模型：画出电感滤波器在d轴和q轴上的等效电路：dq轴的电流量通过受控电压源交叉耦合d轴等效电路q轴等效电路三相电感滤波器在dq坐标系下的s域等效框图dq轴电流形成交叉耦合项除耦合项外，dq坐标系下的s域框图均与abc坐标系下相同。q轴到d轴的耦合项符号为正（+）d轴到q轴的耦合项符号为负（–）课程内容三相电流型变流器dq坐标下的建模三相电流型变流器的控制器结构典型三相并网变流器闭环结构锁相环：获得电网电压合成矢量的相位θ电流控制器：根据给定和反馈产生连续调制波信号PWM：将连续调制波信号转变为离散开关信号dq坐标系下的电流控制结构PI控制器：对参考给定和实际输出电流ig误差进行补偿电网电压前馈：抵消电网电压对输出电流的影响dq轴电流解耦：抵消d轴和q轴电流之间的交叉耦合归一化：将桥臂输出电压vi转化为调制波信号vm（-1到1之间）三相电流型变流器的控制回路三相变流器解耦+前馈后的等效闭环控制框图：其中：控制器：PI控制器，用以补偿控制误差归一化：用以归一化调制信号，放在调制信号之后调制驱动：双极性PWM调制，输出桥臂的脉冲电压电感滤波器：抑制电流纹波控制中所实现的部分系统固有特性的数学建模仿真示例例如：Igrid,amp

=100AVgrid,rms

=220VVDC

=750Vfac

=50Hzfsw

=10kHzLf=2mHRf

为基波感抗的5%阶跃响应与动态性能对电流dq

分量的参考值在

t=0.06s给定一个负阶跃：id*从初始值100A变为50A电流dq分量的阶跃响应电流abc分量的阶跃响应dq轴电流能够快速跟踪给定信号，并且相互之间无明显耦合L3：三相DC-AC变流器的并网控制仿真理论回顾：变流器实际电路及控制结构锁相环：输出电网电压相位PWM：将调制信号转变为开关信号电流控制器：输出调制信号理论回顾：等效变流器+控制系统框图PI控制器：控制id和iq前馈解耦：消除dq轴之间的耦合电网电压前馈：消除电网电压的影响归一化：消除直流电压对调制的影响仿真实验：三相DC-AC变流器的并网控制仿真参数：直流电压源：±400V电网电压：220VRMS，50Hz三相三线制系统（如图）仿真时长：1s，变步长滤波电感：3.3mH开关频率：20kHz并网电流：初始30A幅值0.5s时，阶跃到60A幅值三相电流与电网电压同相PI控制器：Kp：20Ki：6505仿真实验：三相DC-AC变流器的并网控制任务：使用正弦交流电压源作为电网，在PLECS中搭建三相并网变流器的实际开关电路及其dq轴控制系统，观察并记录仿真结果。按要求设置一个电流参考值阶跃，将dq参考电流值与实际测量值进行对比，指出5%调整时间与超调量（相对阶跃变化的百分比）。观察并分析三相电流电压输出波形。采用相同参数，比较频域等效模型和实际开关电路的仿真结果。深入研究问题：L4.三相DC-AC变流器的

电压控制原理课程内容三相电压型变流器dq坐标系下的等效模型三相电压型变流器控制器结构课程内容三相电压型变流器dq坐标系下的等效模型三相电压型变流器控制器结构微电网中的电压型变流器塑造微电网中母线的交流正弦电压在交流微电网中，塑造母线电压的电压型变流器通常只有1个被控制量：交流母线电压vg滤波器：LC滤波器LC滤波器的滤波效果滤波前电压SPWM波形vi：滤波后正弦电压波形vg

