（电气工程毕业论文）微电网的控制策略.doc

第1章 绪 论1.1微电网提出的背景与意义随着电力需求的持续增长，大电网（或称公用电网）如今已成为主要的电力供应渠道，集中式发电、远距离输电的特点使其在国民经济发展中担当着重要角色1。然而，大电网也存在着成本高、运行难度大等缺点，越来越难以满足用户对供电可靠性和多样性的需求2。尤其是近几年，世界范围内发生过几次大面积停电事故后，大电网的弊端和脆弱性也充分的暴露出来，在发生自然灾害、电网事故的紧急状况下，医院、金融等系统突然断电造成的损失不仅仅是经济损失，严重的还会引起社会不安定。因此，世界各国开始对电力系统发展模式另辟蹊径。 分布式发电（distributed generation，dg）具有污染少、安装方便、能源利用率高等优点，与集中式发电相比，减少了输电损耗，节省了运行费用3。同时，dg可以改善电网峰谷性能，提高系统供电可靠性，是大电网的有效补充和有力支撑。近20年来，很多国家已经把发展dg提上日程，并开始研究其潜在的经济效益和社会价值。由此可以看出，dg是未来电力系统的发展趋势之一4-6。尽管dg与集中式发电相比有很多优势，但是随着dg接入大电网数量的不断增加，其本身存在的问题也开始显现，分布式电源（distributed source，ds）单机接入成本高、控制困难。一方面，ds并网时，会对大电网造成冲击。另一方面，配电系统的运行结构和能量流动的单路径特征，使ds必须得以负荷形式并入电网运行，这些都导致dg发电能力在结构上受到限制7。为了充分发掘分布式发电的潜力，21世纪初，出现了微电网（microgrid）的概念8-9。与传统集中式发电相比，微电网更加接近负荷，不需要建设远距离高压输电，可以有效减少线损，节约输电成本和运行费用。微电网以非集中方式协调ds,可以减少电网控制并充分发挥ds优势。与大电网单独供电方式相比较，微电网与大电网结合具有以下优势4-6：1）微电网并网标准只针对微电网和大电网的公共连接点(point of coupling),不针对具体微源（micro source，ms），解决了配电网中ds大规模接入问题，微电网和ds之间可以灵活的连接、断开，展现了“即插即用”的特征，充分发挥ds优势。2）减小电网在负荷峰值期的负担，使分布式发电设备能力得到充分利用。3）增强系统稳定性和可靠性。对于特殊负荷，微电网在大电网出现故障时可以保证其供电，提高供电可靠性。4）提高整个电网运行效率，并减小环境污染。5）通过微电网可以调节无功功率控制，有效减小谐波污染，提高电能质量。6）缩短了发电厂与负载间距离，提高系统无功供应能力，改善电压分布特征，从而降低高压网络损耗，减少输电项目投资。7）在市场方面，广泛应用微电网可以降低电价，把最大限度的经济实惠带给用户。微电网可以看成是未来电力系统的一种结构，作为输电网、配电网之后的第三级电网。与当前的大电网相比，这种结构具有明显的经济和环境效益。配电系统也会因为微电网的影响而发生根本性的变化，将从辐射性网络转变为电源和用户互联的网络，控制和管理配电系统将会变得更加复杂；对整个电力行业的影响在于，微电网和dg的广泛应用会对电力市场的走向和格局产生深远的影响。1.2 国内外微电网的研究现状和发展趋势1.2.1 国外微电网发展现状由于世界各个国家发展微电网的方向不同，所以对微电网的定义和研究也不同。1 美国微电网的定义与研究 微电网作为美国未来电力系统发展的重要方向，得到了美国能源部的高度重视。美国能源部对微电网给出的定义为：微电网是由分布式电源和负荷组成，可以分别工作在并网和独立两种模式下，有高度的可靠性和稳定性。美国对微电网的研究方向主要为电力电子器件的控制，已经形成了“即插即用”和“对等”的设计理念。目前美国对微电网的建模、仿真、保护、控制策略都有了全面的理论分析，已经初步形成了微电网的控制策略；同时，美国将微电网与“电网的现代化”建设结合起来，将提高供电可靠性、满足负荷多样性、降低电网成本作为未来研究和发展电网的重点10。2 日本微电网的定义与研究 东京大学为微电网的定义为：微电网是由分布式电源组成的独立系统，通过线路和大电网相连，供电和需求的不平衡关系，使得微电网可以选择与主网并网运行或独立运行。日本对微电网的研究方向主要为负荷要求多样性和能源利用率。目前当地政府已与国内高校、国家重点实验室合作，大力发展可再生能源，并在微电网的研究上取得了不错的成果。3 欧洲微电网的定义与研究 欧盟科技框架计划（framework programme,fp）对微电网的定义为：利用一次能源；含有并网和独立两种运行方式。英国从微电网可靠性出发，将其看作是电力系统中的一部分，具有灵活的可调度性并可以适时的向大电网提供有力支撑等优点。欧盟将“智能电网”作为未来电力系统发展方向，目前很多国家已经建设了微电网不同规模的实验平台，对其运行、控制、保护、通信等理论加以验证。