Dual-mode research for microgrid

1、微網(wǎng)逆變器的雙模式變換控制研究 答辯人：郭 誠(chéng) 指導(dǎo)老師：顧 軍 副教授課題來源課題背景研究目的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀控制策略和控制結(jié)構(gòu)的采用方案仿真順序以及已經(jīng)完成的工作課題工作量及進(jìn)展計(jì)劃主要參考文獻(xiàn)1.課題來源 本課題是根據(jù)導(dǎo)師指導(dǎo)學(xué)習(xí)的方向查找文獻(xiàn)，梳理研究熱點(diǎn)得來，來源于自主選題。2.課題背景 隨著全球?qū)稍偕茉吹难芯亢桶l(fā)展，分布式發(fā)電系統(tǒng)在電力系統(tǒng)的地位越來越重，作用越來越大。微電網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)離不開恰當(dāng)?shù)哪孀兤骺刂萍夹g(shù)。 在微電網(wǎng)的工作過程中，孤島運(yùn)行滿足本地負(fù)載的供電需求，當(dāng)電能有多余時(shí)，若為了充分利用的能源，將多余部分電能送入電網(wǎng)，就需要通過逆變器將微電網(wǎng)并入電網(wǎng)。 而當(dāng)電網(wǎng)電壓不穩(wěn)

2、定時(shí)，為避免本地重要負(fù)載受到影響，可以將逆變器與大電網(wǎng)斷開，由微電網(wǎng)對(duì)本地負(fù)載繼續(xù)進(jìn)行供電。 這種能夠在并網(wǎng)/孤島來回切換并穩(wěn)定運(yùn)行的微電網(wǎng)系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)在各個(gè)狀態(tài)下的穩(wěn)定運(yùn)行和平滑切換，需要依靠性能良好的雙模式逆變器控制系統(tǒng)。針對(duì)這一類微電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用中所面臨的問題，對(duì)雙模式逆變器進(jìn)行研究具有了十分重要的意義。 2.課題背景3. 研究目的 在運(yùn)行過程中，對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)有以下四個(gè)基本要求：在微電網(wǎng)并網(wǎng)狀態(tài)時(shí)運(yùn)行于電流源模式，根據(jù)調(diào)度指令快速地輸出相應(yīng)的有功和無功功率，且對(duì)主電網(wǎng)諧波污染?。还聧u工況時(shí)運(yùn)行于下垂控制電壓源模式，為微電網(wǎng)提供電壓和頻率支持并實(shí)現(xiàn)并聯(lián)分布式電源之間負(fù)載功率的合理分配；3.

3、研究目的 在并離網(wǎng)之間切換時(shí)，無需停機(jī)重啟，實(shí)現(xiàn)無縫切換；在離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，對(duì)負(fù)載的變換能夠快速響應(yīng)，提供功率補(bǔ)償。 本課題研究目的就是設(shè)計(jì)出一種能夠滿足這四個(gè)方面要求的雙模式逆變器控制系統(tǒng)。4.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)雙模式逆變器及其控制的研究主要包含并網(wǎng)工作模式和運(yùn)行模式切換過程兩個(gè)方面：前者包括新型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、并網(wǎng)電流控制策略等；后者包括雙模式間無縫切換算法、孤島檢測(cè)與反孤島等。 孤島檢測(cè)信息是電網(wǎng)的維修和逆變器運(yùn)行模式選擇的重要信息，對(duì)于它的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀也進(jìn)行了一定的介紹。 4.1雙模式逆變器國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前，對(duì)雙模式逆變器在并網(wǎng)工作模式下的研究已經(jīng)較為成熟，通?？梢灾苯犹子貌?/p>

