微电网运行-有功功率与无功功率控制

1、6412022年3月25日星期五微电网有功功率和无功功率控制微电网有功功率和无功功率控制4-1 4-1 微型电源控制器功能微型电源控制器功能 4-2 4-2 有功功率控制有功功率控制 4-3 4-3 无功功率控制无功功率控制 4-4 4-4 微型电源在不对称负荷情况的运行和控制微型电源在不对称负荷情况的运行和控制 6422022年3月25日星期五4-1 4-1 微型电源控制器功能微型电源控制器功能 电力电子装置可为微电网提供灵活的控制功能，从而使其同电力电子装置可为微电网提供灵活的控制功能，从而使其同时满足用户和电力系统的需要。时满足用户和电力系统的需要。 微电网控制必须保证新的微型电源加入到

2、系统中时，不需要微电网控制必须保证新的微型电源加入到系统中时，不需要更改微电网中已有设备的运行状态。更改微电网中已有设备的运行状态。 微电网可以非常迅速和无缝隙地与大电网并列或解列。微电网可以非常迅速和无缝隙地与大电网并列或解列。 系统的有功功率和无功功率可以分别控制。系统的有功功率和无功功率可以分别控制。 电压降落和三相不平衡可以得到校正。电压降落和三相不平衡可以得到校正。 微电网能够满足电力系统负荷的动态特性的要求。微电网能够满足电力系统负荷的动态特性的要求。 设计控制器时最关键的是在微电网的正常操作中，各微型电设计控制器时最关键的是在微电网的正常操作中，各微型电源不必互相交流信息，每个微

3、型电源控制器必须能够有效地源不必互相交流信息，每个微型电源控制器必须能够有效地响应系统的变化，而不需要来自于其它微型电源或本地其它响应系统的变化，而不需要来自于其它微型电源或本地其它设备的数据。设备的数据。 微型电源控制器的主要功能：调节馈线上的潮流；控制每个微型电源控制器的主要功能：调节馈线上的潮流；控制每个微型电源接口处的电压；当系统处于孤岛运行状态时，保证微型电源接口处的电压；当系统处于孤岛运行状态时，保证每个微型电源能够迅速承担它所分配的负荷；微电网能够自每个微型电源能够迅速承担它所分配的负荷；微电网能够自动平滑地进入孤岛运行和重新与大电网并列的能力。动平滑地进入孤岛运行和重新与大电网

4、并列的能力。 6432022年3月25日星期五4-1 4-1 微型电源控制器功能微型电源控制器功能 一、有功功率和无功功率控制一、有功功率和无功功率控制 微型电源由三个部分组成，即微型发电系统、直流接口和电微型电源由三个部分组成，即微型发电系统、直流接口和电压源逆变器。压源逆变器。 微型电源通过一个电抗器连接微型电源通过一个电抗器连接到微电网。到微电网。 电压源逆变器同时控制微型电电压源逆变器同时控制微型电源输出电压的幅值和相位。源输出电压的幅值和相位。 逆变器的输出电压逆变器的输出电压U、微电网的本地电压、微电网的本地电压E以及电抗器的电抗以及电抗器的电抗X决定了微型电源输出到微电网的有功功

5、率决定了微型电源输出到微电网的有功功率P和无功功率和无功功率Q， 当系统受到微小扰动时，当系统受到微小扰动时，P主要取决于功角主要取决于功角P，Q取决于逆变取决于逆变器的输出电压幅值器的输出电压幅值U。这些关系构成了有功功率调节和通过调。这些关系构成了有功功率调节和通过调节无功功率控制电压的基本的反馈控制方法。节无功功率控制电压的基本的反馈控制方法。PXUEPsin23PEUXUQcos23EUP6442022年3月25日星期五4-1 4-1 微型电源控制器功能微型电源控制器功能 若要将大量微型电源集成到微电网中，不能仅仅采用基本的若要将大量微型电源集成到微电网中，不能仅仅采用基本的P-Q控制

6、，为保证微电网的可靠性和稳定性必须实现电压调节。控制，为保证微电网的可靠性和稳定性必须实现电压调节。 二、电压倾斜控制二、电压倾斜控制 若没有电压控制，具有大量微型电源的微电网将可能产生电若没有电压控制，具有大量微型电源的微电网将可能产生电压和无功功率振荡。压和无功功率振荡。 电压控制必须确保电源之间没有较大的无功环流，该问题与电压控制必须确保电源之间没有较大的无功环流，该问题与具有大型同步发电机的电力系统控制一样。具有大型同步发电机的电力系统控制一样。 在大电网中，发电机之间的阻抗足够大，从而减小了环流产在大电网中，发电机之间的阻抗足够大，从而减小了环流产生的可能性。生的可能性。 在辐射型微

7、电网中，较大无在辐射型微电网中，较大无功环流问题非常显著，当出功环流问题非常显著，当出现很小的电压参考值偏差时，现很小的电压参考值偏差时，环流可能超出微型电源的额环流可能超出微型电源的额定值。定值。 因此微电网需要电压因此微电网需要电压-无功电流倾斜控制，使得微型电源产生无功电流倾斜控制，使得微型电源产生的无功电流更加偏于容性，本地电压设定值减小。的无功电流更加偏于容性，本地电压设定值减小。 6452022年3月25日星期五4-1 4-1 微型电源控制器功能微型电源控制器功能 不仅具有微型电源，还有电能存储装置的微电网不仅可以运不仅具有微型电源，还有电能存储装置的微电网不仅可以运行在与大电网并

