（电力电子与电力传动专业论文）微电网逆变电源控制技术的研究.pdf

r e s e a r c ho nt h ec o n t r o l t e c h n o l o g yo fi n v e r t e ri n m i c r o g r i d a bs t r a c t w i t ht h ew i d ea p p l i c a t i o no fd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o nt e c h n o l o g y , t h el a r g e a m o u n t so fd i s p e r s e dd gs y s t e m sb r i n gi n f l u e n c e st ot h e g r i ds e c u r i t ya n d r e l i a b i l i t y a c c o r d i n gt ot h i ss i t u a t i o n ，t h es c h o l a r sp u tf o r w a r d “m i c r o g r i d ” c o n c e p t ，w h i c hc a nf u l lp l a yt h ep o t e n t i a lo fd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n d i s t r i b u t e dr e s o u r c e sa r e u s u a l l yc o n n e c t e dt oam i c r o g r i dt h r o u g h i n v e r t e r s s or e s e a r c ho nt h ec o n t r o ls t r a t e g yo fi n v e r t e r si n m i c r o g r i d ，t o r e s o l v et h ep r o b l e mo fi n v e r t e r s p a r a l l e lc o n n e c t i o n ，i so n eo ft h ek e y t e c h n o l o g i e s f o r m i c r o g r i dd e v e l o p m e n t i nt h i sp a p e r , o nt h eb a s i so f a n a l y z i n go p e r a t i o nc o n d i t i o no fm i c r o g r i da n dr e f e r r i n gt ot h ea v a i l a b l e o p e r a t i o nm o d eo fp o w e rs y s t e m ，t h em a t h e m a t i cm o d e la n dc o n t r o l c h a r a c t e r i s t i c so fs y n c h r o n o u sg e n e r a t o ri ss t u d i e d ，t h e nt h ec o n t r o ls y s t e mo f i n v e r t e ri sd e s i g n e d ，w h i c hh a st h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so fs y n c h r o n o u s g e n e r a t o r t h em a i nc o n t e n to ft h i sd i s s e r t a t i o na sf o l l o w s ： 1 o nt h eb a s i so fu n d e r s t a n d i n gt h ec o n c e p to fm i c r i g r i da n dd i s t r i b u t e d g e n e r a t i o n ，t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h ep a p e ri sd e s c r i b e d 2 a c c o r d i n gt oa n a l y z i n gt h ei n v e r t e r so p e r a t i o nc o n d i t i o ni nm i c r i g r i d ，a n i n v e r t e rc o n t r o l s t r a t e g y t os i m u l a t et h e s y n c h r o n o u sg e n e r a t o ri s p r o p o s e d 3 b a s e do nt h em a t h e m a t i cm o d e lo