微型分布式电源工作原理和控制

01二月2023微型分布式电源工作原理和控制01二月2023微型分布式电源工作原理和控制§3-1微型涡轮发电机的建模和仿真§3-2燃料电池系统的建模§3-3光伏(Photovoltaic，PV)发电系统§3-4小型风力发电系统§3-5微电网中能量存储设备01二月2023§3-1微型涡轮发电机的建模和仿真一、微型涡轮发电机组的基本工作原理如果不考虑微型涡轮发电机组的容量大小，则它们的基本运行原理相同，即将某种形式的机械能转换为电能。随着涡轮发电机组的类型、容量的不同，这一能量转换的过程将有很大的差异。大容量的蒸汽涡轮发动机和大型的同步发动机基本的运行和控制原理可总结如下：系统稳定运行时，进入涡轮发动机的蒸汽流量所对应的功率等于发电机所输出的电功率，发电机和涡轮发动机的转速同步，发电机所输出的正弦电信号与电网信号相位相同。在负荷的暂态响应期间，负荷所需能量首先来自于大型涡轮发动机和发电机转子的转速变化。涡轮发动机的转速控制系统将检测出转速的变化，并调节蒸汽流量，使得其转速达到设定的数值。01二月2023§3-1微型涡轮发电机的建模和仿真微型涡轮发电机组的基本工作原理稳态工作时，进入涡轮的天然气和空气的燃烧所获得的能量与发电机输出电能相等，微型涡轮发电机组的转速不是关键的因素，因为发电机输出的正弦交流信号首先经过整流然后再通过逆变器输出。直流侧电压必须保证能够提供逆变器输出的功率的要求，该运行模式需要对微型涡轮发动机的转速进行良好的控制。在负荷暂态响应期间，所需的功率也可首先从微型涡轮发动机转子的转速变化获得，但是由于系统的转动惯量比较小，所存储的动能也小，因此转子的转速将变化迅速。微型涡轮发动机的转速控制系统将检测出转速的变化，并调节输入到微型涡轮发动机的燃料流量，使发动机的转速达到设定数值。微型涡轮发动机的转速需要迅速调节，保证发电机能够正常运行。在这种运行模式下，涡轮发电机组也能跟随负荷的变化。01二月2023§3-1微型涡轮发电机的建模和仿真二、微型涡轮发电机系统的结构微型涡轮发电机系统的基本功能方框图回流换热器利用燃烧过程产生的排出废气，增加了系统的效率。系统中的发电机为永磁发电机。发电机和电力电子接口电路的方框图逆变器采用电压源逆变器，可采用PWM控制、矢量控制或其它类型的控制方式。01二月2023§3-1微型涡轮发电机的建模和仿真三、微型涡轮发电机组的数学模型Idc=0，设直流母线电压为500V，转子转速为52000rpm

用Honeywell微型涡轮发电机参数计算Kv、Ke和Kx。当输出功率60kW时，转速为60000rpm

，直流侧电压为515V01二月2023§3-1微型涡轮发电机的建模和仿真输出功率和转矩：微型涡轮发电机的转速模型：01二月2023§3-1微型涡轮发电机的建模和仿真为验证转速模型，在转速的输入端加入了一个二阶的控制器，模拟燃料控制和调节器的动态特性。

为了使得模拟结果与Honeywell75kW的发电机的实际响应接近，采用曲线拟合建立转速和功率给定值之间的关系。01二月2023§3-1微型涡轮发电机的建模和仿真功率给定值如图所示，时间序列与Honeywell涡轮发电机测试数据有稍许差别，但阶跃变化和幅度与实际测试数据相同。输出功率仿真结果01二月2023§3-1微型涡轮发电机的建模和仿真输出转速仿真结果由于采用了曲线拟合，仿真结果与实际测试数据非常接近。曲线拟合转速模型的直流侧电压仿真结果当负荷阶跃变化时，转速和直流侧电压的调整具有一定的超调量，这样的响应是由该模型的特性所决定的，若采用理想模型，可控制超调量的大小。01二月2023§3-1微型涡轮发电机的建模和仿真根据上述分析，可对建模所需要的条件总结如下：转速为测试数据的曲线拟合；暂态脉冲被不实际地放大了，对于不同的运行条件，引入的参数需进行调整；当逆变器的输出电流随着负荷变化时，应限制其输出电流的响应，因此负荷电流必须采用同样的方式进行限制。模型的主要缺点是没有考虑微型涡轮发动机的动态特性，涡轮和发电机将影响转速设定值变化时的转子响应，这些影响没有考虑在模型中，但是模型参数可进行正确的调整。四、微型涡轮发电机组的输入转矩模型为考虑涡轮发动机的动态特性，采用转矩作为输入的模型。01二月2023§3-1微型涡轮发电机的建模和仿真微型涡轮发电机组的输入转矩模型01二月2023§3-1微型涡轮发电机的建模和仿真01二月2023§3-1微型涡轮发电机的建模和仿真电流的上升时间与转速模型相同；输出转矩、转速和直流侧电压的仿真结果与测试数据很接近，与实际系统具有相同的特性；在测试数据和模型中具有相同的电压和转速的超调；直流电压和转速的峰值与测试数据也基本相同。01二月2023§3-2燃料电池系统的建模燃料电池通过氢和氧的电化学反应将氢或含氢燃料直接转换成电能，热能和水。一、自主式燃料电池模型

