毕业论文-直流微网下垂控制仿真研究

HUNANUNIVERSITY毕业论文论文题目直流微网下垂控制仿真分析学生姓名学生学号专业班级电气工程及其自动化1108班学院名称电气与信息工程学院指导老师学院院长2015年6月1日湖南大学毕业设计(论文)第页摘要随着环境问题和能源问题的日益突出，可再生能源发电（如太阳能光伏电池发电，风能发电等）近年来得到了广泛关注与研究。可再生能源的电能质量与许多因素相关，因此需要对这些能源进行控制，才能保证电力可靠性。可再生能源形成的分布式电源通常以逆变器作为接口，实现与其他分布式发电系统或大电网的连接与控制。微网被定义为相互作用的多个并联运行的分布式发电系统，包括电源（通常是可再生能源）和负荷。以微网为基本模块的智能电网是未来电网的发展趋势。直流微网作为连接主网与分布式电源的一种微网形式，能很好的发挥分布式电源的效益与价值，具备比交流微网更灵便的重构能力。然而由于直流电灭弧困难，直流微网的系统设计缺少统一的规范和标准，要大规模的推广直流微网还需较长时间。本文介绍了微网，直流微网的基本概念和基本构成，直流微网的下垂控制基本原理，利用PSCAD软件实现了两个直流源向一个电阻供电的下垂控制理论的仿真，验证了多直流微网并联运行的均流问题。关键词：微网，直流微网，分布式电源，下垂控制

AbstractWiththeenvironmentalissuesandtheenergyissuesgettingincreasinglyprominent,renewableenergy(suchassolarphotovoltaicpower,windpower,etc.)hasbeenwidespreadconcernedandresearchedinrecentyears.Thecontrolmethodisrequiredinordertoensureelectricityreliabilityforthepowerqualityofrenewableenergyisrelatingtomanyfactors.Ingeneral,distributedpowersupplyconstitutedbytherenewableenergyachievetheconnectionwithandcontroltowardsotherDGsystemorpowergrid,bytheinterface-inverter.Amicro-gridisdefinedasaninterconnectednetworkofdistributedenergysystems,includingresources(usuallyrenewableones)andloads.Smartgridconsistingofacollectionofmicro-gridsasit’sbasicbuildingblockisthefuturedirectionofutilitygrid’sdevelopment.Dcmicronetworkasthemainconnectionandamicronetworkformofdistributedpowersupply,canbeaverygoodbenefitandvalueofthedistributedpowersupply,abletocommunicatewithotherpeoplethanmicronetworkmoreflexiblerefactoring.Duetodcarcextinguishingdifficult,however,dcmicronetworksystemdesignofthelackofunifiednormsandstandards,tolarge-scalepromotionofdcmicronetworkstillneedalongtime.Micronetworkhasbeenintroducedinthispaper,thebasicconceptofdcmicronetworkandthebasiccomposition,prolapseofdcmicronetworkcontrolbasicprinciple,usingPSCADsoftwaretoachievethetwosourceofdcsupplypowertoaresistordroopcontroltheory,simulation,verifythedcmicronetworkparalleloperationofbothflowproblem.Keywords:Micronets,dcmicronetwork,distributedpowersupply,droopcontrol

目录绪论11.1国内外研究现状11.2本文主要内容1第二章直流微网的下垂控制理论42.1直流微网关键技术42.1.1直流微网结42.1.2直流微网的运行模式62.2直流微网的控制72.3本章小结12第三章基于负载端直流电压的下垂控制方法103.1直流下垂控制对功率均衡的影响103.1.1传统的下垂控制器103.2直流微网的下垂控制原理113.3直流微网下垂控制的设计133.3.1平变换器的控制133.3.2下垂控制的设计183.4改进的直流微网的下垂控制…………..183.5本章小结19第四章系统仿真研究204.1直流下垂控制的建模204.1.1PSCAD的简介204.1.2直流微网的下垂控制模型204.2仿真结果及分析224.3本章小结31第五章总结与展望32致谢33参考文献34附录35附录A35第一章绪论1.1课题背景及目的随着电力系统不断发展，电力网络覆盖范围日益增广，电力负荷也迅速增长。