Dual-mode research for microgrid

1、微网逆变器的双模式变换控制研究 答辩人：郭 诚 指导老师：顾 军 副教授课题来源课题背景研究目的国内外研究现状控制策略和控制结构的采用方案仿真顺序以及已经完成的工作课题工作量及进展计划主要参考文献1.课题来源 本课题是根据导师指导学习的方向查找文献，梳理研究热点得来，来源于自主选题。2.课题背景 随着全球对可再生能源的研究和发展，分布式发电系统在电力系统的地位越来越重，作用越来越大。微电网系统的实现离不开恰当的逆变器控制技术。 在微电网的工作过程中，孤岛运行满足本地负载的供电需求，当电能有多余时，若为了充分利用的能源，将多余部分电能送入电网，就需要通过逆变器将微电网并入电网。 而当电网电压不稳

2、定时，为避免本地重要负载受到影响，可以将逆变器与大电网断开，由微电网对本地负载继续进行供电。 这种能够在并网/孤岛来回切换并稳定运行的微电网系统，要实现在各个状态下的稳定运行和平滑切换，需要依靠性能良好的双模式逆变器控制系统。针对这一类微电网系统应用中所面临的问题，对双模式逆变器进行研究具有了十分重要的意义。 2.课题背景3. 研究目的 在运行过程中，对微电网系统有以下四个基本要求：在微电网并网状态时运行于电流源模式，根据调度指令快速地输出相应的有功和无功功率，且对主电网谐波污染小；孤岛工况时运行于下垂控制电压源模式，为微电网提供电压和频率支持并实现并联分布式电源之间负载功率的合理分配；3.

3、研究目的 在并离网之间切换时，无需停机重启，实现无缝切换；在离网运行时，对负载的变换能够快速响应，提供功率补偿。 本课题研究目的就是设计出一种能够满足这四个方面要求的双模式逆变器控制系统。4.国内外研究现状 目前，国内外对双模式逆变器及其控制的研究主要包含并网工作模式和运行模式切换过程两个方面：前者包括新型的拓扑结构、并网电流控制策略等；后者包括双模式间无缝切换算法、孤岛检测与反孤岛等。 孤岛检测信息是电网的维修和逆变器运行模式选择的重要信息，对于它的国内外研究现状也进行了一定的介绍。 4.1双模式逆变器国内外研究现状 目前，对双模式逆变器在并网工作模式下的研究已经较为成熟，通常可以直接套用并

4、网逆变器的控制策略。但是针对双模式逆变器在两个运行模式间的切换过程的研究则相对较少，这也使得对运行模式切换过程的研究正逐渐成为热点。 下面是国内外研究人员设计的几种控制结构。4.1.1 基于电压闭环调节，实现了微电网内分布式电源并网条件下，功率的调节和孤岛工况下负载的分配，但是，该方法在并网条件下功率调节的响应速度较慢。4.1.2 在并网状态下微电网内分布式电源全部采用电流源模式运行，在孤岛状态下微电网内主电源采用恒幅恒频电压模式运行，其他分布式电源仍然运行于电流源模式；但此方法孤岛状态时很难实现并联分布式电源之间负载功率的合理分配。4.1.3 平滑切换控制策略要求提前5s发现电网故障，实现难

5、度较大。4.1.4 采用下垂控制，实现了在逆变器双模式控制策略不变的情况下可以无缝切换，但没有考虑下垂控制对并网运行的适应性及并网过程中出现的电流冲击。4.1.5 通过新增PI调节器实现了单电流环控制和下垂控制两种控制方法下,双模式逆变器输出电压矢量的相互跟踪,避免了切换过程中电压突变的出现，但是结构过于复杂，不利于调节参数。4.2 孤岛检测方法国内外研究现状 国内外目前所研究的孤岛检测方法主要包括：(1)基于远程通讯的孤岛检测法；(2)本地孤岛检测法。 基于远程通讯的孤岛检测法主要是联锁跳闸法及电力传输线载波通讯法。本地孤岛检测法又分为被动式检测法以及主动式检测法。4.2 孤岛检测方法国内外

6、研究现状4.2.1被动式孤岛检测技术4.2.1.1过/欠电压(OVP/UVP)孤岛检测法4.2.1.2过/欠频率(OFP/UFP)孤岛检测法4.2.1.3其它被动式孤岛检测法1、基于相位跳变的孤岛检测法2、基于电压谐波测量的孤岛检测法3、基于关键电量变化率的孤岛检测法 4.2 孤岛检测方法国内外研究现状4.2.1被动式孤岛检测技术 优点：对并网逆变器的输出电能质量不会造成影响,也不会出现多台逆变器并网时孤岛检测的稀释效应现象。 缺点：都有较大的检测盲区，检测阈值难以选定，检测时间过长。4.2 孤岛检测方法国内外研究现状4.2.2主动式孤岛检测技术4.2.2.1主动移频法1、主动频率偏移法(AF

7、D)2、Sandia频率偏移法(SFS)3、滑模频率偏移法(SMS)优点：检测盲区较被动检测法要小很多缺点：对于电能质量有一定影响，且多台逆变器并网时会产生稀释效应。4.2 孤岛检测方法国内外研究现状4.2.3基于功率扰动的孤岛检测法1、基于有功功率扰动孤岛检测法2、基于无功功率扰动孤岛检测法优点：在单台逆变器并网运行条件下,不存在检测盲区;釆用有功功率扰动法,逆变器输出电压和电流严格同相位,仅影响逆变器输出有功功率大小,而不会给电网引入谐波;4.2 孤岛检测方法国内外研究现状 4.2.3基于功率扰动的孤岛检测法 缺点：在多台逆变器并网运行的条件下,各台逆变器的功率扰动须同步进行,否则会产生稀