：电压型变流器中LC滤波器的建模对于电压型DC-AC变流器，开关桥的建模方法与电流型DC-AC变流器的建模完全相同(KPWM，不再赘述）与电流型变流器不同的是：LC滤波器(用于电压滤波)根据电感、电容的电压、电流关系和基尔霍夫定律，可列出以下的电压、电流方程：LC滤波器的频域模型：频域框图根据这些方程，作出LC滤波器的s域传递框图：对于LC滤波器而言输入量为桥臂输出脉冲电压vi输出量为交流微电网电压vg电网电流ig可以视为扰动项LC滤波器的频域模型：vi到vg传递函数根据频域框图，忽略扰动项（将电网电流ig视为扰动项），可以求得LC滤波器输入到输出电压的传递函数为：LC滤波器是一个典型的二阶系统LC滤波器的频域模型：vi到vg传递函数波特图LC滤波器的幅频响应：在谐振频率fres以前为0dB，在谐振频率fres以后以–40dB/dec的斜率衰减，谐振频率fres即为其转折频率将LC滤波器的传递函数与二阶系统的标准形式比较，得到LC滤波器的谐振频率fres（转折频率）为：LC滤波器dq坐标系下等效模型：电感Lf与电感滤波器类似，LC滤波器

也可以在dq坐标系下进行建模对于滤波电感Lf，abc坐标系下

电感电压和电感电流满足关系式：将上式变换到dq同步旋转坐标系，得到：电感

Lf的dq耦合项LC滤波器dq坐标系下等效模型：电容Cf对电容支路Cf，在abc坐标系下

电容电压和电容支路电流满足：做与电感类似的坐标变换，dq坐标系下电容支路的方程是：电容

Cf的dq耦合项LC滤波器dq坐标系下等效模型综合电感、电容两个方程，LC滤波器在dq同步旋转坐标系下的完整频域框图，电压电流双耦合：需要分别对电感、电容均进行dq量的解耦控制课程内容三相电压型变流器dq坐标系下的等效模型三相电压型变流器控制器结构电压型变流器的双环控制结构除开环控制和直接以输出电压vg作为被控制量的单环控制外，还可设计解耦效果最好的双环控制双环控制包括网侧电压控制和变流器侧电流控制。电压型变流器的双环控制结构根据LC滤波器的频域框图，参考电流型变流器的dq控制（dq轴解耦+电压扰动量前馈），可以构建如下所示的双层控制器：电压型变流器的双环控制结构将控制器与LC滤波器自身等效模型相连：内环作用于电感，控制电感电流is外环作用于电容，控制电容电压vg外环电压控制器内环电流控制器电感模型电容模型电压型变流器的双环控制结构等效简化电压双环控制结构+电路模型，可进一步简化整理：对于电流内环，解耦项和前馈项可以直接抵消电流dq耦合项和电压扰动项vg的影响。对于电压外环，由于电流内环是单位反馈系统，低频段增益是0dB，因此解耦项和前馈项也可以抵消电压dq耦合项和扰动项ig的影响。对调制KPWM归一化，下图中已略去。电流内环电压外环仿真示例：控制效果阶跃输出交流电压VAC：220VRMS阶跃到110VRMS额定负载：4.4Ω三相输出交流电压（上）三相负载交流电流（下）d轴电压控制效果（上）q轴电压控制效果（下）L4：三相DC-AC变流器的电压控制仿真知识点回顾：三相DC-AC变流器的电压控制双环控制包括网测电压控制器和变流器侧电流控制器。知识点回顾：三相DC-AC变流器的电压控制根据LC滤波器的频域框图，参考电流型变流器的控制（dq轴之间的前馈解耦及扰动的前馈），可以构建如下所示的控制器：仿真实验：三相DC-AC变流器的电压控制仿真参数：直流电压源VDC/2：400V纯电阻负载：每相8Ω开关频率：20kHz仿真时长：1s，变步长负载电压：三相正弦波初始220VRMS，50Hz0.5s时，阶跃到110VRMSLC滤波器：Lf=0.6mH,Cf=9µF电流内环PI控制器：Kp：7Ki：10005电压外环PI控制器：Kp：0.02Ki：7.3仿真实验：三相DC-AC变流器的电压控制课堂任务：采用第二次所用的开环电压控制方法（dq轴直接设置电压参考信号阶跃，不闭环控制），指出5%调整时间与超调量（相对于阶跃变化的百分比）。将控制改为双闭环控制结构（保留开环控制部分，用选择开关），将dq分量的参考值与实际值对比，指出5%调整时间与超调量（相对于阶跃变化的百分比），观测输出电压和负载电流的变化和区别。