为提高效率输电效率，减少电能在输电线路上的损失，电力系统出现的电压等级也变高，现如今交流1000kv的超高压输电示范工程已经在我国建立。但是大规模电力系统也有其缺点，其运行的安全性和稳定性仍然有待改善。近年来全球范围内出现了几次电力安全事故，如2003年发生在美国和加拿大的美加大停电事故，发生了电网连续性的崩溃，导致了电网的大面积瘫痪，对国民经济，生产生活造成了灾难性的破坏；2008年我国南方发生的冰灾，输电线路不堪冰层的重量而断裂，致使多处电力供应中断，电网的脆弱性在此时暴露了出来。目前，针对上述情况，为改善电网运行安全性与稳定性，提高资源优化的配置能力，企业、高校和研究机构提出了智能电网的概念。南方电网公司强调智能电网的关键为“智能，高效、可靠、绿色”[1]。其中微网是智能电网的重要组成部分。要实现智能电网的“坚强”、“智能”等特点，必须保证微网的经济高效与可靠控制。现阶段我国能源资源与负荷分布严重不均衡，发电厂所需的常规能源，如煤、油、水等分布于我国西北西南地区，而我国东南地区才是电力负荷的集中分布地区，在电力输送过程中必会受到不同大小的损耗。而分布式发电可缓解这种情况，使能源与负荷尽量做到就地平衡。风力发电，光伏发电，储能设备是近年来被广泛研究的分布式能源。微网制对应于大电网而言的功率较小的电网，其重要特点之一就是其电源通常是可再生清洁能源。而这些分布式可再生能源的输出功率会随着环境（如光照强度，温度，风速等）变化而变化，需要对其加以有效的控制以及保护，使分布式电源能高效安全地接入，满足电网电能质量要求，缓解电力供应紧张问题。1.2国内外研究现状目前国内外对微网已经有了很多研究成果。美国的电力建设开始时间早，技术相对成熟。其存在的问题是电力行业从业人员日趋老龄化，系统设备陈旧，欠缺维护，电网运行的稳定性不足等。美国对微网的要求之一就是微网并网后能提高大电网运营稳定性，美国电力可靠性技术解决方案协会CERTS（ConsortiumforElectricReliabilityTechnologySolutions）在2002年就提出了较为完整的微网的概念，是美欧日中各国所提出的微网的概念中最权威的一个。美国CERTS致力于微网的经济性，可靠性，节能减排以及微网对生态环境的影响程度的研究。在2005年时美国的MadRive微网建成，MadRive微网是美国第一个投入运行的微网。它由美国北部电力系统承建，标志着美国对微网的研究以经由理论分析，仿真研究正式进入到实际运行阶段。通过MadRiver微网的运行，研究人员检验了其所研究的微网运行控制策略，保护方法，并建立起了相关的一系列微网管理规范条款。为以后微网的研究奠定了基础。此外，第二个“通用电气（GE）全球计划（GlobalResearch）”计划也正在实施。该计划分两个阶段，第一个阶段为理论性阶段，致力于对微网的能量管理和基础控制的研究，并分析该计划的市场前景。第二阶段是应用阶段，致力于把第一阶段的研究成果运用到实际中，进行建模仿真并建造示范性工程。微网中分布式电源的电能具有间歇性输出功率不稳定性等特定，如何使微网中各分布式电源与电网电能协调，达到经济效益最高，运行成本最低，是微网能量管理系统MEM（Micro-gridEnergyManagement）的开发目标，也是通用“电气全球计划”的目标。欧洲的电网发展水平较高，其电力网络发展日趋完善，负荷增长趋于饱和。其面临的主要问题是如何实现电力与环境的友好发展，减少温室气体排放，满足《京都定义书》中相关款项的规定。因此欧洲十分重视各种可再生能源的发展，对微网的研究也主要是考虑可再生能源与分布式电源的可靠灵活接入。欧洲于2005年提出了SmartPowerNetworks的概念。欧洲的欧盟微网项目致力于对微网的研究，其给出的对微网的定义是利用一次能源；使用微型电源，分为不可控、部分可控和全控三种，并可冷、热、电三联供；配有储能装置；使用电力电子装置进行能量调节[1]。欧盟第五框架计划中专门拨款450万用于微网研究，该研究建立了DERs的模型、研制本地黑启动策略、接地保护方案等。可靠性、可接入性、灵活性是欧洲所有的与微网相关的研究计划所紧紧围绕的三个关键点。电网的智能化，能量利用多元化等将是欧洲未来电网的重要特点。日本电力行业与美欧情况又有所不同，日本在电力建设方面所面临的主要问题是能源不足。日本电力负荷随着经济发展迅速增长，其能源的稀缺与此形成了鲜明的对比，在此背景下，日本也展开了对微网的研究，但其发展目标主要定位于满足用户个性化电力需求、能源供给多样化、减少污染等方面。日本的新能源与工业技术发展组织NEDO（TheNewEnergyandIndustrialTechnologyDevelopmentOrganization）对新能源的应用及发展展开了研究并取得了很多成果。日本目前建立了多个微网示范性工程，在世界范围内处于领先地位。2003年日本仔爱知县，青森县和京都分别建立了微网试运行点，分布式可再生能源在这三个微网中占了很大比重，微网与本地大电网的互联技术是这三个试运行点的重点研究项目。我国关于可再生能源发电的研究已经取得很大的成就，如太阳能发电和风力发电，但对微小型分布式电源组成的微网的研究，特别是直流微网的研究才刚刚起步，这主要是受传统的交流电规范的影响，对交流研究较多直流微网研究较少。随着对直流供电的深入研究，直流微网将被广泛应用。我国也已经对此项研究给予大力支持，在国家863和973计划中都已分别支持。合肥大学于2006建立了全国第一个微电网实验室。主要研究内容有：分布式发电系统仿真的稳态模型和动态模型；分布式发电系统的电能质量问题；分布式发电系统能量管理与安全经济运行分析等。此外已经有学者对直流微网的稳定性控制策略和建模等相关内容进行了研究。1.3本文主要内容直流微网是实现电力行业节能减排，完善智能电网的重要途径。