f s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r , v i r t u a l s y n c h r o n o u sg e n e r a t o ra l g o r i t h mi s d e s i g n e d ；c o n s u l t i n gt h es p e e d r e g u la t o r a n de x c i t a t i o n s y s t e m o f s y n c h r o n o u s g e n e r a t o r ，t h e p o w e r f r e q u e n c yc o n t r o l l e ra n dv o l t a g er e g u l a t o ro fv i r t u a ls y n c h r o n o u s g e n e r a t o ri sd e s i g n e d ，t h e ni n v e r t e rv i r t u a ls y n c h r o n o u sg e n e r a t o ra n d c o n t r o ls y s t e mi sc o m p l e t e d 4 w i t he s t a b l i s h i n ga n da n a l y z i n gt h es i m u l a t i o nm o d e lo fi n v e r t e rv i r t u a l s y n c h r o n o u sg e n e r a t o ra n dc o n t r o ls y s t e mb ym a t l a b ，b o t hd y n a m i ca n d s t e a d ys i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti n v e r t e rv i r t u a ls y n c h r o n o u sg e n e r a t o r p o s s e s s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fr e a ls y n c h r o n o u sg e n e r a t o r , i sa p p l i c a b l et o m i c r o g r i d 5 t h eh a r d w a r ec i r c u i t so fi n v e r t e ra r ed e s i g n e df o rf u r t h e re x p e r i m e n t k e y w o r d s ：m i c r o g r i d ： i n v e r t e r ：p a r a l l e l ： v i r t u a ls y n c h r o n o u sg e n e r a t o r 致谢 转眼间，近三年的研究生生活即将结束。回顾过去的每一天，无不凝 聚着师长、同学和亲友的无私关怀与帮助。借此论文完成之际，谨向所有 关心、支持我的老师与同学表示深深的谢意! 首先感谢我的导师苏建徽教授。两年多以来，苏老师在学习、科研和 生活方面都给了我很大的帮助和支持。科研过程中，苏老师为我提供丰富 的实践机会和良好的实验条件，课题研究中遇到的难题，多次在苏老师的 指导下迎刃而解。我的课题研究能够顺利进行，并取得一定阶段性成果， 和苏老师的无私帮助和精心指导是分不开的。永远忘不了，苏老师在百忙 之中牺牲休息时间为我解决各种难题，使我明白许多道理，逐渐走向成熟。 苏老师治学严谨、知识渊博、诲人不倦，待人诚恳，在学术和为人上都为 我作出了榜样。在此，我向他表示最真挚的感谢! 感谢张国荣老师和茆美琴老师。张老师严谨的治学态度，渊博的学识 和宽厚的师长作风，给了我深刻的启迪。茆老师精深的理论水平、广泛的 知识范围和出色的外语能力令我敬佩不已。他们博学、忘我的工作以及平 易近人的作风，使我受益非浅。 感谢能源所的汪海宁老师、杜燕老师、杜雪芳老师、张健老师、刘翔 老师、陈林老师和刘宁老师等多位老师给予的帮助。 感谢给予我帮助，陪伴我学习的同学和好友，我们朝夕相处，相互帮 助，留下了美好的回忆，结下了深厚的友谊。他们是：杨向真师姐、朱丹、 吴蓓蓓、张学友、齐国虎、陈忠、马俊、黄荣庚、朱亦丹、虞海贤、盛男、 俞莉、李丹及0 8 、0 9 级多位同学的帮助和指导。 