注意：电压型变流器的相位θ由其自己决定，可利用周期锯齿波或斜波信号，按照20ms增加2*pi规律产生。在PLECS中采用传递函数建立三相DC-AC并网变流器dq轴下s域等效模型，采用相同的控制回路和控制器参数，并和实际开关电路的仿真结果作比较（包括内、外环参考值和实际值），注意耦合项和扰动项。深入研究问题：仿真实验部分报告提交要求完成PLECS仿真，将L2、L3、L4任务写成报告（简单分析讨论）将PLECS仿真文件（.plecs文件）和实验报告（.pdf）文件打包成.rar或.zip压缩文件，压缩文件命名为“L4_姓名_学号”，上传到Canvas系统截止时间：3月28日-23：59（2周）注意：请独立完成仿真和报告，严禁抄袭！如无特殊原因，超过截止时间提交将不计入成绩L5.微网控制系统简介课程内容微网控制架构简介微网中变流器控制目标课程内容微网控制架构简介微网中变流器控制目标微电网的控制架构微电网控制策略从下到上分为3层涵盖整个微电网系统控制到单个变流器控制不同层级控制之间通过通讯实现信息传递微电网控制策略分类集中控制分布控制微电网控制主要目标是实现微电网效益最大化和网内优化运行微电网控制可分为集中控制和分布控制两大类微电网控制策略：集中控制集中控制下，微电网控制由一个集中控制器来实现。所有本地控制器与集中控制器之间均需要通信。较易实现整个微电网最优运行通信要求和成本高较难实现变流器扩展微电网控制策略：分布控制分布控制中，微电网控制由各个变流器的分布控制器实现。各分布式控制器之间可以通讯也可以不通讯。变流器可即插即用通信要求和成本较低较难实现微电网最优运行微电网与上层系统交互接口微电网与上层系统交互的主要作用是参与到电力市场中，并执行电网公司（ESCO）的调度命令。配电网运营商(DSO)负责管理与控制配电网（供/耗电，孤岛/并网），并将计量数据发送给ESCO。系统结构通讯结构课程内容微网控制架构简介微网中变流器控制目标微电网中变流器控制目标微网中变流器的主要控制目标有两个：1.维持母线电压，2.进行功率分配。一个典型的微电网中含有多台变流器，多台变流器需用共同实现多个功能。支撑母线电压当交流母线不与电网相连时，微网中的变流器需要支撑母线电压以维持微网的正常工作。通常采用电压型变流器支撑母线电压。缺少母线电压支撑的仿真验证系统仅由电流型变流器和负载组成时，电流型变流器的参考给定不变。当负载变化时，母线电压无法维持恒定，不满足微网要求。功率分配微网中含有多台变流器，需要通过额外的功率控制保证各台变流器的功率分配。需要多台变流器共同参与功率分配。缺少功率分配的仿真验证系统由一台电压型变流器和一台电流型变流器组成，电流型变流器的参考给定不变。电压型变流器承担了负载变化，容易超过其容量限制。L5.多变流器并联仿真仿真实验：多变流器并联仿真要求：直流电压源：800V交流母线有效值：220V交流电压频率：50Hz开关频率：20kHz仿真时长：1s，变步长负载Rload：0.5s前为3.4Ω，0.5s变为2.3Ω。仿真实验：多变流器并联课堂任务：按照给定结构，搭建由1台电压型变流器和2台电流型变流器组成的微网系统变流器1的dq轴电流给定分别为20A和0A，变流器2的dq轴电流给定分别为20A和0A，观察负载变化前后3台变流器的输出功率将变流器1的dq轴电流给定改为10A和0A，变流器2的dq轴电流给定不变，观察负载变化前后3台变流器的输出功率，并和任务2进行对比注：单台变流器的相关参数参考L3和L4（一致）。建议用右键createsubsystem功能将仿真模型模块化，所有参量需集中统一赋值L6.微电网主从控制原理课程内容主从控制简介集中控制器一集中控制器二课程内容主从控制简介集中控制器一集中控制器二微电网中的主微源和从微源微网中所有分布式电源根据是否参与母线电压支撑分为主微源和从微源。主微源一般为容量较大且稳定的发电单元、燃汽轮机、或储能装置。除主微源外的其他容量较小的分布式电源均为从微源。主微源和从微源具体实现主从控制中，主微源只有一个，从微源有多个。主微源采用电压控制，变换器为电压型变流器。从微源采用电流控制，变换器为电流型变流器。