高电压与绝缘技术论文微电网并网与孤岛运行模式切换的研究

1、第1章前 言1.1选题的背景及研究的目的和意义由于煤、石油和天然气等一次能源的日益枯竭，以及人们对能源的依赖程度日益增大，能源问题越来越制约着我国电力系统的开展。而燃煤为主的火力发电造成大气环境污染、化石燃料大量排放造成的温室效应导致气候变暖等问题已经成为了全球性的难题。因此如何保证电力能够平安与稳定的供给成为了亟待解决的问题。电力生产在最初阶段的方式是集中发电、远距离输电、大电网之间相互联系，其过程存在三个特点：即电力生产的整体性、同时性与随机性。整体性与同时性即发电、输电和供配电的过程是不可分割的并且同时进行的，其中任何一个环节出现问题，电力生产都将难以完成。而电力生产的随机性那么指负荷、

2、设备异常情况以及电能质量等都在随时变化着，因此在电力生产中需要做到实时调度与平安监控，能够跟踪随机事件的动态情况，以确保电网的平安运行。但是电力建设本钱高，运行难度比拟大，已经越来越难以满足当今社会对电力的可靠性和平安性的需求。近几年来，我国多个地区出现罕见的用电顶峰，期间的屡次事故给国家和人民造成了重大的经济损失。美欧地区也有很多国家发生过屡次大面积停电事故，致使大电网的脆弱性日益暴漏出来。现如今，一次能源日益枯竭，环境污染问题也日益严重，传统大电网的脆弱性日益暴漏，致使全球化电力市场改革进程加快，在此背景下有学者提出了分布式发电系统这个概念。分布式发电被认为是减少环境污染、提高能源的利用效

3、率、增强电能供给的可靠性以及可以满足社会开展对电力日益增长的需求等的一种有效的解决途径。分布式电源经常分散布置在用户的周围，其发出功率为数千瓦到百兆瓦不等。相比于传统的集中式供电，分布式电源的安装位置比拟灵活，并且比拟分散，能更好的利用当地的资源分布，更能适应电力的需求；并且分布式电网与大电网之间又可以相互备用，有效地提高了电能的利用率，供电可靠性明显增强；输电和变电的过程中又可以减轻故障对其造成的影响，可以有效的提高电能质量；能够防止各地区电网之间由于电压和频率波动而相互造成的影响，从而可以防止由于局部电力故障而造成电网大面积的停电事故，等等。相较于传统电网，分布式发电的这些优点更能适应电力

4、的开展，并逐渐成为电力未来开展的趋势。在国外发生的一些电力故障中，一些拥有分布式发电系统的公司和单位在故障中依旧可以正常运营，供电的可靠性得以增强，也减小了不必要的经济损失。分布式发电系统具有可靠性高、经济性好和污染性少等优点，但是有些缺点也制约着它的开展。例如：分布式发电系统的投入本钱太高，并且其控制也非常复杂；相对于大电网来说是个不可控单元，为减小其对大电网造成冲击，特殊情况下分布式电源就需要被大电网隔离处理。IEEE 1547标准中，对分布式电源接入大网有明确的规定：当主网系统运行过程中发生故障时，分布式电源需要退出运行。这样就限制了分布式发电的充分发挥，新能源也不能得到充分的利用。传统

5、的配电网中，其任务是将电能分配并输送给终端用户群体。假设各个独立的分布式发电系统直接连接到主网系统中而不加以区分，就会改变配电网的辐射状态和其单向传输电能的状态，从而会造成诸如潮流计算、继电保护的设计以及整定值的设定等新的问题。而现在很多学者提出的微电网技术这个概念，那么能够克服分布式发电技术的以上缺点，从而使其能得到大规模的运用。微电网是分布式发电技术的一个重要形式，它将分布式发电装置、储能装置、检测和控制装置、保护装置和负荷等连接在一起，形成一个单一可控的单元，同时提供给系统电能和热能，提高了能源的利用率。这样，它可以对用户同时输出电能、热能和冷能，满足用户的三联供的需求，也能够与主网系统

6、进行并联运行。另外，微电网运行模式非常灵活，在正常情况下可以与主网并网运行，对大电网系统提供有效的支撑；在主网出现故障的情况下，它也可以与大网断开进入独立运行模式，从而可以保证重要负荷的持续不间断供电，大大提高了供电的可靠性。微电网在独立运行的过程中，由于分布式电源种类的多样化，使得其在负荷发生变化时较难实现快速响应而可能出现短暂的动态失衡，所以在微网与主网系统并联运行的过程中，当微电网的输出功率不能满足负荷的功率需求时，那么需要由主网补充电能；而当微电网的功率输出大于负荷需求时，剩余的电能那么可以流向主网，最终与大电网实现互为备用，相互支撑。当大电网发生故障或者运行需要时，微电网可以转入孤岛

7、模式，在孤岛运行过程中继续向重要负荷供电，实现不间断供电；而当故障取消时，微网那么根据要求又可以重新并网，继续为大网提供支撑，增强了电网的灵活性。以往情况下，当主电网出现故障的时候，都会令分布式电源退出运行，待脱网后再重新启动微电源；同样，当需要并网的时候又需要再次切除负荷，并且并网过程十分麻烦。这样就会引起间断供电，降低了系统供电的可靠性。而对于一些重要负荷需要保证不间断供电，这就需要采取控制措施使微电网能够实现独立运行与并网运行两种模式之间的平滑切换。由以上所述可知，对微电网的孤岛运行和并网运行，以及两种模式之间的过渡过程进行控制，使其实现平滑切换的研究对电力系统开展的影响意义深远。国内外