为使微网能有效地运用于实际，必须研究直流微网的控制策略。下垂控制策略是目前研究的热点。本文介绍了课题相关背景，研究了直流微网下垂控制策略的理论基础与具体实现方法，对所提出的直流微网下垂控制策略进行了仿真分析。本文各章节内容如下：第一章为绪论部分，介绍了直流微网产生的背景，各国对直流微网的研究现状及其目标。第二章介绍了直流微网的关键技术，其中包括直流微网的结构（环形结构、辐射结构）和直流微网的控制。还介绍了直流微网的下垂控制原理。第三章是基于负载端直流电压的下垂控制方法，其中有直流控制对功率均衡的影响（介绍了传统的下垂控制器）。又介绍了直流下垂控制器的设计。第四章在仿真软件上搭建了直流微网的下垂控制的仿真模型，介绍了直流下垂控制的建模及仿真软件基本知识。然后是对仿真结果的分析。第五章总结与展望部分对全文进行了总结，并分析了本文的不足与可以改进之处。

第二章直流微网2.1直流微网的关键技术2.1.1直流微网的结构在微网不断发展的同时。交流微网的不足就会表现的越来越明显，这就可以快速推动直流微网的研究与发展。在交流微网中，存在变压器、电动机的励磁涌流，分布式电源的同步并网，三项不对称，控制复杂等问题。这些问题与用户希望微网能够提供高效、可靠、高电能质量供电服务的要求存在矛盾。随着直流微网发电系统负荷类型逐渐多样化以及规模的不断扩大，因为直流微网在这些方面的特别优势获得了较大的发展。按用户对电能质量多样性需求把直流微网分为多环状直流微网和辐射状直流微网。目前直流微网目前仍缺少标准和制度，大范围的推广应用还需要一定的时间。（1）多环直流微网环状结构为多环直流微网网架结构，形成多回路供电系统，能够达到用户对电能质量的不同需求。如图2.1所示，直流负荷和电源通过DC/DC变流器接入，负荷、交流源由AC/DC与DC/AC换流器接入网架。间歇性特征比较明显的DG接在直流环1上,用于向普通负荷供电，储能装置和运行特性平稳的DG连接在直流环2，供给电能质量要求比较高的负荷电能。环形馈线由两段构成，由混合式限流断路器连接组成，当出现通电故障时可以解列运行，降低停电的面积。图2.1多环直流微网结构图在多环直流微网结构中，直流的电压决定了DG的并网，不需要考虑各DG间的同步问题，直流电网的DG很容产生协同运行，而它的优势在环流抑制上更为明显。多环微网的网架结构适合电能质量要求不同的用户如：大范围综合性大楼、工厂密集区、数据中心等。（2）辐射直流微网辐射直流微网一般都采用串并联结构，电源和负荷由直流母线和联络馈线来连接。如图2.2所示，电力电子变换装置将储能装置、系统中的DG和负荷等连接到直流母线上，联络馈线连接负荷与电源，逆变装置将直流网络连接至外部交流电网。不同电压等级的交流、直流负荷由直流微网通过电力电子变换装置提供电能，储能装置可以在直流侧去补偿DG和负荷的波动。图2.2辐射直流微网结构图辐射直流微网可以为负荷提供很高的电能质量的供电服务，换流器（DC/DC或DC/AC）可以使负荷并入直流微网。不同的电压等级不需要经过变压器就可以获得；此外当微网中某一个负载出现了过负荷的时候，由过负荷对系统造成的振动可通过并联换流器间的相互调节来减轻。对电能质量要求较高，对供电可靠性要求不高的地区可采用低压直流微网网架结构。(3)微网结构的设计方法微电网具有提高电能质量、节约能源、优化电网性能、供电可靠性、降低发电成本等许多优点。因此为了达到我们引入微网预想的目的，需要一些要素和基本原则对微网的结构进行设计。微网内部能量守恒是保证微网网架设计的基本原则。一方面微网在孤岛运行时能够提供充足的电能给重要负荷，当在偏远乡村级微网中还要提供备用的能量，另一方面在其正常运行时DG提供的容量和配电网提供的容量之和也应该微网负荷的容量相匹配。在满足这些原则的前提下，我们在考虑一些外在因素（如负荷特性、地理位置等）对微网的影响。微网结构的好坏对微网性能的发挥具有决定性的作用，设计网架除了要考虑多了要素外还需要一个合适的流程，直流微网的网架设计如下：确认微网设计结构的基本要素和原则，收集影响网架的因素并分析。综合考虑DG、地理特点、技术能力和负荷特性，在兼顾成本的情况下合理选择直流微网的结构：由我们选择的DG数量和类型、微网的结构、负荷的分布位置，并且我们以网内损耗为限制条件，合理选择微网的电压等级。网架的连接方式，我们由选择的电压等级和结构类型及电能质量和可靠供电来确定微网中分布单元的数目、结构及它们接入微网的位置由DG的发电特性和负载对电能的要求来确定。按照他们的基本连接方式，我们把小型微网的网架、和计划孤岛运行的网架组成局部网架，同时考虑到微网中的其他DG、三类负荷、二类负荷的地理位置、特性，并且我们要严格遵守能量守恒的原则再将其接入局部的网架;我们根据微网的运行方式，我们确定局部网架接入配电网PCC的位置及数目，构成较完善的微网网架结构。我们考虑微网负荷的增长速度及运行维护要求，在基本网架中预留DG接口，构成较完善的微网网架结构。2.1.2微网运行模式在直流微网系统中，它既可以连接到外部交流的主网连接到网络运行，也可以在孤岛模式下运行。由于直流微网和交流主网之间交换功率的形式不同，我们把直流微网运行的模式分为下列三种：联接网络自由模式、联接网络限流模式和孤岛模式联网自由模式。此模式指的是通过G-VSC将直流微网并入到交流主网中，而作为衡量功率的平衡点可以保持直流电压稳定的G-VSC，它能够确保系统功率的平衡。但是直流微网和交流主网交换的功率却受到G-VSC容量的限制。若我们忽略功率的损耗，那么该模式下运行时交流主网需要与直流微网交换的功率就应该为：PG=式中：PG、PWT和PB分别代表交流主网、风电机组和BES单元提供的功率；PL代表交直流负荷消耗的总功率。