微网变流器的控制策略：主从控制当各变流器独立控制时，负载变化将完全由主微源承担而主微源容量有限，为提高微网可承受的负载变化范围，通常需要集中控制器，使从微源也参与功率分配课程内容微网控制架构简介主从控制简介集中控制器一集中控制器二集中控制器一：负载电流作为控制输入集中控制器的目的是分配主微源与从微源的输出功率。当负载电流可测量时，可直接根据负载电流计算各微源输出功率。集中控制器一：负载电流作为控制输入m代表参与功率分配的从微源个数Sn为第n个微源的容量功率控制器的输入为测量获得的负载电流iload功率控制器的输出为各微源的电流参考给定从微源的电流给定与从微源的容量成正比：集中控制器一：负载电流作为控制输入以如下结构为例分析主从控制:主微源，从微源1，从微源2的容量分别为S0,S1,S2负载为纯阻性负载集中控制器一：负载电流作为控制输入主微源采用电压控制，等效控制环如下，闭环传函可以写为从微源n采用电流控制，等效控制环如下，闭环传函可以写为集中控制器一：负载电流作为控制输入负载电流为根据集中控制器从微源的电流给定和负载电流之间的关系，可以得到从微源n实际输出电流表达式为：可以看出：从微源的实际输出电流特性和主微源的电压给定，主微源的电压闭环传函，容量比，负载都有关系课程内容微网控制架构简介主从控制简介集中控制器一集中控制器二集中控制器二：主微源输出电流作为控制输入当微网负载较分散时，负载电流无法集中测量，可以通过采集主微源的输出电流作为集中控制器的输入集中控制器二：主微源输出电流作为控制输入集中控制器的输入为主微源输出电流ig_v集中控制器的输出为各从微源的电流给定从微源的电流给定与从微源的容量成比例。S0为主微源的容量Sm为第m个从微源的容量主微源采用电压控制，等效控制环如下，闭环传函可以写为从微源i采用电流控制，等效控制环如下，闭环传函可以写为集中控制器二：主微源输出电流作为控制输入主微源输出电流为集中控制器中从微源的电流给定和主微源输出电流之间的关系：集中控制器二：主微源输出电流作为控制输入可以得到两台从微源的实际输出电流表达式为:可以看出：从微源的输出电流特性不仅和主微源的电压给定，主微源的电压闭环传函，负载都有关系，还和其他从变流器的电流闭环传函有关系集中控制器二：主微源输出电流作为控制输入L6.微电网主从控制仿真仿真实验：孤岛微网仿真仿真要求：直流电压源：800V交流母线有效值：220V交流电压频率：50Hz开关频率：20kHz仿真时长：1s，变步长变换器容量比：变换器0꞉变换器1꞉变换器2=4꞉3꞉2负载Rload：0.5s前为3.4Ω，0.5s变为2.3Ω。仿真实验：孤岛微网仿真课堂任务：根据课堂所述控制方法，在PLECS中搭建孤岛运行模式下的微网系统，采用两种不同主从控制时，观察不同变换器的输出电流（三相电流及dq分量）及母线电压。计算各个变换器的输出功率，以及系统总功率。变流器2退出主从控制系统，其电流参考给定固定为[20,0]。这种情况下再采用两种主从控制进行仿真，观察和之前的仿真的不同并简要分析原因深入研究问题：仿真实验部分报告提交要求完成PLECS仿真和实验报告将L5、L6合为一份报告将PLECS仿真文件（.plecs文件）和实验报告（.pdf）文件打包成.rar或.zip压缩文件，压缩文件命名为“L6_姓名_学号”，在canvas上完成提交截止时间：4月11日-23：59（2周）注意：请独立完成仿真和报告，严禁抄袭！请不要超过截止时间L7.微电网下垂控制原理课程内容下垂控制原理及实现下垂控制的功率分配主从控制的缺陷主从控制中需要通讯母线与每一个微源相连。微电网孤岛运行时只有一个主微源塑造母线电压，一旦主微源发生故障，需重新选定微源塑造母线电压，控制切换复杂且可靠性差。下垂控制的优点采用下垂控制，微源之间不需要通讯。微电网母线电压由多个微源共同塑造，均为电压控制型变流器。考虑线路的微网结构实际微网中，变流器的交流侧通过电缆或架空线连接，线路阻抗不可忽略。线路阻抗通常表达式为Lline+Rline线路两端的功率传输以电压型变流器带负载为例推导线路两端(A、B两点)的功率传输。用简化的单相电路及向量图分析平均功率传输。设A点电压相位为0，标注功率流动正方向。