8、的研究现状1.2.1国外研究现状微电网是近几年才提出来的一个概念，在全球电力工业面临严峻挑战的情况下，微电网对能源利用的高效性、控制和运行的灵活性和智能型，展现出了很大的优势，由于微电网技术潜力巨大，很多国家已经将其作为电力行业中解决能源与环境问题最主要的战略之一。一些兴旺国家从不同的方面对微电网展开了研究，其中美国、欧洲和日本等国已经在不同领域取得了突出的成果，对微电网的根底理论的研究已经完成，微网在运行控制、保护控制以及经济性分析等方面的根底问题也已经得到解决，现已进入了用系统实际运行验证的研究阶段。最早提出微电网概念的是美国可靠性技术解决方案协会，简称CERTS。他们对微电网的研究重点集

9、中在提高电网供电的可靠性、投入以及运行的经济性、满足电能质量多样性的要求和最终实现电网的智能化等方面。现在，CERTS提出的微电网的初步理论和控制方法已经在在美国电力公司沃纳特/Walnut微电网测试基地验证成功。由美国北部电力系统承建的Mad River微电网，是美国微电网建立成功的第一个例子，关于微电网的管理条令和运行法规也已初步形成。欧洲一些兴旺国家对微电网的研究方向偏向于环境保护、保证欧洲各大电网的稳定运行，和保证电能质量能够满足用户需求等方面。它的开展历程主要包括两个阶段：欧盟的第五框方案以及第六框方案，其研究内容主要侧重于供电的可靠性、对大网的可接入性以及运行的灵活性等方面。继欧盟

10、2005年提出“智能电网这个概念之后，欧洲已经将“智能电网作为未来电力的开展方向，并在此根底上制定了一系列相应的开展战略。而日本由于外乡资源比拟匮乏，故其对可再生能源的充分利用比拟看重，在微电网的示范性工程建设方面在全世界处于领先地位，现在在微电网方面已经开展了三个试点研究工程。第一个示范性工程是由日本新能源产业技术综合开发机构所建立的位于中部机场的爱知微电网，其最大的特点在于它的很多分布式电源都是燃料电池。而日本青森县在2005年十月份投入运行的微电网最明显的特色是所有的供电能源全部是可再生能源。日本现在的分布式发电技术以及微电网技术全部是在当地的配电网与可再生分布式能源互联的根底上进行研究

11、的。日本现在所建立的微电网的最主要的任务和目标就是满足用户的用电需求，其控制目标主要是电量的供电与用电差额余量的标准。在微电网的网架拓扑结构和集成控制方面，以及关于热电冷综合利用等方面也都有相应的研究，为微电网技术的开展和利用翻开了一片广阔的天地。现在关于微电网的研究除了美国、欧洲和日本以外，其他地区的很多国家也纷纷开展起了相关的研究工程。从各个国家和地区对微电网技术的重视程度和研究力度以及各国未来的电力开展规划上面可以看出，微电网是大电网未来的一个重要的开展方向，它能综合利用各种分布式能源，提高能源的利用效率，以及在环境保护方面可以发挥不可替代的作用，同时又可以提高大电网的供电灵活性和可靠性

12、，为大网提供有效的支撑作用。1.2.2国内的研究现状我国近几年也致力于分布式发电技术和储能技术方面的研究，其中对微电网技术的研究与开展也引起了高度的重视。国家科技部的863方案已经明确指出要大力开展微电网技术。如今清华大学和天津大学，以及中科院电工研究所等科研单位已经建立了许多关于分布式发电的三联供工程，微电网技术的研究已经进入实质阶段。但是由于起步比拟晚，以及技术与研究力量等与一些兴旺国家尚有着较大的差距，相比之下我们国家所取得的成果也不如美国、欧洲和日本等国家丰厚。但是由于微电网技术的优点完全适合我国的国情，与我国的电力开展规划与开展方向完全相适应，将来国家对微网研究的扶持力度会继续加大。

13、因此微电网在我国有着巨大的开展潜力和广阔的前景。微电网在运行过程中有并网运行和独立运行两种方式。当大电网出现故障时微电网可以脱网独立带负荷继续运行，保证了供电的可靠性。由于微电网在供电方面的灵活性和可靠性较强，能够提高能源的利用效率，减小环境污染，以及能满足用户对电能质量的需求等优点，使得它成为了大电网一个极其重要的补充，关键时刻可以对大网提供强有力的支撑作用。“十一五规划中，已经将可再生能源的研究与开展作为我国的重点开展战略之一列入其中。在微电网的技术研究中，要确保其中的控制系统比拟完善并且能够稳定运行，这样才能使微电网能灵活可靠地运行，使电网中的电能质量得到提高。经过深入的研究得出，如确保

14、微电网能够平安稳定的运行，其控制技术需要满足下面几个要求：对微电网的控制要保证电压和频率等电能质量；在分布式电源接入电网的过程中其暂态震荡不能影响电网的正常运行；其控制策略能够根据本地信息的实际情况自主做出相应的反映；要具备调节电压和调节系统平衡的能力，防止出现电压跌落的现象；在电力系统实际运行需要或者系统出现故障时，能够快速响应，自主平滑地实现与大电网脱网、并网操作，并且暂态过程能够实现平稳过渡，不能对大网造成太大冲击。所谓的平稳过渡并不是指分布式电源的重新启动，而是通过相应的控制策略能够使电网的电压和频率等电气量实现平滑的过渡，而保证重要负荷不间断供电，即实现微电网两种运行方式的无缝切换。

15、现如今，微电网的出现，使得传统的电力系统平安控制、电力调度与保护策略以及能量管理系统等各方面产生了重大的影响。而关于微电网的操作章程与其运行的控制方法等并没有得到彻底理解，其中一些关键的技术问题尚未得到解决。现在很多国家关于微电网研究的单位与专家都致力于微电网的建模、运行控制和保护策略等方面的研究，并在理论上取得了一定的成果。文献23用PSCAD仿真软件建立了微电网模型，通过仿真分析研究了微电网由并网运行切换至独立运行过程中的暂态震荡情况以及暂态稳定后的微电网的功率输出调节特性。文献24在建立仿真模型的根底上建立了微电网的小信号模型，其微电源主要包括传统旋转电机和由电力电子装置接入微网的其它类

