第四章微電網(wǎng)運(yùn)行與控制技術(shù)課件

第4章微電網(wǎng)運(yùn)行與控制技術(shù)

第4章微電網(wǎng)運(yùn)行與控制技術(shù)

1簡(jiǎn)介：微電網(wǎng)主要以分布式電源為主，由于分布式電源的容量一般不大，但是卻數(shù)目眾多，從而使微電網(wǎng)的控制不能像傳統(tǒng)電網(wǎng)那樣由電網(wǎng)調(diào)度中心統(tǒng)一控制以及處理故障，這就對(duì)微電網(wǎng)的運(yùn)行和控制提出了新的要求。如：根據(jù)電網(wǎng)需求或者電網(wǎng)故障情況，能夠?qū)崿F(xiàn)自主與主電網(wǎng)并列、解列或者是兩種運(yùn)行方式的過渡轉(zhuǎn)換運(yùn)行，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)有功和無功的控制、頻率、電壓控制，可實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)與主電網(wǎng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行以及對(duì)主電網(wǎng)的安全支撐等。微電網(wǎng)相對(duì)于主電網(wǎng)可作為一個(gè)可控的模塊化單元，其可對(duì)內(nèi)部負(fù)荷提供電能，滿足負(fù)荷用戶的需求，這就需要良好的微電網(wǎng)控制和管理能力。微電網(wǎng)的運(yùn)行控制應(yīng)該能夠做到基于本地信息對(duì)電網(wǎng)中的事故作出快速、獨(dú)立的響應(yīng)，而不用接受傳統(tǒng)電網(wǎng)的統(tǒng)一調(diào)度。簡(jiǎn)介：24.1微電網(wǎng)自動(dòng)控制結(jié)構(gòu)與體系

4.1.1微電網(wǎng)的經(jīng)典結(jié)構(gòu)與控制目標(biāo)1、經(jīng)典微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)如圖4.1所示，它由微電源、儲(chǔ)能裝置和電/熱負(fù)荷構(gòu)成，并聯(lián)在低壓配電網(wǎng)中。微電源接入負(fù)荷附近，很大的減少了線路損耗，增強(qiáng)了重要負(fù)荷抵御來自主電網(wǎng)故障的影響的能力。微電源具有“即插即用”的特性，通過電力電子接口實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行方式下的控制、測(cè)量和保護(hù)功能，這些功能有助于實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)兩種運(yùn)行方式間的無縫切換。4.1微電網(wǎng)自動(dòng)控制結(jié)構(gòu)與體系

4.1.1微電網(wǎng)的經(jīng)典結(jié)3圖4.1中微電網(wǎng)包括A、B和C3條饋線，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)呈輻射狀結(jié)構(gòu)，饋線通過微電網(wǎng)主隔離裝置與配電網(wǎng)相連，可實(shí)現(xiàn)孤網(wǎng)與并網(wǎng)運(yùn)行方式的平滑切換。其中A和B為重要負(fù)荷，安裝了多個(gè)DG為其提供電能，饋線A上接敏感負(fù)荷，安裝了光伏電池和微型燃?xì)廨啓C(jī)，其中微型燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行于熱電聯(lián)產(chǎn)，向用戶提供熱能和電能；采用風(fēng)力發(fā)電和燃料電池共同在為饋線B的可調(diào)節(jié)負(fù)荷供電；饋線C為非敏感負(fù)荷，沒有配置專門的微電源為饋線C上的負(fù)荷供電，直接由配電網(wǎng)供電，孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)微電網(wǎng)內(nèi)部過負(fù)荷時(shí)，可切斷系統(tǒng)對(duì)饋線C上的負(fù)荷的供電。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，圖4.1中微電網(wǎng)包括A、B和C3條饋線，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)呈輻射狀結(jié)構(gòu)4當(dāng)外界主電網(wǎng)發(fā)生故障停電或者出現(xiàn)電能質(zhì)量問題時(shí)，微電網(wǎng)通過靜態(tài)開關(guān)切斷與主電網(wǎng)的聯(lián)系，孤網(wǎng)運(yùn)行。微電網(wǎng)的負(fù)荷由微電源承擔(dān)，饋線C可通過母線從母線得到電能并維持正常運(yùn)行。如果孤網(wǎng)運(yùn)行模式下無法保證電能的供需平衡，可切斷饋線C的負(fù)荷，停止對(duì)非重要負(fù)荷供電。故障消除后，主斷路器重新合上，微電網(wǎng)恢復(fù)并網(wǎng)運(yùn)行模式。通過有效的控制方式實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)兩種運(yùn)行模式的平滑切換。此外，微電網(wǎng)還配備了潮流控制器和保護(hù)協(xié)調(diào)器，在能量管理系統(tǒng)的統(tǒng)一控制下，通過數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓、控制潮流、饋線保護(hù)等多項(xiàng)措施。當(dāng)外界主電網(wǎng)發(fā)生故障停電或者出現(xiàn)電能質(zhì)量問題時(shí)，微電網(wǎng)通過靜5在大電網(wǎng)發(fā)生故障或其電能質(zhì)量不符合標(biāo)準(zhǔn)情況時(shí)，微電網(wǎng)可以孤網(wǎng)運(yùn)行，保證微電網(wǎng)自身和大電網(wǎng)的正常運(yùn)行，從而提高供電安全性和可靠性。因此孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)微電網(wǎng)最重要的能力，而實(shí)現(xiàn)這一性能的關(guān)鍵技術(shù)是微電網(wǎng)與主電網(wǎng)之間的電力電子接口處的控制環(huán)節(jié)—靜態(tài)開關(guān)。該靜態(tài)開關(guān)可實(shí)現(xiàn)在接口處?kù)`活控制的接受和輸送電能。從大電網(wǎng)的角度看，微電網(wǎng)相當(dāng)于負(fù)荷，是一個(gè)可控的整體單元。另一方面，對(duì)用戶來說，微電網(wǎng)是一個(gè)獨(dú)立自治的電力系統(tǒng)，它可以滿足不同用戶對(duì)電能質(zhì)量和可靠性的要求。在大電網(wǎng)發(fā)生故障或其電能質(zhì)量不符合標(biāo)準(zhǔn)情況時(shí)，微電網(wǎng)可以孤網(wǎng)63

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圖4.1典型微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)

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63472、微電網(wǎng)控制的主要目標(biāo)（1）可對(duì)微電源出口電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證電壓穩(wěn)定性。（2）孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，確保微電源能夠快速響應(yīng)，滿足用戶的電力需求。（3）根據(jù)故障情況或系統(tǒng)需求，可實(shí)現(xiàn)平滑自主的與主電網(wǎng)并網(wǎng)、解列或者兩種運(yùn)行方式的過渡轉(zhuǎn)化。（4）調(diào)節(jié)微電網(wǎng)的饋線潮流，對(duì)有功和無功進(jìn)行獨(dú)立解耦控制。2、微電網(wǎng)控制的主要目標(biāo)84.1.2微電網(wǎng)的控制方式