8、列运行的状态，也可运行于孤岛状态。行在与大电网并列运行的状态，也可运行于孤岛状态。三、快速负荷跟踪和电能存储的需要三、快速负荷跟踪和电能存储的需要 当微电网运行于孤岛状态时，微电网的负荷跟踪能力可能成当微电网运行于孤岛状态时，微电网的负荷跟踪能力可能成为问题，因为微型涡轮发电机和燃料电池的响应速度比较慢，为问题，因为微型涡轮发电机和燃料电池的响应速度比较慢，时间常数为时间常数为10200s，并且基本上没有动能储备。，并且基本上没有动能储备。 大型电力系统中的发电机的动能具有电能存储的作用，当新大型电力系统中的发电机的动能具有电能存储的作用，当新的负荷接入到线路上时，最初的能量平衡由系统的动能实

9、现，的负荷接入到线路上时，最初的能量平衡由系统的动能实现，这将导致系统频率轻微下降。这将导致系统频率轻微下降。 微电网不能依靠发电机的动能，必须采用某种形式的能量存微电网不能依靠发电机的动能，必须采用某种形式的能量存储，保证最初的电能平衡。储，保证最初的电能平衡。 微电网的能量存储可为下述几种形式：可在每个微型电源的微电网的能量存储可为下述几种形式：可在每个微型电源的直流母线上采用蓄电池或超级电容；直接将交流电能存储装直流母线上采用蓄电池或超级电容；直接将交流电能存储装置置(蓄电池、飞轮电能存储装置等蓄电池、飞轮电能存储装置等)连接到微电网；或者采用较连接到微电网；或者采用较大动能的微型发电机

10、等。在此我们仅假设在微型电源的直流大动能的微型发电机等。在此我们仅假设在微型电源的直流母线上装设有足够容量的电能存储装置。母线上装设有足够容量的电能存储装置。 6462022年3月25日星期五4-1 4-1 微型电源控制器功能微型电源控制器功能 采用先进的控制技术微电网能够提供基本的潮流控制。采用先进的控制技术微电网能够提供基本的潮流控制。四、孤岛运行模式下实现功率分配的频率倾斜控制四、孤岛运行模式下实现功率分配的频率倾斜控制 在孤岛运行模式，必须考虑每个逆变器产生的微小频率误差在孤岛运行模式，必须考虑每个逆变器产生的微小频率误差和需要改变逆变器的输出功率来匹配负荷的变化等问题。和需要改变逆变

11、器的输出功率来匹配负荷的变化等问题。 每个微型电源的功率每个微型电源的功率-频率倾斜特性不需要复杂的通信网络就频率倾斜特性不需要复杂的通信网络就能解决上述问题。能解决上述问题。 当微电网与大电网并列运行时，根据用户的需要，微电网中当微电网与大电网并列运行时，根据用户的需要，微电网中的负荷可同时从大电网和本地微型电源取用电能。的负荷可同时从大电网和本地微型电源取用电能。 当微电网与大电网断开后，微电网中每个电源的电压相位角当微电网与大电网断开后，微电网中每个电源的电压相位角将发生变化，将发生变化， 导致本地电压频率明显地下降。导致本地电压频率明显地下降。 随着频率的下随着频率的下 降每个微型电源

12、根据其功率降每个微型电源根据其功率-频率调节特性按一定比例频率调节特性按一定比例增加其输出功率，实现负增加其输出功率，实现负荷分配的功能，不需要能荷分配的功能，不需要能量管理系统提供新的功率量管理系统提供新的功率分配方案。分配方案。 6472022年3月25日星期五4-2 4-2 有功功率控制有功功率控制 由同步发电机组成的电力系统，两台或两台以上发电机之间由同步发电机组成的电力系统，两台或两台以上发电机之间有功功率分配主要通过控制器的频率倾斜特性实现。有功功率分配主要通过控制器的频率倾斜特性实现。 与由同步发电机组成的电力系统类似，微电网中分布式电源与由同步发电机组成的电力系统类似，微电网中

13、分布式电源之间的负荷分配同样采用频率倾斜特性实现。之间的负荷分配同样采用频率倾斜特性实现。 在电力系统中，频率倾斜特性是发电机的惯性、负荷的频率在电力系统中，频率倾斜特性是发电机的惯性、负荷的频率调节特性和转速调节特性和转速/频率调节特性等的综合，由电机的转动惯量、频率调节特性等的综合，由电机的转动惯量、与频率相关的负荷以及调速器等实际的设备实现。与频率相关的负荷以及调速器等实际的设备实现。 在由分布式电源互联所组成的微电网中，每台分布式电源的在由分布式电源互联所组成的微电网中，每台分布式电源的频率倾斜特性是通过其控制器的软件来实现，实现分布式电频率倾斜特性是通过其控制器的软件来实现，实现分布

14、式电源之间的负荷分配。源之间的负荷分配。 分布式电源的控制器通常采用分布式电源的控制器通常采用DSP实现，因此具有非常大的灵实现，因此具有非常大的灵活性，不会受到电机的转动惯量、频率相关负荷、调速器的活性，不会受到电机的转动惯量、频率相关负荷、调速器的时间常数或原动机的时间常数等这些物理参数的限制。时间常数或原动机的时间常数等这些物理参数的限制。 6482022年3月25日星期五4-2 4-2 有功功率控制有功功率控制 一、单台微型电源的有功功率控制一、单台微型电源的有功功率控制 微电网中电动机等与微电网中电动机等与频率相关的负荷可提频率相关的负荷可提供附加的负荷调节作供附加的负荷调节作用，但

15、其调节效应非用，但其调节效应非常小，可忽略不计。常小，可忽略不计。 有功功率控制器包含有功功率控制器包含 一个频率恢复环节，其功能类似于同步发电机中的调速器。一个频率恢复环节，其功能类似于同步发电机中的调速器。 bsTbsPbsTbsPsGrefLGL1111设设1/s=0可得到控制器频率响应的暂态偏移：可得到控制器频率响应的暂态偏移：LPb 控制器在负荷变化的瞬间具有有限的频率降落，这与具有大控制器在负荷变化的瞬间具有有限的频率降落，这与具有大惯性的同步发电机控制系统的在负荷变化瞬间的零频率降落惯性的同步发电机控制系统的在负荷变化瞬间的零频率降落特性不同。特性不同。 6492022年3月25