8、释效应使各扰动量相互抵消,从而导致孤岛检测失败;对于光伏发电系统,人为的有功功率扰动对光伏发电输出效率会产生不利影响;是扰动量的选取困难。4.2 孤岛检测方法国内外研究现状 4.2.4阻抗测量方案 优点:检测盲区小,且不需要得到阻抗的精确测量值。 缺点:所加扰动对电能质量产生不利影响;在主电网为弱电网的情况下,或者电网自身存在较大波动时,电网阻抗的监测会比较困难;在多逆变器并网运行的条件下,各逆变器检测信号存在相互干扰,将使阻抗的计算出现错误。5. 控制策略和控制结构的采用方案（1）在孤岛运行模式下，逆变器都采用下垂控制方式；（2）逆变器并联过程中，先采取主从控制，由一台逆变器跟随另一台给负载

9、供电的逆变器的电压先运行，稳定达到并联要求后，合上并联开关，同时切换到对等控制；5. 控制策略和结构的采用方案 （3）逆变器由孤岛切换至并网状态的准备阶段，逆变器由下垂控制切换到PQ控制跟随电网电压进行空载运行，达到并网要求后进行并网动作； （4）由并网到孤岛状态，逆变器PQ控制的电流给定由电感电流切换到负载电流给定，同时断开并网开关，之后控制模块由PQ控制切换到下垂控制；并联逆变器孤岛运行的结构下垂控制电压源模式控制框图逆变器并网运行模型PQ控制框图 双模式式逆变器并行投式切换策略6.仿真顺序以及已经完成的工作（1）单台逆变器孤岛运行仿真；（已经完成）（2）两台并联逆变器孤岛运行仿真；（已经

10、基本实现功率均分） （3）对离网并联逆变器的稳定性进行波特图分析；（4）单台逆变器的并网运行仿真； （5）对无缝切换进行仿真； （6）孤岛检测的实现方法进行仿真。6.1三相锁相环00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.10246t/s锁相得到的相位波形00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1-50050100150200250300350400UdUq锁相成功时Ud和Uq的波形锁相环结构框图6.2并联逆变器孤岛运行逆变器的下垂控制系统结构并联逆变器孤岛运行的结构6.2并联逆变器孤岛运行两台并联逆变器的有功功率两台并联

11、逆变器的无功功率00.050.10.150.2-20-1001020t/sI1/A00.020.040.060.080.10.120.140.160.180.2-20-15-10-505101520t/sI2/A第一台逆变器的电流波形第二台逆变器的电流波形00.020.040.060.080.10.120.140.160.180.2-5000500100015002000250030003500t/sQ/var00.020.040.060.080.10.120.140.160.180.20200040006000800010000t/sP/W (1)2015.01-2015.04 对与逆变器离

12、网/并网双模式相关的文献进行调研和学习，深入了解其中使用的各种控制方法的原理、优缺点和运用条件，对学习到的知识进行总结，写好论文调研综述； (2)2015.04-2015.06 在MATLAB仿真平台上搭建逆变器模型，对两个并联逆变器的孤岛运行状态进行仿真，实现逆变器并联稳定运行； (3)2015.06-2015.07 查找文献，充分了解和学习逆变器孤岛并联运行中的功率无法均分的原因和解决方法，在仿真模型上实现功率均分。7.课题工作量及进展计划 (4)2015.07-2015.09 对逆变器并联孤岛运行系统进行稳定性分析，分析不同参数对系统的稳定性的影响； (5)2015.09-2015.12

13、 搭建单个逆变器并网仿真模型，对并网瞬间出现的电压、电流冲击进行分析，查找文献，与老师同学探讨，学习解决该问题的方法，实现平滑并网； (6)2015.12-2016.02 将并网和孤岛两种运行模式联合进行仿真，使其能够在两种运行模式切换时电压和电流的冲击稳定在允许的范围内，响应速度快，暂态时间较短； (7)2016.02-2016.04 撰写论文，准备答辩。7.课题工作量及进展计划 8、主要参考文献1 王一江.双模式微电网逆变器控制策略研究D. 北京：北京交通大学,2014.2李龙.微电网功率分配及平滑切换方法研究D.成都：西南交通大学，2014.3梁建钢,金新民,吴学智等.微电网逆变器 VC

14、S 模式与 CCS 模式的切换技术J.电 网技术,2014,4(38):830-837.4郭小强,郞伟扬.微电网非破坏性无盲区孤岛检测技术J.电机工程学报,2009,29 (25): 7-12.5Mohamed Y A R I， Zeineldin H H， Salama M M A， et al Seamless formation and robust control of distributed generation microgrids viadirect voltage control and optimized dynamic power sharingJIEEE Transact

15、ions on Power Electronics， 2012， 27(3)： 1283-12946金城.基于下垂法控制的无线并联逆变器系统由独立到并网模式切换策略的研究D.杭州:浙江大学,2013.7张崇巍,张兴.PWM整流器及其控制M.北京：机械工业出版社,2012.8过亮.独立/并网双模式逆变器控制技术研究.D.南京:南京航空航天大学,2008.9 Xunwei Yu , Zhenhua Jiang ,Yu Zhang . Control of Parallel Inverter-Interfaced Distributed Energy ResourcesC/IEEE Energy 2030 Conference.Snowmass, USA:IEEE, 2008:1-810 Cho C,Jeon J H, Kim J Y, et al. Active synchronizing control of a microgridJ. IEEE Transactions on Power Electronics, 20