目前，微電網(wǎng)的控制方式主要有以下幾種：（1）主從控制。即對(duì)各微電源采取不同的控制方式，從而使分布式電源實(shí)現(xiàn)不同的職能，讓其中一個(gè)（或幾個(gè)）微電源作為主控電源，支撐系統(tǒng)的頻率，保證電壓的穩(wěn)定，而其他微電源作為從屬電源，不負(fù)責(zé)電壓的控制和頻率的調(diào)節(jié)。主從控制的實(shí)現(xiàn)：并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)各分布式電源均采用P/Q控制，孤島運(yùn)行時(shí)，一個(gè)分布式電源（主控電源）轉(zhuǎn)換成v/f控制，保持電壓不變，電流隨負(fù)荷的變化而變化。但是主從控制存在的缺點(diǎn)有：孤島運(yùn)行時(shí)對(duì)主控電源依賴性高，對(duì)通信可靠性要求高，負(fù)荷波動(dòng)時(shí)需要較高的旋轉(zhuǎn)備用容量。4.1.2微電網(wǎng)的控制方式

9（2）對(duì)等控制策略。即基于電力電子的“即插即用（PlugandPlug）”和“對(duì)等（PointtoPoint）”的控制。系統(tǒng)中各個(gè)分布式電源是“平等”的關(guān)系，不存在從屬關(guān)系。根據(jù)微電網(wǎng)的控制目標(biāo)，靈活的設(shè)定下垂系數(shù)，調(diào)節(jié)受控微電源，保證整個(gè)微電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定以及電能的供需平衡，具有簡(jiǎn)單可靠的優(yōu)點(diǎn)。但是對(duì)等控制策略只考慮了一次調(diào)頻，而忽略了傳統(tǒng)電網(wǎng)的二次調(diào)頻問題，即沒有考慮微電網(wǎng)系統(tǒng)電壓和頻率的恢復(fù)問題，因此，在微電網(wǎng)受到大擾動(dòng)時(shí)，很難保證系統(tǒng)的頻率質(zhì)量，不能保證負(fù)荷的正常運(yùn)行。另外，此方法是針對(duì)有電力電子技術(shù)的微電源的控制，沒有考慮傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)如微型燃?xì)廨啓C(jī)與微電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)控制。（2）對(duì)等控制策略。即基于電力電子的“即插即用（Pluga10（3）基于功率管理系統(tǒng)的控制。該控制方式采用不同的控制模塊，分別對(duì)有功和無功進(jìn)行解耦控制。較好的滿足了微電網(wǎng)P/Q、v/f等多種控制方式的要求，尤其是對(duì)于功率平衡的調(diào)節(jié)，應(yīng)用了頻率恢復(fù)算法，可以很好地滿足系統(tǒng)對(duì)頻率質(zhì)量的要求。針對(duì)微電網(wǎng)中各用戶對(duì)無功的不同需求，功率管理系統(tǒng)采用了多種控制方法并加入了無功補(bǔ)償裝置，提高了系統(tǒng)的控制能力，同時(shí)也提高了控制的靈活性。但是該方法沒有考慮含有調(diào)速和勵(lì)磁系統(tǒng)的常規(guī)發(fā)電，特別是沒有考慮含電力電子接口的微電源間的協(xié)調(diào)控制（3）基于功率管理系統(tǒng)的控制。該控制方式采用不同的控制模塊，11（4）基于多代理技術(shù)的控制。該方法將傳統(tǒng)電網(wǎng)的多代理技術(shù)應(yīng)用到微電網(wǎng)控制系統(tǒng)。該控制策略綜合了多種控制方式，能夠隨時(shí)插入某種控制，實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度，保證了微電網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。多代理技術(shù)具有很好的自愈能力，響應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)可很好的滿足微電網(wǎng)的分散控制的需要。但目前多代理技術(shù)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用還處于起步階段，還只是集中對(duì)微電網(wǎng)的系統(tǒng)頻率、電壓等進(jìn)行控制的層面，因此要使多代理技術(shù)在微電網(wǎng)的控制中發(fā)揮更大的作用，還需要大量的研究工作。（4）基于多代理技術(shù)的控制。該方法將傳統(tǒng)電網(wǎng)的多代理技術(shù)應(yīng)用12微電網(wǎng)中的分布式電源的控制方法主要有：

PQ控制

VF控制

下垂控制

微電網(wǎng)中的分布式電源的控制方法主要有：131）PQ控制PQ控制也就是恒功率控制，通常在并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下采用PQ控制，控制的目的是不考慮其對(duì)微電網(wǎng)頻率和電壓的調(diào)節(jié)作用，使分布式電源輸出的有功和無功能夠?qū)崟r(shí)跟蹤參考信號(hào)，而頻率和電壓支撐由大電網(wǎng)提供。對(duì)于光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等分布式電源，其出力受環(huán)境影響較大，輸出功率具有間歇性，采用PQ控制策略可以保證可再生能源的充分利用。1）PQ控制14第一種方法是分別控制有功和無功功率，通過給定微電源原動(dòng)機(jī)的有功功率參考值來控制微電源發(fā)出的有功，直接給定微電源的無功功率參考值來控制其發(fā)出的無功功率。如圖4.2所示：第一種方法是分別控制有功和無功功率，通過給定微電源原動(dòng)機(jī)的有15

圖4.2PQ控制示意圖

16從圖4.2可知，控制原動(dòng)機(jī)發(fā)出的有功功率，有功功率參考值為,在原動(dòng)機(jī)自身功率調(diào)節(jié)器的作用下跟蹤輸出的有功功率，通過在逆變器直流側(cè)的電壓PI1控制器來保持母線電壓恒定，從而實(shí)現(xiàn)微電源的有功輸出調(diào)節(jié)。第二種方法是直接通過逆變器控制有功和無功功率。逆變器的輸出功率就是微電源輸出的功率，實(shí)現(xiàn)該種控制的具體方法是：通過鎖相環(huán)得到交流側(cè)的三相電壓和電流，經(jīng)過由Park變換得到dq0分量，通過式（4-1）得到微電源輸出的有功和無功功率。從圖4.2可知，控制原動(dòng)機(jī)發(fā)出的有功功率，有功功率參考值為17（4-1）

通過式（4-1）計(jì)算得到dq軸的電流值，把它作為電流環(huán)參考值，與實(shí)際的電流值做差，然后通過PI控制器。得到濾波電感參數(shù)后，設(shè)置dq軸電壓參考分量，通過Park反變換，得到三相交流分量，通過PWM輸出給逆變器。（4-1）通過式（4-1）計(jì)算得到dq軸的電流值，18（2）VF控制V/f控制通過控制微電源逆變器的輸出量，使逆變器輸出的電壓和頻率為參考量，以保證微電網(wǎng)在孤島運(yùn)行時(shí)的電壓和頻率的穩(wěn)定，使負(fù)荷功率能夠很好的跟蹤變化特性。通過設(shè)定電壓和頻率的參考值，再通過PI調(diào)節(jié)器對(duì)電壓和頻率進(jìn)行跟蹤，作為恒壓、恒頻電源使用。其控制示意圖如圖4.3所示：（2）VF控制19

圖4.3v/f控制示意圖從圖4.3中可以看出，電源在進(jìn)行v/f控制時(shí)只采集逆變器端口的電壓信息，可通過調(diào)節(jié)逆變器來調(diào)節(jié)電壓值，頻率采用恒定值50HZ。圖4.3v/f控制示意圖從圖4.3中可以看出，電源在進(jìn)行20（3）下垂（Droop）控制