大多数的燃料电池系统生成电能所直接包含的全部化学反应可以简化为：

熔融碳酸盐燃料电池，忽略低温度动态，物质平衡方程为U为电池电压；Niin，Nio分别为第i级反应物在电池输入和输出端的流速；Ntin是全部反应物在电池输入端的总流速，Ni=xiNt；Ri为反应物的反应速率，Rt是Ri的总和。

T为电池的华氏温度，P为电池的压力，R为气体常数(8.31焦/摩尔华氏度)。01二月2023§3-2燃料电池系统的建模IFC为电池电流，F为法拉第常数(96500C/摩尔)，n为第一式反应中的电子数。

实际的燃料电池，反应物的摩尔浓度，xH2Oin，xH2in，xO2in是固定的常数。

电池所有反应的动态特性的时间常数相同。u为电池利用率。

电池利用率可由H2定义：当为常数时，利用率u随着电池电流的增加而增加。01二月2023§3-2燃料电池系统的建模u=0对应于用燃料电池闲置的情况，u=1对应于电池最大输出。在实际的应用中，u的值约为0.85左右。

电池电动势的瞬时值E可由纳斯特定律得到Er为标准状态时电池的开路电压；f=RT/nF。

因为反应物的扩散摩尔浓度可由下式计算：燃料电池的非线性电化学模型反应物的输入总流速Ntin为模型的独立输入信号，决定了电池的稳定状态功率。

连接到电池的电气端的外部电流决定了电池电流的大小，这是模型的第二个输入信号。模型为降阶模型，因为忽略了温度引起的动态特性。适用于描述电池断续工作情况下温度在数分钟内几乎不变的特性。01二月2023§3-2燃料电池系统的建模H2和H2O在稳定状态释放的摩尔浓度，可表示为：E的稳定状态值Eocv为Eo为利用率为零(电池闲置)时的开路电压：当u较大时，百分之五十的O2利用率可导出下述近似表达式。01二月2023§3-2燃料电池系统的建模稳定状态时电池电压和电池利用率之间的关系曲线(a)电池开路电压，(b)端电压

01二月2023§3-2燃料电池系统的建模二、并网运行燃料电池模型1.非线性模型

并网运行燃料电池系统原理图

采用了两个控制环控制系统输出的交流电压和功率。01二月2023§3-2燃料电池系统的建模电压控制器通过改变逆变器的调制度来调节系统与电网接口的母线电压VT，实现无功功率的控制。

通常情况下，燃料电池承担系统的基本负荷，因此燃料控制器为燃料电池提供恒定的燃料输入。燃料控制器的响应速度很慢，但是通过调节逆变器的功率角，系统可对较小的瞬时功率调节做出连续的反应。任何稳定状态功率的改变必将伴随着燃料流速的相应改变。如果电池输出功率升高，而燃料流速保持不变，则稳定状态的电池利用率将会升高而电池电压将会降低。并网运行燃料电池系统的单相等效电路01二月2023§3-2燃料电池系统的建模m=1，u=0.85，RFC=0.3，E=1.3，XT=0.1，(a)Xs=0.25，(b)Xs=0.2

燃料电池系统的功率特性对电池电阻和交流系统阻抗之间的比值比较敏感。最大功率受燃料电池内部参数限制，与电网的接口无关。01二月2023§3-2燃料电池系统的建模2.线性化动态模型并网运行燃料电池的小信号模型

01二月2023§3-2燃料电池系统的建模(1)燃料电池线性化动态模型

分别为正常运行时电池电流，利用率和输入流速。U0为电池额定电压；(2)电网络电网络采用灵敏度矩阵J表示，J为雅克比矩阵。01二月2023§3-2燃料电池系统的建模(3)逆变器控制逆变器的两个控制环均采用PI控制。

当燃料电池承担基本负荷时，燃料流量调节器的作用可以忽略。可假设所有电池均在恒定燃料流速下运行，即01二月2023§3-2燃料电池系统的建模电池电流和交流电压如下面两式所示：上式中，B2=E2-4RFCPFC。由上述动态模型可知，当负荷功率增大时，功率偏差将增大从而使得功率角增加，提高了电池的输出功率。当电压发生变化时，逆变器的调制度将随着变化。功率控制环与电压控制环通过两个二阶反馈环相互作用，反馈环包含了电网络和电池的基本参数。电压控制环的暂态响应只受到电网络中的短时时间常数的限制。因此，电压控制器可以采用PI控制，其响应时间为工频正弦信号的一到两个周期。功率控制环的比例和积分增益应适当选取，以便得到较慢的响应，从而减少功率控制环和电压控制环以及其他系统动态特性的相互作用。01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)发电系统一、光伏电池原理