1.2.2 国内微电网发展状况我国对微电网的定义为11：微电网是通过本地分布式微电源或传统中、小型发电方式的优化配置，向本地负荷提供电能和热能的特殊型电网，是基于传统电源的较大规模独立系统；微电网内部通过电源和负荷的可控性，在满足用户对电能质量和供电可靠性的基础上，实现微电网并网运行或独立运行；微电网对外部表现相当于一个整体单元，可以平滑并入主网运行。清华大学率先将微电网应用到实际工程中，取得了丰富的学术成果和实践经验。中国科学院电工所“分布式能源系统微电网技术研究”课题获得了国家863高技术基金资助。目前国内对微电网研究虽然取得了一定的进展，但与欧洲、美国等研究团队比，我国在研究进展和取得成果上仍与其存在较大差距，因此应该加快对微电网关键技术的研究，促进微电网在我国的发展和应用。1.3 微电网的结构、元件及关键技术1.3.1 微电网的结构微电网的基本结构12如图1-1所示。图1-1 微电网的基本结构图中包含多个dg和储能元件，微电网通过断路器和电网变电站相连接，对于大电网来说相当于一个整体。微电网内dg可以含有多种能源形式，包括可再生能源和不可再生能源。图中包括三条馈线a、b和c，网络呈放射状。馈线通过微电网静态开关与配电系统相连，实现并网和孤岛运行两种模式之间的平滑转换。其中a和b为敏感负荷，安装多个dg，馈线c为非敏感负荷，孤岛模式下微电网内部负荷过多时，可以切断对c的供电。当大电网出现故障时，微电网可以通过主断路器切断与电网的联系，孤岛运行。孤岛运行时，微电网的负荷全部由dg承担，当消除故障后，主断路器重新合上，微电网恢复和主电网同步运行。1.3.2微电网的元件微电网的元件主要有微型电源、开关、电力电子装置、储能元件和通信设备等。微型电源是指在微电网中安装的各种分布式电源，包括柴油发电机、微型燃气轮机、燃料电池，光伏电池、风力发电机等。微电网中的开关分为静态开关和断路器，其中静态开关又叫固态装换开关，在电网发生故障或者扰动时，有能力自动把微电网隔离出来，消除故障后，再自动与主网重新连上。静态开关的规划设计非常重要，安装在用户低压母线上，应该确保其运行可靠性和具有预测性。静态开关应有能力测量其两端的电压、频率和通过开关的电流，通过测量值，可以检测到故障和电能质量问题。电力电子装置主要包括整流器、滤波器、逆变器和斩波器等。储能设备主要包括蓄电池、飞轮储能、超级电容器等。储能设备在微源发出功率大于负荷需求时，将多余能量储存在储能单元中，反之，当微源发出功率小于负荷需求时，将储存的能量释放出来供电来维护电力系统供需平衡。当微电网孤岛运行时，储能设备起到一次调频作用，是微电网能否正常孤岛运行的关键性元件10。1.3.3 微电网的关键技术1 微电网的运行 微电网的运行分为并网运行和孤岛运行两种模式。并网运行是指在正常情况下，微电网与常规电网并网运行。孤岛运行是指当电网出现故障时，微电网可以主动与主网断开独立运行，由微电网内的微源向负荷供电。孤岛运行模式分为：计划内孤岛运行和计划外孤岛运行。计划内孤岛运行是指微电网基于经济性或其它因素的考虑主动与大电网断开独立运行。计划外孤岛运行是指当大电网发生故障或电能质量不能满足要求时，微电网为保证敏感负荷的供电可靠性和安全性，与大电网断开独立运行。2 微电网的控制 目前，微电网主要的控制方法13-15包括以下三个：基于电力电子技术的“即插即用”（plug and play）控制和对等（piont to point）控制、基于功率管理系统的控制、基于多代理技术的控制。3 微电网的继电保护 由于微电网的潮流具有双向流通性，并且在两种运行模式下，馈线上分布的多个微源导致短路电流大小不同，使得微电网的继电保护与传统保护方式有本质区别。因此，微电网继电保护技术的关键和难点是如何在两种运行模式下，对内部和主网故障迅速做出响应并同时保证保护的快速性、灵敏性和可靠性。孤岛运行时，微电网内部分布式电源能提供的故障电流大小仅为正常运行电流的两倍或更小，传统的电流保护装置需要几十秒才能做出响应或者不能做出正常响应，这无法满足微电网保护要求，因此需要采用更加先进的故障诊断方式。对于微电网计划内孤岛运行，可以利用主动式孤岛检测21。4 微电网的经济性 微电网在经济性运行方面可以从调度原则、资源优化吧、配置、电能交易等方面参考大电网的运行经验。而微电网本身又具有很多独特的优势，可以针对用户不同的要求，提供不同服务16-18。主要表现为以下三个方面。（1）微电网的自身投资和运行优化。微电网优化可以由微电网能量管理系统管理。能量管理系统利用当地信息满足用户的冷、热、电需求、电能质量需求、主网的特殊要求等，并决定微电网内分布式发电系统的运行和配网所需的电能总量。（2）微电网经济效益量化和评估。微电网经济效益量化和评估是其投资运行的直接衡量手段和表现方式。目前，尚无有效方法全面、有效地评估微电网效益。