Droop控制主要是指電力電子逆變器的控制方式，其與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻類似，利用有功-頻率和無功-電壓呈線性關(guān)系的特性對(duì)系統(tǒng)的電壓和頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。目前主要有兩種Droop控制方法，一種是傳統(tǒng)的有功-功率（P-f）和無功-電壓（Q-U）進(jìn)行Droop控制，一種是對(duì)有功-電壓（P-U）和無功-頻率（Q-f）進(jìn)行反Droop控制。（3）下垂（Droop）控制 21如圖4.4所示Droop控制有功-頻率（P-f）和無功-電壓（Q-U）呈線性關(guān)系，當(dāng)微電源輸出有功、無功增加時(shí)，運(yùn)行點(diǎn)由A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)，達(dá)到一個(gè)新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，該控制方法不需要各微源之間通信聯(lián)系就可以實(shí)施控制，所以一般采取對(duì)微電源接口逆變器控制。如圖4.4所示Droop控制有功-頻率（P-f）和無功-電壓22

圖4.4頻率、電壓下垂特性圖4234.2微電網(wǎng)的逆變器控制

4.2.1微電網(wǎng)中逆變器的主要控制目標(biāo)微電網(wǎng)有并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種穩(wěn)定運(yùn)行模式，在兩種模式下都要表現(xiàn)為受控的可靠的發(fā)電裝置，這都對(duì)逆變器施加適當(dāng)?shù)目刂啤＞唧w而言，微電網(wǎng)中逆變器的控制目標(biāo)如下：4.2微電網(wǎng)的逆變器控制

4.2.1微電網(wǎng)中逆變器的主要24（1）微電網(wǎng)工作與并網(wǎng)模式下。首先，逆變器需滿足電網(wǎng)的接口要求，保證注入電流諧波含量合乎標(biāo)準(zhǔn)，不造成當(dāng)?shù)仉娔苜|(zhì)量的惡化，保持與電網(wǎng)同步的能力，不發(fā)生攻角振蕩。其次，微電網(wǎng)作為獨(dú)立受控的單元，一般要求逆變器向電網(wǎng)發(fā)出的有功功率是可調(diào)度的，要求逆變器和電網(wǎng)間交換的無功功率是可控的，以滿足負(fù)荷要求，對(duì)大電網(wǎng)的頻率和電壓起調(diào)節(jié)和支撐作用。再者，電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商可能會(huì)提出諧波補(bǔ)償、有源濾波、電網(wǎng)故障時(shí)的低電壓穿越等要求。（1）微電網(wǎng)工作與并網(wǎng)模式下。首先，逆變器需滿足電網(wǎng)的接口要25（2）微電網(wǎng)工作于離網(wǎng)模式下。逆變器必須能維持電網(wǎng)交流側(cè)的電壓和頻率，自動(dòng)匹配本地負(fù)載有功無功需求。此外，如果離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)交流側(cè)并聯(lián)有多臺(tái)逆變器，那么，最好能夠按照逆變器容量或其它原則分配每臺(tái)逆變器的有功、無功出力。（2）微電網(wǎng)工作于離網(wǎng)模式下。逆變器必須能維持電網(wǎng)交流側(cè)的電263）微電網(wǎng)在兩種模式之間切換。當(dāng)大電網(wǎng)發(fā)生故障或由于其它原因，微電網(wǎng)需要從并網(wǎng)模式切換到離網(wǎng)模式，逆變器的控制從電流控制過渡到電壓控制，既要保證交流電壓頻率的平滑過渡，又要讓輸出功率匹配負(fù)荷的速度盡可能快；當(dāng)微電網(wǎng)從離網(wǎng)模式切換到并網(wǎng)模式時(shí)，為了避免并網(wǎng)瞬間的電流沖擊，要保證并網(wǎng)前微電網(wǎng)與大電網(wǎng)同步且電壓相等。3）微電網(wǎng)在兩種模式之間切換。當(dāng)大電網(wǎng)發(fā)生故障或由于其它原因274.2.2微電網(wǎng)中逆變器的控制方法

微電源的控制是微電網(wǎng)控制的基礎(chǔ)，而微電網(wǎng)中大多數(shù)微電源通過三相電壓型逆變器（VSI）接入系統(tǒng)，所以對(duì)微電源的控制就是對(duì)逆變器的控制。如圖4.5，微電源逆變器控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為內(nèi)環(huán)控制器和外環(huán)控制器，內(nèi)環(huán)控制器動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，可以用來提高逆變器輸出的電能質(zhì)量，外環(huán)控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢，用以體現(xiàn)不同的控制目的，并產(chǎn)生內(nèi)環(huán)所需的控制信號(hào)。4.2.2微電網(wǎng)中逆變器的控制方法

微電源的控制是微電網(wǎng)控28圖4.5微電源逆變器控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D4.5微電29微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，由大電網(wǎng)提供參考電壓和參考頻率；獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，則要求微電網(wǎng)至少有一個(gè)微電源能建立穩(wěn)定的電源和頻率，為微電網(wǎng)系統(tǒng)提供電壓和頻率參考值。在微電網(wǎng)不同運(yùn)行模式下，微電源逆變器的外環(huán)控制器主要有PQ控制器和v/f控制器兩種。微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微電源逆變器外環(huán)控制采用PQ控制器，微電源按指定功率輸出；微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，部分微電源使用v/f控制器，使微電源輸出電壓和頻率在允許變化的范圍之內(nèi)，其余微電源采用PQ控制器。微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，由大電網(wǎng)提供參考電壓和參考頻率；獨(dú)立運(yùn)行時(shí)30目前針對(duì)微電網(wǎng)控制的研究大多以假設(shè)電網(wǎng)電壓三相對(duì)稱為前提的，在這種條件下，微電源的逆變器輸出及微電網(wǎng)中各種控制器的性能能夠滿足微電網(wǎng)要求。但是實(shí)際微電網(wǎng)系統(tǒng)中，一般都存在三相電壓不對(duì)稱現(xiàn)象，微電網(wǎng)中的三相電壓不對(duì)稱可能由以下原因引起：（1）微電網(wǎng)三相系統(tǒng)參數(shù)不對(duì)稱；（2）三相微電源本地負(fù)荷不對(duì)稱；（3）微電網(wǎng)不對(duì)稱故障；（4）微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)大電網(wǎng)不平衡電壓的影響。目前針對(duì)微電網(wǎng)控制的研究大多以假設(shè)電網(wǎng)電壓三相對(duì)稱為前提的，31當(dāng)微電網(wǎng)內(nèi)三相電壓不對(duì)稱時(shí)，這將直接降低微電網(wǎng)的輸出性能。在三相不平衡三相三線制微電網(wǎng)系統(tǒng)，相應(yīng)的控制規(guī)律由于受三相電流之間的耦合關(guān)系的影響，只有兩個(gè)獨(dú)立方程。微電網(wǎng)系統(tǒng)不對(duì)稱情況的存在，使其內(nèi)環(huán)控制器三相電流之間存在復(fù)雜耦合，此時(shí)中性點(diǎn)的電源會(huì)影響電流控制效果。因此，需研究三相三線制微電源逆變器的內(nèi)環(huán)控制器的電流解耦控制問題。為了提高微電源在各種擾動(dòng)下的輸出性能，通過對(duì)微電源逆變器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，利用滑模變結(jié)構(gòu)控制方法對(duì)干擾魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)，針對(duì)微電網(wǎng)并網(wǎng)模式和獨(dú)立模式兩種不同運(yùn)行狀態(tài)，在自適應(yīng)離散滑模變結(jié)構(gòu)理論的基礎(chǔ)上，提出適用于微電網(wǎng)不對(duì)稱條件下的微電源逆變器內(nèi)環(huán)電流解耦控制方法。當(dāng)微電網(wǎng)內(nèi)三相電壓不對(duì)稱時(shí)，這將直接降低微電網(wǎng)的輸出性能。在324.2.3并網(wǎng)逆變器技術(shù)