用适当波长的光照射到半导体系统上时，系统吸收光能后两瑞产生电动势，这种现象称为光生伏特效应。p-n结的光生伏特效应光照产生的非平衡载流子各向相反方向漂移，在内部构成自n区流向p区的光生电流，在p-n结短路情况下构成短路电流密度。在p-n结开路情况下，p-n结两端建立起光生电势差，即开路电压。将p-n结与外电路接通，只要光照不停止，就会不断地有电流流过电路，p-n结起了电源的作用。01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)发电系统太阳能电池的电流和功率特性为使太阳能电池的输出功率达到最大，不论外界环境如何变化，必须使其运行在这一最大功率点。可采用电子控制器实时地调节PV电池运行电压等于最大功率点的电压来实现最大功率点跟踪。01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)发电系统受太阳辐射和负载大小影响的PV电池的电压-电流特性电池的温度影响太阳能电池的性能，随着温度的增高，其输出电压和功率将线性减小，因此PV电池最好运行在太阳辐照度高，气温较低的时候。不同太阳辐射情况下，最大功率点的电压基本上相同，与电池受到的辐照度无关。01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)发电系统二、PV电池等效电路IL

：光能产生的电流；Id

：二极管电流；Ish：旁路漏电流；串联等效电阻Rs表示电池中对电流的阻碍作用，其数值取决于p-n结深度、半导体材料的纯度和接触电阻；

旁路电阻Rsh与电池对地的泄漏电流成反比。常规的高质量的PV电池，一平方英寸的硅电池其Rs在0.05到0.10Ω之间，Rsh在200到300Ω之间。PV电池转换效率对Rs的变化非常灵敏，而对Rsh的变化不灵敏，当Rs的值少量增加时，PV电池的输出电能将显著减小。二极管电流可采用常规的二极管电流计算公式计算：ID为二极管饱和电流；Uoc为开路电压；Q为电子电量；A为曲线拟合常数；K为波尔兹曼常数；T为绝对温度。

01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)发电系统负载电流：实际的PV电池，Ish与IL和ID相比非常小，可以忽略。在黑暗条件下，将电压Uoc加到电池两端，并测量流入电池的电流即可求得二极管饱和电流，因此该电流常称为黑暗电流或反向二极管电流。描述PV电池性能的两个最重要和最常用的参数是开路电压Uoc和短路电流ISC。在满照度的条件下，将PV电池的输出端短路测量得到的电流即为短路电流。在PV电池开路的情况下，得到的最大光电压即为开路电压。忽略旁路电流。开路电压具有负的温度系数。01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)发电系统PV电池的电气特性一般采用电流-电压(i-v)曲线表示。左边阴影区，电池工作于理想电流源工作状态，其输出电压取决于负载电阻；右边工作区，当电压少量增加时，将引起输出电流急剧增加。在此区域，电池相当于具有内阻的电压源。在两个阴影区域的中间部分，i-v曲线有一个转折点。PV电池的输出功率为其输出电压和电流的乘积。当输出电压处于i-v曲线的转折点时，输出功率达到最大。PV电池的电路应工作于靠近i-v曲线的转折点的左边。在分析系统的电气特性时，可将PV电池等效为近似理想电流源的模型。01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)发电系统光照为2流明，空气质量为2.5时，22瓦的PV电池的i-v特性：定义外太空的空气质量为0，太阳辐射可达1350瓦/平方米。当空气质量为1时为纯净的空气且在中午的时候，可将其定义为地面的理想条件，太阳光经很小的阻挡达到地面。一般的白天，空气质量为1.5，可定义为空气质量的参考值。01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)发电系统PV电池的光电转换效率：三、PV系统组成PV电池必须工作于一定的电压，从而保证在一定的条件下工作于最大功率点。设PV电池的输出电压为U，输出电流为I，则P=U×I。忽略上式中的高次方项：在最大功率点，ΔP应为零，因此在最大功率点：动态阻抗静态阻抗01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)发电系统实现PV电池工作于最大功率点的方法：第一种方法：将一个很小的电流信号按一定的周期注入到PV电池阵列的母线上，然后测量母线上的动态电阻Zd=dU/dI和静态电阻Zs=U/I，调整电池的工作电压直到Zd=Zs，当电池运行在这一点时，其输出功率可达最大值；第二种方法：根据dP/dU的正负调节工作电压，当dP/dU为正时增加PV电池工作电压，为负时减小工作电压。如果dP/dU在一定的死区范围内接近于零则保持其工作电压不变；大多数PV电池，最大功率点的电压与开路电压的比值(Ump/Uoc)近似为常数K。第三种方法：将一个不带负载的光电池安装在PV电池板上，使其与输出电功率的PV电池处于同一环境，并不断测量其开路电压，如果将输出电功率的PV电池的工作电压设定为KUoc，则其输出功率将达到最大值。01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)发电系统独立运行的PV系统组成：01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)发电系统并网运行的PV系统组成：光伏发电系统的并网电路两级拓扑结构

