毕业设计-分布式发电系统下垂控制策略的研究

毕业设计-分布式发电系统下垂控制策略的研究内容摘要：

7 保效益方面具有极大潜力，但目前这些新型电源的成本仍然较高。 加快对这些电源的技术研究、降低其成本也是增强微电网竞争力、推动其发展的有力因素。 本章小结 本章介绍了微电网的基本结构，总结了当前并网逆变技术的研究现状和发展趋势，介绍了微电网研究的一些关键技术问题。 对微电网的保护和接入标准进行了叙述。 燕山大学本科生毕业设计（论文） 8 第 3 章 微电网运行与控制 微电网的运行 在正常情况下，微电网并网运行，由大电网提供刚性的电压和频率支撑，内部 MSI作在电压源 (Voltage Source， VS)或电流源 (Current Source， CS)状态，在能量管理系统或本地的控制下，调整各自功率输出。 当大电网出现电压骤升、骤降、不平衡和谐波等电能质量问题或有计划检修时，微电网转入孤岛运行模式，此时的电压和频率由内部 MS负责调节。 当电网故障消失后，微电网重新并入电网。 微电网除了并网／孤岛两种稳态运行模式外， 还存在着两种模式间的转换过渡过程。 模式转换的方式不是电源的重新启动，而是在逆变器持续不断工作的同时，通过其控制方法和网络结构等方面的调整来保证网内电压的连续平稳过渡，即实现无缝切换，以确保网内重要敏感负荷的供电不受影响。 过渡过程是两种模式间转换的桥梁和纽带，过渡过程中电能质量的优劣将直接影响到网内重要负荷的安全运行，是微电网系统能否实现灵活运行，提供定制电力服务的重要标志。 其中重新并网相对容易，而从并网转入孤岛模式的无缝过渡过程则相对困难。 在不同的微电网运行模式和孤岛拓扑结构下，微源可以采用不同的控制方法和 硬件拓扑，造成在模式转换过程中微源控制方法的多样性和不确定性，究竟何种控制方法能保证网内电压的稳定，目前很少有文献报道。 在进行微电网模式转换时，微源的控制方法受多种因素的影响，如转换前后的并网／孤岛运行状态、微源硬件配置等，同时储能单元也会对微源控制方法的选取及其控制效果产生一定的影响，具体包括： 1)微电网孤岛运行拓扑结构对控制方法的影响 在正常情况下，微电网和大电网共同负担网内负荷，当微电网转入孤岛运行时，存在功率需求和供给的不平衡，这时除了切除普通负荷外，微电网的拓扑结构也可能会发生相应的变化。 2)微源配置对控制方法的影响 在不同的微电网拓扑结构下，微源可以采用不同的输出滤波器结构 (L、LC或 LCL)，不同的滤波器结构也会对微源的控制方法的选取产生影响。 第 3章 微电网技术运行 9 3)微源控制方法的选择 逆变器并网运行时，可以工作在 VS或 CS方式，由大电网提供其电压和频率支撑。 当微电网转入孤岛运行后，由于电网电压的缺失，所以这些量必须由网内的逆变器来调节。 有三种不同的情况： 1)一台大容量的微源工作在 VS方式，提供电压支撑，剩余的微源工作在 CS方式，这种情况类似于并网运行； 2)多台较大容量的微源并联工作在 VS方式 ，提供电压支撑，剩余的微源工作在 CS方式； 3)所有微源均工作在 VS方式，并联运行。 当微电网完全解列时，微源和负荷一对一单独供电，工作在 VS方式。 可再生能源DC / DC 电路AC / DC 电路控制器逆变器（ DC / AC 电路 ）滤波电路公共电网交流负载直流负载储能装置（ 蓄电池组 ）直流侧处理电路 图 微网并网结构图 因此，微电网从并网转入孤岛运行时，逆变器存在着不同的控制方法组合。 总的来说，当微电网模式变化时，微源的控制方式有 VS— VS、 VS— CS、CSVS和 CS— CS四种情况。 