此时变流器控制对象为A点电压VA

线路两端的功率传输A点的输出电流向量I的共轭量表达如下，其中X=ωL线路为感性时，X>>R，R可忽略，上式改为A点输出复功率S为，可得A点输出有功功率、无功功率表达式如下线路两端的功率传输当δ很小时，sinδ≈

δ，cosδ≈1。A点输出有功P主要由线路两端的电压相位差δ（功角）决定。A点输出无功Q主要由线路两端电压幅值差VA‒VB决定。线路阻抗X和电压幅值VA、VB也会影响PQ功率大小频率-有功下垂方程的推导变流器1在A点的输出有功，和变流器2在C点的输出有功如下式所示下图为两台变流器的单相简化电路模型频率-有功下垂方程的推导为使两台变流器按照一定比例分配有功功率，需要满足输出有功偏大时→减小功角输出有功偏小时→增大功角因此在微网中各个变流器需将各自功角与输出有功形成反比关系，形成负反馈频率-有功下垂方程的推导在上式中加入变流器参考工作点——ω0、P0。将角速度转化为频率，得到频率-有功下垂控制方程,（kP=kpω/2π）因功角由两台变流器共同决定，无法精确控制，需通过控制单个变流器输出频率间接调整功角。单个变流器控制目标为：微调基波频率，并让频率与有功输出形成反比关系(kpω>0)电压-无功下垂方程的推导无功与有功类似，变流器1在A点的输出无功和变流器2在C点的输出无功如下所示。

电压-无功下垂方程的推导为使两台变流器按照一定比例分配无功功率，需要满足输出无功偏大时→减小电压有效值/幅值输出无功偏小时→增大电压有效值/幅值因此在微网中各个变流器需将各自电压幅值与输出无功形成反比关系，形成负反馈电压-无功下垂方程的推导单台变流器的控制目标为：控制其输出电压幅值，并让电压幅值与输出无功成反比关系(kQ>0)。在上式中加入变流器参考工作点（V0、P0），得到电压幅值-无功下垂控制方程完整下垂方程的推导将频率-有功下垂控制方程和电压-无功下垂控制方程结合，得到一个完整的有功+无功下垂控制关系方程下垂曲线斜率确定斜率kQ和kP由变换器的功率容量、允许的最大电压和频率偏差决定f0和V0为变流器参考频率和电压。fmin，Vmin为允许的最小频率和电压有效值。P0i，Q0i为第i个变流器的参考点输出功率。Pimax，Qimax为第i个变流器允许的最大输出有功和无功。下垂控制的实现单台变流器下垂控制的实现如下：变流器采用电压控制下垂控制生成电压参考给定和坐标变换所需的相角下垂控制框图根据下垂控制方程，得到变流器电压幅值给定和频率给定。电压幅值给定和频率给定，分别转化为dq电压给定和相角。下垂控制中的P和Q输入，为检测到的变流器实际注入微网的功率。课程内容下垂控制原理及实现下垂控制的功率分配下垂控制的有功功率分配下垂控制的关键在于实现多台变流器之间的协调。以两台变流器为例，假设两台变流器有相同的