最后感谢我的家人多年来对我的养育和支持，家人的支持是我前进的 动力，我的点滴收获无不凝聚着家人的心血! i l l 作者：汪长亮 2 0 1 0 3 6 图表清单 图卜1 微电网的结构示意图4 图2 - 1 光伏并网功率调节系统9 图2 - 2 两台逆变电源并联的等效电路1 0 图2 3 不同容量逆变电源下垂特性示意图1 0 图2 4 基于下垂法的逆变电源控制示意图1 1 图3 1 虚拟同步发电机原理示意图1 4 图3 2 逆变器主电路拓扑结构1 6 图3 3 单相及等效拓扑结构1 7 图3 4 逆变单元结构框图1 8 图3 5 虚拟同步机单元算法结构框图1 9 图3 - 6 同步发电机的控制结构示意图1 9 图3 7 虚拟同步发电机控制结构示意图2 0 图3 8 励磁电压控制器2 1 图3 9 同步发电机一次调频和二次调频2 2 图3 - 1 0p f 控制器2 2 图4 1 虚拟同步发电机的主电路结构2 5 图4 2 逆变电源与微电网之间的能量示意图2 8 图4 3 逆变电源向微电网传输有功功率2 8 图4 4 逆变电源向微电网传输无功功率2 9 图4 - 5 逆变器输出电压变化时的向量图3 1 图5 1p l e c s 工具箱的操作界面3 4 图5 - 2 逆变器主电路模型3 6 图5 3 虚拟同步发电机算法模型3 6 图5 - 4 功率计算模型3 7 图5 - 5 虚拟同步发电机控制器模型3 7 图5 6 虚拟同步发电机的系统仿真模型3 8 图5 7 纯电阻负载输出特性3 9 图5 8 突增阻感性负载输出特性4 0 图5 - 9 稳态时输出电流波形比较4 1 图5 1 0 稳态时有功功率波形比较4 l 图5 1 1 稳态时无功功率波形比较4 2 图5 1 2 动态时输出电流波形比较4 2 图5 1 3 动态时有功功率波形比较4 2 图5 一1 4 动态时无功功率波形比较4 3 图5 一1 5 动态时输出频率波形比较4 3 v l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金熟王些太堂 或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：；z 饮晚 签字日期：乙。f 口年牛月叶日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金胆王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权金厦王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：；之投虎 签字日期：bl ，年十月叶日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 名：缈 签字日期：b l p 年牛月叫珀 电话： 邮编： k e y w o r d s ：m i c r o g r i d ： i n v e r t e r ：p a r a l l e l ： v i r t u a ls y n c h r o n o u sg e n e r a t o r 致谢 转眼间，近三年的研究生生活即将结束。回顾过去的每一天，无不凝 聚着师长、同学和亲友的无私关怀与帮助。借此论文完成之际，谨向所有 关心、支持我的老师与同学表示深深的谢意! 首先感谢我的导师苏建徽教授。两年多以来，苏老师在学习、科研和 生活方面都给了我很大的帮助和支持。科研过程中，苏老师为我提供丰富 的实践机会和良好的实验条件，课题研究中遇到的难题，多次在苏老师的 指导下迎刃而解。我的课题研究能够顺利进行，并取得一定阶段性成果， 和苏老师的无私帮助和精心指导是分不开的。永远忘不了，苏老师在百忙 之中牺牲休息时间为我解决各种难题，使我明白许多道理，逐渐走向成熟。 苏老师治学严谨、知识渊博、诲人不倦，待人诚恳，在学术和为人上都为 我作出了榜样。在此，我向他表示最真挚的感谢! 感谢张国荣老师和茆美琴老师。张老师严谨的治学态度，渊博的学识 和宽厚的师长作风，给了我深刻的启迪。茆老师精深的理论水平、广泛的 知识范围和出色的外语能力令我敬佩不已。他们博学、忘我的工作以及平 易近人的作风，使我受益非浅。 感谢能源所的汪海宁老师、杜燕老师、杜雪芳老师、张健老师、刘翔 老师、陈林老师和刘宁老师等多位老师给予的帮助。 感谢给予我帮助，陪伴我学习的同学和好友，我们朝夕相处，相互帮 助，留下了美好的回忆，结下了深厚的友谊。他们是：杨向真师姐、朱丹、 吴蓓蓓、张学友、齐国虎、陈忠、马俊、黄荣庚、朱亦丹、虞海贤、盛男、 俞莉、李丹及0 8 、0 9 级多位同学的帮助和指导。 最后感谢我的家人多年来对我的养育和支持，家人的支持是我前进的 动力，我的点滴收获无不凝聚着家人的心血! i l l 作者：汪长亮 2 0 1 0 3 6 第一章绪论 随着国家经济的快速发展和人民生活质量的不断提高，社会的用电需 求越来越大，对电能质量和供电可靠性的要求也越来越高。传统大电网难 以满足用户多样性的要求，特别对于地处偏远、人口分布稀疏的地区的供 电成本过高，导致大电网存在着一定的空白和不足；而化石能源的日益减 少以及给环境带来的污染，违背了可持续发展的思想，严重制约了社会的 进步和发展。相对于传统能源，新能源普遍具有污染少、储量大的特点，对于 解决当今世界严重的环境污染问题和资源( 特别是化石能源) 枯竭问题具有重要 意义。同时，由于很多新能源分布均匀，对于解决由能源引发的国际能源之争的 问题也有着重要意义。因此如何拓展利用新能源，摆脱能源危机对社会发展 阻碍，成为各国关注的焦点。 