集成控制器首先在DC/DC环节中实现MPPT控制，再在一个DC/AC环节中实现正弦电流输出与相位控制。

集成控制器检测太阳能板的输出电压、电流，中间环节的电压Ud，以及交流侧电压和输出电流等信号，输出DC-AC逆变器的调制信号，同时还要向DC-DC换流器发出最大功率点电压指令U*pv和启动停止信号。01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)发电系统四、逆变器电流跟踪控制通过基于PWM调制的电压源型逆变器(IGBT、MOSFET等)与电网互联，以输出电流作为控制对象。

外部电压控制环产生内部电流跟踪控制环的参考电流，而电流环主要负责补偿误差电流，产生PWM调制信号，要求具有快速的动态响应速度和谐波补偿能力。电流跟踪型PWM的控制方法很多，根据使用的坐标系不同主要有两种类型：基于三相瞬时坐标系下的非线性控制器、基于同步旋转坐标系的线性控制器。01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)发电系统非线性控制器采用瞬时比较的方式，将有功电流指令和无功电流指令经过Park反变换得到交变的输出电流指令ia*、ib*、ic*，分别与实际三相电流相比较，偏差通过电流环调节器输出的Ua*、Ub*、Uc*为按正弦规律变化的一系列调制脉冲，经电压放大到驱动主电路功率开关管，输出三相桥逆变电压。为了确保输出有功电流与电网电压同相位，电网电压的相位和频率信号可以经过锁相环节(Phase-lockedloop)得到。1.基于三相瞬时坐标系下的非线性控制器01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)发电系统采用上述PLL可以较好的得到正序相角，抑制谐波分量和其它扰动信号的影响。但在不对称电压故障下，负序分量通过PLL环节会产生谐波分量，因此需要结合滤波技术，过滤负序分量。01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)发电系统2.基于同步旋转坐标系的线性控制器三相并网系统中，常采用把三相变量变换为两相，将交流变量转换为直流变量，在d-q同步参考坐标系下设计基于空间矢量PWM(SVPWM)的线性电流控制器。功率控制器产生有功和无功电流指令id*、iq*，分别与实际的id、iq相比较，差值通过电流控制环输出空间矢量调制的电压指令Ud*和Uq*。电流控制环采用PI控制，使用交叉耦合方法并增加电压前馈环节提高控制器的动态响应特性。01二月2023§3-4小型风力发电系统风力发电是利用风能来发电，而风力发电机组(简称风电机组)是将风能转化为电能的机械。一、风机的特性

风轮是风电机组最主要的部件，由桨叶和轮毂组成。桨叶具有良好的空气动力外形，在气流作用下能产生空气动力使风轮旋转，将风能转换成机械能，再通过齿轮箱增速驱动发电机，将机械能转变成电能。理论上最好的风轮只能将约60％的风能转换为机械能。现代风电机组风轮的效率可达到40％。风机的能量转换公式可以写成：