1、現(xiàn)有逆變電源并網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)有的逆變電源并網(wǎng)技術(shù)主要分為兩類：分布式發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)和微電網(wǎng)并網(wǎng)技術(shù)。而傳統(tǒng)的分布式發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)不能滿足微電網(wǎng)中逆變電源的運(yùn)行要求。以光伏發(fā)電系統(tǒng)為例，分析分布式發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)技術(shù)，來闡述兩種并網(wǎng)技術(shù)的差異以及微電網(wǎng)的特點(diǎn)。4.2.3并網(wǎng)逆變器技術(shù)

1、現(xiàn)有逆變電源并網(wǎng)技術(shù)33圖4.6為光伏并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理示意圖，圖中a,b,c為公共電網(wǎng)的三相，末端接有負(fù)載，光伏發(fā)電系統(tǒng)并于兩者之間。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，MPPT單元為最大功率跟蹤控制單元，用來確定最大功率點(diǎn)工作電壓

。電壓控制單元，其調(diào)節(jié)輸出為并網(wǎng)電流有功分量幅值的給定

。瞬時(shí)無功計(jì)算單元檢測(cè)電網(wǎng)電流的無功分量，由此確定無功補(bǔ)償電流

，在指令電流計(jì)算單元內(nèi)將有功分量與無功分量合成，最終得到系統(tǒng)的并網(wǎng)交流電流指令值。電流控制單元完成并網(wǎng)電流的跟蹤控制，保證輸出電流跟蹤指令電流的精度。圖4.6為光伏并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理示意圖，圖中a,b,c為公34可見，逆變電源以電網(wǎng)電壓為參考，以太陽(yáng)能最大功率跟蹤為目的調(diào)節(jié)有功電流，以提供負(fù)載所需無功為目的調(diào)節(jié)無功電流，最終通過合成的電流進(jìn)行閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)逆變電源主電路開關(guān)管的通段。顯而易見，當(dāng)微電網(wǎng)處于孤島狀態(tài)時(shí)，這種電流控制方法失去大電網(wǎng)電壓的參考，因此這樣并網(wǎng)策略不適合于微電網(wǎng)中。可見，逆變電源以電網(wǎng)電壓為參考，以太陽(yáng)能最大功率跟蹤為目的調(diào)35

圖4.6光伏并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)

36在微電網(wǎng)中有許多分散的逆變電源并聯(lián)在一起，要實(shí)現(xiàn)逆變電源并聯(lián)穩(wěn)定的運(yùn)行，其關(guān)鍵在于各并聯(lián)逆變電源能共同承擔(dān)負(fù)責(zé)所需的功率，以達(dá)到輸出與需求之間的平衡，如此系統(tǒng)才能工作在最佳狀態(tài)。要做到這一點(diǎn)，要求各逆變電源的輸出正弦波電壓必須具有相同的頻率和幅值。在微電網(wǎng)中，多個(gè)并聯(lián)的逆變電源以輸出的有功功率和無功功率為控制量對(duì)逆變電源的輸出電壓進(jìn)行同步，從而達(dá)到穩(wěn)定和諧并聯(lián)的目的。圖4.7顯示的是兩臺(tái)逆變電源并聯(lián)的等效電路，忽略阻抗

、

中的阻性成分，可得出逆變電源1輸出的有功和無功功率的表達(dá)式為：在微電網(wǎng)中有許多分散的逆變電源并聯(lián)在一起，要實(shí)現(xiàn)逆變電源并聯(lián)37(4-2)(4-3)(4-2)38

圖4.7兩臺(tái)逆變電源并聯(lián)的等效電路圖4.39由于相角差

很小，因此可認(rèn)為：sin,.由式（4-2）（4-3）可得：逆變電源的輸出有功功率主要由相角差

決定，而無功功率主要受幅值

影響?；诖私Y(jié)論，在由逆變電源組成的微電網(wǎng)系統(tǒng)中，可以借鑒電力系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)的下垂特性，引入對(duì)P,Q的調(diào)節(jié)達(dá)到控制逆變電源輸出電壓的幅值和頻率的目的，下垂法可表示如下：（4-4）(4-5)由于相角差很小，因此可認(rèn)為：sin,.由式（4-2）（40

其中

、

分別為第i臺(tái)逆變電源空載時(shí)輸出電源的頻率和幅值，

，

分別為第i臺(tái)逆變電源輸出電壓的頻率幅值的下垂系數(shù)，下垂系數(shù)m、n的主要是根據(jù)多臺(tái)并聯(lián)逆變電源的容量決定的，如式（4-6）所示：（4-6）其中、分別為第i臺(tái)逆變電源空載時(shí)輸出電源的頻率和幅41下垂特性的直觀表達(dá)如圖4.8所示圖4.8不同容量逆變電源下垂特性示意圖下垂特性的直觀表達(dá)如圖4.8所示圖4.8不同容量逆變電源下42

目前國(guó)外很多微電網(wǎng)平臺(tái)中的逆變電源控制方法就是采用下垂法。圖4.8所示的為采用下垂法的逆變電源控制示意圖，圖中U、I分別為逆變電源輸出電源、電流采樣，通過有功、無功計(jì)算單元計(jì)算出P和Q，再利用下垂模塊得到頻率和幅值的實(shí)際值