（3）微电网的新经济特性。微电网经济最优化问题和传统电网有着很大的区别。微电网中的微源、电力电子器件和储能元件使配电网的网架结构和潮流特性都发生了改变，使得微电网规划不仅要满足电网规划要求，同时还要考虑其自身特性10。1.4 本文主要研究内容21世纪将是人类大规模开发利用新能源的关键时期。随着新能源的广泛利用，微电网的建设将会出现高速发展期。本文将钒电池储能技术应用到了微电网中，以微电网的控制策略为核心，建立了整个微电网模型并进行仿真分析。本文主要研究内容如下：1. 根据微电网产生的背景和意义，介绍了微电网与大电网相结合的优势，以及在国内外的发展现状和趋势。针对微电网的主要元件，简要说明了微电网的关键技术。2.针对微电网两种典型的运行模式和微电源的多样性，研究了微电网的控制策略。首先将微电源等效成直流源或者是经过整流后的直流源，在三相电压源型逆变电路中，引入空间矢量脉宽调制（svpwm）技术对其建立数学模型。然后设计了pq控制器、v/f控制器和同步并网控制器，针对微电网不同的运行模式采用不同的控制策略。最后，通过对微电网并网运行、孤岛运行以及两种运行模式的切换和孤岛模式下微电源并网等几种运行情况进行仿真分析，验证本文所设计控制策略的正确性和有效性。3.介绍了储能方式的种类以及钒电池作为大规模电力储能的优势。分析了钒电池的工作原理，建立了钒电池等效电路模型，并对钒电池充放电特性进行了仿真分析。4.以光伏电源为例，建立了微电源的实际模型。介绍了储能装置在微电网中的重要性，将钒电池储能技术应用到了微电网中，建立了包含光伏电源、钒电池储能系统的微电网仿真模型，进一步验证了控制策略的可行性。第2章 微电网控制策略及仿真分析微电网的运行控制策略与微电源类型、负荷特性和电能质量约束条件有关，与传统电力系统有着显著区别。微电网的控制系统必须保证其在并网和孤岛两种运行模式下都能够稳定运行。本章综合考虑微电源和负荷的多样性、分散性等特点，对微电网的两种典型运行模式分别采用不同的控制策略。对微电网并网运行、孤岛运行以及两种运行模式的切换和孤岛模式下微电源并网等几种运行情况进行仿真分析，验证本文所设计控制策略的正确性和有效性。2.1 微电网控制策略2.1.1微电源逆变器数学模型在微电网两种运行模式下，如何对系统内各个逆变器进行有效控制，使其能够在两种模式转换过程中平滑切换，并保持微电网电压和频率稳定，满足用户的电能质量要求是本节研究重点。本节将微电源等效为直流源或经整流后的直流源，在三相电压源型逆变电路中，引入空间矢量脉宽调制（svpwm）技术对其建立数学模型进行分析。三相电压源型逆变电路如图2-1所示。图2-1 三相电压源型逆变电路图图2-1中，等效后的微电源经svpwm控制的逆变器后，将直流电转为交流电，lc滤波器将调制波中的高次谐波滤除，通过线路、开关连接到馈线。图中为滤波电感，为滤波电容，为滤波电阻（很小，在模型分析时忽略不计）；为线路阻抗，为恒阻抗负载，为等效直流源，为逆变桥输出电压，为滤波电感电流，为滤波电容上的电压，即逆变器输出电压，为流向滤波电容的电流；是流向负载和电网的电流和，、分别为开关点两侧电压，下标分别表示a、b、c三相。取电感电流、电容电压为状态变量，电路状态方程列出如下：（2-1）（2-2）其中，、为电压矢量；、为电流矢量。将电压、电流表达式代入式（2-1）、（2-2）中可得（2-3） （2-4）式（2-3）、式（2-4）是在三相静止坐标系下建立的数学模型，为简化整个控制系统的设计，本文将静止坐标系转化为d-q轴坐标系。设三相电压分别为：（2-5）其中，为相电压幅值；为相电压角频率。图2-2表示复平面内的电压矢量图。图2-2 电压空间矢量假设复平面内的实轴与a相的电压向量重合，虚轴超前实轴，分别标为re和im。在复平面内，定义三相相电压为、，所合成的电压空间矢量为：（2-6）将三相静止坐标系转换为两相静止坐标系（、），假设轴与a轴重合，则坐标变换式为：（2-7）式（2-5）代入式（2-7）可得：，（2-8）式中，代表a相电压的瞬时相角。将两相静止坐标系转换为同步旋转坐标系。将d轴与三相合成矢量重合，则d-q坐标系的旋转角速度为，这样d-q坐标系和输出矢量同步旋转。变换式为：（2-9）式（2-9）中是d轴与轴的夹角。式（2-8）代入（2-9）中，可得（2-10）式中是给定相角。当时，。说明当d-q坐标系与输出矢量同步旋转时，d-q轴上的分量是常数。考虑到三相平衡，从三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换关系如下：（2-11）同理可得，、转换之后的dq量，式（2-3）和式（2-4）经同步旋转坐标系转换后的方程变为：（2-12）根据式（2-12）可以得到构成系统的模型结构图，如图2-3所示：图2-3 系统的模型结构图从式（2-12）中可以看出，系统dq轴的输出电流、除了受控制量、的影响外，还受到耦合电压、扰动和输出电流、扰动的影响。