16、日星期五4-2 4-2 有功功率控制有功功率控制 频率倾斜特性将负荷变化开始初始特性曲线频率倾斜特性将负荷变化开始初始特性曲线(虚线虚线)以一阶时以一阶时间常数间常数TG转换到稳态特性曲线转换到稳态特性曲线(实线实线)。令令s=0可得到控制器的稳态频率偏移：可得到控制器的稳态频率偏移： bPPrefLL11 负荷功率的变化由电源输出功率变化提供，用负荷功率的变化由电源输出功率变化提供，用PG表示。表示。 当本地负荷突然变化时，系统频率将首先按当本地负荷突然变化时，系统频率将首先按1/s=0突变，并最突变，并最终达到终达到s=0所确定的稳态值。所确定的稳态值。 64102022年3月25日星期五

17、4-2 4-2 有功功率控制有功功率控制 实际转速实际转速和所需功率和所需功率PG的变化曲线。的变化曲线。 LGsPPbsTbrefL1110 通过改变参考功率，可将控制器设通过改变参考功率，可将控制器设置到满足任何负荷要求的给定额定置到满足任何负荷要求的给定额定频率。频率。当系统的参考功率不变，而负荷变化当系统的参考功率不变，而负荷变化时，频率的变化为时，频率的变化为64112022年3月25日星期五4-2 4-2 有功功率控制有功功率控制 二、两台微型电源并列运行的有功控制二、两台微型电源并列运行的有功控制 具有自动发电控制的微电网可根据系统频率的变化调节各微具有自动发电控制的微电网可根据

18、系统频率的变化调节各微型电源的参考功率型电源的参考功率PL_ref。 因为微电网的主要目标是对电能质量非常敏感的负荷提供可因为微电网的主要目标是对电能质量非常敏感的负荷提供可靠的电能，因此控制器参考功率的变化必须非常迅速地跟随靠的电能，因此控制器参考功率的变化必须非常迅速地跟随负荷的变化。负荷的变化。 当控制器的参考功率发生变化时，微当控制器的参考功率发生变化时，微型电源的频率偏差为型电源的频率偏差为 sPsTbbrefLGsPL_0164122022年3月25日星期五4-2 4-2 有功功率控制有功功率控制 两台微型电源并列运行的功率控制传递函数框图两台微型电源并列运行的功率控制传递函数框图

19、 21tsTP 流过联络线上潮流可等效为两台发电机的负荷，大小相等，流过联络线上潮流可等效为两台发电机的负荷，大小相等，方向相反。方向相反。 tieXT31464132022年3月25日星期五4-2 4-2 有功功率控制有功功率控制 潮流的方向取决于两条母线之间电压的相位差，为两个系统潮流的方向取决于两条母线之间电压的相位差，为两个系统之间相对频率偏差的函数。之间相对频率偏差的函数。设设PL1发生变化而发生变化而PL2为零，则可确定系统的频率偏移和联络为零，则可确定系统的频率偏移和联络线上的功率变化。线上的功率变化。 (1)首先考虑传递函数中没有频率调节器的情况。首先考虑传递函数中没有频率调节

20、器的情况。 当母线当母线1上的负荷发生变化时微型电源上的负荷发生变化时微型电源1的频率偏移为的频率偏移为 212111bbTsTbsbsPL微型电源微型电源2的频率偏移为的频率偏移为 212112bbTsbTbsPL从母线从母线1到母线到母线2联络线上功率变化为：联络线上功率变化为： 2111bbTsTbsPPLt1. 没有自动发电控制时的有功功率控制没有自动发电控制时的有功功率控制64142022年3月25日星期五4-2 4-2 有功功率控制有功功率控制 电源电源1的初始频率偏移为的初始频率偏移为111LPb 电源电源2的初始频率偏移为的初始频率偏移为02联络线上的初始功率变化为联络线上的初

21、始功率变化为 0tP 负荷负荷1的瞬时功率改变开始时并不能由电源的瞬时功率改变开始时并不能由电源2提供，这是因为提供，这是因为联络线对系统功率的变化具有积分的作用。另外联络线也不联络线对系统功率的变化具有积分的作用。另外联络线也不能存储电能来支持负荷的瞬时变化。能存储电能来支持负荷的瞬时变化。 在负荷变化瞬间，两电源的频率变化不相等将引起母线在负荷变化瞬间，两电源的频率变化不相等将引起母线1和和母线母线2之间的电压相位差迅速变化，从而使得由电源之间的电压相位差迅速变化，从而使得由电源1响应母响应母线线1上负荷瞬时变化的持续时间达到最小。上负荷瞬时变化的持续时间达到最小。 两台电源在暂态过程的初

22、期即可实现负荷的分配，这与常规两台电源在暂态过程的初期即可实现负荷的分配，这与常规的由同步发电机组成的多机系统不同。这对由分布式电源组的由同步发电机组成的多机系统不同。这对由分布式电源组成的微电网具有积极的作用成的微电网具有积极的作用 。系统达到稳态时，两台电源的频率变化和频率变化率将相等。系统达到稳态时，两台电源的频率变化和频率变化率将相等。 系统达到稳态时频率偏系统达到稳态时频率偏差和联络线上的功率变差和联络线上的功率变化为：化为： 111111LPbb111211/1LtPbbbP64152022年3月25日星期五4-2 4-2 有功功率控制有功功率控制 当负荷当负荷1阶跃变化而负荷阶跃