当联网自由模式下运行时，就要对风电机组采取最大功率跟踪，蓄电池如果电量未充满那么蓄电池就会进入充电状态，来确保当G-VSC进入限流模式时也可以保持系统的功率2）联网限流模式。在联网限流模式下，直流微网和交流主网的交换功率是恒定不变的。在限流模式下的G-VSC将会丧失调节直流电压的能力，因此平衡节点不能再由G-VSC担当。不包括主网与微网的交换功率恒定，在下面两种情况下会采用限流模式：G-VSC的最大功率为交流主网与直流微网的交换功率时；当交流主网发生故障导致交流电压降低，致使G-VSC输出功率受到限制时。为了能够维持系统运行的稳定，BES单元将由联网自由模式时的备用或充电状态转换直流电压控制模式，以此来平衡直流微网内部运行时功率的波动，这样就会使系统达到新的稳定状态。当这种情况发生时BES单元应该提供的功率为：PB=并且如果PB处于BES的最大功率范围内，蓄电池电能充足，那么直流电压将可以被控制。如果因为风速和负荷发生较大变化或是蓄电池储能不足，致使BES单元不能使直流电压处于稳定状态，那么就需要对风电机组的发电功率进行调节或是对负荷进行减载，以此来维持系统运行的稳定3）孤岛模式。当联网断路器断开时直流微网系统就处于孤岛运行模式，直流微网就会变成一个独立的系统，这个时候直流微网与交流主网没有功率交换，这种情况下BES单元再一次作为平衡节点对直流电压进行控制。此时蓄电池作为主要供电设备，其通过充放电来调节功率的平衡，由此产生的功率差额为：P因为没有了交流主网的供能，当风速小、负荷大时，系统所需要的蓄电池的放电功率值就有可能会超过BES单元的产生的最大功率值，或是由于蓄电池长时间的放电会导致蓄电池内部能量过低，此时微网系统内有功功率不足就会使直流电压降低。因此为了保证直流微网能够正常运行，通常将会切除次要负荷来减轻微网的负担进而保证功率平衡。而当风速大、负荷小时，就会使蓄电池的充电功率超过其额定值或蓄电池的储能容量达到最高的限定值。这时，微网内的有功功率过剩就会导致直流电压升高，这时就需要通过风电机组来控制W-VSC和桨距系统进而降低风力的发电量。2.2直流微网的控制2.2.1电压分层协调控制电压分层控制是指由于直流电压变化量的不同系统把控制策略分成三个不同的控制层，通过合理的调节在不同控制层中变流器的工作方式，以此来使系统在不同的工作情况下都能达到稳定运行。为了使系统内的功率达到平衡状态，其中在每一层的控制下都至少要有一端变流器是依据电压下垂特性来控制直流电压的。且各个变流器都是独立工作的，不需要需相互之间建立通信，从而控制系统的复杂程度得到了简化，因此控制的实时性得到了提高。直流变量Udc-G、Udc-B、Udc-WT及Udc-L分别为G-VSC、Bi-DC、W-VSC及负荷侧直流电压，为了方便对控制策略进行分析，统一写作Udc图2.4所示的是电压的分层方法，由于直流电压变化量∆Udc的不同，我们将系统分成3层进行控制，电压分层切换点处的切换电压分别为Ut1和Ut2，变量S取为1、2、3，他们分别表示系统所处得第1、2、3控制层。我们通常采用电压滞环控制，这样就可以避免在运行的过程中工作方式之间频繁切换。系统中的切换电压Ut1和Ut2分别选为0.02和0.05(标幺值)。图2.5为风电直流微网电压分层控制(1)第1层控制在第1层的控制中直流电压在|∆Udc|<0.02，S=1范围内变化，这种情况对应联网的自由模式。在这一层控制下，风电机组对最大风能进行捕获，蓄电池进入充电储能状态，直流电压的稳定通过G-VSCMPPT控制由W-VSC来进行。当我们把同步坐标系的d轴定向在定子磁链矢量上，且我们忽略掉磁链的变化和定子电阻时，我们就通过控制定子电流的q轴分量和d轴分量就可以分别控制PMSG的有功功率和无功功率。我们使用的W-VSC通常采用双闭环控制的结构，电流控制环为内环，MPPT控制为外环，而机组的有功功率输出参考指令Po×Pt通常由转速反馈信号Wr的值来计算，定子电流有功分量参考值我们也可以通过此得到直流电压稳定通过G-VSC来控制。G-VSC也是采用双闭环的矢量控制，内环也为电流控制环，但是外环却采用直流的电压下垂控制。图2.5(a)所示为直流电压–电流(U-I)下垂特性其曲线表示为：Udc-G=式中:下垂系数为KG，KG=0.02÷IG-max，IG-max为G-VSC直流侧最大电流值；Udc-G当电网采用电压定向的矢量控制策略的时候，在d、q同步旋转坐标系下G-VSC的有功功率和其直流侧功率可以分别表示成：PgPdc-G式中：Pg为G-VSC输出的有功功率；电网电压矢量的大小、电网电流矢量在d轴的分量分别为Ug、Igd；G-VSC在直流侧的功率、电压及电流分别为Pdc-G、依据功率守恒定律，联合式(2-5)和式(2-6)可以知道G-VSC在交流侧的电流和直流侧的电流之间的关系为：Igd由式(2-5)可知，要实现控制G-VSC输出的有功功率，就要对直流电网的电流的d轴分量进行控制根据式(2-7)就可以计算出它的有功功率电流分量所给定得值。通过采取单位功率的因数的控制，因此无功电流的分量取为零。当对BES单元开始进行恒电流充电时。图2.5(b)中阴影的部分就为充电得电流IBat的允许波动范围。为了提高蓄电池的寿命，蓄电池的管理能量的系统就负责把蓄电池的充电和放电功率以及容量都限制在一个特定的范围。而蓄电池所储存能量的大小就用荷电的状态(stateofcharge，SOC)来表示，我们选取40%~80%为SOC的额定的范围。当SOC达到最大值80%时，就会导致充电电流的值为了达到供电电压幅值和使交流负荷的频率恒定的目的。L-SVC采用在基于交换电流电压的d、q分量的定交换电流电压控制的策略。