1 1 可再生能源发电系统 传统发电模式大量地消耗以煤为主的化石能源，对生态环境造成严重 的污染和破坏，这些问题使得研究利用清洁能源和可再生能源发电成为迫 在眉睫的课题。和传统化石能源相比，可再生能源具有清洁、对环境污染 小、可循环使用、取用方便的特点。目前可再生能源的种类主要有：风能、 太阳能、潮汐能、地热、燃料电池等，其中主要的能源为风能和太阳能， 这两种能源是大自然中最为常见的能源形式，捕获方便，而且取之不尽用 之不竭，是传统化石能源的理想替代者。能源的日益匮乏，社会的快速进步， 使得用户对供电质量和供电可靠性的要求越来越高，随着电力需求的迅猛发 展，电力部门大多把投资集中在火力、水力、核电等大型集中电源和超高 压远距离输电网的建设上，但是随着电网规模的日益扩大，超大规模的电 力系统的弊端日渐显现，成本高，运行难度大。在这样的社会背景下，基于 新能源的分布式发电系统( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n d g ) 应运而生u 1 。 1 2 分布式发电以及微电网技术的研究 1 2 1 分布式发电系统的研究 分布式发电通常是指发电功率在几千瓦至数百兆瓦( 也有的建议限制在 3 0 - 5 0 兆瓦以下) 的小型模块化、分散式、布置在用户附近的高效、可靠的发 电单元。主要包括：以液体或气体为燃料的内燃机、微型燃气轮机、太阳能发电、 风力发电、生物质能发电等，这些电源由电力部门、电力用户或第三方所有，用 以满足电力系统和用户的特定的要求，如调峰、调压，为边远用户或商业区和居 民区供电，节省输变电投资、提高供电可靠性等等。分布式能发电的优势在于可 以充分开发利用各种可用的分散存在的能源，包括本地可方便获取的化石类燃料 和可再生能源，并提高能源的利用效率口1 。 分布式电源通常接入中压或低压配电系统，并会对配电系统产生广泛而深远 的影响。传统的配电系统被设计成仅具有分配电能到末端用户的功能，而未来配 电系统有望演变成一种功率交换媒体，即它能收集电力并把它们传送到任何地 方，同时分配它们。因此将来它可能不是一个“配电系统”而是一个“电力交换 系统( p o w e rd e l i v e r ys y s t e m ) ”。分布式发电具有分散、随机变动等特点，大量的 分布式电源的接入，将对配电系统的安全稳定运行产生极大的影响。由于发电系 统靠近用户，从而提高了服务的可靠性和供电质量。另外，随着技术的发展、公 共环境政策和电力市场的扩大等因素的共同作用，使得分布式发电成为新世纪电 力行业发展的重要方向。 根据所使用一次能源的不同，分布式发电系统可分为基于化石能源的发电系 统、基于可再生能源的发电系统以及混合的发电系统，具体分析如下口，。 ( 1 ) 基于化石能源的分布式发电系统主要由以下三种发电装置构成： a ) 往复式发动机发动机机组：它主要是以汽油或者柴油作为燃料，使用 方便灵活，成本低，维护方便，但是作为传统的发电设备，它给环境 带来了空气污染和噪声污染。随着技术的进步，其污染程度也逐渐减 少。 b ) 微型燃气轮机：它是指功率为数百千瓦以下的以天然气、甲烷、汽油、 柴油为燃料的超小型燃气轮机。与现有的其它发电装置相比，效率较 低，所以目前多采用家庭热电联供的办法利用该装置废弃的热能，以 提高效率。 c ) 燃料电池( f u e lc e l l ) ：是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为 电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电能就被生产出来。它从 外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电而 是一个“发电厂”。燃料电池具有免充电、无火花、低噪音、无废弃物处理 问题、高机动性等特点。 ( 2 ) 基于可再生能源的分布式发电系统主要由以下几种装置构成： a ) 太阳能发电系统：太阳能发电是利用太阳能电池列阵的光电效应将太 阳的光能转化为电能。光伏发电系统的优势在于它不需要燃料，在发 电的过程中没有污染，而且机动性强，可独立使用也可以并网使用， 是利用新能源的一种非常有效的途径。 b ) 风力发电系统：风力发电是利用风机捕获风能，将风能转化为电能的 一种发电形式。整个使用过程零污染，也可独立发电或者并网发电， 风力发电技术成熟，近年来发展迅速，但风力发电要求地域宽广，因 2 此常见于沿海或地广人稀的地方。 c ) 混合式分布式发电系统：混合式发电系统是指两种或两种以上分布式 发电装置以及储能装置的有机组合。为了提高系统的利用效率，一般 混合分布式发电系统常用于电热联供的状态，在发电的同时，也产生 热能，为附近的用户供热制冷，从而其输出能量形式多样化，满足不 同互用的多样性需求，提高了效率。 分布式发电系统中各发电装置分散独立，相互不干扰，因此可以避免 大规模的供电故障，有着比较高的安全可靠性。同时分布式发电系统可以 根据当地的能源分布特色就地取材，充分利用清洁能源，减少环境和燃料 运输的压力。