4、網(wǎng)逆變器的控制策略。但是針對(duì)雙模式逆變器在兩個(gè)運(yùn)行模式間的切換過程的研究則相對(duì)較少，這也使得對(duì)運(yùn)行模式切換過程的研究正逐漸成為熱點(diǎn)。 下面是國(guó)內(nèi)外研究人員設(shè)計(jì)的幾種控制結(jié)構(gòu)。4.1.1 基于電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源并網(wǎng)條件下，功率的調(diào)節(jié)和孤島工況下負(fù)載的分配，但是，該方法在并網(wǎng)條件下功率調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度較慢。4.1.2 在并網(wǎng)狀態(tài)下微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源全部采用電流源模式運(yùn)行，在孤島狀態(tài)下微電網(wǎng)內(nèi)主電源采用恒幅恒頻電壓模式運(yùn)行，其他分布式電源仍然運(yùn)行于電流源模式；但此方法孤島狀態(tài)時(shí)很難實(shí)現(xiàn)并聯(lián)分布式電源之間負(fù)載功率的合理分配。4.1.3 平滑切換控制策略要求提前5s發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)故障，實(shí)現(xiàn)難

5、度較大。4.1.4 采用下垂控制，實(shí)現(xiàn)了在逆變器雙模式控制策略不變的情況下可以無縫切換，但沒有考慮下垂控制對(duì)并網(wǎng)運(yùn)行的適應(yīng)性及并網(wǎng)過程中出現(xiàn)的電流沖擊。4.1.5 通過新增PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)了單電流環(huán)控制和下垂控制兩種控制方法下,雙模式逆變器輸出電壓矢量的相互跟蹤,避免了切換過程中電壓突變的出現(xiàn)，但是結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，不利于調(diào)節(jié)參數(shù)。4.2 孤島檢測(cè)方法國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)外目前所研究的孤島檢測(cè)方法主要包括：(1)基于遠(yuǎn)程通訊的孤島檢測(cè)法；(2)本地孤島檢測(cè)法。 基于遠(yuǎn)程通訊的孤島檢測(cè)法主要是聯(lián)鎖跳閘法及電力傳輸線載波通訊法。本地孤島檢測(cè)法又分為被動(dòng)式檢測(cè)法以及主動(dòng)式檢測(cè)法。4.2 孤島檢測(cè)方法國(guó)內(nèi)外

6、研究現(xiàn)狀4.2.1被動(dòng)式孤島檢測(cè)技術(shù)4.2.1.1過/欠電壓(OVP/UVP)孤島檢測(cè)法4.2.1.2過/欠頻率(OFP/UFP)孤島檢測(cè)法4.2.1.3其它被動(dòng)式孤島檢測(cè)法1、基于相位跳變的孤島檢測(cè)法2、基于電壓諧波測(cè)量的孤島檢測(cè)法3、基于關(guān)鍵電量變化率的孤島檢測(cè)法 4.2 孤島檢測(cè)方法國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀4.2.1被動(dòng)式孤島檢測(cè)技術(shù) 優(yōu)點(diǎn)：對(duì)并網(wǎng)逆變器的輸出電能質(zhì)量不會(huì)造成影響,也不會(huì)出現(xiàn)多臺(tái)逆變器并網(wǎng)時(shí)孤島檢測(cè)的稀釋效應(yīng)現(xiàn)象。 缺點(diǎn)：都有較大的檢測(cè)盲區(qū)，檢測(cè)閾值難以選定，檢測(cè)時(shí)間過長(zhǎng)。4.2 孤島檢測(cè)方法國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀4.2.2主動(dòng)式孤島檢測(cè)技術(shù)4.2.2.1主動(dòng)移頻法1、主動(dòng)頻率偏移法(AF

