【硕士论文】直流微电网孤岛运行模式小干扰稳定性分析

工程硕士学位论文直流微电网孤岛运行模式小干扰稳定性分析STABILITYANALYSISOFDCMICROGRIDUNDERTHEISLANDOPERATINGMODE电气工程专业名称直流微电网稳定研究方向二一五年五月摘要化石能源的短缺、电能需求的速增和用户对电能质量要求的提高促进了微电网的发展。微电网既能高效利用清洁能源，又具有较高的可靠性和可控性。依据电流性质划分，微电网可以分为直流微电网和交流微电网。直流微电网相对交流微电网效率高、可控性强、损耗低、更有利于光伏等分布式电源的接入。对于并网运行的直流微电网，其电压稳定可由大电网支撑；孤岛运行模式下，系统直流电压的稳定完全依赖内部电源的控制，因此分析其小干扰稳定性具有理论和实际意义。本文首先介绍了总线式直流微电网和互联式直流微电网两种常用拓扑，针对智能住宅和商业中心等直流微电网应用场合，分析了采用直流配电方式的技术经济优点；其次，分析直流微电网中最基本的变换器单元的阻抗特性，揭示恒功率负载呈现负阻抗特性的原因；第三，将孤岛运行模式下总线式直流微电网利用戴维南定理等效成级联系统，基于阻抗比判据分析其母线电压的稳定性；最后，针对多个总线式直流微电网通过线路互联的系统，在孤岛运行模式下，建立互联直流微电网的降阶模型，利用小扰动特征分析法分析系统的小干扰稳定性。本文给出了总线式直流微电网的阻抗模型和互联式直流微电网的降阶模型，这两种模型可以适用于源和负荷采用各种联接方式的直流微电网的分析；采用下垂控制的直流微电网系统能够稳定运行的充分条件是下垂参数小于负荷的等效最小电阻值，该结论可用于设计直流微电网的控制参数；另外，本文分析了线路参数变化对系统特征值的影响，增大线路电阻或者减小线路电感有助于改善系统的稳定性。关键词直流微电网；孤岛运行模式；小干扰稳定；稳定性分析ABSTRACTDEPLETINGFOSSILFUELS,INCREASINGENERGYDEMAND,ANDNEEDFORHIGHRELIABILITYPOWERSUPPLYMOTIVATETHEUSEOFMICROGRIDMICROGRIDSAREIDENTIFIEDASANEFFECTIVEMETHODFORPOWERGENERATIONANDDISTRIBUTION,ALSOCANIMPROVETHEDEPENDABILITYANDCONTROLLABILITYACCORDINGTOTHECURRENTPROPERTY,MICROGRIDSCANBEDIVIDEDINTODCMICROGRIDANDACMICROGRIDCOMPAREDTOTHEACMICROGRID,DCMICROGRIDWITHHIGHEREFFICIENCY,LOWERENERGYCONSUMPTION,LIGHTERPOLLUTIONANDMORECONVENIENTTOACCESSINGFORTHEDISTRIBUTEDGENERATIONUNDERTHEGRIDCONNECTEDMODE,THEVOLTAGELEVELDEPENDONTHEGREATGRIDBUTITSCONTROLLEDBYPOWERELECTRONICCONVERTERSUNDERISLANDOPERATINGMODETHEREFORE,SMALLSIGNALSTABILITYANALYSISISVERYIMPORTANTFORTHEISLANDOPERATIONMODEOFTHEDCMICROGRIDFIRSTLY,THISPAPERFOCUSONTHESITUATIONSWHEREDCMICROGRIDAPPLYINGIN,SUCHASSMARTHOUSEANDBUSINESSCENTERSTHENANALYSETHETECHNICALANDECONOMICADVANTAGESOFDCMICROGRIDSECONDLY,ANALYSISTHEIMPEDANCECHARACTERISTICOFCONVERTERUNITINDCMICROGRID,REVEALTHENATUREOFCONSTANTPOWERLOADSWHICHHASNEGATIVEIMPEDANCECHARACTERISTICSTHIRDLY,ANALYSISTHESMALLSIGNALSTABILITYOFDCMICROGRIDBASEDONDCBUSBYIMPEDANCECRITERIONATTHELAST,UNDERTHEISLANDOPERATINGMODE,ANALYSISTHESMALLSIGNALSTABILITYOFINTERCONNECTEDDCMICROGRIDBYTHESMALLDISTURBANCECHARACTERISTICSANALYSISMETHODTHISPAPERSETUPTHEIMPEDANCEMODELOFDCMICROGRIDBASEDONDCBUSANDTHEREDUCEDMODELOFINTERCONNECTEDDCMICROGRIDTHEMETHODSPROPOSEDINTHISPAPERISAPPLICABLETOANYINTERCONNECTINGSTRUCTUREOFSOURCESANDLOADSTHESUFFICIENCYCONDITIONFORSTABLEOPERATIONOFTHESYSTEMISDERIVEDITPROVIDESUPPERBOUNDONDROOPCONSTANTSANDISUSEFULDURINGPLANNINGANDDESIGNINGOFDCMICROGRIDSFURTHERMORE,THESENSITIVITYOFSYSTEMPOLESTOVARIATIONINCABLERESISTANCEANDINDUCTANCEISIDENTIFIEDITISPROVEDTHATTHEPOLESMOVEFURTHERINSIDETHENEGATIVEREALPLANEWITHADECREASEININDUCTANCEORANINCREASEINRESISTANCEKEYWORDSDCMICROGRIDISLANDOPERATINGMODESMALLSIGNALSTABILITYSTABILITYANALYSIS目录摘要IABSTRACTIII1引言111研究背景与意义1111研究背景1112选题意义212研究现状3121微电网发展现状3122直流微电网发展现状4123微电网稳定性研究现状713本文主要内容92直流微电网拓扑及变换器建模1121直流微电网拓扑11211总线式直流微电网12212互联式直流微电网13213直流微电网技术经济比较1522直流微电网变换器19221变换器数学模型19222变换器控制策略21223变换器阻抗特性2423直流微电网控制方式273总线式直流微电网稳定性分析3131基于阻抗比的稳定判据3132总线式直流微电网数学建模34321系统组成34322系统等效模型3533总线式直流微电网稳定性分析37331稳定性分析37332仿真分析4034实验验证4235本章小结444互联式直流微电网稳定性分析4541小扰动特征分析法4542互联式直流微电网数学建模47421源线性化方程48422负荷线性化方程48423线路线性化方程48424系统等效模型49425降阶模型验证5043互联式直流微电网稳定性分析53431特征值分析53432灵敏度分析53433仿真分析5544本章小结595结论与展望6151结论6152展望61参考文献63致谢671引言11研究背景与意义111研究背景随着人类社会的进步与发展，电能作为二次能源，需求迅速增长，近代经济和科技的发展离不开电力的发展，电力工业在国民经济中的地位越来越重要，国民经济每增长1，电力工业要相应增长13151。目前，我国电力投资大多集中在火电、水电以及核电等大型集中电源和超高压远距离输电网的建设上。我国能源主体是火电、水电和核电等，其中火电占70以上，而火电主要来源于不可再生的化石能源，如煤、天然气。一方面，石油、煤炭、天然气等不可再生能源储量日益减少以致将来必然会枯竭；另一方面，中国的PM25，60的来源与燃煤和燃油有关，由化石燃料引发的环境问题日益受到关注。另外，由于我国水资源分布不均匀，能源利用和水资源地域性很明显，耗资巨大的三峡大坝工程，至今仍在争议其对于环境和生态是否有不可逆转的影响。日本福岛核电站事件后，虽然是受自然灾害影响，但是对于核泄漏的风险和核废料处理问题导致清洁优质的核电的发展明显减缓。在我国，能源中心和负荷中心地区一般都相距甚远。一次能源中，煤炭资源主要集中在山西、内蒙古等地区，水利资源集中在四川、云南等有水位落差的山区，而负荷中心主要集中在珠三角和长三角等大城市、大工业区。因此，目前我国电力系统内电能生产、输送和分配方式是集中发电、高压远距离输电和大电网互联。这种运行方式能减少电能在由能源中心向负荷中心地区传输过程中的损耗，改善能源使用效率，提高电力系统经济性、稳定性和可靠性。随着电网规模的不断扩大，超大规模电力系统的弊端也日益凸现，成本高、运行难度大、难以适应用户越来越高的安全和可靠性要求以及多样化的供电需求。尤其在近年来世界范围内接连发生几次大面积停电事故后，大电网的脆弱性充分暴露出来。当前，人类面临资源可持续发展和经济持续发展的双重挑战，一味地扩大电网规模显然不能满足要求，必须优化电力系统能源的结构，开发多样化、清洁环保的光伏和风电等清洁可再生能源。