分布式发电由于其独特的位置灵活性，极大的适应了分散电 力需求和资源分布，得到了大力的发展，特别是在农村、山区、牧场等地 区，大大减少了发电成本，满足了用户机动性的需求，加大了能源的循环 利用；而且该系统的输配电损耗很低，无需建配电站，降低了输配电成本。 同时它与大电网互为备用，改善了供电可靠性。 1 2 2 微电网的研究 虽然分布式发电有很多优点，但是由于分布式发电系统传统的单机接 入成本高，不易控制，最重要的是对于大电网来说它是一个不可控源。因 此当分布式发电系统与大电网并网运行时，一旦分布式系统不稳定或者输 出电能质量偏离标准范围，即会引起大电网电压和频率的波动，严重者甚 至会导致大电网的瘫痪，给电网的安全，稳定的运行带来了隐患h ，。为了解 决分布式发电系统与大电网之间的矛盾，充分挖掘分布式能源对电网和能 源环境所带来的价值，美国电力安全技术解决委员会( c e i 汀s ) 最先提出“微 电网( m i c r o g r i d ) 的概念晦1 。 微电网是由负荷和多个电源组成的单一可控的集合系统，它分为并网和孤 岛两种运行方式。对于大电网来说，微电网最大的优点就在于它的可控性，能够 根据需要在并网与孤岛两种状态之间平滑的切换，从而保证了大电网的安全、稳 定运行，避免了分布式发电系统的不足。 从系统的角度来看，微电网是将发电机，负荷，储能装置结合起来，通过控 制手段来实现发电和并网的要求。微电网中的电源为微电源，简称微源，是含有 电力电子平台的小型机组，多为微型燃气轮机，燃料电池，太阳能电池，超级电 容以及蓄电池等储能装置。微电网既可以脱离大电网独立运行，也可以与大电网 并网运行，并且能够根据负荷或者大电网的运行情况，及时的切换运行状态以满 足用户和大电网的需要。对于大电网来说，微电网是个辅助工具，它可以分担大 电网的负担，快速及时的响应负荷的变化，减少大电网出现故障的几率，提高其 3 供电的可靠性和安全性；而对于用户来说，微电网则为一个保障性电源，能够在 大电网故障时保证供电的连续性，从而满足用户多样性的用电需求。微电网不仅 解决了分布式电源的大规模接入电网的问题，发挥了分布式发电的优势，而且作 为一个可控源，它能灵活运行在各种工作状态，大大减少了各种故障的产生。 图1 1 为c e r t s 定义的微电网的结构示意图，该图展示了微电网的构 成和控制形式嫡1 。微电网是通过隔离变压器和静态开关与大电网联网的。 在这个微电网中共有a 、b 、c 三条馈线，其中a 、b 上连接的是敏感性负 载，c 上连接的是普通非敏感负载。根据负载的不同类型和供电需求，微 源分散在馈线a 、b 的不同位置，而c 上的负载则直接连接在公共母线上。 这样不仅保证了敏感负载的供电安全性和可靠性，而且有助于减少线损； 控制方面，微电网中配置了能量管理器和功率电压控制器，前者主要是对 整个微电网的功率潮流进行综合分析和调度，后者则是根据能量管理器的 指令对微源进行本地控制。能量管理器是根据调峰或者负荷大小的情况对 功率电压控制器下达指令，当本地负荷变化时，功率电压控制器又会根据 本地的电压频率的变化进行合理的调整，使电压稳定、功率平衡；保护方 面，微电网中每个微源都配备一个断路器，并在敏感性负载馈线的始端装 有静态开关，当电网出现电压波动或者其他故障时，静态开关则会迅速的 将微电网从大电网中断开，转入孤岛运行状态，从而保证对敏感性负载的 不间断供电。为了提高微电网的运行效率，减少对环境的废热污染，微电 网中常常带有热负载，利用发电过程中产生的热能进行制冷或者供热。 l 土撇_ 箍蜮镶龛，l 黼_ 赣 图1 - 1 微电网的结构示意图 4 美国c e r t s 最早提出“微电网 的概念，之后日本、欧洲都相继进行 了微电网的系统研究。美国关于微电网的方案是其中最权威的，它是由基 于电力电子技术的微源构成，并运用电力电子的控制方法，电力电子技术 是美国实现微电网的关键支撑，c e r t s 微电网正是基于此形成了“即插即 用 ( p l u ga n dp l a y ) 与“对等 ( p e e r t op e e r ) 的控制思想和设计理念。目 前，美国微电网的研究理论已经在实验室平台得到了验证，威斯康星大学 麦迪逊分校微电网系统于2 0 0 1 年建立，现在的系统容量为2 0 0k w ，电压 等级为2 0 8 v 4 8 0 v 。美国北部电力系统承建的m a dr i v e r 微电网系统是美 国第一个微电网的示范工程，科学家们通过该工程更加深入的研究了微电 网的运行可靠性和安全性，检验了微电网的控制策略、保护措施以及环境 经济效益，为世界范围内的微电网研究奠定了基础；日本国内资源短缺的 现实，使得日本对微电网的研究有着很大的兴趣。在日本关于微电网的定 义中，将传统电源供电的独立系统也纳入到微电网的范畴中，在此方案下 建立了几个微电网工程。日本微电网的独特之处在于：提出了灵活可靠性 和智能能量供给系统( f l e x i b l er e l i a b i l i t ya n di n t e l l i g e n te l e c t r i c a le n e r g y d e l i v e r ys y s t e m ，f r i e n d s ) 口1 。