f-P下垂曲线和线路阻抗。稳态时下垂控制的有功功率分配稳定状态下，微网系统中所有节点的基波频率相同(f1=f2)，两台变流器分别工作在A1和A2点因为两台变流器有着相同的下垂曲线，因此两台变流器的输出有功也相同动态过程中下垂控制的有功功率分配在动态过程中，假设变流器1实际输出功率偏大(P1>P2)。因两台变流器下垂曲线相同，可在同一条下垂曲线上标注工作点。根据下垂曲线，变流器1的输出频率f1会更小。动态过程中下垂控制的有功功率分配根据功角与有功的关系，更小的频率f1会使输出有功P1减小，更大的频率f2会使输出有功P2增大。动态过程中下垂控制的有功功率分配可以看到，按照下垂曲线运行的两台变流器，功率和频率变化关系呈现负反馈特性。两台变流器的工作点逐渐向中点靠近，最终自动移动到新的频率和功率平衡工作点（下垂曲线上新的f-P点）下垂曲线功角关系下垂控制的有功功率分配例：当微网负载在0.3秒发生28W-55W突变时两台有相同有功下垂曲线、不同线路阻抗的变流器输出有功及频率如下所示两变流器按照下垂曲线均分负载功率，不受线路阻抗影响系统频率发生微小偏移，形成新的平衡工作点下垂控制中的无功分配微电网中无功分配由各台变流器输出电压V决定。无功分配特性与有功分配特性类似，主要差别是微网中各节点电压不完全相同(因为线路阻抗，V1≠V2≠Vbus)。稳态时下垂控制的无功功率分配下垂控制中，变流器的输出无功与电压幅值相关变流器的输出无功通过改变电压幅值调节决定因为各线路压降不同，稳态时变流器输出电压不一定相等(V1≠V2)。稳态时下垂控制的无功功率分配以一台变流为例，说明电压幅值和输出无功的关系。可以计算得到微网母线电压Vbus和变流器输出无功Q1之间的关系：稳态时下垂控制的无功功率分配变流器输出无功与电压幅值之间的下垂关系如下。将线路的功率方程带入到上式，消除输出电压V1：稳态时下垂控制的无功功率分配假设微电网中两台变流器下垂曲线一样，线路阻抗不同：则两台变流器的输出无功与母线电压Vbus的关系为：稳态时下垂控制的无功功率分配可以看出，两台变流器的无功分配除了和各自下垂系数KQ有关，还和各自线路阻抗X有关。微电网母线电压相等，由此可得两台变流器输出无功的关系：动态过程中下垂控制的无功功率分配动态过程中的无功调节机制与有功功率调节机制类似。为简化分析，假设两台变流器的下垂系数和线路阻抗都相同。在动态过程中，假设变流器1实际输出更多无功功率，根据下垂曲线，则它输出电压幅值V1会更小。动态过程中下垂控制的无功功率分配根据电压幅值与无功的关系，更小的电压幅值V1会使输出无功Q1减小。动态过程中下垂控制的无功功率分配可以看到，按照下垂曲线运行的两台变流器，电压幅值和无功功率变化关系呈现负反馈特性。两台变流器的工作点逐渐向中点靠近，最终达到新的电压幅值和无功功率平衡工作点（下垂曲线上新的V-Q点）下垂曲线功率电压关系下垂控制的无功功率分配例：当微网负载在0.3秒发生突变时两台有相同无功下垂曲线、不同线路阻抗的变流器的输出无功及电压有效值变化情况：受线路阻抗影响，两台变流器并未完全均分无功。端口电压发生微小偏移，各自形成新的平衡工作点。L7.微电网下垂控制仿真-Part1仿真实验：2变流器1负载的孤岛微网仿真要求：直流电压源：800V开关频率：20kHz仿真时长：2s，变步长负载Rload：1s前为6Ω，1s变为4Ω。仿真实验：孤岛微网仿真相关参数：变流器特性：线路阻抗：Rline1=0.9Ω，Lline1=5mH，Rline2=0.9Ω，Lline2=5mH，给定P0：5kW，给定Q0：0Var给定电压幅值V0：311V，给定频率f0：50Hzfmin=49.7Hz，Vmin=300V，变流器1最大有功P1max=20kW，最大无功Q1max=20kVar，变流器2最大有功P2max=20kW，最大无功Q2max=20kVar。