同理可见，系统dq轴的输出电压、除了受控制量、的影响外，还受到耦合电流、扰动和输出线路电流、扰动的影响。所以，若控制系统中包含这些扰动量，就可以消除其影响。在同步旋转坐标系中，计算功率采用如下方法：（2-13） 同步旋转坐标系下，因此功率计算式可简化为：（2-14）式（2-14）中可以得出，同步旋转坐标系下的有功功率由d轴电流所决定，无功功率则由q轴电流决定。由此可以得到将三相坐标系转换成两相同步旋转坐标系的功率解耦控制。 2.1.2 微电网控制器设计 根据微源的不同类型和微网的两种运行模式，学者将微源分为主控型和功率源型两类19-21。主控型dg（如蓄电池、燃料电池、微型燃气轮机等）在两种运行模式中的功能和任务不同。并网运行时采用pq控制，起到支撑本地电压、调节馈线潮流等作用；孤网运行时采用v/f控制，调节本地电压和频率。主控型dg在微电网运行模式转换时必须切换控制策略；功率源型dg（如光伏发电、风力发电等可再生能源）的输出功率受自然条件影响，通常只发出恒定的有功功率或者执行最大功率跟踪，因此在这两种运行模式中不需要转换控制策略，一般采用pq控制。1.pq控制器设计 逆变器接入微电网时的输出电压即为微电网电压，调节逆变器输出电流，可以实现有功功率、无功功率的解耦控制22-23。控制结构如图2-4所示。图2-4 pq控制结构图图2-4中，和分别为有功功率、无功功率参考值，为电网频率，和分别为功率解耦后的d轴、q轴电流参考值，和分别为受电流环控制的d轴、q轴调制电压信号。将有功功率和无功功率解耦得到的电感电流参考值，与实际测得值相比较，得到的误差信号经过瞬时电流环pi控制器后，作为逆变桥调制电压信号。2.v/f控制器设计 v/f控制主要为微电网孤岛运行时提供电压和频率支撑，并应具有一定的负荷功率跟踪特性25。(1)功率传输特性 图2-5为含有微电源的简化微电网模型。(a) 功率传输示意图(b) 微电源到交流母线的功率传输图2-5 微电网简化模型图2-5中，为逆变器输出电压，为公共母线电压幅值，、分别为等效输出阻抗的幅值和相位，为输出电压相角。逆变电源输出的复功率表达式为：（2-15）由此可得，逆变电源输出的有功功率、无功功率分别为： （2-16）a.高压输电系统 表2-1为典型的线路参数26。表2-1 典型的线路参数线路类型低压线路中压线路高压线路 0.6420.1610.060 0.0830.1900.1917.700.850.31由表2-1可知，高压输电系统中，由于，可以忽略，可得，；假设功率角很小，则，。式（2-16）可化简为：（2-17）式中是交流母线电压，将其近似为一个常数，从式（2-17）可以看出，系统内有功功率传输主要取决于功角，无功功率传输主要取决于逆变器输出电压幅值。b.低压输电系统 低压输电系统中，所以可以忽略，同样假设功率角很小，可得，。式（2-16）可以化简为：（2-18）从式（2-18）可以看出，低压输电系统有功功率传输主要取决于逆变电压幅值，而无功功率传输主要取决于功角。（2)下垂特性 根据功率传输特性，学者将传统发电机的下垂特性应用到微电网中，这种方法被称为电压频率下垂法，具体原理为：逆变单元利用下垂特性得到输出电压频率和幅值的参考值，然后检测自身的输出功率与其相比较，最后反相微调输出电压幅值和频率，实现系统功率的合理分配。具体步骤为：（1）在感性输出阻抗中，通过频率下垂特性减小逆变电源的输出频率，从而减少有功功率输出，反之同理；无功功率输出较大的逆变电源，可以通过幅值下垂特性降低电压幅值，从而减少无功功率输出，反之同理。（2）在阻性输出阻抗中，有功功率和电压幅值相关，无功功率和频率相关，因此调节有功功率主要利用幅值下垂特性，调节无功功率主要利用频率下垂特性，调节方法和在感性输出阻抗中道理相同27-28。本文利用低压线路中输出阻抗成阻性的特点，采用电压-频率下垂特性控制，逆变电源的输出电压频率和幅值变化如下所示：（2-19）其中，参数、分别为有功功率和无功功率的下垂系数，可以由下式求得：（2-20）式中，为微源在电压下降时所能允许的最大输出功率；为微源额定输出功率；为微源输出额定功率下的电压；为最小电压幅值；为电网额定频率；为微源最大输出频率；为微源达到最大频率允许值时所输出的无功功率。实际设计中，还需要考虑负载均分度和电压偏离度。通过下垂特性选择不同的下垂系数，可以将不同容量的逆变电源并联运行，然后按其单位容量均分负荷，其下垂系数和容量之间的关系如下：（2-21）（2-22）式中，为通过下垂特性控制的逆变电源台数；、分别为并联电源容量；，分别为有功功率下垂系数；，分别为无功功率下垂系数。3.v/f控制器设计 微电网孤岛运行时，由于失去了电网支撑，主控型微源需要转换控制策略，由pq控制转为v/f控制，承担并网运行时大电网向微电网输送的功率。