7、D)2、Sandia頻率偏移法(SFS)3、滑模頻率偏移法(SMS)優(yōu)點(diǎn)：檢測(cè)盲區(qū)較被動(dòng)檢測(cè)法要小很多缺點(diǎn)：對(duì)于電能質(zhì)量有一定影響，且多臺(tái)逆變器并網(wǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生稀釋效應(yīng)。4.2 孤島檢測(cè)方法國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀4.2.3基于功率擾動(dòng)的孤島檢測(cè)法1、基于有功功率擾動(dòng)孤島檢測(cè)法2、基于無功功率擾動(dòng)孤島檢測(cè)法優(yōu)點(diǎn)：在單臺(tái)逆變器并網(wǎng)運(yùn)行條件下,不存在檢測(cè)盲區(qū);釆用有功功率擾動(dòng)法,逆變器輸出電壓和電流嚴(yán)格同相位,僅影響逆變器輸出有功功率大小,而不會(huì)給電網(wǎng)引入諧波;4.2 孤島檢測(cè)方法國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 4.2.3基于功率擾動(dòng)的孤島檢測(cè)法 缺點(diǎn)：在多臺(tái)逆變器并網(wǎng)運(yùn)行的條件下,各臺(tái)逆變器的功率擾動(dòng)須同步進(jìn)行,否則會(huì)產(chǎn)生稀

8、釋效應(yīng)使各擾動(dòng)量相互抵消,從而導(dǎo)致孤島檢測(cè)失敗;對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng),人為的有功功率擾動(dòng)對(duì)光伏發(fā)電輸出效率會(huì)產(chǎn)生不利影響;是擾動(dòng)量的選取困難。4.2 孤島檢測(cè)方法國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 4.2.4阻抗測(cè)量方案 優(yōu)點(diǎn):檢測(cè)盲區(qū)小,且不需要得到阻抗的精確測(cè)量值。 缺點(diǎn):所加擾動(dòng)對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生不利影響;在主電網(wǎng)為弱電網(wǎng)的情況下,或者電網(wǎng)自身存在較大波動(dòng)時(shí),電網(wǎng)阻抗的監(jiān)測(cè)會(huì)比較困難;在多逆變器并網(wǎng)運(yùn)行的條件下,各逆變器檢測(cè)信號(hào)存在相互干擾,將使阻抗的計(jì)算出現(xiàn)錯(cuò)誤。5. 控制策略和控制結(jié)構(gòu)的采用方案（1）在孤島運(yùn)行模式下，逆變器都采用下垂控制方式；（2）逆變器并聯(lián)過程中，先采取主從控制，由一臺(tái)逆變器跟隨另一臺(tái)給負(fù)載

9、供電的逆變器的電壓先運(yùn)行，穩(wěn)定達(dá)到并聯(lián)要求后，合上并聯(lián)開關(guān)，同時(shí)切換到對(duì)等控制；5. 控制策略和結(jié)構(gòu)的采用方案 （3）逆變器由孤島切換至并網(wǎng)狀態(tài)的準(zhǔn)備階段，逆變器由下垂控制切換到PQ控制跟隨電網(wǎng)電壓進(jìn)行空載運(yùn)行，達(dá)到并網(wǎng)要求后進(jìn)行并網(wǎng)動(dòng)作； （4）由并網(wǎng)到孤島狀態(tài)，逆變器PQ控制的電流給定由電感電流切換到負(fù)載電流給定，同時(shí)斷開并網(wǎng)開關(guān)，之后控制模塊由PQ控制切換到下垂控制；并聯(lián)逆變器孤島運(yùn)行的結(jié)構(gòu)下垂控制電壓源模式控制框圖逆變器并網(wǎng)運(yùn)行模型PQ控制框圖 雙模式式逆變器并行投式切換策略6.仿真順序以及已經(jīng)完成的工作（1）單臺(tái)逆變器孤島運(yùn)行仿真；（已經(jīng)完成）（2）兩臺(tái)并聯(lián)逆變器孤島運(yùn)行仿真；（已經(jīng)