分布式发电指的是电能在距离负荷较近的地方生产并直接供电给用户的方式，具有可靠性高、污染少、能源利用率高和安装地点灵活等特点2，有效解决了大型集中电网的许多潜在问题。目前，欧美等发达国家开始广泛研究能源多样化的、高效和经济的分布式发电系统，并取得突破性进展。无疑，分布式发电将成为未来大型电网的有力补充和有效支撑，是未来电力系统的发展趋势之一。尽管分布式电源优点突出，但本身存在诸多问题3，例如，分布式电源单机接入成本高、控制困难等。另外，分布式电源相对大电网来说是一个不可控源，因此大系统往往采取限制、隔离的方式来处置分布式电源，以期减小其对大电网的冲击。IEEEP1547对分布式能源的入网标准做了规定当电力系统发生故障时，分布式电源必须马上退出运行4。这就大大限制了分布式能源效能的充分发挥。为协调大电网与分布式电源间的矛盾，充分挖掘分布式能源为电网和用户所带来的价值和效益，美国电气可靠性技术解决方案协会（CERTS）提出了微电网的概念。112选题意义微电网从系统观点看问题，将发电机、负荷、储能装置及控制装置等结合，形成一个单一可控的单元，同时能向用户供给电能和热能5。微电网中的电源多为微电源，包括微型燃气轮机、燃料电池、光伏电池以及超级电容、飞轮、蓄电池等储能装置。它们接在用户侧，具有低成本、低电压、低污染等特点6。微电网既可与大电网联网运行，也可在电网故障或需要时与主网断开单独运行。它还具有双重角色对于公用电力企业，微电网可视为电力系统可控的单元，例如，这个单元可以被控制为一个简单的可调度负荷，可以在数秒内做出响应以满足传输系统的需要；对于用户，微电网可以作为一个可定制的电源，以满足用户多样化的需求7，例如，增强局部供电可靠性，降低馈电损耗，支撑当地电压，通过利用废热提高效率，提供电压下陷的校正，或作为不间断电源。此外，紧紧围绕全系统能量需求的设计理念和向用户提供多样化电能质量的供电理念是微电网的两个重要特征。在接入问题上，微电网的入网标准只针对微电网与大电网的公共连接点，而不针对各个具体的微电源。微电网不仅解决了分布式电源的大规模接入问题，充分发挥了分布式电源的各项优势，还为用户带来了其他多方面的效益8。微电网作为一个独立的整体，可以并网运行，也可以在孤岛模式运行9。按照微电网中电流运行方式，微电网可以分为交流微电网和直流微电网，与交流微电网相比，直流微电网不需要对电压的相位和频率进行跟踪，可控性和可靠性进一步提高，因而更加适合分布式电源和负载的接入10。理论上，直流微电网仅需一级变换器就能方便实现与分布式电源和负载的连接，具有更高转化效率；同时，直流电在传输过程中不需要考虑配电线路的涡流损耗和线路吸收的无功功率，线路损耗得到降低；碳排放方面，直流微电网相对交流微电网碳排放更少，更环保。直流微电网系统中，分布式电源通过电力电子变换器与负荷相连。电源子系统和负荷子系统在独立运行时是稳定的，但是子系统的相互作用可能导致系统稳定性的降低。一般典型的直流微电网系统的负荷中，7580为恒功率负荷，只有20的阻性负荷11，阻性负荷提供正阻尼，而恒功率负荷对外呈现负阻抗特性。恒功率负荷所呈现的负阻抗特性是影响直流微电网稳定性的重要原因。在直流微电网中，系统中不考虑无功功率的流动，电压成为了反映系统功率平衡的唯一指标，控制直流微电网中的电压稳定，就可以控制微电网稳定运行12。孤岛运行模式时，直流微电网可以作为一个可定制的电源，可以满足用户多样化的需求。如果发生电压失稳，就可能导致直流微电网不能稳定运行，电能质量下降，影响供电可靠性。因此，研究孤岛运行模式下直流微电网的稳定性问题对未来直流微电网运用到配电系统中有重要意义。12研究现状121微电网发展现状负荷的持续增长、电力系统结构的不断老化、环保问题、能源利用效率瓶颈以及用户对电能质量的高标准要求，已成为世界各国电力工业所面临的严峻挑战。微电网对分布式电源的有效利用及灵活、智能的控制特点，使其在解决上述问题方面表现出极大潜能，是许多国家未来电力发展战略的重点之一。目前，一些国家已纷纷开展微电网研究，立足于本国电力系统的实际问题与国家的可持续发展能源目标，提出了各自的微电网概念和发展目标。作为一个新的技术领域，微电网在各国的发展呈现不同特色。美国最早提出微电网的概念。早在1999年，美国已成立电气可靠性技术解决方案协会CERTS，它对微电网的定义、保护、结构、控制等一系列问题做了概括，并对微电网的主要思想和关键问题进行了描绘和概括。