v/f控制器包括功率控制器和电压电流双环控制器。（1）功率控制器设计 由于频率信号易于测量，本文采用频率控制代替相角控制，设计的功率控制器结构如图2-6所示。图2-6 功率控制器结构图图2-6中，微电源输出的有功功率和无功功率必须分别满足和两个条件。（2）电压电流双环控制器设计 该控制器具有响应快、并联时易于均流、可实现自动限流等优点，其对电压和电流可以进行动态准确的控制，并改善三相输出电能。其控制器结构如图2-7所示。图2-7 电压电流双闭环控制结构框图图2-7中，以电感电流瞬时反馈控制作为内环，以电容电压瞬时反馈控制作为外环，逆变器的输出电压与微网系统的参考电压信号相比较，所得的误差信号经过瞬时电压环pi控制器后的输出作为电流内环的参考给定。逆变桥输出滤波电感电流与电流给定参考信号比较，得到的误差信号经过瞬时电流环pi控制器作为逆变桥输出电压的给定。滤波电感电流内环的引入，使滤波电感电流成为可控的电流源。这样，从控制器输出给定到电感电流之间可以看成一个近似的比例环节，提高系统的稳定性。同时，滤波电感电流内环对包含在环内的扰动，如输入电压的波动、死区时间、电感参数的变化等影响能起到及时的调节作用，改善同步并网控制器的控制性能。4.同步并网控制器设计（1） 微源并网条件目前的dg并网系统的划分大致根据以下几个方面：与电网的互联关系；与电网的功率交换方式；dg设置的地点。微源并网过程要解决的是如何运行dg，并且将其能够很好的整合的区域电网中，这就要求根据ieee 1547的标准，以下几个方面是在设计并网系统时需要注意的几个重要问题29-30：电压管理 当配电网支路变化时，电力系统必须要有将电压保持在一定水平的能力。对于配电网的正常运行来说，电压管理和电压的稳定性是重要的因素。dg并入电网运行一定不能影响电网中原有的电压水平。最为理想的情况就是dg只发出功率，或不发出功率，这样的情况就不会参与到公共连接点处（pcc点）的电压调节。同步运行 实现同步运行，则要求dg的输出与区域电网有相同的电压幅值、相位和频率。同步并网就是对以上三个进行检测并控制在可接受的范围内，电压波动才会保持在额定电压值的之内。具体同步并网参数如表2-2所示。表2-2 dg与区域电网互联的同步参数额定功率(kva)频率偏差f (hz)电压偏差u (%)相位偏差()05005001500150010000 0.30.20.11053201510（2）同步并网控制器的设计 综合考虑上述dg同步并网的条件，提出对功率源型dg输出电压的幅值、频率和相位进行控制，以保证dg并入微网系统时达到同步运行的标准，从而减少对微网的冲击，维持整个系统的稳定。利用传感器分别采集并网点两侧电压的幅值、频率和相位，利用pi控制器进行控制，以稳定输出电压的精度。利用电压电流双环控制31响应快的优点，使并网点两侧电压在很短的时间内达到同步并网的条件，实现平滑、快速并网的目的。功率源型dg假设为直流源或经整流后的直流源，经空间矢量脉宽调制（svpwm）的逆变器逆变为三相交流电，lc低通滤波器用于滤除高次谐波。dg故障检修完成后，首先经过同步并网控制器的控制，并网后dg转为功率控制，使得其输出的功率为恒定值。同步并网控制器的设计如图2-8所示。图2-8 同步并网控制器的结构框图5.pi控制参数的研究及确定方法 在pq控制和v/f控制中，都含有pi控制，因此必须准确设置pi参数。pi控制器结构图32-33如图2-9所示。图2-9 pi控制器结构简图其中，输入信号和输出信号的关系为：（2-23）式（2-23）中，为可调比例系数；为可调积分时间常数；为可调积分比例系数。比例调节的作用是按比例来反应系统的偏差。积分调节的作用是提高系统无差度，消除稳态静差。根据以上理论，本文pi控制器的参数设置将按照工程整定法确定，工程整定法主要分为试凑法、经验数据法和扩充临界比例法等。本文采用试凑法，具体步骤如下：(1)比例部分整定。先将积分系数置零，然后将比例系数逐渐增大，观察系统响应，若响应速度快，且有一定范围的超调则停止。(2)积分部分整定。将积分系数逐渐增大（积分作用逐渐增强），使系统静差逐渐减小直至消除。反复试验，直到消除静差的速度达到要求为止。2.1.3 空间电压矢量调制 svpwm 技术1.svpwm基本原理svpwm 的理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等34。逆变电路如图 2-1所示。设直流母线侧电压为，逆变器输出的三相相电压为、，其分别加在空间上互差的三相平面静止坐标系上，可以定义三个电压空间矢量、，方向在各相轴线上，大小随着时间按正弦规律做变化，时间相位互差。