23、变化而负荷2不变，且两台电源均没有频率恢复控不变，且两台电源均没有频率恢复控制时，系统的响应曲线：制时，系统的响应曲线： 由于系统具有恒定增益的倾斜特性，当负荷发生变化的瞬间，由于系统具有恒定增益的倾斜特性，当负荷发生变化的瞬间，频率突然下降。频率突然下降。64162022年3月25日星期五4-2 4-2 有功功率控制有功功率控制 (2)考虑频率恢复控制回路的作用考虑频率恢复控制回路的作用 当负荷发生当负荷发生1变化而负荷变化而负荷2不变时，系统频率将恢复到接近于额不变时，系统频率将恢复到接近于额定频率，此时稳态频率偏差和联络线上功率变化为定频率，此时稳态频率偏差和联络线上功率变化为 1112

24、1111LPbb111212211/1LtPbbbP64172022年3月25日星期五4-2 4-2 有功功率控制有功功率控制 稳态时频率偏移额定数值的大小由于调节器的作用而减小。稳态时频率偏移额定数值的大小由于调节器的作用而减小。 两台并列运行的微型电源的稳态频率特性和负荷分配：两台并列运行的微型电源的稳态频率特性和负荷分配： 设负荷变化前系统处于稳定设负荷变化前系统处于稳定工作状态，两台电源的输出工作状态，两台电源的输出功率等于设定值，系统的总功率等于设定值，系统的总功率为：功率为： 2010_LLinitGPPP总的负荷由两台电源根据稳总的负荷由两台电源根据稳 态时的功率态时的功率-频率

25、倾斜特性分配。频率倾斜特性分配。 两台电源的频率倾斜特性的斜率分别为两台电源的频率倾斜特性的斜率分别为 11011111_1bPKrefLPG22022211_2bPKrefLPG当母线当母线1的负荷变化时，系统总功率为的负荷变化时，系统总功率为 1201021_LLLGGfinalGPPPPPP64182022年3月25日星期五4-2 4-2 有功功率控制有功功率控制 当参考输出功率不变时，根据电源的功率当参考输出功率不变时，根据电源的功率-频率特性，系统频频率特性，系统频率下降，电源的输出功率增加，从而满足负荷的需要。率下降，电源的输出功率增加，从而满足负荷的需要。 稳态时系统增加的功率为

26、稳态时系统增加的功率为 121LGGPPP因为稳态时两台电源的频率变化相等，因此可得：因为稳态时两台电源的频率变化相等，因此可得：11222111bPbPGG12121111/1/1/1LGPbbbP12121222/1/1/1LGPbbbP当忽略每台电源的功率当忽略每台电源的功率-频率频率动态动态特性时，两台微型电源组成的特性时，两台微型电源组成的系统，其稳态频率特性也可用一条特性倾斜表示。系统，其稳态频率特性也可用一条特性倾斜表示。64192022年3月25日星期五4-2 4-2 有功功率控制有功功率控制 2. 有自动发电控制时的有功功率控制有自动发电控制时的有功功率控制若两台分布式电源并

27、列运行，当电源若两台分布式电源并列运行，当电源1的功率设定值变化而电源的功率设定值变化而电源2的不变时，两台分布式电源的频率变化以及联络线上的功率变的不变时，两台分布式电源的频率变化以及联络线上的功率变化如下图所示。化如下图所示。 64202022年3月25日星期五4-2 4-2 有功功率控制有功功率控制 电源电源1设定参考功率的变化也将导致两台分布式电源所分配设定参考功率的变化也将导致两台分布式电源所分配的负荷功率发生变化。的负荷功率发生变化。 假设稳态时两台分布式电源的参考功率等于各自的本地负荷功假设稳态时两台分布式电源的参考功率等于各自的本地负荷功率，则暂态过程发生前系统的总功率为：率，

28、则暂态过程发生前系统的总功率为： 2010_LLinitGPPP11111bK22211bK两电源频率倾斜特性的斜率分别为两电源频率倾斜特性的斜率分别为当电源当电源1的频率控制器的参考功率增加的频率控制器的参考功率增加PL1-ref时，两台微电源之时，两台微电源之间的负荷分配如图。间的负荷分配如图。系统稳定时的总功率为系统稳定时的总功率为 201021_LLGGfinalGPPPPP64212022年3月25日星期五4-2 4-2 有功功率控制有功功率控制 当频率控制器的参考功率设定值发生变化而负荷不变时，总当频率控制器的参考功率设定值发生变化而负荷不变时，总的输出功率由两台分布式电源重新分配

29、来承担，而系统稳态的输出功率由两台分布式电源重新分配来承担，而系统稳态频率发生了变化。频率发生了变化。 由于负荷不变，即由于负荷不变，即 021LGGPPP两台电源的稳态频率偏差为：两台电源的稳态频率偏差为： 11111111111bsPbPrefLG222211bPG系统达到稳态时，两台电源的频率偏差相同，则系统达到稳态时，两台电源的频率偏差相同，则1122211/1/1bPbPPGrefLG21212211/1/1/1bbbPPrefLG21212212/1/1/1bbbPPrefLG 电源电源1的参考功率设定值变化将引起两台发电机的输出功率的参考功率设定值变化将引起两台发电机的输出功率变

30、化。变化。64222022年3月25日星期五4-2 4-2 有功功率控制有功功率控制 系统总的稳态频率偏差为系统总的稳态频率偏差为 21211/1/11bbPrefL当忽略每台电源的功率当忽略每台电源的功率-频率动态特性时，两台分布式电源组成频率动态特性时，两台分布式电源组成的系统的稳态频率特性也可用一条特性倾斜表示。的系统的稳态频率特性也可用一条特性倾斜表示。64232022年3月25日星期五4-3 4-3 无功功率控制无功功率控制 微电网中分布式电源的电力电子转换器通常采用半导体器件微电网中分布式电源的电力电子转换器通常采用半导体器件实现，由于这些半导体器件所允许的电流容量受到限制，因实现