ρ为空气密度；R为叶片旋转半径；u为风速；θ为桨距角；λ为叶尖速度比ωrot为风机的旋转速度，Cp为风机的转换效率。

01二月2023§3-4小型风力发电系统理想风机的功率特性曲线：当风速检测系统在持续10分钟内测得风速平均值达到切入风速，系统自检无故障时，控制系统发出释放制动器令，机组由待风状态进入低风速起动。当机组转速接近同步转速时，执行并网操作。输出功率随着风速的的增大而增加，当风速超过额定风速的时候，由于风机失速效应的影响，风机的输出功率恒定。01二月2023§3-4小型风力发电系统当转速超越上限发生飞车时，必须进行限速及刹车操作，以强制停机。二、风机的叶片控制风力发电机按照桨距是否控制可分为定桨距风力发电机和变桨距风力发电机。若风机的功率调节完全依靠叶片的空气动力学特性，则称为定桨距风力发电机组。风电机组的设计一般在小于额定风速时风轮具有最佳转换效率，发电机工作于同步转速附近。当风速超过额定风速时，由于叶片存在着失速效应，降低了Cp，维持发电及输出功率恒定。实际中风速的变化范围很大，特别在强风速下，风速的变化非常快，使得风机的输出功率波动要比正常风速时大，因此很难维持发电机输出功率的恒定。另外失速控制方式主要依赖于叶片独特的结构，随着叶片加长，成型工业难度加大，且失速动态特性也不好控制。01二月2023§3-4小型风力发电系统为了尽可能提高风力机风能转换效率和保证风力机输出功率更为平稳，风力机需要加装桨距调整环节进行桨距调整，这种风机称为变桨距风力发电机。变桨距风力发电机功率调节不完全依靠叶片的空气动力学特性，主要依靠与叶片相匹配的叶片攻角改变来实现。在额定风速以下时，叶片攻角处于零度附近，此时叶片角度受控制环节精度的影响，变化范围很小，等同于定桨距风机。在额定风速以上时，变桨距机构发生作用，调整叶片攻角，保证发电机的输出功率在允许范围内变动。定桨距和变桨距风机的功率特性曲线01二月2023§3-4小型风力发电系统三、风力发电系统的控制1.独立运行的风力发电系统早期10kW以下的小型风力发电系统采用直流发电系统。采用直流发电机与蓄电池储能配合向直流负载供电，直流发电机的结构复杂、维护量大，目前多采用交流发电机经整流器后输出直流电。交流发电机包括永磁式发电机、无刷自励发电机、硅整流自励交流发电机和电容自励异步电机。永磁发电机自身不能调节，为了调节输出功率，必须另加输出控制电路，与小型风电装置和经济性需求相矛盾。无刷罩极自励发电机所有的励磁都来自一套励磁绕组，具有较好的调节性能，通过调节励磁可以方便的控制输出特性，并有可能使风机实现最佳叶尖速比，得到最好的运行效率。非常适合千瓦级的微、小型风力发电装置。在整流器后接逆变器则可以向交流负载供电。01二月2023§3-4小型风力发电系统独立运行的异步发电机带负载运行时，发电机电压和频率都随负载的变化及负载的性质有较大的变化。为了维持频率不变，必须相应地增加发电机转子的转速。当负载增加时，异步发电机的滑差绝对值增大，在异步电机作为发电机运行时，转子转速大于定子电机旋转磁场的转速，异步电机的频率下降，如果维持异步发电机频率不变，必须增加转子的转速。01二月2023§3-4小型风力发电系统为了维持发电机的电压不变，当发电机负载增加时，必须相应地增加发电机端并接电容的数值。多数情况下，负载为电感性，感性电流将抵消一部分容性电流，这样将导致励磁电流减小，发电机端电压下降，所以必须增加并接电容的数值，以补偿负载增加时感性电流增加而导致容性励磁电流的减小。异步电机的功率因数由输出功率决定，不能调节，电网供给励磁的无功电流会导致功率因数下降，同步电机则可以使用励磁调节系统调整功率因数。因此单独运行时，异步电机的电压调节比同步电机困难很多。为了保证对负载的不间断供电，独立运行的风力发电系统由风力机驱动发电机，经蓄电池蓄能装置向电阻性负载供电。当风力减小时，风力机转速降低，致使直流电压低于蓄电池组电压时，则发电机不能对蓄电池充电，而蓄电池却要向发电机反向送电。01二月2023§3-4小型风力发电系统为了防止这种情况，在发电机电枢电路与蓄电池组之间装有逆流继电器控制的动触点，当直流发电机电压低于蓄电池组电压时，逆流继电器动作，断开动触点J，使蓄电池不能向发电机反向供电。为保证风机对负载持续供电，蓄电池的容量非常关键。容量选择与选定的风力发电机的额定数值，日负载状况，以及该风力发电机安装地区风力(无风持续时间)等有关系，同时还需要计算蓄电池的充电和放电电流值，保证合理的使用蓄电池，延长蓄电池使用寿命。2.恒频/恒速风力发电系统并网运行的风力发电机要求其输出频率与电网保持一致。根据风机的转速特性风力发电系统可以分为恒频/恒速和恒频/变速系统。早期风力发电系统的运行方式多为恒频/恒速，风机采用失速调节或者变桨距调节，风轮转速不随风速的改变而改变，发电机主要采用异步感应电机。01二月2023§3-4小型风力发电系统异步电动机组成的恒频/恒速风力发电系统控制策略：低风速下追求Cp最优，进入高风速时限制输出功率。01二月2023§3-4小型风力发电系统当风速在启动风速和正常风速之间时，风机的输出功率小于额定功率，此时模式切换开关调整到优化控制模式，调整桨距角获得最佳的风能转换效率Cp

。当风速在正常风速和关停风速之间时，风机的输出功率超过额定功率，模式切换开关切换到功率控制模式，调整桨距角以增强失速效应，维持输出功率在额定功率。功率控制器采用带有反缠绕设计的PI控制器，可以有效减少控制模式切换时控制器输出与实际桨距角θ不等引起的系统闭环响应变差现象。逻辑控制的主要功能是比较新的指令信号θsp与和桨距角θ的采样信号，只有θsp与采样信号不同，并持续一段时间后，新的指令信号θsp才能够传递给伺服系统。控制模式之间的切换取决于风机的运行状态，为避免桨距角出现较大偏差，控制模式切换时应同时满足两个条件：风机的输出功率是否大于额定功率；风速是否大于额定风速。01二月2023§3-4小型风力发电系统3.恒频/变速风力发电系统由于风机转速对于风机转换效率Cp影响很大，恒频/恒速的风机可调整的范围和灵敏度都是有限的。应用交流电动机的调速技术，通过调节发电机转子电流的大小和相位实现转速调节，追求Cp最优和无功功率的平衡，将这种调速系统与变桨距控制环节结合，就构了恒频/变速变桨距风力发电机的主要技术特点。实现风力发电机恒频/变速运行主要有两种方式：有限变速运行方式和全变速运行方式。(1)有限变速运行方式系统中换流器的额定容量不超过风机的容量。发电机采用高滑差绕线式转子的异步发电机，如双馈异步发电机和滑差可调的绕线式异步发电机。异步电机采用交流励磁，与电力系统之间构成一种柔性连接，根据电网电压和发电机转速通过电力电子变换装置调节励磁电流，实现变速条件下的并网运行。01二月2023§3-4小型风力发电系统双馈异步电机定子绕组直接接入电网，转子绕组由一台频率、电压可调的低频电源(一般采用交－交循环变流器)供给三相低频励磁电流。当转子绕组通过三相低频电流时，在转子中形成一个低速旋转磁场，这个磁场的旋转速度(n2)与转子机械转速(nr)相叠加，使其等于定子的同步转速n1