假设为相电压有效值，为电源频率，则有：（2-24）其中，则可以表示为：（2-25）定义开关函数 () 为：（2-26）由于逆变器共有6个开关管，所以(、)共有八个组合，包括6个非零矢量(001)、(010)、(100)、(101)、(110)和两个零矢量(000)、(111)，下面以其中一种组合为例进行分析，假设()= (100)，此时逆变器可简化为如图2-10。图2-10 逆变器简化图此时，可得下式：（2-27）求解上述方程可得：=、=、=。同理可得其它空间电压矢量，列表如下：表 2-3 开关状态与相电压和线电压的对应关系矢量符号线电压相电压00000000010000110001000110001001010111000000将表中8种基本空间电压矢量的组合映射到图2-2所示的复平面上，可以得到如图2-11所示的空间电压矢量图，图中将复平面分成了6个区，此区称之为扇区。图 2-11 电压空间矢量图2.svpwm控制算法若要实现svpwm信号的实时调制，首先需要知道参考电压矢量所在的区间位置，然后利用所在扇区的相邻两电压矢量和适当的零矢量来合成参考电压矢量35。图2-12是在静止坐标系（）中的电压空间矢量图，矢量控制系统给出信号 ，以角频率在空间内作逆时针旋转，当旋转到矢量图的某个扇区中时，系统计算该区的基本电压空间矢量，并根据此矢量所对应的状态，控制功率开关元件动作。图2-12 电压空间矢量合成示意图由图2-12可以得到以下各式：（2-30）（2-31）（2-32）（2-33）式中，分别为非零矢量，的作用时间；为零矢量与的作用时间和。为合成矢量与主矢量的夹角。将式（2-30）及和代入式（2-33）中，可以得到： （2-34）取svpwm的调制深度为：，要使得电压的合成矢量在线性区域内调制，须满足，则。可见svpwm要比正弦脉宽调制高出15.47%的直流侧电压利用率。（1） 合成矢量所处扇区n的判断假定合成的电压矢量落在第i扇区，可知其等价条件如下：（2-35）以上等价条件再结合矢量图几何关系分析，可得出与扇区之间的关系，如表2-4：表2-4 与扇区的关系扇区落在此扇区的充要条件，且，且，且，且且，且由表2-4可以看出，所在的扇区由，三式决定，因此令：(2-36)定义三个变量，通过分析，可以得出：若，则，否则；若，则，否则；若，则，否则。设，则n与扇区的关系如下表2-5所示。表2-5 n与扇区的对应关系n315462扇区iiiiiiivvvi（2）确定各扇区相邻两非零矢量和零矢量作用时间 由图2-12可以得出：（2-37）则上式可以得出：（2-38）以此类推，可以得出其它扇区各矢量的作用时间，令：（2-39）则各个扇区中的、值如下表2-6所示。表2-6 各扇区、作用时间n123456zy-z-xx-yy-xxz-y-z如果当，则令:（2-40）（3）确定各个扇区的矢量切换点 定义：（2-41）各个扇区与、的关系如表2-7所示。表2-7 各扇区与tpwm1、tpwm2、tpwm3关系n123456设计时应该合理选择和，使其在矢量转换过程中，保证只有一个功率开关的状态发生变化，这样可以减少各相电流矢量的最大偏差值。图2-13表示扇区i的开关状态，从图中可以看出，每次矢量变化时，只有一个功率开关的状态发生变化。其他扇区与其相似，不再列出。图2-13 扇区i内三相pwm调制方式2.1.4 滤波器的选取和参数设计电力电子设备会在开关频率处产生部分谐波，因此需要设计滤波器来滤除谐波。设计滤波器参数时，应该尽量遵循基波电容电流小、电压损耗小、串联谐振尽可能远离高次开关频率和低次谐波频率的宗旨36。1.滤波电感值的选取 在输入电压、输出电压确定的情况下，输出的滤波电感最小值主要由设定的电感电流的纹波大小决定。一般情况下，假设电感电流的纹波峰峰值的最大值是满功功率时输出的正弦电流峰值的15%，则可得到下式：（2-42）逆变器的控制信号是svpwm脉冲，脉冲深度为。因此电感上的纹波电流峰峰值为（2-43）当时，取最大值为 即 （2-44）2.滤波电容值选取 电容的选择需要在考虑电感的影响下折中考虑。电容越大，流入到电容的无功电流就越大，通过电感l的电流和开关管处的电流也越大；反之，电容越小，电感就需要增大，使电感上的压降增大。同时根据经验公式，可得以下两式：（2-45），其中（2-46）综合考虑，本文选取电感为5mh；电容为5f。2.2 基于matlab/simulink的微电网系统仿真模型2.2.1 微电网系统的主电路模型本文在matlab/simulink环境下建立微电网系统模型，主电路模型如图2-14所示。图2-14 微电网系统结构图图2-14中，微电网系统主要由4个微电源（dg1dg4）、线路、开关和负荷组成。图中4个微电源均假设为直流源，经过受svpwm控制的逆变器逆变为三相交流电。微电网并网运行时，微电源均采用pq控制，保证其输出功率为恒定值；孤网运行时，主控型微电源dg1、dg2采用v/f控制，控制母线1和母线2电压恒定，功率源型微电源dg3、dg4仍然采用pq控制，使其输出恒定的功率。