16、型的分布式电源。其方法指出，在整体的电网系统中会出现频率偏移现象，而文中所提供的自治微电网的分析方法相对于传统的主网系统，其频率偏移现象更容易出现。文献25列举了多种不同的分布式电源的模型，其中包括风力发电机、微型燃气轮机和感应电动机模型。相比拟而言文献26中所介绍的分布式电源模型种类更多且更为详细，其中包括感应电动机、燃料电池和光伏电池等多种形式。文献27中指出一种建模方法，可以使微电网的运行本钱以及有效性得到最优化，这种微电网的建模是基于动态程序建立的，其中对分布式电源和电力负荷之间的最正确连接点和安装位置进行了详细介绍与分析。对微电网最常用的控制方法是其控制系统模拟传统电机，使微电源按照

17、下垂特性曲线输出功率，具体有以下三种控制方法：1即插即用与对等的控制思想28这种控制方法与传统发电机利用下垂特性曲线进行控制相类似，所有的分布式电源共同承当系统的动态功率输出，接线简单、运行可靠，并且相较于其他控制方式比拟容易实现。但是这种控制方式有一个缺点就是当系统电压和频率偏离正常值时不能使其恢复，即没有传统电机中的二次调频的功能。而当微电网系统受到比拟大的冲击或扰动时，其输出的电能质量不能得到保证。2基于功率管理系统的控制29采用这种控制方法可以使微电网能够在不同情况下满足不同的控制需求，对有功功率和无功功率分别采取不同的模块分开控制，并且在控制过程中还参加了频率恢复环节，使其能够较好的

18、保证频率和电压的质量。在功率管理系统中，为满足微电网系统在不同情况下的功率需求，还采用了很多种不同的控制方法，从而增强了控制系统的可靠性和灵活性。但由于传统发电机中自身带有调速器，使其与分布式电源之间的协调问题还有待进一步解决。3基于多代理技术的微电网控制30这种控制方法是把传统电网控制中的多代理技术应用到微网控制中，属于智能电网控制范畴。多代理技术最大的特点是响应速度比拟快、能够根据实际情况进行自发的控制、以及具有代理的自治性等。这种控制系统能够提供各种不同的控制方法与性能，并且又不需要过多的人为操作，非常符合微电网分散的管理与控制的特点和需求。但是多代理技术还不太完善，还不能对微电网系统中

19、的电压和频率等进行调节控制，目前大多应用在能量管理以及对电力市场交易的协调上。近年来微电网技术在我国开展比拟迅速，但是微电网所涉及的学科广泛，需要应用到电力系统分析、电力电子技术以及发电机与自动控制等多个学科的知识，工程比拟复杂，还有很多的研究课题及重要的技术难题有待进一步的解决。微电网控制技术的未来开展方向主要表现在以下几点31-35：1对含有不同分布式电源的微电网进行协调的控制和运行；2在孤岛和并网两种运行方式下，对微电网的电压和频率进行智能型控制策略的研究；3电力电子技术在微电网系统中的进一步的开展与应用；4微电网系统中智能发电技术与控制技术的进一步开展与应用。本文研究的主要内容随着各国

20、相继对微电网进行展开研究，现在已经在微电网的能量管理方面以及采用电力电子技术对其运行进行控制等方面取得了一些阶段性的成果。但关于微电网独立运行与并网运行两种运行模式之间的切换稳定性的研究还不够深入。由于微电网的运行模式不同，以及系统运行状态不稳定，所以对分布式电源在切换过程时没有一种明确的控制方法。而采用什么样的控制策略，使微电网能在两种不同的运行模式之间实现平滑切换，并保证切换期间所出现的震荡情况在系统允许范围之内，以及在切换之后系统的电压和频率仍然能够保持稳定，现在还没有人对其进行深入研究，这也是本文研究的重点。本文研究的主要内容分为以下几个局部：1建立微电网模型 其中采用逆变器作为系统的

21、微电源。文中针对微电网并网与孤岛两种运行模式采用了不同的控制策略，对各种不同的控制策略的效果进行了比拟，并且在仿真模型中实现了微电网的孤岛检测。2建立了微电网孤岛模式下的小信号模型通过建立微电网的V/f控制方式下的孤岛小信号模型，分析控制器参数、负荷和线路阻抗的变化对系统特征值和参数灵敏度的影响规律，对系统不同工况对主导特征值的参数灵敏度的影响规律进行分析，最终获得保证微电网平稳切换至孤岛运行模式的主导影响参数和影响因素。3利用MATLAB软件对微电网进行建模仿真实现了微电网孤岛与并网两种运行模式下的控制方法，并对两种模式进行切换时提出了相应的控制策略，使其能够实现平滑过渡。通过分析找出微电网

22、的并网所需满足的最正确并网条件，提出相应的控制方法和策略，实现了微电网自动根据大电网的条件调节微电网内部的电压和频率，并在适宜的相位下进行并网。本文对以上所述的研究内容做了如下安排：第一章论述了微电网研究的背景以及国内外的开展现状，说明了微电网研究的意义，以及对本文的研究内容进行了概述。第二章对微电网建立了数学模型，其中用逆变器作为分布式电源进行研究。并且根据传统的控制理论，针对微电网的独立运行和并网运行两种模式分别进行了控制器设计。在并网运行时采用PQ控制方式；独立运行时，如是单台机那么采用V/f控制方式，如果是多台机那么采用下垂控制方式。同时文中还给出了孤岛检测的控制方法。对这几种控制方式

23、的原理及设计方法进行了详细论述，并由此建立了微网控制模型。第三章针对微电网V/f控制方式的孤岛运行模式进行小信号稳定分析，通过建立微电网的V/f控制方式的孤岛小信号模型，分析控制器参数、负荷和线路阻抗的变化对系统特征值和参数灵敏度的影响规律，讨论了系统不同工况对主导特征值的参数灵敏度的影响规律，最终获得了保证微电网平稳切换至孤岛运行模式的主导影响参数和影响因素。第四章以微电网孤岛运行时采用v/f控制为研究对象，建立仿真模型，通过仿真分别验证了微电网的并网所需满足的最正确并网条件，继而提出相应的控制方法和策略，实现了微电网自动根据大电网的条件调节微电网内部的电压和频率，并在适宜的相位下进行并网。