，即：当转速nr变化时，相应改变转子电流的频率和旋转磁场的速度n2，以补偿电机转速的变化，保持输出频率恒定不变。发电机可以超同步运行(转子旋转磁场方向与机械旋转方向相反，n2为负)，也可以次同步速运行(转子旋转磁场方向与机械旋转方向相同，n2为正)。超同步运行时，除定子向电网馈送电力外，转子也向电网馈送一部分电力。次同步运行时，定子向电网馈送电力的同时，需要向转子馈入部分电力。01二月2023§3-4小型风力发电系统双馈异步电动机的运行模式同步运行时：n=n1，滑差频率s=(n1-n)/n1，此时通入转子绕组的电流频率为0，亦即直流电流，与普通同步发电机一样01二月2023§3-4小型风力发电系统使用双馈异步电机的风机控制系统

功率控制器速度控制器

电网侧整流器控制

转子侧逆变器控制整个控制系统包含有风机控制和双馈感应电机控制。

01二月2023§3-4小型风力发电系统将发电机定子绕组接同等容量换流器并网运行的。(2)全变速运行方式主要缺点是电力电子变换器安装于系统的主回路，容量大，成本和维护费用高，但是在中、大型风力发电系统中所占风力发电系统的总成本比例并不大。主要的风机类型和控制结构带有变速齿轮的异步电动机交-直-交系统以浆距控制作为主要调节手段维持异步电机转速恒定，电力电子换流器作为辅助控制手段，输出恒定功率。01二月2023§3-4小型风力发电系统带有变速齿轮的同步发电机交-直-交系统利用小容量硅整流器提供励磁电流，同步发电机随风轮变转速旋转，产生频率变化的电功率，励磁调节与浆距控制相结合实现恒频变速。发电机发出频率变化的交流电通过交－直－交变换电路接入电网。采用多极同步发电机，同时引入小容量的AC/DC整流器提供励磁电流优点是不需要机械变速齿轮。01二月2023§3-4小型风力发电系统采用多极永磁同步发电机的交-直-交系统永磁同步发电机不存在励磁绕组铜损耗，发电效率比同容量的电励磁发电机高；转子上没有滑环，维护简单；重量轻，制造工艺相对简便，广泛应用于小型风力发电机。缺点是电压调节能力差。以浆距控制作为主要调节手段维持异步电机转速恒定，电力电子换流器作为辅助控制手段，输出恒定功率。01二月2023§3-5微电网中能量存储设备光伏发电系统和风力发电系统的输出功率随着气象条件的变化而变化，并且为间歇性的，为保证对负荷的连续供电，必须在微电网中安装电能存贮系统。大型电力系统中，同步发电机组的旋转动能在维持负荷的动态平衡、减小系统频率的瞬时变化起着重要的作用，但是在微电网中，由于发电机容量较小，因而其旋转动能也小，另外光伏发电系统和燃料电池系统根本没有旋转动能，因此如果微电网独立运行，则很难保证系统频率的动态稳定。电力负荷从微电网中吸收有功功率和无功功率，微电网与负荷/电网之间的接口通常为三相dc/ac逆变器，采用三相逆变器可实时控制提供给负荷的电压、有功功率和无功功率。三相逆变器能够给交流系统提供无功功率的需求，不需要能量存储系统，只需在其直流母线上加入电容器组，因为无功电流只在逆变器的三相交流侧循环，不会对直流侧起作用，因此负荷的无功功率的变化不会影响微电网中能量存储设备的容量。01二月2023§3-5微电网中能量存储设备一、蓄电池无控制直流母线结构可控直流母线结构