负荷1和负荷2是敏感性负荷，负荷3是普通负荷。lc低通滤波器用来滤除高次谐波，和控制算法一起被封装在各个模块的子系统中。2.2.2 系统仿真参数本仿真系统的主要参数如下列表中所示：表2-8 微电源参数微电源有功功率参考(kw)无功功率参考(kvar)dg1dg2dg3dg46.212.43.64.00011表2-9 负荷参数负荷类型有功功率参考(kw)无功功率参考(kvar)敏感负荷1敏感负荷2普通负荷37.014.07.6113表2-10 系统其它参数系统参数符号数值电网电压(v)u380直流侧电压(v)udc700电网频率(hz)fn50线路参数(/km)r/x0.642/0.083滤波电感(mh)lf5滤波电容(f)cf5滤波电阻()rf0.01载波频率(khz)fs10下垂系数1/a10.00021/b10.000021/a20.00011/b20.000012.3 微电网系统仿真分析为验证本文所设计的控制策略能使微电网在不同的运行模式下保证系统的可靠运行，分别对微电网并网运行、孤岛运行以及两种运行模式的切换和孤岛模式下微电源并网等几种运行情况进行仿真分析。2.3.1 微电网并网、孤岛运行以及两种运行模式切换的仿真结果微电网系统0.1s前与电网并网运行，0.1s时与电网断开独立运行，1s时重新连接到电网中，系统对应的仿真结果如图2-15所示。 (a) dg1dg4输出有功功率(b)dg1dg4输出无功功率(d)系统的频率 (c)母线1和母线2的电压 (e) pcc点处的电流 (f) 敏感负荷1的电压和电流 (g) 敏感负荷2的电压和电流图2-15微电网并网、孤网、再并网运行特性算例分析：图2-15（a）和（b）中，微电网并网运行时，dg1和dg2都采用pq控制，其输出的有功功率、无功功率均不变。为了保持功率平衡，外电网向微电网补充了2.4kw的有功功率和3.0kvar的无功功率。在0.1s1s时，微电网与外电网断开，外电网不再对微电网提供功率补给，此时dg1和dg2切换控制模式，采用v/f控制，其输出的有功功率、无功功率均增加，并根据自身的下垂系数和微电源容量来按比例分担原来由外电网向微电网提供的功率缺额。从图中可以看出，dg1发出的有功、无功功率分别由并网时的12.4kw、0kvar转变为孤岛后的14kw、2.0kvar。dg3和dg4在并网和孤岛运行时，都采用pq控制，其输出的有功、无功功率分别为：3.6kw、1.0kvar和4.0kw、1.0kvar。图（c）表明，微电网和外电网断开后，母线1和母线2的电压幅值均有增加。图（d）表明，微电网系统频率在与外电网断开后上升。重新并网后，电压幅值和频率均能自动调解，并与外电网一致。微电网从断网到再并网的整个过程中，系统频率和电压幅值变化都始终在允许的范围内，对敏感负荷1和敏感负荷2的电压质量要求都能够满足。图（e）是电流响应曲线，在微电网断网到再并网的整个过程中，pcc点处的电流平滑，没有对系统造成较大的电流冲击。图（f）和图（g）分别是敏感负荷1、敏感负荷2处的电压和电流波形。从图中可以看出，微电网在并网、孤岛以及两种模式转换时，系统都能够满足敏感负荷的电能质量要求。2.3.2 微电网孤岛运行时微电源并网的仿真结果微电网孤网运行时，0.5s时分别将dg3直接并入微电网（左列）和经过同步并网控制器控制后再并入微电网（右列）的仿真比较结果，如图2-16所示。（a）开关点两侧电压频率、相位和幅值差 （b）dg3向微电网的注入电流 (c) 重要负荷1和2的电压 (d) dg1dg4输出有功功率 (e) dg1dg4输出无功功率图2-16 有无同步并网控制器比较仿真算例分析：图2-16 中，图(a)和(b)表明，不加同步并网控制器，将功率源型dg3并入电网时，其并网点两侧的电压频率、相位和幅值，以及在并网点向电网注入的谐波电流均不满足ieee 1547规定的同步并网的条件。故对其他dg在并网点处的发出的有功功率和无功功率产生了图(d)和(e)很大的功率冲击，并且重要负荷1和2在功率源型dg3再并网的瞬间也产生了图(c)所示的电压波动，不能满足重要负荷供电的稳定性与可靠性。图(a)和(b)表明，功率源型dg3经过同步并网控制器后，再并入微网时，其开关点两侧的电压质量和并网点处的谐波电流均达到了ieee 1547规定的同步并网的标准。图(c)表明，重要负荷的电压在dg3再并网的瞬间没有产生很大的波动，满足了重要负荷的供电可靠性的要求。图(d)和(e)表明，四种dg的有功功率和无功功率没有产生很大的功率冲击，功率源型dg3能够平滑的接入微网系统。通过对以上两种算例的比较仿真，验证了功率源型dg经过同步并网控制器的控制再并网瞬间不会对系统造成很大的冲击，不影响其他dg的正常供电，且能满足重要负荷供电可靠性的要求。