24、最后通过仿真验证了所提出的平滑切换控制方法和策略的有效性。第五章对全文所做的工作进行了总结，并指出需要进一步研究的内容。第2章微电网的建模与控制2.1微电源的种类与微电网的结构2.1.1微电源的种类微电源种类繁多，其能量主要来源于风能、光能、太阳能和生物质能等多种形式，是微电网中不可或缺的局部。微电源的发电系统也有多种类型，包括各种类型的风力发电机、太阳能电池板、利用天然气和酒精制造的燃料电池、微型燃气轮机以及利用生物质能而建造的沼气池等等，装机容量不等，大约在20kW10MW之间。下面对这几种发电类型进行详细介绍。风力发电机的发电过程是首先将风能转变成机械能，然后再通过相应的措施把机械能转变

25、为电能。由于风能分布广泛，属于取之不尽用之不竭的清洁能源，对环境不造成破坏，因此可以根据实际的地理情况大力开展风力发电。而太阳能那么是利用光的伏特效应原理，通过相应的设施将太阳能量直接转变成电能。太阳能发电一般有光伏发电和光热发电两种形式，由于太阳能是一种清洁、无噪声的能源，并且利用也比拟平安，发电过程中不会消耗其它物资，也不会产生各种有害物质，因此在我国开展速度非常迅速。太阳光能资源丰富，分布广泛，并且也比拟容易获取。利用太阳能设计的电池重量轻体积小，携带非常方便，结构也比拟简易，使用和维护也比拟简单，并且供电可靠性很高，是非常有潜力的一种新能源。微电源还有一种发电形式就是微型燃气轮机，容量

26、大约是25kW300kW，是一种新型的热力发电机。其特点是噪音低、排放量比拟低、运行时振动比拟小、出现问题的几率比拟小，并且对燃料的消耗率也比拟低。这些优点非常适用于微电网建设，在21世纪微型燃气轮机已经在新能源技术应用中占据了主流位置，下面介绍一下它的工作原理。微型燃气轮机的内部结构主要包括向心式透平和离心式压气机等径流式叶轮机和回热循环系统，其发出的功率经过交-直-交逆变器把高频电流电变为低频交流电以供用户使用。微电源的发电机类型种类比拟多，容量大小不等，并且所用的一次能源的类型也各不相同，表2-1把一些常见的微电源的根本情况总结了一下。表2-1 常见的微电源分类机组技术单机容量/MW一次

27、能源输出能量形式并网接口燃气轮机0.510天然气工频交流同步发电机燃气内燃机小于1天然气、柴油工频交流同步发电机微型燃气轮机天然气高频交流逆变器燃料电池小于1天然气、酒精直流逆变器太阳能光伏太阳能直流逆变器风力发电小于2风能工频交流异步发电机、逆变器生物质能小于1秸秆、沼气工频交流同步发电机由上表可以得出，关于微电源的种类大致可以分为两种类型，一种是传统的旋转电机，另外一种那么是通过电力电子技术设计的接口与大电网相连接的那些分布式电源。而后一种微电源又可以细化分为两种类型：第一种类型是直流电源，需通过逆变转化为工频交流电；第二种类型是非工频的交流电源，这种电源输出的功率必须经过整流装置将其输出

28、转换成直流电，然后通过逆变技术转变为交流电。相比于传统的分布式发电技术，微电网在功能上和结构上都已经有了很大的不同，因此原有的控制策略已经不能完全适用于这种新型的微电源，而电力电子技术在微电网控制系统中那么会发挥非常重要的作用。由于以传统的旋转电机作为微电源控制方法与传统电机的控制相似，不做详细赘述，本文研究的重点主要是对通过电力电子接口的微电源的控制方法与策略进行探讨与分析。2.1.2微电网的结构微电网相对于大电网是一个规模较小的、独立运行的系统，其分布比拟分散，通过现代先进的电力电子技术，将各种类型的微型电源、储能装置、检测装置和保护装置联系在一起，向本地负荷进行供电。对大电网而言，微电网

29、是一个单一的、可控制的系统，能根据电网的需要在短时间内迅速动作，为大电网提供强有力的支撑作用；而微电网对用户而言，可以提供电能、热能以及其他的一些特殊需求，同时又可以降低电力线路的损耗，对电压和频率的稳定起到支撑的作用，更提高供电的可靠性。微电网的结构模型如图2-1所示36。由图2-1的结构图中我们可以看出，该微电网包括三条馈线，是一个呈放射状的网络结构。而A、B、C三条馈线通过并网开关PCC和大电网相连接，与其进行必要的能量交换。通过PCC接口可以使微电网实现并网运行与独立运行两种模式之间的平滑过渡，从而提高了系统的可靠性。图2-1 微电网的结构图与大电网相似，其中的负荷也可以分为重要负荷和

30、次要负荷两种类型。在微电网的实际运行中一般把次要负荷作为可调节负荷，通过对这种负荷进行调节而实现削峰以及使波形变平滑等操作。当出现特殊情况需要切除一些负荷时，次要负荷也是首选的被切除对象。当大电网中出现故障需要检修，或者出现其他问题需要使微电网脱离主网运行时，PCC就会自动断开，使微电网过渡到独立运行模式。微电网系统内的负荷所需的功率完全由微电网本身承当，同时微电源的输出功率也能保证在A和C馈线处所接的重要负荷继续正常运行，微电网可以通过母线将电能传送给馈线B，使其所带负荷也能正常运行。如果在独立运行过程中，微电源所提供的功率不能满足负荷的需求，那么需要断开馈线B，使次要负荷退出运行，从而保证