因此，要根据不同的微电网孤岛拓扑和微源配置情况来选取合适的微源控制方法或组合。 微电网基本控制策略 目前已有三类经典的微电网控制方法 1)基于电力电 子技术的“即插即用”与“对等’’的控制思想 该方法根据微电网控制要求，灵活选择与传统发电机相类似的下垂特性曲线进行控制，将系统的不平衡功率动态分配给各机组承担，具有简单、可靠、易于实现的特点。 但该方法没有考虑系统电压与频率的恢复问题，也就是类似传统发电机中的二次调整问题，因此，在微电网遭受严重扰动时，系燕山大学本科生毕业设计（论文） 10 统的频率质量可能无法保证。 此外，该方法没有讨论在微电网运行模式切换时的过渡过程。 2)基于功率管理系统的控制 该方法采用不同控制模块对有功、无功分别进行控制，很好地满足了微电网多种控制的要求， 尤其在调节功率平衡时，加人了频率恢复算法，能够很好地满足频率质量要求。 另外，针对微电网中对无功的不同需求，功率管理系统采用了多种控制方法，从而大大增加了控制的灵活性并提高了控制性能。 但与第 1种方法类似，这种方法未考虑在微电网运行模式切换时的过渡过程。 3)基于多代理技术的微电网控制方法 该方法将传统电力系统中的多代理技术应用于微电网控制系统。 代理的自治性、反应能力、自发行为等特点，正好满足微电网分散控制的需要，提供了一个能够嵌入各种控制性能但又无需管理者经常出现的系统。 但目前多代理技术在微电网中的应 用多集中于协调市场交易、对能量进行管理方面，还未深入到对微电网中的频率、电压等进行控制的层面。 要使多代理技术在微电网控制系统中发挥更大作用，仍有大量研究工作需要进行。 微电网下垂控制策略 概述 由于微电网的提出是基于 UPS并联的思想，所以模拟传统发电机系统下垂特性的逆变器并联技术在微电网中得到了深入的研究和广泛的应用，近年来，逆变电源并联技术在诸多工业领域中发展迅速，国内外的许多专家学者对此提出了各种各样的控制策略，其中大部分控制策略可以归类为有联络线的并联模式。 这种有联络线模式的并联理 论相对简单，实现容易，因而在逆变电源技术发展早期得到了普遍认同。 但是有联络线并联模式也存在着非常明显的缺点，比如并联单元的地理位置受到限制，电磁干扰严重，冗余性不佳等等，这些都不适合应用在分布式发电系统中。 正是因为有联络线控制技术这些无法克服的先天性缺点，从而催生了逆变电源的无联络线并联模式，并促进着无联络线并联控制技术的快速发展。 第 3章 微电网技术运行 11 下垂控制策略 根据逆变电源并联系统的功率特性，一些学者提出了可以将逆变电源无线并联的控制技术 —— 电压频率下垂法。 其实质为：在逆变电源并联系统中，各逆变单元检测自 身输出功率，通过下垂控制得到输出电压频率和幅值的指令值，然后各自反相微调其输出电压幅值和频率达到系统有功和无功功率的合理分配。 输出有功功率大的逆变电源，通过频率下垂特性减小其输出频率，从而减少其有功功率输出；输出有功功率小的逆变电源，通过频率下垂特性增大其输出频率，从而增加其有功功率输出。 输出无功功率大的逆变电源，通过幅值下垂特性降低其电压幅值，从而减小其输出无功功率；输出无功功率小的逆变电源，通过幅值下垂特性抬高其电压幅值，从而增大其输出无功功率。 即输出功率较少的单元会根据电压一频率下垂特性增加其输出，而 输出功率相对较多的单元则相应的减少其输出，并且这种自我调节过程将一直持续下去，直到并联系统达到最小环流点。 取 2台逆变器并联为例，简化原理图如图。 逆变器 1输出阻抗与连线阻抗之和为 11111  ZRjXrZ ；逆变器 2输出阻抗与连线阻抗之和为22222  ZRjXrZ ； 1r ， 2r 为等效电阻； 1X ， 2X 为等效感抗； 1E 和 2E 分别为逆变器 2的空载输出电压； U为并联交流母线电压 , 为各个逆变器模块的输出电压与母线电压的相角差。 