【《典型的微电网分层控制策略综述》4300字】

典型的微电网分层控制策略综述目录TOC\o"1-3"\h\u21459典型的微电网分层控制策略综述 111661.1引言 1145311.2微网逆变器建模与控制 154131.1.1三相逆变器建模 1287821.1.2逆变器控制方法 3150911.3微电网分层控制 7320491.4小结 91.1引言逆变器是光伏电池、蓄电池、燃料电池等直流分布式电源接入交流母线的接口，逆变器的控制策略直接关乎分布式电源的稳定运行，同时也是微电网的基础控制部分。本章首先建立了微网逆变器的数学模型，介绍了适用于分布式电源的微网逆变器的三种控制策略：恒功率控制(控制)、恒压/恒频控制(控制)、下垂控制（控制），其中重点分析了下垂控制功率传输特性。此外，从更加安全可靠、高效、经济运行微电网角度出发，引入了微电网的分层控制，本章突出阐述了侧重本地分布式电源的一次控制层和侧重微电网动态运行的二次控制层，并介绍了各层的控制目标，为后续一次控制层和二次控制层控制策略的研究设计奠定理论基础。1.2微网逆变器建模与控制在交流微电网中逆变器是将直流（）变换成交流（）的一种常见电力变换装置，按其直流侧电源性质不同可分为电压源型逆变器（VSI）和电流源型逆变器（CSI），CSI的直流侧常串有大电感，它有电流输出、功率输出功能，没有电压支撑功能；VSI的直流侧并有大电容，具有电压支撑功能，其控制更加灵活。本节将以VSI为基础进行建模分析，并介绍相应的常用逆变控制方法。1.1.1三相逆变器建模如图2-1所示为三相电压源型逆变器原理图。图2-1三相电压型逆变器拓扑图由图2-1可知，直流侧并联有大容量电容滤波以保证直流侧电压的稳定，通过控制六个桥臂的开关管依次开通和关断将直流电压调制转换为交流电压，但此交流电压中存在有高次谐波，使用滤波器滤除这些谐波后便可得到质量较好的正弦波电压，可为本地负载供电亦或是并入交流电网。为简化分析，假设图中LC滤波器的电感，，三相线路阻抗一致，即，。图中，为逆变器输出的三相电压，为逆变器输出的三相电流，为经滤波后的输出三相电压，为经线路电阻后的三相电压，、为网侧的三相电压和电流。由电路原理知识可以得到逆变器的以下数学模型：由KVL得滤波器电感电压回路方程： (1.1)由KCL得滤波器电容电流回路方程： (1.2)由KVL得线路电感电压回路方程： (1.3)以上模型是abc三相静止坐标系下建立的，不利于进行控制器的设计，因此在这里进行坐标变换，将abc三相静止坐标系转换为dq两相旋转坐标系下进行控制器设计。对式（1.1）～（1.3）进行恒功率正交派克（Park）变换可得： (1.4) (1.5) (1.6)式（1.4）～（1.6）中为dq轴的旋转角速度；、为经Park变换后的d、q轴分量；、为经Park变换后的d、q轴分量；、为经Park变换后的d、q轴分量；、为经Park变换后的d、q轴分量；、为经Park变换后的d、q轴分量；、为经Park变换后的d、q轴分量。1.1.2逆变器控制方法从式（1.4）～（1.6）可知，d、q轴存在耦合关系，故逆变器需进行解耦控制。不同的分布式电源适用于不同的逆变器控制策略，比较常用的是双环控制系统，一般根据外环控制器的不同来将逆变器控制策略进行分类，本节以正弦脉宽调制（）技术作为基础，介绍控制、控制、控制。1）控制控制即恒功率控制，在此控制策略下当逆变器所在微网系统的电压、频率在允许范围内波动时，DG输出的有功功率和无功功率始终稳定在设定值。控制由功率外环和电流内环组成双环控制结构，实质是将有功、无功功率解耦后进行控制，对参考电流进行无静态误差快速跟踪。控制常应用于并网模型下分布式电源的逆变器，也适用于离网模式下的从控单元。在dq坐标系下控制框图可描述为图2-2所示。图2-2PQ控制框图2）控制控制即恒压/恒频控制，在此控制策略下当DG的输出功率和系统负载在一定范围内发生波动时，逆变器所接的交流母线电压幅值和频率始终保持某个恒定值不变。控制由恒压/恒频外环和电流内环构成双环控制结构。外环通过调节DG输出的有功、无功功率使频率、电压维持在设定的参考值，内环结构同图2-2类似，目的是实现对参考电流的快速跟踪。在dq坐标系下控制框图可描述为图2-3所示。图2-3V/f控制框图3）控制控制即下垂控制，其基本思想是模拟发电机组的功频特性，即通过和特性曲线实现对各DG机组有功、无功功率的无互联均分控制，并维持系统频率和电压的在稳定值。下垂控制具有诸多优点：无需通信链路，能方便灵活的实现DG“即插即用”功能等，是微电网研究领域中最为常见的一种控制策略，同时也是本文的重点研究对象。下面以单台分布式电源为例进行下垂控制原理及功率传输特性分析，简单起见，用一个恒压源代替分布式电源和逆变器，其后接RL阻抗来模拟等效阻抗，最后连至交流母线，具体等效电路如图2-4所示。图2-4单DG功率传输等效电路图图中，是DG的输出电压，是电压功角，是DG的等效阻抗，由逆变器输出阻抗和线路阻抗两部分构成，是阻抗角，是交流母线电压，是功率流，是有功功率，是无功功率。