、V，并與其相應(yīng)的指令值相比較，通過反饋調(diào)節(jié)來穩(wěn)定逆變電源輸出的電源幅值及頻率。目前國(guó)外很多微電網(wǎng)平臺(tái)中的逆變電源控制方法就是采用下垂43圖4.8基于下垂法的逆變電源控制示意圖圖4.8基于下垂法的逆變電源控制示意圖44采用下垂法控制的逆變電源能夠滿足輸出電源、頻率的穩(wěn)定以及輸出功率的平衡，適用于并網(wǎng)和孤島兩種工作狀態(tài)，但是由于此方法是通過采樣電壓、電流計(jì)算得到有功、無功功率，再經(jīng)過下垂單元得到實(shí)際的頻率和電壓幅值與給定值相比較的，整個(gè)閉環(huán)控制過程中沒有引入功率指令，所以它在功率調(diào)度方面有所不足，無法靈活地隨著調(diào)度中心指令的變動(dòng)而變動(dòng)。采用下垂法控制的逆變電源能夠滿足輸出電源、頻率的穩(wěn)定以及輸出452、虛擬同步發(fā)電機(jī)概念的提出微電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間除了規(guī)模上的差異之外，發(fā)電裝置的區(qū)別才是兩者最本質(zhì)的不同。相比大電網(wǎng)中的同步發(fā)電機(jī)，微電網(wǎng)中的逆變電源的主要差異表現(xiàn)在：(1)逆變電源的單機(jī)容量相對(duì)較小，造成了給相同負(fù)載供電時(shí)，微電網(wǎng)需要比大電網(wǎng)更多的發(fā)電單元，增加了控制上的難度(2)逆變電源幾乎沒有慣性，而同步發(fā)電機(jī)具有大慣量的特點(diǎn)，因此逆變電源的電壓波動(dòng)范圍比同步發(fā)電機(jī)的電壓波動(dòng)大，控制策略比同步發(fā)電機(jī)復(fù)雜的多，進(jìn)一步加大了控制難度。2、虛擬同步發(fā)電機(jī)概念的提出46（3）同步發(fā)電機(jī)的輸出阻抗大，且呈感性，逆變電源的輸出阻抗小，因此逆變電源抗電流沖擊的能力差，且輸出電流變化快，容易給電力電子裝置帶來不良影響。（4）同步發(fā)電機(jī)過載能力強(qiáng)，而逆變電源中的電力電子器件的過載能力普遍較弱，一旦出現(xiàn)故障，逆變電源的抵抗能力相對(duì)脆弱。（3）同步發(fā)電機(jī)的輸出阻抗大，且呈感性，逆變電源的輸出阻抗小47根據(jù)上文中分析，適用于微電網(wǎng)的逆變電源必須具備調(diào)功調(diào)頻調(diào)壓的功能，而目前微電網(wǎng)中的逆變電源大多采用下垂法，下垂法模擬了同步發(fā)電機(jī)的部分特性，卻沒有同步發(fā)電機(jī)輸出阻抗大、慣量大等特點(diǎn)，不能完全滿足微電網(wǎng)對(duì)于逆變電源的要求。本文借鑒電力系統(tǒng)中成熟的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了基于同步發(fā)電機(jī)模型的微電網(wǎng)逆變電源—虛擬同步發(fā)電機(jī)，使逆變電源能夠完全的模擬同步發(fā)電機(jī)的特性，實(shí)現(xiàn)自同步、大慣性、大阻抗等特點(diǎn)，滿足微電網(wǎng)對(duì)逆變電源的要求，也使微電網(wǎng)在管理和調(diào)度方面能更好地借鑒吸收電力系統(tǒng)中的經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)了微電網(wǎng)的快速發(fā)展。根據(jù)上文中分析，適用于微電網(wǎng)的逆變電源必須具備調(diào)功調(diào)頻調(diào)壓的483、虛擬同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)原理為了使逆變電源能夠模擬同步發(fā)電機(jī)的輸出特性，本文中將同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型整合到逆變電源的控制算法之中，通過控制算法來改變逆變電源的輸出特性。在調(diào)節(jié)同步發(fā)電機(jī)的輸出過程中，是通過調(diào)節(jié)輸入機(jī)械功率穩(wěn)定輸出頻率和功率，通過改變勵(lì)磁電流來調(diào)節(jié)輸出電壓，因此在虛擬同步發(fā)電機(jī)中，必須加入電壓、功率、頻率的閉環(huán)控制，使逆變電源更真實(shí)地模擬同步發(fā)電機(jī)的輸出特性。圖4.9為虛擬同步發(fā)電機(jī)的原理示意圖，它展示了虛擬同步發(fā)電機(jī)的組成。3、虛擬同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)原理49圖4.9虛擬同步發(fā)電機(jī)原理示意圖圖4.9虛擬同步發(fā)電機(jī)原理示意圖504、虛擬同步發(fā)電機(jī)的模型分析由圖4.9可見，虛擬同步發(fā)電機(jī)主要由逆變?cè)吞摂M同步發(fā)電機(jī)算法單元構(gòu)成，其中逆變單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4.10，微電網(wǎng)功率等級(jí)較大，因此采用三相全橋電路，全橋逆變電源則一般用在中大功率場(chǎng)合。逆變器輸出級(jí)接有

濾波器，圖中顯示了三個(gè)采樣點(diǎn)

、

、

，其中

與

用于電壓調(diào)節(jié)器的控制，來調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓

的輸出，

和

則用來計(jì)算逆變電源輸出功率的大小，用來調(diào)整功率指令

的大小。

為逆變電源與大電網(wǎng)的連接感抗，通過改變逆變電源側(cè)的電壓來調(diào)節(jié)輸出電壓與電網(wǎng)電壓之間的相角關(guān)系，使逆變器能夠向電網(wǎng)輸送能量。4、虛擬同步發(fā)電機(jī)的模型分析51圖4.10逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖圖4.10逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖52在逆變電路控制模型中，高頻

調(diào)制方式的基本思想是輸入的參考正弦

和載波信號(hào)比較，用得到的寬度按正弦規(guī)律變化的

波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷脈沖去控制各功率開關(guān)器件。由于開關(guān)的動(dòng)作是非連續(xù)的，分析時(shí)我們采用狀態(tài)空間平均法來分析。狀態(tài)空間平均法是基于輸出頻率遠(yuǎn)小于開關(guān)頻率的情況下，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，用變量的平均值代替其瞬時(shí)值，從而得到連續(xù)狀態(tài)模型，簡(jiǎn)化了分析過程。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化分析的復(fù)雜程度，在分析逆變單元模型時(shí)，均按照單相全橋拓?fù)溥M(jìn)行分析。圖4.11為單相等效模型，逆變器輸出級(jí)接有LC濾波器，Ls為逆變器與大電網(wǎng)之間的連接感抗，R為負(fù)載，圖中忽略了電感中的阻性成分。在逆變電路控制模型中，高頻調(diào)制方式的基本思想是輸入的參考正53圖4.11單相及等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖4.11單相及等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)54將濾波器中的電感與電容分別用

和

表示，則可以推導(dǎo)出A、B之間的電壓與逆變單元輸出電壓之間的頻域傳遞函數(shù)為：（4-7）（4-8）將濾波器中的電感與電容分別用和表示，則可以推導(dǎo)出A、55其中，占空比D根據(jù)根據(jù)SPWM調(diào)制可表示為：(4-9)其中，占空比D根據(jù)根據(jù)SPWM調(diào)制可表示為：(4-9)56其中

為參考正弦波信號(hào)，

為三角載波峰值。由式（4-9）代入式（4-8）有：

或(4-10)其中為參考正弦波信號(hào)，為三角載波峰值。由式（4-9）代入57則從調(diào)制信號(hào)輸入至逆變橋輸出的傳遞函數(shù)為：(4-11)則從調(diào)制信號(hào)輸入至逆變橋輸出的傳遞函數(shù)為：(4-11)58在SPWM中，載波頻率（開關(guān)頻率）遠(yuǎn)高于輸出頻率時(shí)，由式（4-11）可將逆變橋看成是一個(gè)比例環(huán)節(jié)，比例系數(shù)定義為