10、基本實(shí)現(xiàn)功率均分） （3）對(duì)離網(wǎng)并聯(lián)逆變器的穩(wěn)定性進(jìn)行波特圖分析；（4）單臺(tái)逆變器的并網(wǎng)運(yùn)行仿真； （5）對(duì)無縫切換進(jìn)行仿真； （6）孤島檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行仿真。6.1三相鎖相環(huán)00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.10246t/s鎖相得到的相位波形00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1-50050100150200250300350400UdUq鎖相成功時(shí)Ud和Uq的波形鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)框圖6.2并聯(lián)逆變器孤島運(yùn)行逆變器的下垂控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并聯(lián)逆變器孤島運(yùn)行的結(jié)構(gòu)6.2并聯(lián)逆變器孤島運(yùn)行兩臺(tái)并聯(lián)逆變器的有功功率兩臺(tái)并聯(lián)

11、逆變器的無功功率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第一臺(tái)逆變器的電流波形第二臺(tái)逆變器的電流波形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 對(duì)與逆變器離

12、網(wǎng)/并網(wǎng)雙模式相關(guān)的文獻(xiàn)進(jìn)行調(diào)研和學(xué)習(xí)，深入了解其中使用的各種控制方法的原理、優(yōu)缺點(diǎn)和運(yùn)用條件，對(duì)學(xué)習(xí)到的知識(shí)進(jìn)行總結(jié)，寫好論文調(diào)研綜述； (2)2015.04-2015.06 在MATLAB仿真平臺(tái)上搭建逆變器模型，對(duì)兩個(gè)并聯(lián)逆變器的孤島運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)逆變器并聯(lián)穩(wěn)定運(yùn)行； (3)2015.06-2015.07 查找文獻(xiàn)，充分了解和學(xué)習(xí)逆變器孤島并聯(lián)運(yùn)行中的功率無法均分的原因和解決方法，在仿真模型上實(shí)現(xiàn)功率均分。7.課題工作量及進(jìn)展計(jì)劃 (4)2015.07-2015.09 對(duì)逆變器并聯(lián)孤島運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，分析不同參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性的影響； (5)2015.09-2015.12

13、 搭建單個(gè)逆變器并網(wǎng)仿真模型，對(duì)并網(wǎng)瞬間出現(xiàn)的電壓、電流沖擊進(jìn)行分析，查找文獻(xiàn)，與老師同學(xué)探討，學(xué)習(xí)解決該問題的方法，實(shí)現(xiàn)平滑并網(wǎng)； (6)2015.12-2016.02 將并網(wǎng)和孤島兩種運(yùn)行模式聯(lián)合進(jìn)行仿真，使其能夠在兩種運(yùn)行模式切換時(shí)電壓和電流的沖擊穩(wěn)定在允許的范圍內(nèi)，響應(yīng)速度快，暫態(tài)時(shí)間較短； (7)2016.02-2016.04 撰寫論文，準(zhǔn)備答辯。7.課題工作量及進(jìn)展計(jì)劃 8、主要參考文獻(xiàn)1 王一江.雙模式微電網(wǎng)逆變器控制策略研究D. 北京：北京交通大學(xué),2014.2李龍.微電網(wǎng)功率分配及平滑切換方法研究D.成都：西南交通大學(xué)，2014.3梁建鋼,金新民,吳學(xué)智等.微電網(wǎng)逆變器 VC

14、S 模式與 CCS 模式的切換技術(shù)J.電 網(wǎng)技術(shù),2014,4(38):830-837.4郭小強(qiáng),郞偉揚(yáng).微電網(wǎng)非破壞性無盲區(qū)孤島檢測(cè)技術(shù)J.電機(jī)工程學(xué)報(bào),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.基于下垂法控制的無線并聯(lián)逆變器系統(tǒng)由獨(dú)立到并網(wǎng)模式切換策略的研究D.杭州:浙江大學(xué),2013.7張崇巍,張興.PWM整流器及其控制M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2012.8過亮.獨(dú)立/并網(wǎng)雙模式逆變器控制技術(shù)研究.D.南京:南京航空航天大學(xué),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