对无源的负荷来说，不含有电网的电压要进行矢量的定向，L-VSC则直接对交换电流电压的频率和幅值进行控制，而被用作坐标变化的电压角度θs由恒定的频率值ωs给定，传统锁相环不再被需要。在这一层控制之下我们不需要把风电功率降低或减小负载控制。如图2.5(c)（2）第2层控制在第2层的控制下0.02≤|∆Udc|<0.05，S=2，为直流电压变化范围。它对应联网的限流模式，这个模式下G-VSC失去了改变直流电压能力和运行于孤岛模式的情况。在此层控制下，W-VSC仍然按照MPPT的方式直接运行，G-VSC则工作在限流模式或者离网模式，BES单元直接控制直流电压对Bi-DC直流电压的控制仍然采用上面的双闭环控制。依据滞环控制，当直流得电压超出了所设定的波动范围，Bi-DC就会转变其工作方式，由图2.5(b)所画的2段U-I下垂特性的曲线，通过调节蓄电池的充放电的电流来维持直流微网内部功率的平衡。其中2段下垂特性U-I曲线我们表示为：Udc-B=上式中：下垂系数KB=0.03÷IB-max，其中IB-max为Bi-DC直流母线侧最大的电流值。若是有多组储能的装置，功率大装置的其下垂系数会小，但是它有更强的直流电压的调节能力。由控制特性我们可以得出，根据功率守恒我们知道Bi-DC直流两侧的电流和电压的关系为：IBat=Udc-BUBat×Idc-B(2-9)上式中UBat和IBat分别是（3）第3层控制在第3层的控制下|∆Udc|≥0.05，S=3，为直流电压的波动范围，图2.5所示，在这一层控制我们分两种情1）当∆Udc≤−0.05时，它对应着联网的限流模式与孤岛模式。在这种情形下蓄电池放电的功率可能会超出Bi-DC的最大功率，此时我们需要对负荷进行减载的操作。因为长时间的放电当SOC达到其下限值40%的时候，我们也需要对负荷我们定义的负荷为L1、L2、⋅⋅⋅、Li、⋅⋅⋅(i=1,2,⋅⋅⋅,n)。它们的优先级为依照次序升高。而当放电的功率超过其最大的值时，Bi-DC则工作于限流模式下，这就会导致直流电压的降低，为了阻止系统崩溃，我们应采取立即切除次要负荷的方法，也就是根据负荷端的直流电压的值Udc-L和负荷的优先级，我们立即切除掉适量的次要负荷。依据直流电压的变化切除负荷的时候，我们也应该采用电压的滞环控制，以此来避免运行时负荷频繁当SOC下降至40%时，BES单元仍然会继续释放电能，目的是为了保证重要负荷的供电质量。但是，为了对蓄电池进行保护，我们应采取延缓切除负荷的方法，也就是当SOC小于40%ti时间之后，则其对你应优先级的负载Li将被切除。而且为了保证较高的优先级负荷Li+1的供电需要，ti+1应2）当∆Udc≥0.05时对应在联网的限流模式与孤岛模式下的蓄电池充电功率能够超过Bi-DC最大功率的情况，这时我们就要对风电机组采用降功率的控制。而当SOC达到其上限值80%的时候，我们就要把风电机组的发电功率降低。而此时，W-VSC将不再输出其最大的功率值，而是按照图2.5(c)所表示的电压–功率的下垂特性。依据直流侧的电压变化量我们在MPPT控制基础上再加上降功率的值(∆PWT)，其作为PMSG的有功的功率的参考值。在这种情形下，直流侧不平衡的功率就转化为PMSG不平衡的电磁功率和机械功率，并通过转子动能形式把能量存储起来。当PMSG的旋转速度达到被限定的速度值时，为了阻止转子的超速，并且降低对风能的捕获，我们对风电机组采用变桨距的控制。其电压–功率的Udc-WT上式中：KWT=0.05÷（-∆PWT-max）为下垂系数，其中∆PWT-max为风电机组能减少的最大功率的值；直流参考电压需要我们说明的是，在这一模式下，实际上是运行于孤岛模式下，为了避免母线的电压过高而导致系统的崩溃因此我们应采取紧急的运行模式。理论上讲，在这一模式下，虽然电压可以被维持在较高的水平，其不会影响系统的稳定运行，但系统会损失一部分的风电功率。2.3本章小结本章第一小节介绍了直流微网的关键技术，其中包含有直流微网的结构和运行模式，结构分为环形结构和辐射结构。运行模式则包括有联网自由模式、联网限流模式和孤岛模式三类。这些都是直流微网的基本知识。第二小节我介绍了直流微网的控制方法—电压分层协调控制，这一方法包含有三个控制层，且每一层分别对应不同不同运行模式，在不同的条件下他们是在哪一种模式下。

第三章基于负载端直流电压的下垂控制方法3.1直流下垂控制对功率均衡的影响(1)传统的下垂控制器Vdc=Vdc*-d其中dj为下垂系数，ij为电源电流，V为了比例分配各电源的额定功率，两个变换器的下垂系数应该与他们的额定功率成反比。因此应满足如下关系式。d1×每个变换器输入直流母线的有功功率和电流分别为：Pi=（vi2-vIj=（vi-v0）其中Roi将(3-1)式带入(3-4)式中，得到:Ij=（Vdc*-dj×iIj=（Vdc*-v0)÷(R经过整理得到：Pi=（Vdc*-dj×ij）×ij=（Vdc(3-7)将(3-6)式带入(3-1)中得到两个变换器输出电压差值为：∆V=V2-V1=d1×i1-d2×i2=（vdc*（3-8）为了使d1×那么∆V就应该为零，所以d又根据(3-1)式，电流偏差∆ij∆ij又因为∆V=所以ep%=p1其中V*下垂率为：a%=∆V÷V*3.2直流下垂控制原理对于每一个单元，重要的是如何控制直流电网，电压抑制循环电流最好的方法之一是引入所谓“自主控制”通信的任何信息单元，在可靠性拓展和维护由于存在电压差控制和检测错误，如果每个单元控制独立的直流输出电压，即直流电网电压过度环状电流可能流入直流电网。每个单元应保持循环电流零连接到直流电网系统中，且采用合适的控制方法为每个单元，他们如下所示：（1）并网逆变器和电池能量存储的控制方法在电池能量存储单元直流电压控制器使用当前的参考电流Idc*。直流电压Vdc达到它的参考电压Vdc*。电流控制器处理的PWM暂波器使电池电流由Ibt下降到Ibt*。如果电池满电或无电。这个电池充电或不充电的控制者将使Ibt为0。在并网逆变器中直流电压控制器使电流参数I图3.1直流输出侧的电路增加一路直流输出电流的直流电压控制系统这个电池单元和这个并网逆变器单元都有各自的直流电压控制器每个单元的输出特性类似一个电压源，在每个单元的电压控制如果有一个错误，会有循环电流流动。减少当前容易，只有一个阻抗组件之间要把每个单元的输出直流电网。然而这种方法是不切实际的链接组件是观念伴随着损失，增加成本，并在每个单元大小看图3.1（a）。因此图3.1（a）展示一个被提出的解决方案，直流电压控制系统需要以下反馈过程，单元的输出直流电流Idc被测到时，并且它乘以增益K，该合成信号减去参考电压Vdc*如果这个直流输出电压VVdc=Vdc0-K×IdcK·Idc显示这电压降并且K类似一个等效电阻。因此，即使电阻实际上不是通过插入环状电流而是通过添加K·I（2）K的设计由于等效阻抗是一个电阻，K为实常数直流电网的额定电压为345±K=∆Vdc×Vdcmin÷Pu∆Vdc为电压变化大概在8V左右，Vdcmin是V图3.2展示了输出电压与输出电流的关系;这个包含等效电阻的区域和这个斜线表示额定电力。如果其他单元与不同容量连接到直流电网，等效电阻K计算使用方程（3），5千瓦的单元，K取0.54.图3.2中虚线表示5千瓦的输出电流与输出电压的关系。这个5千瓦和10千瓦与这直流电网相连且电压达到340V。每个单元的电流值如下；Idc10k=（345-340）÷0.27=18.5A（图3.3Idc5k=（345-340）÷0.54=9.259(图Idc10k是功率为10千瓦时的电流值，I发电机组控制在太阳能电池发电机组，MPPT最大功率跟踪控制器的参考电流为Ipv*，使发电功率保持在最大功率，电流控制器的PWM升压暂波器生成限制器限制电流Ipv到一个合适的值，直流电网电压超过最大电压时。在风力发电机组中最大功率跟踪控制器产生速度参考值W*保持发电功率在最大功率，速度控制器产生的转矩电流分量的参考电流为I太阳能和风力发电机组控制直流电网的电流源。参见图3.3每个单元的输出等于从MPPT控制器给出参考直流电流。直流电压是没有控制的。有一个循环发电单元之间的单位和其他单位连接到电流源。直流电网电压是由一个控制单元控制的。例如，当只有一个发电单元和一个AC逆变器连接到网络。直流电压的直流电网的网络，被认为是如下。图3.2（a）表示一种等效电路。当发电机的等效串联电阻的输出为10A时，它被视为是交流逆变器。下面是直流电压VdcVdc=345+0.27×10=347.7V用公式编辑器完成所有公式(3-11)用公式编辑器完成所有公式图3.2a.发电机组直流侧电路图3.3直流电网电压特性的直流输出电流b.太阳能单元的控制器3.3直流下垂控制器设计3.3.1电压下垂控制图3.4电压下垂控制原理图每个下垂控制器都可以模拟了一个阻抗，在变换器输出电压减小时增加供应电流。在一个中心的控制下不需要这个策略，直流微网中互相连接的平行变换器的电流共享在这个策略中提高了。基于这些，我们提出了一个关于直流－直流变换器采用的电压下垂的控制方案，如图3.5所示。图3.5DC/DC变换器的电压下垂控制方案利用了一个低通的滤波器来截止谐波频率和减缓直流母线电压的快速震荡。根据图示我们可以采用下述公式来计算：Pref=G(s)【Uref－（Wlp÷（S+Wlp））×U式中:补偿器传递函数为G(s);参考电压是Uref;低通的滤波器截止频率为Wlp;变换器的耦合点直流微网的电压为变换器的参考电流可由（5）式计算得出，如下:Iref=pref÷US式中，直流源电压为Us3.3.2电压下垂控制设计1.变换器的设计变换器负斜率的特性在曲线坐标方程中可以看做下垂控制方案。对此，本节将研究介绍两种变换器，比例和比例积分控制器两种变换器，分别研究平行变换器接入直流微网时的不同的表现。(1)比例控制器比例控制器能够设计成基于变换器操作的特性下给它强加下垂增益，这时一系列的电阻就会由直流源产生如Rdn，Kp为传递函数增益。它G(s)=KP=1÷Rdn(这里变换器数量由下标n表示。将式(3-11)带入式(3-9)，如果有一个0dB低通的滤波器源，那么对其额定功率的波纹表达式可表示为如下：Prdten=δn(1－δn)Urefn2÷相关的变换器的额定功率输出的电压下垂增益或叫标称的下垂增益为δn=（1-UPrdten、Urefn、δn作为源定义，被定义之后就能计算出Rdn的值。变换器所产生得良好电压规律可由一条平滑下垂曲线表示出，但是负载的共享特会性变差也可由这种情况产生，也就是说好的负载Cdcconv=4÷(Rd×Wlp（2）比例积分控制器稳态误差可以由比例积分控制器消除，如下式所示：G(s)=Kp【1+1/S×Ti】(控制器的积分时间常数为式中的TiP控制器的方法同样也可以计算Pi控制器，下面等式计算可以计算TiTi=4÷Wlp(3.3.3微源的下垂控制因为新能源的分布具有分散性，对于分布式发电系统，其逆变器的统一控制非常困难，为了保证系统运行的可靠性，通常通过下垂的特性对逆变器实施控制。电压下垂控制基本不必要使用通讯设备，通过测量逆变器自身的输出电压的大小，可实时对电压进行调整。直流微电网中各个分布式电源以母线电压为参考值，根据下垂特性，改变各微源的出力，保证微电网直流母线电压在稳定范围内波动。由于各分布式电源作用和容量不同，各微源的下垂系数一般也选择不同的值。多个逆变器并列运行时，它的下垂特性如图3.6所示。图3.6下垂特性曲线直流母线电压稳定波动范围的最大值为图3.6中的UH；直流母线电压稳定的最小值为图3.6中的UL；系统直流母线额定电压为a1p1=a2p2=a3p3式中Pn、a3.3.4直流变压技术DC/DC变换器在在高压直流系统中还没有得到应用，但是，这种解决方案已经被广泛的得到了认可。