。聯(lián)立式（4-7）可得：(4-12)在SPWM中，載波頻率（開關(guān)頻率）遠(yuǎn)高于輸出頻率時(shí)，由式（459即為逆變器輸入和輸出的傳遞函數(shù)，根據(jù)傳遞函數(shù)的表達(dá)式，可以得到其等效框圖如圖4.12所示。圖4.12逆變單元結(jié)構(gòu)框圖即為逆變器輸入和輸出的傳遞函數(shù)，根據(jù)傳遞函數(shù)的表達(dá)式，可以得60

而對(duì)于虛擬同步發(fā)電機(jī)單元，由虛擬同步發(fā)電機(jī)算法的標(biāo)幺值表達(dá)式，通過有名值換算以及拉普拉斯變換可得：而對(duì)于虛擬同步發(fā)電機(jī)單元，由虛擬同步發(fā)電機(jī)算法的標(biāo)幺值61式中P為轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)。在同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)，穩(wěn)態(tài)情況下通過一次調(diào)頻及二次調(diào)頻，輸出頻率在額定頻率附近的波動(dòng)是很小的，這也是電網(wǎng)穩(wěn)定的條件。因此轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程中的機(jī)械轉(zhuǎn)速可以認(rèn)為是恒定值為：（4-13）式中P為轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)。（4-13）62結(jié)合前式，建立虛擬同步發(fā)電機(jī)算法的結(jié)構(gòu)圖，如圖4.13所示。其中Io(s)為逆變器輸出電流，作為虛擬同步發(fā)電機(jī)的電樞電流。輸出電壓U(s)作為逆變器的指令電壓，ω、Q的輸出為檢測(cè)信息，用于下文中的功頻調(diào)節(jié)和電壓調(diào)節(jié)。圖4.13虛擬同步機(jī)單元算法結(jié)構(gòu)框圖結(jié)合前式，建立虛擬同步發(fā)電機(jī)算法的結(jié)構(gòu)圖，如圖4.13所635、虛擬同步發(fā)電機(jī)的控制策略虛擬同步發(fā)電機(jī)是加入了同步發(fā)電機(jī)算法的新型逆變電源，它不同于傳統(tǒng)的逆變電源，在結(jié)構(gòu)上也不完全等同于同步發(fā)電機(jī)，它集中了兩者各自的特點(diǎn)，因此在其控制策略方面，需要整合普通逆變電源和同步發(fā)電機(jī)的控制方法。虛擬機(jī)的輸出電壓以及功率是最終要被利用的變量，必須保證輸出變量的穩(wěn)定性和變量的精度，因此在控制結(jié)構(gòu)上，參照并網(wǎng)逆變器的雙閉環(huán)控制策略，在逆變電源輸出端取相應(yīng)采樣點(diǎn)，通過輸出變量的反饋比較，達(dá)到控制輸出穩(wěn)定的目的。又因?yàn)榭紤]到虛擬同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)初衷就是：使其輸出特性與同步發(fā)電機(jī)的輸出特性一致。從輸入輸出角度來看，虛擬同步發(fā)電機(jī)就是一個(gè)同步發(fā)電機(jī)，因此對(duì)于虛擬機(jī)的控制可宏觀上參照同步發(fā)電機(jī)的控制方法，圖4.14為同步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)控制圖。5、虛擬同步發(fā)電機(jī)的控制策略64圖4.14同步發(fā)電機(jī)的控制結(jié)構(gòu)示意圖圖4.14同步發(fā)電機(jī)的控制結(jié)構(gòu)示意圖65借鑒同步發(fā)電機(jī)的控制結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計(jì)了虛擬同步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)，如圖4.15所示：圖4.15虛擬同步發(fā)電機(jī)控制結(jié)構(gòu)示意圖借鑒同步發(fā)電機(jī)的控制結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計(jì)了虛擬同步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)控制66圖4.15展示了虛擬同步發(fā)電機(jī)的控制框圖，設(shè)計(jì)過程中借鑒了同步機(jī)的控制結(jié)構(gòu)，但是虛擬同步發(fā)電機(jī)本質(zhì)上是一個(gè)逆變電源，因此不存在同步發(fā)電機(jī)中的轉(zhuǎn)速變量，控制結(jié)構(gòu)中也就沒有測(cè)速器、調(diào)速器、原動(dòng)機(jī)，取而代之的為功率調(diào)節(jié)，但是兩者在控制過程中的意義卻是一樣的，都是通過系統(tǒng)反饋信號(hào)和指令信號(hào)的比較來調(diào)節(jié)核心單元的輸入變量，從而穩(wěn)定輸出頻率以及調(diào)整輸出功率。圖4.15中的勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)器與圖4.14中的勵(lì)磁系統(tǒng)同出一轍，均用于調(diào)整勵(lì)磁電壓，穩(wěn)定輸出電壓幅值。圖4.15展示了虛擬同步發(fā)電機(jī)的控制框圖，設(shè)計(jì)過程中借鑒了同674.3微電網(wǎng)并網(wǎng)和離網(wǎng)控制4.3.1微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行控制在大電網(wǎng)、微電網(wǎng)均運(yùn)行正常時(shí)，微電網(wǎng)與大電網(wǎng)并網(wǎng)，微電網(wǎng)內(nèi)的負(fù)荷根據(jù)情況從微電網(wǎng)內(nèi)部或外部吸收電能，各微電源都處于并網(wǎng)輸出有功的運(yùn)行狀態(tài)。如果在電網(wǎng)內(nèi)部，由于某個(gè)發(fā)電單元故障、檢修等原因退出運(yùn)行或者負(fù)荷急劇增加，致使供電功率不足，微電網(wǎng)應(yīng)需與外電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行以引進(jìn)功率；或者由于在某種極限情況，在滿足負(fù)荷和儲(chǔ)能需求后，仍有功率富余，微電網(wǎng)可與外部大電網(wǎng)并聯(lián)且向外送出能量。4.3微電網(wǎng)并網(wǎng)和離網(wǎng)控制4.3.1微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行控制68為了充分利用風(fēng)能、太陽(yáng)能等清潔綠色能源，在聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行期間，分布式電源通常以最大有功出力運(yùn)行；若考慮無功補(bǔ)償，還應(yīng)適當(dāng)降低有功輸出而增大無功輸出；系統(tǒng)的電壓幅值和頻率參考大電網(wǎng)。當(dāng)風(fēng)速、光照等新能源發(fā)生突變的時(shí)候，由于分布式發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，所以機(jī)組出力將隨之迅變，其變化速度通常高于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的響應(yīng)速度。若此類分布式發(fā)電機(jī)組所占比例較大，那么在新能源突變的時(shí)候必將引起微電網(wǎng)系統(tǒng)電壓的跌落，此時(shí)應(yīng)裝設(shè)響應(yīng)速度較快的儲(chǔ)能裝置，通過儲(chǔ)能設(shè)備釋放或吸收功率來輔助調(diào)節(jié)微電網(wǎng)的電壓和頻率穩(wěn)定。飛輪裝置、蓄電池和超級(jí)電容等都可以作為儲(chǔ)能裝置。