31、重要负荷的正常运行。待大电网的故障解除或者在大电网需要的情况下，PCC又可以重新合闸，微电网又重新回到并网运行模式。微点网的这种放射状结构可以根据当地负荷的需求，采取就近原那么使各分布式电源直接向距离较近的负荷输送功率，提供电压和频率支持。这种灵活性强的供电方式在大大减轻了主网的供电负担，提高了电能的质量以及供电可靠性。在微电网输出的电能质量不符合要求或者大电网出现故障需要检修等的情况下，微电网又可以脱离主网独立运行，继续对重要负荷进行供电，供电的平安性和可靠性明显增强。因此，并网运行和独立运行都是微电网自身的优点和重要的运行能力，而保证两种运行模式之间能够实现平滑切换是微电网实现这两种能力的

32、关键。2.2 逆变器型微电源的建模与分析对微电网进行研究分析首先需要对其建立模型。而建立微电网模型的第一步，那么需要建立微电源的模型。这一节中研究的主要内容就是对逆变器型微电源进行建模分析。在分布式电源中，最常用的两种逆变器是电流源型逆变器CSI和电压源型逆变器VSI。两种逆变器的最主要的区别是在直流环节阶段的滤波方式不同。电压源型逆变器采用的滤波方式是大电容滤波，经过滤波后在理想情况下，相对于负载而言类似于一个恒压源，输出直流电压的波形非常平直；而电流源型逆变器中间环节采用的滤波方式为大电感滤波，此时对于负载类似于一个恒流源，输出的直流电流的波形非常平直。两种逆变器的滤波方式不同，输出的电气

33、量的性质也不相同，但是它们采用的逆变电路是相同的，对输出波形的控制都是通过PWM调制方式所实现的。由于VSI更容易满足微电网的并网要求，因此随着分布式发电技术以及微电网技术的日益开展，VSI的应用比CSI应用更为广泛，优势也更为明显。本文中的微电源所采用的均是电压源型逆变器。2.2.1三相VSI的数学模型分析图2-2中所展示的是一个典型的并网运行微电网的拓扑结构模型。其中的三相VSI型微电源采用的模型为开关函数型。图2-2 三相并网VSI拓扑结构图2-3中的模型是逆变器平均模型。与开关函数模型相比，这种模型更有利于进行解析分析。图2-3 三相VSI平均模型上图中所示的三相逆变器平均模型中，为了

34、更有利于分析，我们对模型进行了简化，用理想电压源Vsa,Vsb,Vsc代替了传统逆变器电源中的PWM调制器、IGBT等电力电子器件以及直流电源。对理想电源的控制通过逆变器的控制器图2-3中所示的Inverter Controller来实现。用电感Ls来表示与微电源串联的电网侧的滤波器。VSI在正常工作的时候，逆变桥和交流侧能够实现电能的交互流动，直流电通过逆变桥转换成交流电，而大网侧的滤波器的作用那么是为了保证三相电压源型逆变器能够正常运行。滤波器电感值的选取对系统的稳定运行会产生很大的影响，适当增加电感的数值可以对电流输出的谐波起到抑制作用，但是其数值设置过大将带来不良后果，会降卑微电网的动

35、态响应速度，并且系统的过载能力也会受到很大影响，因此对电感数值的选取要采取适中原那么。首先对微电网的电压进行分析。易知，理想电压源的电压Vsa,Vsb,Vsc是滤波器上的电压降和逆变电器的端电压Va,Vb,Vc之和。现令逆变器的各相端电压为如下形式：2-1式2-1中，V表示电压的幅值，表示电压的角频率，0表示相角的初始值，其大小由微电网系统中的稳态运行点所决定。由图2-3，我们可以得出电路的状态方程，将电感的电流作为状态量，所得方程组如式2-2所示：2-2式中：vsa，vsb，vsc是经过逆变后的电压输出向量，va，vb，vc是逆变器的各相端的电压输出向量；Ls那么是电网侧滤波器的电感值。逆变

36、器在静止坐标系下的数学模型特点鲜明，意义清晰，且直观明朗。但这种模型交流侧的电气量均随时间变化而改变，彼此之间会有不同程度的耦合，不利于进行控制。因此我们需要将abc三相静止坐标系通过park变换转变为两相的dq坐标系，其旋转频率与电网的基波频率同步。变换公式如下：2-32-4图2-4中明确显示了abc坐标系和dq坐标系之间的变换关系。图2-4 abc坐标系和dq轴坐标系图中，DG端电压相角t+0用表示，通过锁相环得到，从锁相环中还可以同时得到电压和频率幅值，分别记为PLL和PLL。下面将式2-2中所列方程通过式2-4变换，得到dq坐标系下的状态方程如式2-5所示： 2-5上式中，我们把abc

37、三相静止坐标系中的正弦交流量通过park变换转变成为了dq旋转坐标系中的直流变化量，物理意义清晰并且很有条理，通过式2-5可以对微电源的控制系统的设计进行适当的简化。2.2.2PLL锁相技术锁相环(PLL，Phase Locked Loop)是逆变器电源设计中的一个重要局部，它主要用于测量系统中电压的频率和相角，将实时数据输送给坐标变换控制和防孤岛控制器。图2-5中所展示的是PLL的工作原理：图2-5 锁相环(PLL)逆变器机端电压的相角随时间变化的方程式如下所示：2-6式中，相角是一个未知变量，其倒数是逆变器变压的一个偏差量，用下式来表示：2-7由上述可知，逆变器端电压的相角PLL是由锁相环