直流电网中，DC/DC变换器现在主要应用于已经建成的高压直流输电线路电压等级不同的直流端互联，比如波罗地海和北海中有多条高压直流输电线路相对临近可以采用DC/DC变化器使他们互联，并且应用到直流输电线路的潮流调节当中。由于统一的电压标准在直流电网中还没存在，因此存在多种电压等级的直流线路，如果将这些电压等级不同的直流线路连接起来形成网络，并且应充分快速的提高直流电网运行的灵活性，必不可少的设备就是DC/DC变换器。到目前为止DC/DC变换器并没有应用到直流传输领域，但在未来的直流电网中将会得到广泛的应用。在理想的情况下，DC/DC变换器应具备以下功能：变比可控、较高，阶梯型变比，可以连接不同电压等级的直流系统；能够连接不同类型的换流器；极间功率平衡的直流系统，潮流方向双向可控；低造价、低损耗、体积小；可以耐受一定的故障电流如今的DC/DC变换器大都集中在低功率场合，很难适用于高压直流输电系统，所以我们需要从原理研究、拓补设计、绝缘保护、性能比较等多方面考虑与研究设计新型的DC/DC变换器来适应高压直流电网的使用。已经被广泛认可的DC/DC变换器类型有如下几种：双阀DC/DC变换器，最简单的结构如下图3.7：通过恰当的PWM触发相应的阀，就会使Udc1与U图3.7双阀直流-直流变换器结构图直流-直流变换器的软开关直流-直流变换器能够通过软开关技术提高其性能，它的结构如下图3.8：图3.8直流-直流变换器软开关电路优点：损耗小、阀的造价低电路缺点：需要额外加一台高频变压器、换流器阀的数量多一倍（阀是损耗产生的主要部分）。串联的直流-直流变换器，其结构如下图3.9：为了进一步降低变换器的成本，可以通过利用采用可关断器件的变换器的高度可以控制性来辅助直流电网的控制系统。用Visio用Visio画图图3.9串联直流-直流变换器结构图3.4改进的下垂控制器设计如下图3.10所示为改进电压下垂控制框图：当处于稳态时，输入电压调节器应该为零dj只要我们Ke选择相同，那么全部的变换器并联运行时等式的右侧是始终不变的即：dj电流误差∆ij,可以用负载电压误差∆i对于两个变换器并联运行时P1∆Vep负载电压可表示为：V0dj×3.5本章小结本章作为本文的核心内容系统的介绍了直流下垂控制的关键下垂控制器的设计和传统下垂控制器中直流下垂控制对功率平衡的影响，其中直流下垂控制对功率平衡的影响是通过计算直观的展现出下垂控制系数与功率成反比的关系。而下垂控制器的设计则是通过简述了电压下垂的结构及其控制的原理和介绍了电压下垂控制的设计中的两个控制器来阐述的，两个控制器分别为比例控制器和比例积分控制器。第四章系统仿真研究4.1直流微网下垂控制的建模4.1.1PSCAD简介由于本文的仿真时采用PSCAD软件，所以首先我先介绍一下PSCAD软件。PSCAD/EMTDC是一种世界各国广泛使用的电力系统电磁暂态仿真程序。PSCAD/EMTDC仿真软件分为两个主要部分：（1）EMTDC（Electro-MagneticTransientprogramforDC）是一个离线的电磁暂态计算程序，是PSCAD/EMTDC仿真的核心。它有精确的直流元件模型、方便的数据输入方式以及强大的数据分析功能，是进行直流系统分析和工程研究的有力工具。（2）PSCAD（PowersystemcomputerAidedDesign）作为EMTDC的图形用户界面，完成所要研究系统网络图的构建、仿真运行和结果分析等任务。其主要功能为可以发现系统中断路器操作、故障及雷击时出现的过电压、可对包含复杂非线性元件（如直流输电设备）的大型电力系统进行全三相的精确模拟，其输入、输出界面非常直观、方便进行电力系统时域或频域计算仿真电力系统谐波分析及电力电子领域的仿真计算实现高压直流输电、FACTS控制器的设计。4.1.2直流微网下垂控制模型在PSCAD环境下实现直流微网的下垂控制仿真，其等效电路如图4.1所示：图4.1直流微网等效电路图4.1*直流微网仿真电路图其主要结构包括：两个直流输入源、两个Boost直流变换器、下垂控制器等；该系统由两个BoostDC/DC变换器实现直流侧母线电压的稳定，且采用双闭环控制。根据直流电压—电流（U-I）下垂特性曲线表示为：（4-1）式（1）中，k为下垂系数，为输出直流电压参考值，为直流侧输出电流，为直流侧输出电压。下垂系数k设计，下列公式可推出：（4-2）式（13）中为电压变化值，；为直流源输出额定功率；为直流源输出额定电流。图4.2直流微网下垂控制方案图4.3下垂控制器控制框图直流微网下垂控制方案如图2所示。其中下垂控制器框图如图3所示，控制器由电压下垂控制和电流控制环构成。4.2仿真结果及分析例1：删除例1、2等。由两个输入源给一个直流负载供电时，等效电路如图4所示。假设直流源输出额定功率，负载额定功率PL=10kW，输出直流电压参考值=400V，直流电压变化值=20V。删除例1、2等。图4.4直流微网等效电路1可推出：（4-3）（4-4）（4-5）由基尔霍夫电流定律，可得（4-6）即，Vdc=390.24V，I1=I2=12.2A，负载电流IL=24.4A。PSCAD软件仿真参数设置：Uref=400V，下垂系数k1=k2=0.8Ω，负载电阻RL=16Ω。仿真结果如图4.5所示，直流负载RL接入直流微网，直流电压稳定在约391V（直流电压放大图），理论计算值为390.24V，与理论计算相对误差为0.26%。图4.5所示为仿真运行时直流负载电流波形，电流约为24.4A，实际电流与理论结果几乎一致。图4.6所示为仿真运行时直流侧输出电流波形，其中蓝色部分为输入源1的输出电流，约为12A，绿色部分为输入源2的输出电流，约为12A，与理论计算结果几乎一致。