簡(jiǎn)之，聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)和傳統(tǒng)電網(wǎng)類似，服從系統(tǒng)調(diào)度，可同時(shí)利用微網(wǎng)內(nèi)分布式發(fā)電和從大電網(wǎng)吸取電能，并能在自身電力充足時(shí)間向大電網(wǎng)輸送多余電能。為了充分利用風(fēng)能、太陽(yáng)能等清潔綠色能源，在聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行期間，分布694.3.2微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行控制當(dāng)由于電壓降落、故障、停電檢修等原因造成外部電網(wǎng)連接中斷時(shí)，微電網(wǎng)需要從并網(wǎng)運(yùn)行平滑過渡到獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)。與外部電網(wǎng)隔離后，微電網(wǎng)進(jìn)入獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)，微電網(wǎng)將面臨如下幾個(gè)關(guān)鍵問題：4.3.2微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行控制70（1）電壓和頻率管理當(dāng)微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，其電壓和頻率由大電網(wǎng)建立。當(dāng)微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，必須存在一個(gè)或幾個(gè)微電源與儲(chǔ)能裝置共同建立微電網(wǎng)的電壓和頻率，否則，微電網(wǎng)將會(huì)瓦解。如果微電網(wǎng)頻率下降到了允許值范圍之外，控制裝置將會(huì)采取切負(fù)荷策略使頻率恢復(fù)到正常值。（2）電能質(zhì)量微電網(wǎng)在獨(dú)立運(yùn)行模式下，應(yīng)該將電能質(zhì)量維持在用戶可以接受的范圍內(nèi)。因此，微電網(wǎng)內(nèi)必須有足夠的無功功率進(jìn)行電壓補(bǔ)償。當(dāng)頻率或電壓發(fā)生偏移時(shí)，儲(chǔ)能裝置能夠快速的對(duì)其做出反應(yīng)，吸收或者發(fā)出合適的有功和無功將偏移減小。此外，微電網(wǎng)還應(yīng)該供給非線性負(fù)荷所需要的諧波電流。（1）電壓和頻率管理71（3）與微電源相關(guān)的問題微電源與傳統(tǒng)大電網(wǎng)中的電源相比，一個(gè)最大的不同點(diǎn)就是前者沒有慣性，因此，微電網(wǎng)中沒有大電網(wǎng)中固有的熱備用容量。大多數(shù)微電源在執(zhí)行二次電壓和頻率控制時(shí)的響應(yīng)速度都比較慢，所以此時(shí)需要儲(chǔ)能裝置發(fā)揮類似于熱備用容量的作用，及時(shí)對(duì)系統(tǒng)工況的改變做出反應(yīng)。此外，對(duì)于像風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電這樣的電源，其輸出功率的大小受天氣影響較大，這種微電源的控制目標(biāo)應(yīng)該是如何保證功率輸出為最大值，并且能夠預(yù)測(cè)未來某個(gè)時(shí)刻的功率輸出。（4）微電網(wǎng)元件之間的通訊微電網(wǎng)在獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)下選擇控制策略時(shí)，另一個(gè)需要考慮的問題是微電網(wǎng)元件之間的通訊網(wǎng)絡(luò)。微電網(wǎng)應(yīng)該具有一個(gè)“即插即用”的體系結(jié)構(gòu)，所以微電源僅利用當(dāng)?shù)匦畔⒕涂梢钥刂扑鼈兊墓β瘦敵?。如果在?zhí)行控制策略的過程中，元件之間需要通訊，那么則要求信息在通訊網(wǎng)絡(luò)的傳輸過程中不能出現(xiàn)錯(cuò)誤。（3）與微電源相關(guān)的問題724.4微電網(wǎng)電能質(zhì)量控制微電網(wǎng)中由于非線性電力電子設(shè)備和可再生能源的廣泛存在，由其產(chǎn)生的諧波等電能質(zhì)量問題必須引起足夠的重視。并聯(lián)型有源濾波器(APF)是解決電能質(zhì)量的重要設(shè)備，但傳統(tǒng)APF直流側(cè)通常連接的是電容，不具備有功調(diào)節(jié)能力，功能單一；且針對(duì)微電網(wǎng)的諧波和無功電流檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性也對(duì)補(bǔ)償性能產(chǎn)生重要影響，特別是微電網(wǎng)中電源形式多樣，其獨(dú)立運(yùn)行時(shí)電壓不穩(wěn)定情況時(shí)有發(fā)生，傳統(tǒng)的基于對(duì)稱電壓的諧波和無功電流的檢測(cè)方法不再適用。本小節(jié)以風(fēng)力發(fā)電為例，討論典型微電源對(duì)微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的影響機(jī)理，提出基于儲(chǔ)能支撐的微電網(wǎng)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定控制策略，針對(duì)微電網(wǎng)中存在的典型電能質(zhì)量問題，提出基于儲(chǔ)能支撐的微電網(wǎng)諧波和無功補(bǔ)償?shù)目刂撇呗浴?.4微電網(wǎng)電能質(zhì)量控制734.4.1電壓穩(wěn)定控制風(fēng)力發(fā)電是微電網(wǎng)中常見的微電源，但風(fēng)能具有間歇性和不穩(wěn)定性特征，結(jié)合上文對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)特性的分析可知，當(dāng)風(fēng)速突變時(shí),發(fā)電機(jī)的輸出功率將產(chǎn)生較大波動(dòng)，從而引發(fā)暫態(tài)過程。因獨(dú)立運(yùn)行的微電網(wǎng)容量一般較小，這種功率波動(dòng)可能危及微電網(wǎng)的功率平衡和電壓穩(wěn)定。若在風(fēng)力發(fā)電機(jī)接入點(diǎn)處配置一定容量的快速儲(chǔ)能變換裝置，當(dāng)風(fēng)速擾動(dòng)時(shí)儲(chǔ)能可對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率波動(dòng)進(jìn)行快速緩沖，兩者可等效為一個(gè)有功/無功功率輸出穩(wěn)定的微電源，可有效提高微電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性，其控制原理如圖4.16所示。4.4.1電壓穩(wěn)定控制74圖4.16基于儲(chǔ)能支撐的電壓穩(wěn)定控制原理圖4.16基于儲(chǔ)能支撐的電壓穩(wěn)定控制原理75圖4.16中，儲(chǔ)能逆變器功率電路通過濾波器接入微電網(wǎng)，因儲(chǔ)能裝置電壓等級(jí)較低，在并網(wǎng)時(shí)需通過Y/Y升壓變壓器接入微電網(wǎng)，其控制系統(tǒng)由電流控制器、功率控制器（如圖4.17所示）等組成。電流控制器位于內(nèi)環(huán)，用以實(shí)現(xiàn)有功/無功電流的解禍,進(jìn)而產(chǎn)生逆變器所需的PWM信號(hào);功率控制器位于外環(huán)，產(chǎn)生電流控制器所需的有功/無功電流參考值，其結(jié)構(gòu)取決于儲(chǔ)能的控制策略。