图 逆变器并联简化原理图 逆变器的输出电流为： 燕山大学本科生毕业设计（论文） 12 nZnnnn R UEI    0（ n=1,2） （ 31） 输出功率为： nnnnnn QPIES   （ 32） 其中： nP 为逆变器 n的输出有功功率； nQ 为逆变器 n的输出无功功率。   nnnnnnZnn UEUUERP  s i ns i nc osc os1 2  （ 33）   nnnnnnZnn UEUUERQ  c oss i ns i nc os1 2  （ 34） 由式（ 33），（ 34）可知，当输出阻抗与连线阻抗之和为纯感性时，有 nnnn XUEP sin （ 35） nnnn X UEQ 2c os   （ 36） 由式 (35)和 (36)可知，如果  足够小，有功功率的流动主要由功率角 决定，而无功功率的流动则主要由逆变器输出电压决定，所以在一定程度上有功功率和无功功率的流动能得到独立控制。 控制频率能动态的控制功率角，因此控制有功功率的流动能通过控制逆变器的输出电压频率而实现，同理控制无功功率的流动能通过控制逆变器的输出电压幅值而实现。 因此大部分逆变器无连线并联控制采用传统的下垂法。 由式 (35)和 (36)可知，微电源输出的有功功率主要取决于电压矢量间功角差  ，微电源输出的无功功率主要取决于微电源逆变器电压的幅值 U。 因此，针对微电源输出的功率控制，逆变器可采用模拟传统同步发电机控制特性的有功功率 — 频率下垂特性与无功功率 — 电压下垂特性的控制方法，对微电源逆变器的输出功率进行灵活控制。 第 3章 微电网技术运行 13 图 有功功率 频率的下垂特性 仿照传统发电机组的静态频率特性，可画出微电源逆变器的有功功率 —频率下垂特性曲线如图。 图中 f、 P 分别为微电网母线频率与微电源逆变器输出的有功功率。 Nf 、 NP 分别为微电网稳定运行时，微电网母线额定频率与微电源逆变器输出的有功功率；微电源逆变器输出有功功率的最大值为 maxp ，相应的频率限值为 minf。 由图 频率下垂特性的公式如下： NN fppmf  )( （ 37） maxminpp ffmNN  （ 38） 式（ 32）（ 33）中， m为微电源逆变器有功功率 频率下垂曲线的斜率。 图 无功功率 — 电压的下垂特性 图 — 电压下垂特性曲线， U、 Q 分别为微燕山大学本科生毕业设计（论文） 14 电网母线的电压幅值与微电源输出的无功功率。 NU 、 NQ 分别为微电网稳定运行时，微电网母线的额定电压幅值与微电源输出的无功功率；微电网母线电压幅值波动的限值分别为 minU 与 maxU ，与之相对应的微电源输出无功功率分别为 maxQ 与－ maxQ。 可以得出反映无功功率 — 电压 下垂特性的公式如下： NN UnU  )( （ 39） maxmin UUnNN  （ 310） 式 (34)、 (35)中， n为微电源逆变器无功功率 — 电压下垂曲线的斜率。 微 电源逆变器改变功率下垂特性的控制 以微电网中某一个微电源为例（如图 ），设微电源逆变器的额定容量为 S。 当微电网稳定运行时，微电源逆变器输出的视在功率为 NS ，有功功率为 Np ，有功功率的最大值为 Npmax, ,无功功率为 NQ ，无功功率的最大值为 NQmax, ，功率因数角为 N ，微电源逆变器的有功功率 — 频率下垂特性为： NN fppmf  )( （ 311） NNNN pp ffmm ax,m in。