仿真实验：孤岛微网仿真课堂任务：根据给出参数，计算两台变流器的下垂方程及kP，kQ。根据课堂所述控制方法，在PLECS中搭建孤岛运行模式下的微网系统，观察两个变流器的输出电流（三相电流及dq电流）、输出功率及母线电压，分析变流器输出功率与下垂曲线、线路阻抗的关系。深入研究问题：结合下垂曲线图和仿真结果，简要解释两台变流器在负载变化时自动实现功率均分的原理和过程（下垂曲线、线路阻抗、频率、电压幅值和功率之间的关系）。L8.微电网下垂控制仿真–Part2仿真实验：孤岛微网仿真仿真要求：直流电压源：800V开关频率：20kHz仿真时长：2s，变步长负载Rload：1s前为6Ω，1s变为4Ω。仿真实验：孤岛微网仿真相关参数：变流器特性：线路阻抗：RlineA=0.9Ω，LlineA=5mH，RlineB=0.8Ω，LlineB=4mH，给定P0：5kW，给定Q0：0Var给定电压幅值V0：311V，给定频率f0：50Hzfmin=49.7Hz，Vmin=300V，变流器1最大有功P1max=20kW，最大无功Q1max=20kar，变流器2最大有功P2max=15kW，最大无功Q2max=15kVar。仿真实验：孤岛微网仿真课堂任务：根据给出参数，计算两台变流器的下垂方程及kP，kQ。根据课堂所述控制方法，在PLECS中搭建孤岛运行模式下的微网系统，观察两个变流器的输出电流（三相电流及dq电流）、输出功率及母线电压，分析变流器输出功率与下垂曲线、线路阻抗的关系。两台变流器采用各自的下垂控制，线路阻抗取值一样（均取RlineA和LlineA）。两台变流器均采用变流器1的下垂曲线控制，变流器1线路阻抗取RlineA和LlineA，变流器2线路阻抗取RlineB和LlineB。两台变流器采用各自的下垂曲线控制，变流器1线路阻抗取RlineA和LlineA，变流器2线路阻抗取RlineB和LlineB，分析此时的下垂曲线和线路阻抗对功率分配的影响。深入研究问题：简要画出两台变流器输出电压，输出电流，负载电压，负载电流之间的向量图简要解释不同阻抗和下垂控制组合条件下，实验现象背后的原理和过程（下垂曲线、线路阻抗、频率、电压幅值和功率之间的关系）。谢谢！L9.微电网二次控制原理课程内容下垂控制的问题二次控制原理课程内容下垂控制的问题二次控制原理下垂控制的问题下垂控制下，微电网中各个变流器通过调整输出电压幅值和频率，进而实现无功和有功功率的自动均分。微网需保持母线电压幅值与频率恒定。矛盾下垂控制的问题例下垂曲线的有功参考0W，无功参考0Var，频率参考50Hz，电压幅值参考311V。当微电网负载变化，变流器输出有功和无功会偏离参考值。按照下垂曲线运行，变流器输出电压频率和幅值也会偏离参考值。下垂控制的问题采用下垂控制的变流器，当输出电压幅值和频率偏离参考值时，会导致微网母线电压幅值和频率偏离参考工作点。为保证微网母线电压幅值和频率恒定，需采用一定措施，抵消下垂控制所引起的母线电压幅值和频率的偏移。课程内容下垂控制的问题二次控制原理下垂曲线的修改为解决下垂控制中母线电压幅值及频率偏离参考值的问题，可通过修改下垂曲线的方法解决：图中为初始下垂曲线，其中A点为参考工作点初始下垂曲线为当变流器输出有功变为PB时，变流器输出移动至工作点B，微电网母线频率偏离参考点频率f0下垂曲线的修改要让变流器输出回到f0，可将变流器的工作点从B点变为到C点，此