在CERTS推动下，美国电力公司、TECOGEN公司、STIANJINWUYANXINGKAISUNGURRERO,JMPOWERCONTROLOFDCMICROGRIDUSINGDCBUSSIGNALINGC2011TWENTYSIXTHANNUALIEEEAPPLIEDPOWERELECTRONICSCONFERENCEANDEXPOSITIONAPEC,20111926193244XIAOFENGSUNZHIZHENLIANBAOCHENGWANGXINLIAHYBRIDRENEWABLEDCMICROGRIDVOLTAGECONTROLCIEEE6THINTERNATIONALPOWERELECTRONICSANDMOTIONCONTROLCONFERENCE,2009IPEMC0972572945BOROYEVICH,DCVETKOVIC,IDONGDONGBURGOS,RFEIWANGLEE,FFUTUREELECTRONICPOWERDISTRIBUTIONSYSTEMS一ACONTEMPLATIVEVIEWC,12THINTERNATIONALCONFERENCEONOPTIMIZATIONOFELECTRICALANDELECTRONICEQUIPMENTOPTIM,20101369138046SALOMONSSON,DSODER,LSANNINO,AANADAPTIVECONTROLSYSTEMFORADCMICROGRIDFORDATACENTERSCCONFERENCERECORDOFTHE2007IEEEINDUSTRYAPPLICATIONSCONFERENCE,200742NDIASANNUALMEETING2714272147薛贵挺,张焰,祝达康孤立直流微电网运行控制策略J电力自动化设备,2013,333465348张犁,孙凯,吴田进,邢岩基于光伏发电的直流微电网能量变换与管理J电工技术学报,2013,28224825549陆晓楠,孙凯等适用于交直流混合微屯网的直流分层控制系统J电工技术学报,2013,284354350XIAONANLU,JOSEPMGUERRERO,HIERARCHICALCONTROLOFPARALLELACDCCONVERTERLNTERFACESFORHYBRIDMICROGRIDSJ,IEEETRANSACTIONSONSMARTGRID2014,3,5268370251MAGNE,PNAHIDMOBARAKEH,BPIERFEDERICI,SADESIGNMETHODFORAFAULTTOLERANTMULTIAGENTSTABILIZINGSYSTEMFORDCMICROGRIDSWITHCONSTANTPOWERLOADSCTRANSPORTATIONELECTRIFICATIONCONFERENCEANDEXPOITEC2012IEEE,1752CHEOLHEEYOOWONJUNCHOIILYOPCHUNGDONGJUNWONSUNGSOOHONGBYUNGJUNJANGHARDWAREINTHELOOPSIMULATIONOFDCMICROGRIDWITHMULTIAGENTSYSTEMFOREMERGENCYDEMANDRESPONSEC,POWERANDENERGYSOCIETYGENERALMEETING,2012IEEE,16,53郝雨辰,吴在军等多代理系统在直流微网稳定控制中的应用J中国电机工程学报,2012,9,3225273654KAKIGANO,HMIURA,YISE,TDISTRIBUTIONVOLTAGECONTROLFORDCMICROGRIDSUSINGFUZZYCONTROLANDGAINSCHEDULINGTECHNIQUEJIEEETRANSACTIONSONPOWERELECTRONICS,2013,285,2246225655KAKIGANO,HNISHINO,AMIURA,YISE,TDISTRIBUTIONVOLTAGECONTROLFORDCMICROGRIDBYCONVERTERSOFENERGYSTORAGESCONSIDERINGTHESTOREDENERGYC2010IEEEENERGYCONVERSIONCONGRESSANDEXPOSITIONECCE,20102851285656KAKIGANO,HMIURA,YISE,TLOWVOLTAGEBIPOLARTYPEDCMICROGRIDFORSUPERHIGHQUALITYDISTRIBUTIONJIEEETRANSACTIONSONPOWERELECTRONICS,20102512,3066307657MOHANN,ROBBINSWP,IMBERTSONP,ETALRESTRUCTURINGOFFIRSTCOURSESINPOWERELECTRONICSANDELECTRICDRIVESTHATINTEGRATESDIGITALCONTROLJPOWERELECTRONICS,IEEETRANSACTIONSON,2003,181429