31、，由于这些半导体器件所允许的电流容量受到限制，因此必须控制微电网中分布式电源输出的视在功率。此必须控制微电网中分布式电源输出的视在功率。 视在功率控制可采用有功功率调节器和无功功率调节器实现。视在功率控制可采用有功功率调节器和无功功率调节器实现。 有功功率控制器可采用频率倾斜特性实现。有功功率控制器可采用频率倾斜特性实现。 无功功率控制器可采用负荷电压幅值与分布式电源输出的无无功功率控制器可采用负荷电压幅值与分布式电源输出的无功功率之间的关系来实现。功功率之间的关系来实现。 64242022年3月25日星期五4-3 4-3 无功功率控制无功功率控制 用于无功用于无功-电压控制的分布式电源建模与

32、常规同步发电机系统的电压控制的分布式电源建模与常规同步发电机系统的有功有功-频率控制系统类似，电压和无功关系采用一阶滞后传递函频率控制系统类似，电压和无功关系采用一阶滞后传递函数表示：数表示： URLsQQtotalLM 电力系统中的无功负荷可分为与电压无关和电压有关的负荷电力系统中的无功负荷可分为与电压无关和电压有关的负荷两大类。两大类。 与电压相关的负荷主要为电感、电容等无源负荷，以及电机与电压相关的负荷主要为电感、电容等无源负荷，以及电机等。这些负荷对分布式电源将起到负荷调节作用。等。这些负荷对分布式电源将起到负荷调节作用。 负荷的无功功率变化引起的电压变化的关系为：负荷的无功功率变化引

33、起的电压变化的关系为：URQvoltL若设与电压无关的无功负荷为若设与电压无关的无功负荷为QL，则系统中总的无功变化可，则系统中总的无功变化可表示为表示为 URQQLtotalLURRLsQQLM设计时使设计时使RR，则上式可简化为，则上式可简化为URLsQQLM64252022年3月25日星期五4-3 4-3 无功功率控制无功功率控制 与有功与有功-频率控制中的频率调节器相似，无功功率控制器中也频率控制中的频率调节器相似，无功功率控制器中也包含一个由电压恢复回路组成的电压调节器。包含一个由电压恢复回路组成的电压调节器。 当控制器采用当控制器采用DSP实现时，电压倾斜特性和电压恢复回路用实现时

34、，电压倾斜特性和电压恢复回路用软件实现。软件实现。 无功负荷的变化与电压偏差之间的关系为无功负荷的变化与电压偏差之间的关系为 RLssTRLssQRLssTRLssQsUGrefLGL11111164262022年3月25日星期五4-3 4-3 无功功率控制无功功率控制 设设s=0可得电压响应的稳态偏移为可得电压响应的稳态偏移为RQRQUrefLL因为负荷无功功率的变化将引起分布式电源输出的无功功率变因为负荷无功功率的变化将引起分布式电源输出的无功功率变化，因此可将上式改写为：化，因此可将上式改写为：RQRQUrefLG上式为线性方程，可用电压上式为线性方程，可用电压-无功静态特性曲线表示。无

35、功静态特性曲线表示。 当改变控制器的设定参考无功功率时，特性曲线将沿着当改变控制器的设定参考无功功率时，特性曲线将沿着QG轴平移。轴平移。 64272022年3月25日星期五4-3 4-3 无功功率控制无功功率控制 若两台具有无功若两台具有无功-电压控制的分布式电源通过联络线互联，则系电压控制的分布式电源通过联络线互联，则系统无功潮流的方向如图所示。统无功潮流的方向如图所示。 母线母线1送到联络线上的无功功率为送到联络线上的无功功率为 t1L1G1QQQ母线母线2送到联络线上的无功功率为送到联络线上的无功功率为 t2L2G2QQQ 一般情况下，从联络线一端输入到联络线上的无功功率并不一般情况下

36、，从联络线一端输入到联络线上的无功功率并不等于联络线另一端所接收的无功功率，因为电力线路为感性等于联络线另一端所接收的无功功率，因为电力线路为感性的，线路上将产生无功功率损耗。的，线路上将产生无功功率损耗。loss- tt2t1QQQ64282022年3月25日星期五4-3 4-3 无功功率控制无功功率控制 因此联络线上的无功功率可表示为因此联络线上的无功功率可表示为1221t1t1cosUUXUQ1212t2t2cosUUXUQ2112假设假设12非常小，则非常小，则 1cos1221t1t1UUXUQ12t2t2UUXUQ设系统无功功率在稳态时产生微小变化，则可得设系统无功功率在稳态时产生

37、微小变化，则可得 220110t10t1t10UUUUXUQQ 110220t20t2t20UUUUXUQQ因此联络线上无功功率变化为因此联络线上无功功率变化为 21t10t1UUXUQ12t20t2UUXUQ64292022年3月25日星期五4-3 4-3 无功功率控制无功功率控制 若忽略联络线上无功功率损耗的变化，则若忽略联络线上无功功率损耗的变化，则21t0t2t1tUUXUQQQU0为系统母线的额定电压。为系统母线的额定电压。设额定电压的标么值为设额定电压的标么值为1，则联络线上无功功率变化可简化为，则联络线上无功功率变化可简化为 21tt1UUXsQ两台分布式电源组两台分布式电源组成

38、的微电网的无功成的微电网的无功-电压关系：电压关系： 联络线上无功功联络线上无功功率的方向取决于率的方向取决于两条母线的相对两条母线的相对电压。电压。 64302022年3月25日星期五4-3 4-3 无功功率控制无功功率控制 稳态情况下，稳态情况下，U1和和U2不必相等，因为联络线的无功功率关不必相等，因为联络线的无功功率关系为恒定增益的传递函数。系为恒定增益的传递函数。 假设母线假设母线1负荷变化为负荷变化为QL1，而母线，而母线2负荷不变，当无功功率控负荷不变，当无功功率控制器中没有电压恢复回路时的传递函数为制器中没有电压恢复回路时的传递函数为 2222t1122tL1111 RsLRs