2.4 本章小结本章首先根据研究内容等效出一种微电源逆变器的通用模型，然后引入空间矢量控制（svpwm）对其进行数学建模分析，同时阐述了svpwm原理和具体实现步骤。由于电力电子器件会产生大量的谐波，因此设计了相应的逆变器输出滤波器。微电网的运行主要依赖于各个微电源，针对不同的微电源以及微电网的两种运行模式，将微电源分为主控型和功率源型两类，并分别设计了相应的控制器。其次，针对微电源并入孤岛运行的微电网时，存在的电压幅值、相位和频率差，对微电网造成了很大的冲击问题，设计了同步并网控制器。最后，分别对微电网并网运行、孤岛运行以及两种运行模式的切换和孤岛模式下微电源并网等几种运行情况进行仿真分析，验证了控制策略的正确性和有效性。第3章 钒电池数学建模与仿真实现3.1 钒电池储能系统3.1.1 储能技术在微电网中的应用储能技术在微电网中的应用可以概括为：提供短时供电、改善电能质量、优化微源运行、作为能量缓冲装置和提高微电网经济效益等。 （1）提供短时供电。微电网存在并网运行和孤岛运行两种模式，从并网运行向孤岛运行转换时，通常会有一部分功率缺额，安装储能设备可以帮助微电网两种模式之间平滑转换。（2）改善电能质量。我们在建立大电网系统的同时必须保证良好的电能质量，而储能系统是提高电能质量的重要方式。调整有功功率和无功功率是提高电能质量的普遍手段，调节逆变器的控制单元可以简洁而有效的做到这点。系统中不可调解的微电源（如光伏机组、风力机组等），因为有不可控的因素存在，会使输送功率出现波动进而影响电能质量。它们与储能系统有机的结合可以解决因电压起伏、暂态供电中断和涌流等所引起的电能质量问题。（3）优化微源运行。由于不可控微电源（如风力发电、光伏发电等）受自然条件影响很大，使得这些发电方式通常具有不对称性，例如风力大小及风向、阳光照射强弱及时间都可以使微源输送功率产生变化。如果系统中所有微源的总输送功率不能满足微电网的峰值时的用电要求，则可以借助于储能系统在短时间内为负荷输送电能，直至系统发电量增加或负荷需求量减少。（4）作为能量缓冲装置。因为微电网的规模比较小且系统惯性不大，系统内电气联系紧密，所以系统内一小点波动就会产生严重的后果甚至波及整个微电网的安全与稳定。为了有效地解决这个问题，在微电网中加入储能系统作为能量缓冲环节，就显得十分重要。当系统处在负荷曲线谷底时，储能系统可以吸收并储存过剩的电能；当系统处在负荷曲线峰值时，储能系统可以将储存的电能释放出来，有效的调解系统功率平衡。（5）提高微电网经济效益。广泛应用储能系统可以增加可再生能源的发电比例，减少能源消耗，降低新建发电厂和输、配电线路的投资，走可持续发展的道路。可以为微电网提供有一定的备用容量，同时进一步提高系统的稳定性与可靠性。在电力经济市场中，储能系统的广泛应用可以减少因为能源中断和预测不准确所产生的经济损失。3.1.2 储能技术的种类微电网中的电能质量特点可以概括为：持续时间短，出现频率高。储能技术在微电网中应用可以改善微网电能质量，提高供电可靠性，已然成为微电网发展的重要因素。储能系统主要有以下几类37-38：1 压缩空气储能 压缩空气储能具体过程为当系统处于负荷曲线低谷时，利用电能压缩空气并储存起来，当系统处于负荷曲线峰值时将先前的压缩空气释放出来以用作于汽轮机组发电。上世纪70年代后期，德国电网用此方法将储能系统运用到装机容量为290mw的电力系统中，这是全球范围内第一次运用储能技术发电。地形因数是建力压缩空气储能系统的瓶颈。近年来分布式发电模式迅速崛起，812兆瓦级的微型压缩空气储能系统得到了广泛的关注。2 抽水蓄能 抽水蓄能是指系统负荷曲线低谷利用电能将低势的水抽到地势较高的水库，即把电能转变为水的重力势能存储起来；在系统负荷曲线峰值时将水库中储存的水释放出来，将水的重力势能转化为电能进行发电。发电时间小则几小时、多则数天，一般效率可以达到70%80%之间。抽水蓄能是电力系统频率调整、相位调整、峰值调整和紧急事故备用的重要手段。3 飞轮储能 飞轮储能的优点是使用寿命较长、风力阻小、环保、管理费用少；缺点是其能量的密度较低，安全费用高。飞轮储能系统可以达到mw级，输出时间可以持续几分钟至几小时，目前主要应用于为大规模蓄电池系统作补充。飞轮储能技术正向大容量储能发展，目前阻碍其在大容量方面发展的方面主要集中在低功耗磁轴承、转子强度、安全防护等39。 4 超级电容器储能 超级电容器具有充放电速度快、使用寿命长、温度要求范围宽、储存电荷能力高、无污染等优点。但是超级电容器的价格比较昂贵，多用于电力系统中的电能调峰场合，如大功率直流电机的电压恢复、启动支撑等，在电网中出现瞬态干扰和电压跌落时可以提高供电水平40-41。5 锂离子电池 锂离子电池将锂金属氧化物作为电池的阴极材料。具有效率高、能量密度高、放电电压稳定、自放电率低、工作温度范围宽、储存寿命长、无记忆效应和污染小无公害等