38、PLL对实际的电压相角进行跟踪测了所得到的，在稳态运行过程中两者数值相等；当系统出现扰动而发生暂态震荡时，两个数值之间将会出现偏差，其差值可以由q轴的电压vq来表示。vq通过park变换得到，变化方程如下式：2-8式中PLL是由PLL锁相环测量到的电压的相角，其定义式如式2-9所示：2-9PLL和的偏差通过PI调节器的调节与控制，就可以得到频率的偏差值。然后将得到的频率偏差值加上PLL，就可以得出PLL所跟踪的电压频率PLL，通过对PLL积分变换可以得到坐标系的变换角度。式2-10所展示的是锁相环模型的方程：2-102.3对三相VSI控制器的设计图2-6所显示的是一个三相电压源型逆变器的拓扑结

39、构，其中以逆变器作为系统的微电源，即图中的虚线方框所示，假定为直流源，或者是电源经过整流控制以后便成为直流电源。三相VSI有很多种控制方法，但是双环控制是其中应用最多也是最广的一种。双环控制由电流内环控制和电压外环控制两局部组成。电流内环控制负责精细调节，其特点是响应速度快，可以提高电能输出质量。外环控制器可实现各种不同的控制方法，将控制信号传给内环，作为其调节的参考量，特点是动态响应慢。图2-6 三相VSI控制器典型结构2.3.1内环控制器的设计内环控制器的作用主要是对系统中的电流进行精细调节，从而提高微电源的电能输出质量，使系统的运行更加稳定。经过abc-dq变换以后，电流环可以得到如式2

40、-11所示的时域控制方程：2-11上式中，电压源d轴和q轴的输出电压分别用vsd和vsq表示。系统电路中的滤波器方程如式2-12所示：2-12将式2-11和2-12进行一下等效变换，可以得到如下所示的形式：2-13从式子2-5还可以得出，dq轴中输出的电流量id和iq，不仅要受到受控电压vd、vq变化的影响，还要受到受控电压源的输出电压vsd和vsq的扰动以及两个电压耦合量iqPLLLs和idPLLLs的扰动所产生的影响。如果要消除这些干扰量对系统运行造成的影响，就需要通过相应的设计，把这些干扰量也包含到控制环节中。图2-7就是文中所设计的电流内环控制器结构图。图中将系统中的三相输出电流iab

41、c通过abc-dq变换，分别得到dq轴的电流分量id和iq，然后通过与电压外环控制器所提供的电流参考量idref与iqref进行比拟分析，所得结果通过PI调节器进行控制，再对其进行交叉耦合补偿和电压前馈补偿，最终得到vsd与vsq这两个控制信号。内环控制器首先对电流比拟值通过PI控制器进行调节，然后将控制信号由电流控制量通过相应的控制方法转变为电压控制量。电流环控制实现了对VSI中电流的精细调节，是逆变器中相应最快的控制环节。图2-7 内环控制器结构2.3.2外环控制器设计1并网恒功率控制器的设计 微网并网运行时的电压和频率均由大网提供支持，微电源采用PQ控制方式，输出额定功率。这种控制器的设

42、计原理是对有功功率和无功功率进行解耦并分别进行控制分析，在并网运行时采用恒定值或者采用功率对电流内环的两个参考值idref和iqref进行控制。本文采用的恒功率控制方程式如下：2-14式中定义Pref和Qref分别是逆变器中有功功率和无功功率的参考值。P和Q分别是通过测量得到的有功功率和无功功率实际值，其计算方法下式所示：2-15以上的几个式子均采用标幺值形式，文中所选取标幺值的基值如式2-16。式中，Sbase表示系统的额定容量，Vbase那么表示额定电压的最高值。2-16通过以上所得的方程式，可以得出如下列图所示的外环恒功率控制器。图2-8 外环PQ控制器结构2孤岛V/f控制器的设计 微电

43、网在独立运行状态下，不能再得到主网的电压和频率的支持。如果在孤岛运行模式下微电源仍然保持恒功率控制不变，那么微电网系统的电压和频率将会随微电源的输出功率的变化而变化，当其功率输出超过或者不能满足负荷需求的时候，电压和频率会随之增大或者减小。假设超出系统允许范围，就会使系统失稳。即使在刚切换时微源输出的功率正好能够满足负荷需求，但是在独立运行过程中负荷发生变化时，同样会造成系统的电压和频率的变化。因此孤岛状态下，逆变器要自身承当起微网电压和频率的调节40-41，同时能够调节微电源的功率输出，使其能够满足负荷的需求。这就是本文所要介绍的V/f控制器，其控制框图如下列图所示：图2-9 V/f控制器结

44、构3孤岛下垂控制器的设计 在孤岛状态下，一个微电网中如果有多个微电源并联运行时，每个微电源都相当于一个可控的电压源，此时各微电源之间的电压、频率和相位必须能够协调一致，才能保证系统正常运行。这就需要采取相应的控制策略，协调各微电源的出力，根据负荷需求实现合理的功率分配。下面所要介绍的下垂控制方法就能很好的解决各电源之间的协调问题。下垂控制的控制原理类似于传统电机控制中的“功频静特性控制理论：当微电网中负荷增加，微电源提供的有功功率不能满足负荷的需求时，将会导致系统频率降低；而当微电源所提供的无功功率不能满足负荷需求时，将会导致系统电压降低。同理，微网提供的有功功率和无功功率过剩时，将会分别导致

45、系统的频率和电压升高。其实质原因是：含有多个并联电源的微电网在孤岛运行模式下，系统通过下垂控制下达给各微电源输出电压、频率和相位的指令值，使其检测各自的功率输出情况，并根据指令反相微调各自的电压、频率和相位的输出，从而使系统的有功功率和无功功率能够得到合理分配。在微电网独立运行过程中，下垂控制也能对电压和频率进行调节控制，使微网自身承当起电压和频率的支撑，并且能够根据负荷的需求情况自动调节微电源的功率输出。下垂控制结构图如下所示：图2-10 下垂控制器结构从图中可以看出，下垂控制器分为两局部：下垂控制和电压控制。其中下垂控制根据微电网的情况预先设好下垂系数，进而合理分配各微电源的功率输出，并且