39、LXRsLRsLXsQU 2222t11L1211RsLRsLXRsLsQU 2222t1122L1t1RsLRsLXRsLRsLsQQ64312022年3月25日星期五4-3 4-3 无功功率控制无功功率控制 当母线当母线1无功负荷发生阶跃变化而母线无功负荷发生阶跃变化而母线2无功负荷不变时，微电无功负荷不变时，微电网的无功网的无功-电压响应如下图所示。电压响应如下图所示。 两台电源的电压都近似地按一阶滞后传递函数下降。两台电源的电压都近似地按一阶滞后传递函数下降。 两台分布式电源的电压偏移不同，这是因为将联络线等效为两台分布式电源的电压偏移不同，这是因为将联络线等效为恒增益模型。恒增益模型

40、。 64322022年3月25日星期五4-3 4-3 无功功率控制无功功率控制 微电网对无功负荷阶跃变化的稳态响应分析：微电网对无功负荷阶跃变化的稳态响应分析：当微电网中没有电压调节器时，达到新的稳态时母线电压和联当微电网中没有电压调节器时，达到新的稳态时母线电压和联络线上功率变化为络线上功率变化为22t12tL1111RRXRRXQU22t1L121RRXRQU22t12L1t1RRXRRQQ如果分布式电源具有电压调节器，当负荷变化时，经过一定的如果分布式电源具有电压调节器，当负荷变化时，经过一定的延迟时间后，系统电压将恢复到接近于额定电压。新的稳态电延迟时间后，系统电压将恢复到接近于额定电

41、压。新的稳态电压和联络线上功率偏差为压和联络线上功率偏差为2222t1122tL1111RRXRRXQU2222t11L1211RRXRQU2222t1122L1t1RRXRRQQ64332022年3月25日星期五4-3 4-3 无功功率控制无功功率控制 当在无功当在无功-电压控制器中加入电压调节器后，微电网的无功电压控制器中加入电压调节器后，微电网的无功-电电压响应如下图所示。压响应如下图所示。 电压偏移经过一定的延迟后将接近于零。电压偏移经过一定的延迟后将接近于零。 电压电压-无功关系将受联络线电抗的影响，这与有功无功关系将受联络线电抗的影响，这与有功-频率关系频率关系不同，有功不同，有功

42、-频率特性与联络线的电抗无关。频率特性与联络线的电抗无关。 64342022年3月25日星期五4-3 4-3 无功功率控制无功功率控制 不同电源的电压不同电源的电压-无功特性没有相同的稳态参数，因此要找到无功特性没有相同的稳态参数，因此要找到两台分布式电源之间的共有的属性很困难，画出两台分布式两台分布式电源之间的共有的属性很困难，画出两台分布式电源组成的微电网的电压倾斜曲线来表示无功功率分配将没电源组成的微电网的电压倾斜曲线来表示无功功率分配将没有什么益处。有什么益处。 64352022年3月25日星期五4-4 4-4 微型电源在不对称负荷情况的运行和控制微型电源在不对称负荷情况的运行和控制

43、三相配电系统，特别是低压三相配电系统中，负荷通常是不三相配电系统，特别是低压三相配电系统中，负荷通常是不对称的。对称的。 微电网中的分布微电网中的分布式 电 源 若 采 用式 电 源 若 采 用PMW逆变器，逆变器，则可实现则可实现UPS功功能并可改善电能能并可改善电能质量。质量。 逆变器控制器的逆变器控制器的动态性能可采用动态性能可采用多环控制方法来多环控制方法来改善。改善。 不失一般性，逆变不失一般性，逆变器主电路采用如图器主电路采用如图所示的拓扑结构。所示的拓扑结构。 64362022年3月25日星期五4-4 4-4 微型电源在不对称负荷情况的运行和控制微型电源在不对称负荷情况的运行和控

44、制 逆变器的直流母线可采用恒定电压源模拟，因为采用适当的逆变器的直流母线可采用恒定电压源模拟，因为采用适当的直流能量存储装置可实现负荷跟踪。直流能量存储装置可实现负荷跟踪。 开关器件如开关器件如IGBT等采用等采用PWM信号驱动，使得逆变器能够输信号驱动，使得逆变器能够输出频率和幅值符合要求的正弦电压。出频率和幅值符合要求的正弦电压。 PWM输出波形中的高频开关频率成分通过二阶低通滤波器输出波形中的高频开关频率成分通过二阶低通滤波器滤除。滤波后的电压通过电抗器和变压器送到负载。滤除。滤波后的电压通过电抗器和变压器送到负载。 变压器二次侧为星形带中线的连接方式，使得逆变器既可带变压器二次侧为星形

45、带中线的连接方式，使得逆变器既可带三相负载，也可带单相负载，满足用户的需要。三相负载，也可带单相负载，满足用户的需要。 一、三相不对称物理量的复数表示一、三相不对称物理量的复数表示 三相电压和电流可表示为复数向量。对三相电压和电流可表示为复数向量。对称的三相物理量为正序向量，可表示为称的三相物理量为正序向量，可表示为正的单边带傅立叶频谱，相量的运动轨正的单边带傅立叶频谱，相量的运动轨迹为复空间逆时钟旋转的圆。迹为复空间逆时钟旋转的圆。64372022年3月25日星期五4-4 4-4 微型电源在不对称负荷情况的运行和控制微型电源在不对称负荷情况的运行和控制 除了对称的物理量外，在分布式电源的逆变