其意图在于利用在配电网中加入一些灵活 交流输电系统( f a c t s ) 装置，实现对配电网能量管理的优化。欧洲于2 0 0 5 年提出了“聪明电网计划”，并于2 0 0 6 年提交了计划实施方案，该方案明 确指出欧洲以后电网发展的目标为 8 - 1 0 ： 1 ) 灵活性：在发电功率等级不断增长的条件下，满足用户多样性的需求。 2 ) 可接入性：所有的用户都必须能接入电网，特别是那些清洁能源发电 系统。 3 ) 可靠性：必须保证电网的安全可靠运行。 4 ) 经济性：不断优化电网生产运行管理，减少成本和环境污染，增大电 网的经济效益。 目前国内关于微电网的研究才刚开始，多处于理论研究阶段。得益于 国家鼓励使用新能源发电的政策，微电网已成为学者们研究一大热点，也 是电网发展的趋势。因为微电网中微源的容量小、分布分散等特点，如果 实现诸多微源的协调组网，使微电网与大电网并网运行，将会有力的促进 新能源技术的发展，对我国电网安全和环境保护都是十分有益的，因此微 电网在我国具有很好的研究和应用前景。 1 3 论文选题的背景和意义 在当今国际能源危机的社会背景下，新能源及微电网的研究已是大势 所趋。微电网中微源大多是利用电力电子技术的新能源，根据发电装置一 5 次侧电源的性质大致可将微源分为两种类型：1 、太阳能电池、燃料电池、 储能装置等为主的直流电源；2 、风力发电机、微型汽轮机为主的交流电 源。无论是哪种形式的电源，都必须经过电力电子变流装置才能输出满足 负荷需求的，满足并网条件的工频交流电。而在这些电力电子变流装置中， 都要用到d c - a c 变流，也就是我们通常说的逆变电源，它是新能源分布式 发电、微电网组网过程中的核心部件，对逆变电源的控制好坏直接影响到 微电网甚至是大电网的安全稳定。目前虽然在一些小型分布式发电站中， 应用了光伏发电、风力发电、微型汽轮机等，但是大多数还是单台运行或 者与大电网并网运行，其容量相对于大电网来说很小，因此很难撼动大电 网的稳定性。但微网的发展必然是要和大电网相关联的，当微电网的数目 越来越多，容量越来越大，逆变电源的稍微偏差也会给大电网带来隐患。 如何实现多台逆变电源并联组网，并且能够灵活地在并网与孤岛状态之间 进行切换，是逆变电源控制技术研究的难点，也是微电网安全可靠运行的 关键，因此对逆变电源控制技术的研究是十分必要的，也有着深远的意义。 1 4 本文研究的主要内容 本文研究的主要内容是在分布式发电、微电网概念的基础上，对逆变 电源并网控制技术进行研究。根据微电网的并网、孤岛两种工作状态对逆 变电源的要求，基于同步发电机模型提出了一种新型的逆变电源控制方法 一一虚拟同步发电机。此控制方法能够很好的模拟同步发电机的输出特 性，满足逆变电源组网以及和大电网并网的技术要求。通过理论分析建立 了逆变电源的模型，利用m a t l a b 仿真软件对虚拟同步发电机模型进行了 仿真验证，仿真结果证实了方案的正确性。之后进行系统硬件的设计，为 更加深入的研究微电网，搭建实验平台。主要工作分为以下几块： 1 研究学习微电网的概念和结构，掌握目前国内外微电网的发展程度和研究动 向，以及逆变技术在微电网中的应用。 2 介绍了逆变电源并网运行的要求以及微电网对逆变电源的要求，分析 比较了目前微电网中逆变电源控制技术的优缺点，提出了借鉴电力系 统中同步发电机组网的优势。 3 主要研究了适用于微电网的逆变电源。通过同步发电机的数学模型设 计了虚拟同步发电机，并对其结构和拓扑以及控制方法进行了分析研 究。 4 在m a t l a b s i m u l i n k 软件环境下，搭建了虚拟同步发电机的仿真模型， 对虚拟同步发电机进行了对比仿真研究。 5 硬件设计。设计了适用于微电网的逆变电源试验平台，为进一步实验 做准备。 6 1 5 本章小结 本章引述了新能源的发展的社会背景，分析了分布式发电系统中的各 种微源的特点，以及分布式发电系统在并网应用中的缺陷和不足，引入了 微电网的概念，阐述了微电网相对于传统分布式发电系统的优点以及意 义，并介绍了国内外微电网发展的现状。最后对本文的研究内容进行了规 划。 7 第二章适用于微电网的逆变电源控制方法 逆变电源作为微电网和大电网之间的接口装置，是实现微电源组网以及微 电网与大电网并网的关键。要求逆变电源在满足微电网负载功率的情况下，还必 须保证其输出电压符合大电网的并网要求，并且当微电网处于孤岛状态下，逆变 电源还必须能够及时调整输出，保障供电可靠性以及电能质量。传统的分布式逆 变电源控制方法在并网状态下，还能满足运行条件，但是却不能对电网故障或者 负载变化导致的孤岛状态进行及时的调整。因此有必要对微电网中的逆变电源的 控制策略进行重新设计，以满足不同状态下微电网对逆变电源的要求。 2 1 逆变电源并网控制技术 2 1 1 并网技术要求 为了更大程度的发挥微电网的优势，微电网需要与大电网之间进行并网运 行。在电力系统中，安全可靠是运行的第一要素，微电网要想与大电网并网运行， 必须满足一定的技术要求，否则势必会给电网和用户的安全带来不利影响。