则根据潮流计算相关知识，单台DG输出有功、无功功率表达式如下： (1.7)为进一步简化分析，可认为逆变器输出电压与交流母线电压间的电压功角是一个很小的值，此时可取，，则式（1.7）变为： (1.8)微电网系统中的线路阻抗一般有强感性、强阻性、阻感性三种，对应于有三种形式。当等效阻抗为强感性，认为，；当等效阻抗为强阻性，认为，；当等效阻抗为阻感性仍表示为，据此，代入式（1.8）可得不同等效阻抗下的有功无功功率表达式，如表1.1所示：表2-1三种等效阻抗对应的有功和无功功率表达式等效阻抗情况P、Q表达式强感性，强阻性，阻感性，由表2-1可进一步对应于感性、阻性、阻感性三种下垂控制策略，其中感性下垂控制是三者中控制效果最好的。从表中还可以看出，DG输出有功、无功功率与电压幅值、频率有关，而频率由于电压功角有着直接的关系，所以下垂控制又可细分为频率下垂控制和功角下垂控制。接下来，以最常见的同时也是本文后续将采用的基于和的感性频率下垂控制进行阐述。当等效阻抗为感性时，由表2-1可知，DG输出的有功功率的大小主要取决于，又与关联；无功功率的大小主要取决于电压差，因此感性频率下垂控制可实现与、与这两对关系间的解耦控制，基于和的感性频率下垂控制是通过不断调节和的大小来分别控制DG输出电压的频率和幅值，以图2-5所示的感性频率下垂控制的功率特性曲线对此作具体说明。图2-5感性频率下垂控制的功率特性曲线图中，点为DG的初始运行点，对应的初始频率为，初始电压幅值为，初始有功和无功功率为和。假设某一时刻系统的有功负荷突然增大，DG输出有功功率的不足导致频率的下降，此时DG按下垂特性调节输出有功功率使其增大以满足系统需求，由负荷调节特性可知负荷有功功率也因频率下降而有所降低，最终DG稳定运行到一个新的平衡点，调节过程中，DG输出有功功率增大到达，频率下降，最终稳定在，如图2-5（a）所示。同理，若某一时刻系统的无功负荷突然增大，由特性曲线和负荷调节特性，最终DG稳定运行到一个新的平衡点，无功功率与电压的具体关系如图2-5（b）所示。基于和的感性频率下垂控制是利用其下垂特性，再根据有功和无功功率的测量值来确定DG的输出电压幅值和频率的参考值，最后送入电压外环电流内环的结构中形成轴调制量。其下垂控制方程可表述为： (1.9)式中，、为第个DG通过下垂控制环所形成的频率和电压幅值参考值，、为逆变器输出频率和电压幅值的额定值，、分别为有功控制控制系数和无功下垂控制系数，、为DG额定有功和无功功率，、为DG输出的实时有功和无功功率。基于和的感性频率下垂控制的控制框图如图2-6所示。图2-6感性频率下垂控制的典型控制结构1.3微电网分层控制为了赋予微电网智能性和灵活性，保证微电网更加经济、合理高效的运行，J.M.Guerrero等人基于ISA-95标准提出了微电网分层控制思想[37]。现阶段，微电网的分层控制的研究均基于此，微电网分层控制架构一般分为三层，下一控制层受上一控制层的监管，并接受来自上一控制层提供的参考指令。微电网分层控制架构如图2-7所示，三层分别从保持稳定运行、提高电能质量、提高运行经济性角度出发合理的控制微电网系统。图2-7微电网分层控制架构一次控制（）称为第一层，主要是针对分布式电源本身进行控制，不依赖于通信网络，目的是维持分布式电源输出电压幅值和频率在稳定值，并按照需求均衡输出功率。一次控制层的控制模式主要有主从控制和对等控制，主从控制中其中一个DG作为主控单元，其他DG则为从控单元，主控单元采用控制向系统提供参考频率和电压，从控单元采用控制向系统提供所需要的有功和无功功率，不参与系统电压幅值和频率的稳定调节；对等控制模式一般指前文提到的下垂控制，此时系统中各DG的地位相同，无主次之分，即通过各DG的下垂控制方程不断调节有功和无功功率在各DG间合理均匀的分配，同时能调节维持各DG电压幅值和频率稳定，以满足负荷实时变化所造成的功率变化。因DG采用对等模式中的下垂控制时易于实现“即插即用”功能，而更多地被学者们作为一次控制层进行研究。二次控制（）称为第二层，主要是针对微电网的动态运行进行控制，目的是提高微电网运行的可靠性和电能质量，包括：频率和电压幅值恢复至额定值、各DG间有功和无功功率的合理分配、谐波抑制及不平衡控制等。采用上述提到的下垂控制作为一次控制虽然可以使系统电压幅值和频率保持稳定，但稳定值非额定值，二者具有一定偏差，此时则需要频率二次控制和电压二次控制使频率和电压幅值恢复至额定值，以提高系统的运行性能。另外，频率作为全局变量，仅仅通过一次控制中的频率下垂控制便可实现整个系统DG间的有功功率按容量均匀分配；然而，DG输出电压是一个局部变量，加上各DG的等效阻抗往往不相同，仅靠一次控制中的无功下垂控制无法使DG间无功功率按容量大小均匀分配，这就会导致某些DG过载，并联的DG间存在较大的环流，严重影响系统中电力电子设备的使用寿命，使系统运行不可靠、效率低下。因此，需要无功二次控制起到均分无功功率的作用。此外，当微电网含不平衡负载或非线性负载时，DG输出电压电流会存在不对称情况或畸变情况，也需要二次控制来提升电能质量。二次控制的实现常用集中式控制与分布式控制，本文重点基于分布式进行控制策略设计。三次控制（）称为第三层，也称能量管理层，主要是按照调度需求和市场情况，制定合理经济的计划来控制微电网与大电网、微电网间的实时运行，目的是优化微电网的能