46、器侧出现由负序分除了对称的物理量外，在分布式电源的逆变器侧出现由负序分量产生的不对称物理量是很常见的。量产生的不对称物理量是很常见的。 三相三桥臂逆变器应使由不对称物理量产生的零序分量不能出三相三桥臂逆变器应使由不对称物理量产生的零序分量不能出现在逆变器输出端，变压器应采用现在逆变器输出端，变压器应采用D/yn连接方式，因此在三角连接方式，因此在三角形连接的逆变器侧将仅有正序和负序分量。形连接的逆变器侧将仅有正序和负序分量。 含有负序分量的不对称物理量其向量在复平面的运动轨迹为椭含有负序分量的不对称物理量其向量在复平面的运动轨迹为椭圆，其傅立叶频谱将同时包含正和负的频率边带，分别对应于圆，其傅

47、立叶频谱将同时包含正和负的频率边带，分别对应于正序和负序分量。正序和负序分量。设系统中的电压或电流信号用设系统中的电压或电流信号用f表示，则表示，则a、b和和c三相信号在复平面可表示为三相信号在复平面可表示为 tfataftftfcba23132jea 34j2ea 将将f(t)表示为直角坐标形式：表示为直角坐标形式： tftftfirj)(64382022年3月25日星期五4-4 4-4 微型电源在不对称负荷情况的运行和控制微型电源在不对称负荷情况的运行和控制 若正弦信号若正弦信号fa(t)、fb(t)和和fc(t)对称，其幅值为对称，其幅值为Ap，角频率为，角频率为，则，则上式的极坐标表示

48、形式为上式的极坐标表示形式为 tpeAtfj 向量在复平面的轨迹为以恒定角频率向量在复平面的轨迹为以恒定角频率旋转的圆。由于向量旋转的圆。由于向量中仅包含正频率复指数项，其傅立叶频谱仅仅包含正的频率中仅包含正频率复指数项，其傅立叶频谱仅仅包含正的频率边带。边带。 如果正弦信号如果正弦信号fa(t)、fb(t)和和fc(t)还具有负序分量，则其向量的极还具有负序分量，则其向量的极坐标表达式为坐标表达式为 tntpeAeAtf-jj 向量向量f(t)在复平面的轨迹为椭圆，其主轴和辅轴的长度分别为在复平面的轨迹为椭圆，其主轴和辅轴的长度分别为Ap+An和和Ap-An。由于此时向量中同时具有正和负频率

49、的复指。由于此时向量中同时具有正和负频率的复指数项，因此其傅立叶频谱将同时包含正和负的频率边带。数项，因此其傅立叶频谱将同时包含正和负的频率边带。 将主电路中滤波电容将主电路中滤波电容Cf的电压和流过电感的电压和流过电感Lf和和Lt的电流表示成复的电流表示成复平面的向量。由于滤波器采用三相三线制，可用两相变量表示平面的向量。由于滤波器采用三相三线制，可用两相变量表示三相系统。因此三相系统。因此ab相和相和cb相之间滤波电容电压可表示为相之间滤波电容电压可表示为ucf(t)，a相和相和c相滤波电感相滤波电感Lf和电抗器和电抗器Lt的电流分别为的电流分别为iLf(t)和和iLt(t)。 64392

50、022年3月25日星期五4-4 4-4 微型电源在不对称负荷情况的运行和控制微型电源在不对称负荷情况的运行和控制 复平面的电压和电流向量可定义为复平面的电压和电流向量可定义为 tututuatutuicfrcfcbcfabcfcf,2,j31 tititiaatiatiiLfrLfcLfaLfLf,2,j131 tititiaatiatiiLtrLtcLtaLtLt,2,j131二、复数传递函数二、复数传递函数 不对称的三相电压和电流的复平面向量其幅值不相等，且对于不对称的三相电压和电流的复平面向量其幅值不相等，且对于零频率点也不对称。零频率点也不对称。对于单独的交流正序信号每相傅立叶频谱的幅

51、值相等且为零频对于单独的交流正序信号每相傅立叶频谱的幅值相等且为零频率对称，正弦量率对称，正弦量Asin(t)和和Acos(t)可分别表示为可分别表示为 2cos-jjtteeAtAj2sin-jjtteeAtA64402022年3月25日星期五4-4 4-4 微型电源在不对称负荷情况的运行和控制微型电源在不对称负荷情况的运行和控制 交流信号实部分量的信号处理可采用传递函数的系数为复变量交流信号实部分量的信号处理可采用传递函数的系数为复变量s的实系数滤波器实现。的实系数滤波器实现。设低通滤波器的传递函数为设低通滤波器的传递函数为 crlpfssG11该传递函数的幅值和相位分别为该传递函数的幅值

52、和相位分别为 crlpfssG11lg20 crlpfsArgsG11180低通滤波器低通滤波器Grlpf(s)的幅频特性和相频特性如图所示，截止频率的幅频特性和相频特性如图所示，截止频率为为c=2(200)rad/s。 实数传递函数以实数传递函数以中心频率中心频率=0对称对称的。的。 64412022年3月25日星期五4-4 4-4 微型电源在不对称负荷情况的运行和控制微型电源在不对称负荷情况的运行和控制 复数电压和电流向量可采用复系数滤波器滤波。复数带通滤波复数电压和电流向量可采用复系数滤波器滤波。复数带通滤波器的传递函数为器的传递函数为 ccbpfssG0j11 传递函数传递函数Gcbp

53、f(s)可通过线性变换可通过线性变换ss-j0由低通滤波器由低通滤波器Grlpf(s)获得。获得。 复数带通滤波器的幅频和相频特性如图所示。复数带通滤波器的幅频和相频特性如图所示。 当分析微型电源的控制结构时，可采用波特图设计和分析控制当分析微型电源的控制结构时，可采用波特图设计和分析控制器的性能。波特图的频率轴一般为对数坐标，因此在同一图上器的性能。波特图的频率轴一般为对数坐标，因此在同一图上可能不适合表示负的频率成分。可能不适合表示负的频率成分。 64422022年3月25日星期五4-4 4-4 微型电源在不对称负荷情况的运行和控制微型电源在不对称负荷情况的运行和控制 因为波特图只能给出正