无控制直流母线结构：蓄电池直接与直流母线连接，蓄电池的充、放电状态决定了直流母线电压的大小，由于电池充、放电功率持续时间很短，因此需要电池能够放电到最终电压和在短时间内充满。可控直流母线结构：直流母线连接了电容器组，其电压可以调整，与蓄电池的充、放电过程无关。电池组由多个电池串联，提高输出电压，降低输出电流，但串联电池过多，可能导致各电池的充电平衡问题。01二月2023§3-5微电网中能量存储设备常用的蓄电池有铅酸蓄电池、镍镉(NiCd)蓄电池、镍氢(NiMH)蓄电池和锂离子(Li-ion)蓄电池。镍镉蓄电池和镍氢蓄电池自放电率非常高，不适合于应用在微电网中。锂电池虽然具有最高的能量密度，但是非常昂贵。铅酸蓄电池的每kWh的费用最低，可满足微电网系统的能量密度的要求。1.蓄电池组的设计设计应用于微电网的蓄电池首先应考虑单体电池的特征。若要单体蓄电池充分放电电压Ufvc保持大于或等于1.5V，则应在23℃时使电池工作在瞬时功率曲线的线性段。当Ufvc较低时，电池损耗很高，因此Ufvc应尽可能高，可选择在额定电压Ucn的80%至90%之间。01二月2023§3-5微电网中能量存储设备对于高速率放电的蓄电池，典型的Ufvc为1.75V、1.78V和1.81V。设Ubatf为由Nc个单体电池串联组成的蓄电池组的端电压，则单个电池的数量为对于无控制的dc母线结构，Ubatf为逆变器的最小母线电压，而逆变器的dc母线电压取决于ac电压。在可控dc母线结构，Ubatf决定于dc/dc转换器的开关器件的占空比。蓄电池必须在负荷变化的很短时间内提供足够的功率，如果负荷的最大功率变化已知，则可根据该功率选择电池。负荷最大功率的变化可假设为从微电源开路到满负荷所需的功率变化。01二月2023§3-5微电网中能量存储设备设Pbmax为在Trmax时间内电池所提供的最大功率，则它与满负荷功率Pfl的关系为g(t)为Trmax时间内从零上升到最大值的递增函数，g(t)取决于微电源的响应曲线。一般情况下，g(t)可描述为幂函数或线性函数。蓄电池的最大存储电能可表示为当g(t)为线性函数和幂函数时，k可分别近似取0.5和0.2。满负荷功率可表示为Pifl为逆变器的满负荷功率，cosφ为逆变器所接负荷的功率因数，η为逆变器效率。01二月2023§3-5微电网中能量存储设备单体蓄电池的放电量可用Ih(Ah)表示，则电池的充、放电速率用C率表示，数值上等于上述表达式获得的Ah数。蓄电池的放电速率可用C率的倍数表示，如果d为蓄电池的放电速率因子，则蓄电池的放电速率为d×C。设每个单电池放电时的平均电流为IpC，则时间Trmax时间内如果要求蓄电池的放电与微型涡轮发动机的冷起动配合，微型涡轮发动机从冷起动开始达到满负荷运行需要一定的起动时间，例如，28kW的Capstone微型涡轮发动机的起动时间大约为2分钟。01二月2023§3-5微电网中能量存储设备Pcs为微型涡轮发动机冷起动时在Tcs时间内从蓄电池所吸收的电能。2.蓄电池的等效电路模型铅酸蓄电池的简化模型该模型较好地表示了蓄电池的自放电、存储容量和内阻等特性关系。Pb、Ub和Ib分别表示蓄电池的功率、电压和电流，电池的开路电压Uoc为电池内硫酸电解质的平均重力和温度的函数，电池的等效电容根据其所提供的最大功率来估计。蓄电池的能量(单位为J)定义为蓄电池的等效电容为01二月2023§3-5微电网中能量存储设备串联充放电电阻Rc为蓄电池的有效内阻，可从蓄电池的产品技术手册得到，Rc包括蓄电池的栅网、铅电极等效阻值以及各部分之间的接触电阻。自放电电阻Rs为蓄电池自放电特性的函数，可从产生技术手册获得。二、超导电磁储能系统超导储能技术的原理是将电能存储于线圈的磁场中，存储的能量为B为线圈产生的磁感应强度；μ为空气的磁导率；L为线圈的电感量。线圈上电压与电流的关系为若线圈的储能处于稳定状态，则上式中第二项为零，因此为产生足够的电流，线圈两端的电压可简化为U=RI。01二月2023§3-5微电网中能量存储设备线圈的电阻与温度有关，对于大多数导体，温度越高电阻越大，如果线圈的温度降低，电阻也将下降。某些材料当温度降低到某一临界值TC时，其电阻急剧下降为零。当温度低于TC时，线圈两端不需电压也可产生电流，线圈可视为短路，线圈的电流将达到无穷大，相应地线圈中存储的能量也为无穷大。超导储能系统组成原理图线圈由AC-DC转换器充电，将电能转换为磁能，当线圈

充满电后，转换器继续向线圈提供很小的电压，补偿线路中室温部分元件的能量损耗，保持线圈中固定的直流电流。

01二月2023§3-5微电网中能量存储设备系统控制器具有三个主要功能：实现电力电子开关器件的控制；监视负荷电压和电流；电压调节器接口，控制直流功率流入和流出线圈。如果系统控制器检测到线路电压下降，则意味着电网不能满足负荷的需要，电压调节器的开关断开，线圈的电流流向电容，直到系统电压恢复到额定水平。电容上的电能逆变为50Hz的交流送到负荷，随着电容上电能的消耗，母线电压下降，开关再一次断开，通过上述过程继续向负荷供电。01二月2023§3-5微电网中能量存储设备与其它能量存储系统相比，超导能量存储系统具有下述几个优点：充放电循环效率可达95％，比任何其他系统都高。