与电 力系统中发电机投入并网一样，微电网中的逆变电源在投入并网之前必须满足以 下几点条件n ： 1 逆变电源的频率必须和系统频率相同 2 逆变电源的输出电压必须和系统电压相同，误差范围不得超过5 3 逆变电源的相序必须和系统相同 4 逆变电源的输出电压相位必须和系统一致 只有微电网的输出电压满足以上技术要求时，才可以合闸并网，才能保证电网的 安全运行。 2 1 2 现有逆变电源并网技术 现有的逆变电源并网技术应用主要分为两大类：分布式发电并网技术和微电 网并网技术。而传统的分布式发电并网技术不能满足微电网中逆变电源的 运行要求。以光伏发电系统为例，分析分布式发电系统的并网技术，来阐述两 种并网技术的差异以及微电网的特点。 图2 一l 为光伏并网功率调节系统原理示意图，图中f l , 、b 、c 为公共电网的三 相，末端接有负载，光伏发电系统并于两者之间。在光伏发电系统中，m p p t 单元为最大功率跟踪控制单元，用来确定最大功率点工作电压以。电压 控制单元，其调节输出为并网电流有功分量幅值的给定f 。瞬时无功计算 单元检测电网电流的无功分量，由此确定无功补偿电流乞，在指令电流计 8 算单元内将有功分量与无功分量合成，最终得到系统的并网交流电流指令 值。电流控制单元完成并网电流的跟踪控制，保证输出电流跟踪指令电流 的精度。可见，逆变电源以电网电压为参考，以太阳能最大功率跟踪为目 的调节有功电流，以提供负载所需无功为目的调节无功电流，最终通过合 成的电流进行闭环控制，驱动逆变电源主电路开关管的通断。显而易见， 当微电网处于孤岛状态时，这种电流控制方法失去大电网电压的参考，因 此这种并网策略不适合用于微电网中 图2 - 1 光伏并网功率调节系统 在微电网中有许多分散的逆变电源并联在一起，要实现逆变电源并联稳定的 运行，其关键问题在于各并联逆变电源能共同承担负载所需的功率，以达到输出 与需求之间的平衡，如此系统才能工作在最佳状态。要做到这一点，要求各逆变 电源的输出正弦波电压必须具有相同的频率和幅值。在微电网中，多个并联的逆 变电源以输出的有功功率和无功功率为控制量对逆变电源的输出电压进行同步， 从而达到稳定和谐并联的目的。图2 2 显示的是两台逆变电源并联的等效电路， 忽略阻抗z l 、z 2 中的阻性成分，可得出逆变电源l 输出的有功和无功功率的表 达式为1 2 1 钔： p ：堡s i l l 也 ( 2 1 ) 彳o l “ q _ - 匕匕! ! 呈垒垒= 兰： ( 2 2 ) k l 9 v i 么巾1 z 1 吻多2 图2 - 2 两台逆变电源并联的等效电路 由于相角差a 巾很小，因此可认为：s i n a 巾a 巾，c o s a 巾1 。由式( 2 1 ) ( 2 2 ) 可得：逆变电源的输出有功功率主要由相角差a 由决定，而无功功率主 要受幅值v i 影响。基于此结论，在由逆变电源组成的微电网系统中，可以借鉴 电力系统中同步发电机的下垂特性，引入对p 、q 的调节达到控制逆变电源输出 电压的幅值和频率的目的，下垂法可表示如下： c o i = c o i o 一鸭 o ) ，负载接在逆变电源输出线上，通过电感厶 与微电网相连。 v i l 8 图4 - 2 逆变电源与微电网之间的能量示意图 图4 3 和图4 4 分别为逆变电源向微电网传输有功功率和无功功率的示意图。 图中显示，输出功率随着虬与致之间的相角6 变化而变化。 圪 图4 - 3 逆变电源向微电网传输有功功率 图4 - 4 逆变电源向微电网传输无功功率 根据图4 3 可得，有功功率p 为： p ：盟s i n 6 ( 4 - 6 ) c o l , 由式( 4 - 6 ) 可得：当相角艿 o 时，有功功率由逆变电源向微电网传送； 当艿 k ，所以( o 5 屹一一k ) 4 0 2 5 吃一2 一圪2 ，则连接感抗t 的 上限值取式( 4 - 1 2 ) 、( 4 - 1 4 ) 和( 4 - 1 8 ) 中的较小值，即： 厶幽( 等 k ( 吃。勰一2 圪) 0 5 吃。一k 2 c o q 2 、连接感抗三。的下限值 根据技术标准要求：逆变电源输出电压幅值波动范围必须限制在5 以内。 为了保证输出有功功率和无功功率的平衡和稳定，输出电压的相角6 必须随着幅 值的变化而变动，从而达到对有功功率和无功功率的控制。图4 5 为逆变电源输 出电压变化时，各变量之间的向量图。其中巧。、k 、k 、艿为额定基准值， 吃。、k 。、瞑和吃：、屹：、：、6 ：分别为输出电压变动时对应量。 吃2 吃 吃l 一吃2 一吃 一吃l ” 因为逆变电源在设计时已经限定了其额定功率，因此其最大输出功率 圪强 ， q 。而在输出电压为屹：时输出功率最大，又根据式( 4 8 ) 可知 圪2 的最大值取得k 2 ，故得式( 4 1 9 ) 、( 4 2 0 ) ： ：堡虹s i i l 如 (419)21 叫t o l 。2 1 ” 、。, q 眦：盟掣q ( 4 - 2 0 ) z l 由上述两式得： 厶垡丝s i n 6 2 (421)2 3 a ) p 厶警1 0 件2 2 ) z 仉 所以s i n 疋的最大值取 s i n 岛 带入( 4 - 2 1 ) 得。 厶酱 由此可知连接感抗t 的下限值取( 4 2 2 ) 和( 4 2 4 ) 两者中的最大值。 ( 4 2 3 ) ( 4 2 4 ) 通过以上分析计算得出逆变电源和电网之间的连接感抗t 的最终结果为式 3 l 4 3 本章小结 ，酱罹卜m 降罹，警，警 本章首先介绍了虚拟同步发电机的主电路结构，针对虚拟同步发电机的主电 路各部分的功能和特点，进行理论分析及参数设计。主要的设计对象为逆变器输 出侧的l c 低通滤波器和用于调节输出功率的连接感抗。根据两个单元的功能特 点，在参数设计的过程中充分考虑到电压，功率等变量的影响和要求，再依据实 际容量和开关频率的限制，最终确定了各参数或其取值范围。 3 2 彤一 一陪鳓 姒 第五章虚拟同步发电机的仿真研究 为了验证虚拟同步发电机理论的正确性，本章通过系统仿真软件对虚 拟同步发电机进行分析和验证。虚拟同步发电机的仿真主要包含系统稳 态、动态控制策略仿真和参数分析两个方面，而真正的目的则是为微电网 中逆变电源控制策略的分析和设计提供行之有效的指导方法。长期以来仿 真领域的研究重点是放在仿真模型建立这一环节上，即在系统模型建立以 后，要设计一种算法，以使系统模型为计算机所接受，并在计算机上运行， 由此就产生了各种仿真算法和仿真软件。 用于电力电子技术仿真的常用软件有很多，本文则选用了常见的 m a t l a b 仿真软件，并在s i m u l i n k 工具库中加入了p l e c s 仿真工具箱。一方 面采用p l e c s 工具箱中的实际开关元件模型和无源元件描述主电路，另 一方面则利用m a t l a b 提供的强大函数库，实现系统的数字化控制策略仿 真。这样就可以方便地将虚拟同步发电机系统的开关主电路和控制策略很 好的结合起来，并进行仿真分析和验证。 本章主要阐述了逆变电源虚拟同步发电机系统应用模型的构建方法， 并对系统的模型及控制策略进行了仿真实验，最后对仿真结果进行了分析 比较。 5 1p l e c s 工具箱简介及主电路模型啪踟 m a t l a b s i m m i n k 是运行在m a t l a d 3 环境中的用来对动态系统进行建模、 仿真和分析的软件包。对于建模，s i m u l i n k 提供了一个图形化的用户界面，但是 s i m u l i n k 不能接受用户以网络表或电路图形式输入的电路系统。p l e c s 工具箱 扩充了s i m u l i n k 的功能，使我们可以在s i m u l i n k 的环境中以网络表的形式建立 电路部分的模型。建模后的电路模型将以子系统的形式呈现在s i m u l i n k 中。系 统中控制部分的建模可以通过调用s i m u l i n k 中的各种工具箱来完成。在对仿真 系统进行建模以后，电路部分可以接收来自控制部分的电压、电流信号及开关信 号。而在仿真过程中，电路部分又将仿真的结果以电压量、电流量的形式传递给 控制部分。通过两个部分的交互作用，可以完成比较复杂的仿真任务，并且可以 利用m a t l a d 3 强大的计算功能来分析仿真的结果。目前，s i m u l i n k 被广泛地用 于控制系统的仿真。 p l e c s 工具箱由瑞士苏黎世工学院的j o s ta l l m e l i n g 和w o l 龟a n g h a m m e r 开发。它能为系统级电路仿真提供一个与s i m u l i n k 模型完全无缝 的整合。这个工具箱是特别为电力电子系统的仿真而开发的，用于仿真既 含有电路部分又含有复杂的控制方案的系统时，它是一个有效的工具。另 外p l e c s 工具箱有两大特色：一是仿真速度比同类仿真软件要快得多； 3 3 二是功率半导体元器件理想化，使实验结果更真实的反映理论分析，这样， 在根本上加快了专业人员的设计速度，减少了仿真分析时间，降低了成本， 提高了仿真的精确度。 p l e c s 工具箱足以m a t l a b 的s i m u l i n k 为运行环境可以与s i m f l i n k 并行 使用，也可以作为s i m d i n k 的一个工具箱，和s i m u l i n k 下的其他模块并列存在。 熟悉s i m u l i n k 的用户，会很轻松的掌握p l e c s 软件的编辑原理。p l 。e c s 的使用， 有效的提商了s i m u l i n k 的模拟仿真的性能和仿真速度。图5 - 1 显示了p l e c s 工 具箱的操作界面。 图5 - 1p l u s 工具箱的操作界面 p l e c s 区别于以往传统的模拟仿真应用软件，主要有以下一些显著的 特点： ( 1 ) 兼容性好：能与s i m u l i n k 达到无缝结合； ( 2 1 高效的编辑原理； ( 3 ) 开关转换的理想化： a 便于操作。一个理想的开关转化，不会让我们担心诸如导通电阻或 吸收电容这样的参数问题。通常，我们可能不知道这些数值，特别是系统 模拟所可能产生的寄生效应，也是很少被关注豹，这样，p l e c s 元件理想 化优势就体现在这里。 b 稳定性好。在模拟电路的措建时，使用吸收电路往往使模拟系统复 杂性增加，弹性系数也会上升。有些模块通常会要求采用固定步长