54、的频率响应，所以可将滤波器因为波特图只能给出正的频率响应，所以可将滤波器Gcbpf(s)的的正序和负序分量的响应分别以正序和负序分量的响应分别以Gcbpf(j)和和Gcbpf(-j)画出。画出。64432022年3月25日星期五4-4 4-4 微型电源在不对称负荷情况的运行和控制微型电源在不对称负荷情况的运行和控制 复数滤波器正序分量的带宽为复数滤波器正序分量的带宽为c+0=2(300)rad/s，转折频，转折频率 处 的 相 位 为率 处 的 相 位 为 - 4 5 度 ； 而 负 序 分 量 的 带 宽 为度 ； 而 负 序 分 量 的 带 宽 为 c- 0= 2(100)rad/s，转折

55、频率处的相位为，转折频率处的相位为45度。度。 采用波特图分析负序分量的频率响应的相位信息与正序分量采用波特图分析负序分量的频率响应的相位信息与正序分量的相反。的相反。三、控制结构三、控制结构 采用直角坐标的微电源与电网的电力电子接口滤波器的方框图采用直角坐标的微电源与电网的电力电子接口滤波器的方框图 64442022年3月25日星期五4-4 4-4 微型电源在不对称负荷情况的运行和控制微型电源在不对称负荷情况的运行和控制 tututuinvinvinv,j tututuCfCfCf,j tututuloadloadload,j tititiLfLfLf,j tititiLtLtLt,j逆变器

56、系统的控制可采用电压源逆变器控制器的同步旋转逆变器系统的控制可采用电压源逆变器控制器的同步旋转d-q坐坐标变换设计方法。标变换设计方法。 为得到稳态运行时的无差调节特性，通常可采用为得到稳态运行时的无差调节特性，通常可采用PI控制器。控制器。 当微型电源并网运行时，当微型电源并网运行时，d-q坐标变换的频率是变化的，为坐标变换的频率是变化的，为保持逆变器的输出信号的相位与线路信号的相位一致，需采保持逆变器的输出信号的相位与线路信号的相位一致，需采用锁相环用锁相环(PLL)。 由于考虑系统的不对称，正序和负序分量的控制是分别采用由于考虑系统的不对称，正序和负序分量的控制是分别采用不同的旋转参考轴

57、实现，使得系统的设计更复杂。不同的旋转参考轴实现，使得系统的设计更复杂。 下面采用一种不需进行下面采用一种不需进行abc到到d-q坐标变换的高性能的电流调节坐标变换的高性能的电流调节方法。方法。 为保证系统的正序和负序分量控制性能，用于控制器的信号分为保证系统的正序和负序分量控制性能，用于控制器的信号分别采用正序和负序滤波器对实时测量的信号进行分离。别采用正序和负序滤波器对实时测量的信号进行分离。 64452022年3月25日星期五4-4 4-4 微型电源在不对称负荷情况的运行和控制微型电源在不对称负荷情况的运行和控制 为保证系统在时变、不对称情况下的稳态和动态性能，控制为保证系统在时变、不对

58、称情况下的稳态和动态性能，控制器采用分级控制方式。器采用分级控制方式。 采用电压反馈调节实现变压器一次侧电容滤波器的电压采用电压反馈调节实现变压器一次侧电容滤波器的电压Ucf(t)的控制，控制器采用合适性能的二阶传递函数反馈控制。的控制，控制器采用合适性能的二阶传递函数反馈控制。 中心的控制器采用矢量调节器，为逆变器的中心的控制器采用矢量调节器，为逆变器的IGBT通过所需通过所需要的占空比调节参考信号要的占空比调节参考信号dinv(t)，输入的参考信号为逆变器，输入的参考信号为逆变器的电压调节参考值的电压调节参考值Uinv*(t)。该控制器与直流电压前馈传递函。该控制器与直流电压前馈传递函数合

59、成，防止直流电压扰动对调节器的动态性能的影响。数合成，防止直流电压扰动对调节器的动态性能的影响。 64462022年3月25日星期五4-4 4-4 微型电源在不对称负荷情况的运行和控制微型电源在不对称负荷情况的运行和控制 更高层次的控制器为系统的内环电流调节器，调节滤波器电更高层次的控制器为系统的内环电流调节器，调节滤波器电感感Lf的电流。的电流。 为了将滤波电容电压为了将滤波电容电压Ucf(t)和滤波电感电流和滤波电感电流iLf(t)解耦，将电容解耦，将电容电压电压Ucf(t)与电感电流与电感电流iLf(t)在电流环的输入端叠加。由于滤波在电流环的输入端叠加。由于滤波电感电流不是最终的调节量

60、，其稳态性能不是很重要，因此电感电流不是最终的调节量，其稳态性能不是很重要，因此电流环采用简单的比例调节。电流环采用简单的比例调节。 为改善闭环系统的动态性能和稳定性，在电流环中加入电感为改善闭环系统的动态性能和稳定性，在电流环中加入电感Lt的前馈电流。该调节器结合了具有精确的电压跟踪能力和的前馈电流。该调节器结合了具有精确的电压跟踪能力和正弦扰动信号调节功能的控制器。正弦扰动信号调节功能的控制器。 最外层的控制器补偿电抗器最外层的控制器补偿电抗器Lt两端的电压降两端的电压降Ucvm(t)，用它修，用它修改电容电压控制器的参考电压。电抗器改电容电压控制器的参考电压。电抗器Lt考虑了变压器的漏考