46、可以将其中所得到的参考信号直接用于逆变器的控制环节中。由于下垂控制是一个单环控制，如果微电网的负荷是不对称或非线性负荷时，将会对微电源输出的电压质量造成很大影响。因此为防止输出的电压产生波动，在其后参加了一个电压控制环节，将此时输出的电流作为电流内环控制器的参考信号值。2.3.3并网控制器与孤岛控制器之间的切换策略图2-1中的并网开关PCC用于控制主网和微电网之间的并网运行与孤岛运行。但是如果要使两种模式之间能够实现平滑切换，还需要对控制局部也参加逻辑开关，使其能够实现并网控制器和孤岛控制器之间的转换。其结构图如下所示：图2-11 控制器切换结构图2.3.4微电网的孤岛检测1、孤岛的概念与孤岛

47、运行 对于微电网的研究开展到现在，仍然不能完全解决现代电力系统中所出现的关于孤岛的问题。而微网系统的孤岛运行，指的是微电源带有负荷整体从大网中脱离出来独立运行，在一个局部范围内能保证对重要负荷提供不间断供电，提高了系统供电的可靠性。传统意义上的孤岛运行主要分为两种方式：方案孤岛和非方案孤岛。1方案孤岛 根据主网实际运行需要，在微网与主网断开之前已经有明确的孤岛范围，而在微网与主网断开后，又能保证微网的继续带负荷运行。从而可以很合理的利用当地的分布式能源，更有利于提高供电的可靠性，也能给主网提供有力的支撑。现在，世界上有些国家的供电系统已经采用了方案孤岛这种运行方案，加拿大的尼托巴省的一个水电系

48、统就是其中之一。2非方案孤岛 非方案孤岛是指由某些突发事件或者不确定因素而导致微电网系统需要独立带负荷运行。这种运行状态不能实现预测，并且孤岛的范围也不能事先确定，因此对设备的使用和运行以及检修人员的人身平安造成很大的威胁。并且对两种运行模式以及相应的控制策略在何时进行切换也不能确定，这样就会降低系统的电能质量。在运行中也容易引起系统继电保护装置的误动，从而使供电的可靠性有所降低。由于非方案孤岛给电力系统造成的危害太大，所以在运行过程中要尽量防止这种运行状态的发生，这就需要采取相应的孤岛检测技术来对微网运行过程进行跟踪与测量，以保证微电网在独立运行的过程中仍然能对重要负荷进行不间断供电。2、孤

49、岛检测方法的分类与检测的盲区 微电网的孤岛检测一般分为被动式和主动式两类检测43，这是微电源运行所需要具备的一个最根本的功能。被动式的孤岛检测最主要的依据是通过对并网系统公共点PCC的电压、频率和相位进行跟踪检测，观测其是否偏出系统正常的允许范围。这种方法有一种局限性，因为当微电源的输出功率正好能够满足负荷的功率需求时，这种方法就会失效，即会出现检测盲区。但是主动检测方法那么能够很好的解决这种问题，其根本原理是：在微电源的输出中增加一些电流、相位或者频率等小扰动信号。当微电网并网运行时，主网相当于一个无穷大系统，可以等效为一个电压源。由于PCC点的频率和电压信号被钳位，从而无法测量出所加的扰动

50、信号；微电网与主网断开而进入独立运行模式时，所参加的小扰动信号就会向相同的方向不停扰动，当其输出信号的变化超出所规定的范围时，孤岛发生的情况就可以被检测出来。按照检测的电气量的不同，被动孤岛检测可以分为相位突变法、高频/低频法、过电压/欠电压法和电压谐波法等多种检测方法44-48。被动检测法的优点是设计比拟简单，并且不会影响到电力系统的电压质量。缺点是在检测过程中会存在盲区。主动孤岛检测方法那么“是在微源的控制局部参加比拟小的扰动量，然后对其输出进行检测，在并网中由于小扰动对大电网的影响比拟小，致使并网运行过程中检测不出来。当孤岛事件发生后，小扰动就会被迅速放大49，当扰动信号超过设定的数值后

51、就能够判断出孤岛的发生。一般所用的主动孤岛检测方法有转差频率偏移法、输出电压扰动法、输出功率扰动法和有源频率偏移法等。当微电网运行在孤岛状态时，如果PCC点的电压和频率数值超出正常工作时所允许的范围，微电网那么进入到保护状态。而当微电源输出的有功功率和无功功率正好满足负荷需求时，公共点的电压和频率的数值就会继续工作在允许范围之内，从而会存在检测盲区。下列图中，微电网输出的有功和无功分别用P和Q表示，Pload和Qload分别表示负荷吸收的有功功率和无功功率。微电网的输出功率与负荷所需的功率之间会存在一定的偏差，分别用P和Q表示，在并网运行过程中大电网向负荷提供这局部功率。图2-12 孤岛检测原

52、理图当微电网进入孤岛运行状态时，偏差功率P和Q可以由式2-17得出50：(2-17)其中，U表示主网电压，其上限为Umax=110%U；下限Umin=88%U；电网的频率用f表示，其上限为fmax；系统的品质因数用Qf表示。针对分布式发电系统，有相应部门制定了并网技术要求，主要包括：电网质量标准、当微网孤岛发生时检测出来所需要的时间等。文献51对孤岛检测的时间进行了限制，如表2-2所示，其中电压幅值311V，频率50Hz，电压等级是中国标准。从上表我们可以得出，PCC处的电压和频率数值在区域D1和D2内时，孤岛检测所需要的时间分别需要0.12s和2s，当其数值在区域D3内时，系统处在正常运行状

53、态。D3中，又会出现两种不同的情况：一种是在并网状态下系统确实是正常运行；另一种是孤岛发生，并且微电网系统与负荷需求功率的差值正好满足式2-17。第二种情况发生时，通常所用的检测方法就会失去作用。3、本文采用的孤岛检测法 文献49中提出对逆变器输出参加持续的扰动，从而使系统在发生孤岛后其工作点不在正常运行范围，即偏离D3区域，通过这种方法实现对孤岛发生的检测。但是如果持续参加频率扰动将会使输出的电能质量不能得到保证。因此，文中采用的孤岛检测方法是对微电源参加间歇性的频率扰动从而对孤岛进行检测。参加间歇性扰动后，将会使系统发生孤岛后打破其可能出现的功率平衡的现象。而当功率的输出与吸收不平衡之后，