使用寿命长，可达30年以上。充放电时间非常短，可在很短的时间内提供大量的电能。除了冷却系统外，没有运动部件。三、超级电容器储能系统常规电容将电能以静电的形式存储于由电介质隔离的两个极板之间，其电容值为超级电容通常指电容值为数法拉到数千法拉的电容。为提高电容单位体积的电容值，超级电容通常为电化学电容，也即它不仅具有电容的性质，还具有蓄电池的性质。电容充电时，和蓄电池一样，电荷以离子的形式存储，因此单个电容电压只有几伏。01二月2023§3-5微电网中能量存储设备超级电化学电容由两个极板、隔离物、电解质和电流采集器组成。1.超级电化学电容原理(1)赫尔姆霍茨模型最基本的双层电容效应由赫尔姆霍茨于1853年发现，假设在电极的表面形成了单个离子层，其电容值为δ为单离子层中心与电极表面之间的距离。该模型预示电容值为常数，没有说明电压和离子浓度之间的关系。01二月2023§3-5微电网中能量存储设备(2)查普曼模型查普曼模型考虑了扩散层电荷，电容值将增大。z为离子的化合价；k为德拜长度的倒数。(3)斯特恩模型斯特恩改进了查普曼模型，在查普曼模型上包含了一个紧密的类似于赫尔姆霍茨模型的离子层，因此双层电容由紧密层和扩散层组成。01二月2023§3-5微电网中能量存储设备2.超级电化学电容储能系统设计时考虑的因素能量存储系统中超级电容的实际电压比单个电容的电压高，因此必须将多个电容串联，获得所需的电压，但将增加总的串联等效电阻。如果需减小串联等效电阻，需要额外增加串联电阻与之并联。并联电阻的数量取决于串联等效电阻、存储的能量和放电时间等。串联电容中电容和电阻的分散性将使串联电容中电压的分布不相等，由于局部电压有可能高于电解质的击穿电压，从而导致电容的损坏。因此设计时应增加电压平衡电路。设d为C1和C2的相对差值的百分比值，则C1和C2可表示为设单个电容的电压为2.5V，则当电容充满电后串联电容的总电压为5V，如果初始电压为零，则有：01二月2023§3-5微电网中能量存储设备设参考电容C=1000F，根据上述关系可考虑两个极端情况，第一种情况为C1和C2均为参考值，即d=0%；第二种情况为d=-20%的情况，即C1=1000F，C2=800F。表电压平衡和存储能量电压和能量d=0d=-20%无平衡电路d=-20%有平衡电路U/V54.55/V2.522.5/V2.52.52.5E/J625045005625电压平衡电路的主要优点是使得串联回路中每个电容上的电压都可达到额定值，这样使每个电容上所存储的能量达到了最大可能的数值。3.电压平衡电路平衡串联电容上电压的常用方法是电容充电时在每个电容上并联一个电阻。01二月2023§3-5微电网中能量存储设备电阻的阻值可采用不同的准则来选取，主要准则是使得充电过程中电容上的动态电压保持平衡，避免单个电容过充电。采用并联电阻来平衡串联电容电压将引起较大的能量损耗。为减小平衡电路的损耗，可在每个超级电容上并联一个稳压管，稳压管击穿电压为电容额定电压，充电时只要每个电容电压不超过稳压管的稳定电压，就没有能量损耗，但当许多电容的电压超过稳压管的击穿电压时，能量损耗也非常大。为了在每个电容上获得相等的电压，并得到最高的效率，可以采用有源平衡电压拓扑结构，其原理是在每个电容上加入一个辅助电流源，辅助电流源的电流取决于电容充放电过程中每个电容上电压的动态平衡。01二月2023§3-5微电网中能量存储设备由V1和V2组成的转换器的借助于有源开关器件产生的偏移电流来平衡电压。与稳压管型电压平衡电路比较，有源电压平衡电路原理不是基于功率损耗，因此其效率较高。有源电压平衡电路是一个可逆电流Buck-Boost转换器，这种结构使得

从C1到C2(或从C2到C1)的能量转换与电容电压无关。为使器件效率达到最优状态，有源电压平衡电路应工作于断续导通状态，当需要正的电流2Ieq(即Uc1大于Uc2)时，V2截止，V1按一定的频率导通和截止；反之，当需要负向电流2Ieq(即Uc1小于Uc2)时，V1截止，V2按相同频率导通和截止。只要C1和C2上电压差达到一定数值，即开始上述开关过程，当两个电容上的电压相等时，V1或V2的开关过程即停止。01二月2023§3-5微电网中能量存储设备Buck-Boost转换器工作于断续导通状态，当V1和V2工作于50％的占空比时，平衡电流与充电电流的关系为f为开关频率；Leq为电感值；Ud为二极管的正向导通电压。当充电电流I已知，且C1和C2的差值已知时，即可由上式确定电感和开关频率。当电感值确定后，开关频率f可采用下述两种方法确定：f固定不变。为了限定平衡电流的大小，必须考虑Uc1和Uc2的最大值。在电容的充放电过程中，平衡电流为Uc1和Uc2的函数，当Uc1和Uc2达到最大值时，电压的平衡将最有效。