（a）直流母线电压（b）直流母线电压放大图图4.5例1仿真运行直流母线电压（a）直流负载电流（b）直流负载电流放大图图4.5例1仿真运行直流负载电流图4.6例1仿真运行直流侧输出电流由两个输入源给一个直流负载供电时，等效电路如图7所示。假设直流源输出额定功率，，负载额定功率PL=10kW，输出直流电压参考值=400V，直流电压变化值=20V。图4.7直流微网等效电路2可推出：（4-7）（4-8）（4-9）（4-10）（4-11）由基尔霍夫电流定律，可得（4-12）即，Vdc=387V，I1=16.25A，I2=8.125A，负载电流IL=24.375A。PSCAD软件仿真参数设置：Uref=400V，下垂系数k1=0.8Ω，k2=1.6Ω，负载电阻RL=16Ω。仿真结果如图4.7所示，直流负载RL接入直流微网，直流电压稳定在约387.5V（直流电压放大图），理论计算值为387V，与理论计算相对误差为0.13%。图4.8所示为仿真运行时直流负载电流波形，电流约为24.25A，理论计算值为24.375A，与理论计算相对误差为0.52%。图4.9所示为仿真运行时直流侧输出电流波形，其中绿色部分为输入源1的输出电流，约为16A，蓝色部分为输入源2的输出电流，约为8A。（a）直流母线电压（b）直流母线电压放大图图4.7例2仿真运行直流母线电压（a）直流负载电流（b）直流负载电流放大图图4.8例2仿真运行直流负载电流图4.9例2仿真运行直流侧输出电流例3：由两个输入源给一个直流负载供电时，等效电路如图4.10所示。假设直流源输出额定功率，负载额定功率PL=20kW，输出直流电压参考值=400V，直流电压变化值=20V，线路阻抗rline1=0.8Ω。图4.10直流微网等效电路3可推出：（4-13）（4-14）（4-15）由基尔霍夫电流定律，可得（4-16）（4-17）即，Vdc=375V，=387.5V，I1=15.6A，I2=31.25A，负载电流IL=46.85A。PSCAD软件仿真参数设置：Uref=400V，下垂系数k1=k2=0.8Ω，负载电阻RL=8Ω，线路阻抗rline1=0.8Ω。仿真结果如图4.11所示，直流负载RL接入直流微网，直流电压Vdc（红色）稳定在约375V，直流电压（绿色）稳定在约388V，理论计算值为387.5V，与理论计算相对误差为0.13%。图4.12所示为仿真运行时直流负载电流波形，电流约为47A，理论计算值为46.85A，与理论计算相对误差为0.32%。图4.13所示为仿真运行时直流侧输出电流波形，其中绿色部分为输入源1的输出电流，约为17A，蓝色部分为输入源2的输出电流，约为29.8A，与理论计算相对误差分别为8.9%和4.8%。（a）直流电压（b）直流电压放大图图4.11例3仿真运行直流电压（a）直流负载电流（b）直流负载电流放大图图4.12例3仿真运行直流负载电流图4.13例3仿真运行直流侧输出电流由两个输入源给一个直流负载供电时，等效电路如图4.14所示。假设直流源输出额定功率，负载额定功率PL=20kW，输出直流电压参考值=400V，直流电压变化值=20V，线路阻抗rline1=0.8Ω，线路阻抗rline2=2Ω。图4.14直流微网等效电路4可推出：（4-18）（4-19）（4-20）由基尔霍夫电流定律，可得（4-21）（4-22）（4-23）即，Vdc=354.84V，=377.42V，=387.097V，I1=28.225A，I2=16.13A，负载电流IL=44.35A。PSCAD软件仿真参数设置：Uref=400V，下垂系数k1=k2=0.8Ω，负载电阻RL=8Ω，线路阻抗rline1=0.8Ω，线路阻抗rline2=2Ω。仿真结果如图4.15所示，直流负载RL接入直流微网，直流电压Vdc（浅蓝色）稳定在约355.5V，直流电压（绿色）稳定在约378V，直流电压（红色）稳定在约388V。上述各电压与理论计算值的相对误差分别为0.19%、0.15%和0.23%。图4.16所示为仿真运行时直流负载电流波形，电流约为44.5A，理论计算值为44.35A，与理论计算相对误差为0.34%。图4.17所示为仿真运行时直流侧输出电流波形，其中绿色部分为输入源1的输出电流，约为27.5A，蓝色部分为输入源2的输出电流，约为16.8A，与理论计算相对误差分别为2.5%和4.2%。（a）直流电压（b）直流电压放大图图4.15例4仿真运行直流电压（a）直流负载电流（b）直流负载电流放大图图4.16例4仿真运行直流负载电流图4.17例4仿真运行直流侧输出电流由两个输入源给一个直流负载供电时，等效电路如图4.18所示。假设直流源输出额定功率，，负载额定功率PL=10kW，输出直流电压参考值=400V，直流电压变化值=20V，线路阻抗rline1=0.8Ω，线路阻抗rline2=2Ω。图4.18直流微网等效电路5可推出：（4-24）（4-25）（4-26）（4-27）（4-28）由基尔霍夫电流定律，可得（4-29）（4-30）（4-31）即，Vdc=374.1V，=387.05V，=388.49V，I1=16.19A，I2=7.195A，负载电流IL=23.385A。PSCAD软件仿真参数设置：Uref=400V，下垂系数k1=0.8Ω，k2=1.6Ω，负载电阻RL=16Ω，线路阻抗rline1=0.8Ω，线路阻抗rline2=2Ω。仿真结果如图4.19所示，直流负载RL接入直流微网，直流电压Vdc（浅蓝色）稳定在约374V，直流电压（绿色）稳定在约387.5V，直流电压（红色）稳定在约389.5V。上述各电压与理论计算值的相对误差分别为0.03%、0.12%和0.26%。图4