54、系统的频率就会出现波动，然后会导致发生正反应，这样就会使系统的工作点偏离正常运行范围D3区域，如此即可成功实现孤岛检测，并且这种方法对电能质量不会造成太大的影响。图2-13是本文为孤岛检测所设计的流程图，图中PCC的电压幅值用Um表示，频率的扰动值用fx 表示。图2-14是对孤岛检测设计的控制器框图。从控制框图中可以看出，将锁相环得出的频率值PLL发送给孤岛检测控制装置，然后通过相应的计算得到电压的相角，记为f。而电流d、q轴的参考值idref 和iqref也通过变换得到新的参考值i*dref和i*qref。变换方程如式2-18所示。图2-13 孤岛检测流程图图2-14 孤岛检测控制器框图2-

55、182.4本章小结文章首先对微电网中分布式电源的种类以及微电网的结构特征进行了简单的介绍，并且针对本章所要研究的内容建立了微电网模型，然后在传统理论的根底上，分别设计了微电网的并网运行和孤岛运行两种状态下的控制器。其中针对并网运行状态设计了恒功率控制器，针对孤岛运行状态设计了V/f控制器和下垂控制器，并且为保证系统能够在两种模式转换过程中实现平滑切换，还设计了并网/孤岛切换控制器。继而分析了非方案孤岛给系统及人生平安所带来的危害，列举了孤岛检测所常用的集中方法，并针对各自的特点进行了比拟，最终文章采用了参加间隙性扰动信号的孤岛检测法，并且对孤岛控制器进行了设计。第3章微电网切换至孤岛时的幅频特

56、性与小信号稳定性分析微电网平稳切换至孤岛运行模式是保证微电网内重要负荷持续可靠供电的重要手段之一。含有分布式发电单元、储能单元和负载的独立或并网运行的微型电网，是解决供电平安可靠性、利用和开展新能源的一种有效模式。微电网有并网和孤岛两种运行模式。在大系统故障时，微电网由并网模式平稳过渡到孤岛模式，以保证微电网区域内重要负荷持续可靠供电。这一切换过程中，即使微电网中的微电源容量足以支撑网内的负荷，微电网也会承受一定程度的小扰动，因此微电网切换过程的小信号稳定问题就成为一个重要的研究内容。目前，关于微电网小信号稳定性的研究主要是用特征根分析法51-54分析系统的稳定性，大体上分为两类：一类研究微电

57、网在下垂控制方式的孤岛运行模式下的小信号稳定问题；另一类研究微电网并网模式下的小信号稳定问题。然而，微电网由并网切换至孤岛运行模式时，切换后是否能稳定是由孤岛模式的微电网系统特性和切换扰动大小决定的，而与并网时的微电网特性无关。当考虑切换扰动较小的情形时，与之对应的系统稳定分析内容就是孤岛模式下的微电网小信号稳定分析。然而，微电网的孤岛控制方式有下垂控制和V/f控制两种方式。其中，对下垂控制方式的微电网孤岛运行小信号稳定分析已经获得一些规律，例如下垂增益过大会导致系统失稳55、微电源之间线路阻抗非常小时会导致系统失稳、不同微型电源的有功控制器下垂增益差值越大，系统频率震荡到达稳态的时间越长56

58、57。但对V/f控制的微电网孤岛运行小信号稳定分析还非常少。本章以V/f孤岛控制方式的微电网为研究对象，在推导控制器系统传递函数的根底上，分析了控制参数对系统频谱特性的影响，并通过时域仿真研究了控制参数对微电网运行模式切换暂态过程的影响规律。其后建立了孤岛模式下的微电网小信号模型，利用特征根分析法分析了V/f控制器参数变化、负荷阻抗及线路阻抗变化对切换过程中系统小信号稳定性的影响规律，并用时域仿真进行了验证。最终获得了保证微电网平稳切换至孤岛运行模式的主导影响参数和影响因素，其结论可为微电网平滑切换控制方法和策略提供参考。微电网系统介绍微电网的控制器的分析与设计微电网的示意图见图3-1。微电源

59、是三相电压源型逆变器逆变，所带负荷是RLC并联负荷。并网运行时，微电网采用PQ控制方式，切换至孤岛运行状态时采用V/f 控制方式，自身承当起电压频率的调节作用。图3-1 微电网结构图微电源控制器结构当开关S3翻开时，微电网进入孤岛运行状态，逆变器切换至V/f控制。V/f控制器如图3-2所示，其中：是频率输入信号；udref和uqref是电压参考值，ud和uq分别是电网电压信号的dq轴分量；idref和iqref是内环电流的参考值；vsd和vsq是电压控制信号的dq轴分量。图3-2 孤岛控制V/f器结构控制参数对微电网切换的影响微电网由并网运行向独立运行的切换过程与独立运行时的控制器参数有很大关

60、系，本节重点对V/f控制器进行研究，其构成主要由电流内环和电压外环两个控制环节，控制参数主要有：电流环比例系数kpi和积分系数kii、电压环比例系数kpv和积分系数kiv。电压外环用于保证电压和频率的正常运行，并为电流环产生参考信号，其动态响应慢；电流内环进行精细调节，可提高电能输出质量，动态响应较快。孤岛控制器系统函数动态响应分析由上面介绍可知，孤岛控制器主要分为电流环和电压环两局部。现令udref和uqref分别为电压环的d轴和q轴的输入值， vd、vq那么为逆变器端电压的实际测量值。设ud、uq是电流环的输出值，那么： 3-1滤波回路中的dq方程如下式所示： 3-2其中，Ls为滤波电感，