圖4.16中，儲(chǔ)能逆變器功率電路通過濾波器接入微電網(wǎng)，因儲(chǔ)能76(a)PV控制(b)PQ控制圖4.17功率控制器示意圖(a)PV控制77圖4.17給出了儲(chǔ)能裝置PV和PQ控制中的功率控制器結(jié)構(gòu)，Pv控制的有功功率控制與PQ控制方式一致,無功功率控制則隨接入點(diǎn)電壓Vr變化：將Vr與參考值Vref的差值經(jīng)過PI控制器后的輸出作為儲(chǔ)能裝置輸出無功功率的參考值，當(dāng)Vr小于Vref時(shí)，儲(chǔ)能向微電網(wǎng)輸出無功功率以提高Vr，反之儲(chǔ)能將吸收部分無功功率使Vr變小。儲(chǔ)能PV控制的目標(biāo)是平滑風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出有功功率的波動(dòng)，穩(wěn)定微電網(wǎng)電壓。功率控制器的輸出,進(jìn)一步經(jīng)過電流解藕控制，從而產(chǎn)生儲(chǔ)能控制所需的PWM調(diào)制信號(hào)。將風(fēng)力發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能作為一個(gè)整體進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相對(duì)于微電網(wǎng)側(cè)的功率平衡及維持微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。圖4.17給出了儲(chǔ)能裝置PV和PQ控制中的功率控制器結(jié)構(gòu)，P784.4.2不對(duì)稱系統(tǒng)電能質(zhì)量的補(bǔ)償控制技術(shù)目前針對(duì)微電網(wǎng)的研究都是建立在三相平衡的基礎(chǔ)上的，但在實(shí)際中，單相負(fù)載大量存在于400V的低壓配電網(wǎng)中，因此三相不平衡是常見現(xiàn)象。微電網(wǎng)由于電壓等級(jí)及自身特性的原因一般位于低壓配電網(wǎng)的末端，不可避免的要工作在三相不對(duì)稱的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，為了給用戶提供高質(zhì)量的電能，就必須要對(duì)三相不對(duì)稱電壓、諧波以及無功功率進(jìn)行補(bǔ)償和抑制。4.4.2不對(duì)稱系統(tǒng)電能質(zhì)量的補(bǔ)償控制技術(shù)791、無功補(bǔ)償在無功功率補(bǔ)償方面，目前主要存在兩種方法：一種靜態(tài)補(bǔ)償方法，一種是動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償方法。無功補(bǔ)償電容器就是傳統(tǒng)的靜態(tài)功補(bǔ)償裝置，其阻抗是固定的，不能跟蹤負(fù)荷無功需求的變化，即不能實(shí)現(xiàn)對(duì)無功功率的跟蹤和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)無功功率進(jìn)行快速動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)男枨笤絹碓酱蟆?、無功補(bǔ)償80傳統(tǒng)的無功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置是同步調(diào)相機(jī)。它是專門用來產(chǎn)生無功功率的同步電機(jī)，在過勵(lì)磁或欠勵(lì)磁的不同情況下，可以分別發(fā)出不同大小的容性或感性無功功率。自20世紀(jì)二三十年代以來的幾十年中，同步調(diào)相機(jī)在電力系統(tǒng)無功功率控制中一度發(fā)揮著主要作用。然而，由于它是旋轉(zhuǎn)電機(jī)，因此損耗和噪聲都較大，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜，而且響應(yīng)速度慢，在很多情況下已無法適應(yīng)快速無功功率控制的要求。所以70年代以來，同步調(diào)相機(jī)開始逐漸被靜止型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置所取代，目前有些國(guó)家甚至已不再使用同步調(diào)相機(jī)。傳統(tǒng)的無功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置是同步調(diào)相機(jī)。它是專門用來產(chǎn)生無功81早期的靜止型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償主要有晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）等，它們是由可控開關(guān)器件進(jìn)行一組電容器或電抗器的投切，靠投入的電容器或電抗器的總?cè)萘縼硌a(bǔ)償不同大小的無功功率，具有響應(yīng)速度快，噪音小的優(yōu)點(diǎn)。但在平衡的三相電路中，不論負(fù)載的功率因數(shù)如何，三相瞬時(shí)功率的和是一定的，在任何時(shí)刻都是等于三相總的有功功率。早期的靜止型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償主要有晶閘管控制電抗器（TCR）、晶82因此總的來看，在三相電路的電源和負(fù)載之間沒有無功能量的傳遞，無功能量是在三相之間變換的。所以，能夠?qū)⑷嗫偟慕y(tǒng)一處理的三相橋式變流電路逐漸成為了無功補(bǔ)償?shù)氖走x，并且由于三相電路中電源和負(fù)載之間沒有無功的傳遞，因此理論上講，三相對(duì)稱系統(tǒng)中的橋式變流電路的直流側(cè)可以不設(shè)儲(chǔ)能元件，實(shí)際上，三相不對(duì)稱以及諧波的存在也會(huì)造成總體看來有少許無功能量在電源和橋式電路之間傳遞。所以為了維持橋式變流電路的正常工作，其直流側(cè)仍需要一定大小的電感或電容作為儲(chǔ)能元件，但若補(bǔ)償同樣大小的無功功率，其所需儲(chǔ)能元件的容量遠(yuǎn)比TCR和TSC等要小得多，具體應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4.18所示。這種橋式變流電路被稱作靜止無功發(fā)生器（SVG）或稱靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM），在近年來逐漸成為無功補(bǔ)償?shù)闹髁?。因此總的來看，在三相電路的電源和?fù)載之間沒有無功能量的傳遞，83圖4.18SVG的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖4.18SVG的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖84如圖4.18所示，SVG的原理是首先把系統(tǒng)提供的無功電流分量檢測(cè)出來作為待補(bǔ)償電流，然后控制逆變器輸出一個(gè)與待補(bǔ)償電流幅值相同、相位相反的電流，以補(bǔ)償線路上的無功功率，因此，SVG的補(bǔ)償效果依賴于對(duì)無功電流的檢測(cè)精度以及對(duì)逆變器的控制速度。如圖4.18所示，SVG的原理是首先把系統(tǒng)提供的無功電流分852、諧波抑制與無功補(bǔ)償對(duì)諧波抑制主要有兩種方法：一種是改造諧波源無源濾波，一種是諧波補(bǔ)償。改造諧波源是指設(shè)法提高電力系統(tǒng)中主要的諧波源，即整流裝置的相數(shù)，或是采用高功率因數(shù)整流器。諧波補(bǔ)償是指安裝諧波補(bǔ)償設(shè)備，如LC濾波器或有源電力濾波器。LC濾波器是利用LC諧振電路的諧振特性，將頻率與LC諧振頻率相等的諧波引入大地，從而達(dá)到濾除諧波的目的。2、諧波抑制與無功補(bǔ)償86它的缺點(diǎn)是一組LC濾波器只能濾除一個(gè)頻率的諧波，并且參數(shù)設(shè)計(jì)復(fù)雜。有源電力濾波器（APF）實(shí)際上就是SVG在控制方法上的發(fā)展，其結(jié)構(gòu)與SVG完全一樣，僅是將SVG中的待補(bǔ)償電流變?yōu)橄到y(tǒng)提供的無功和諧波電流分量之和。因此，APF還可以補(bǔ)償無功功率。由于它與SVG一樣具有體積小、容量大、諧波少、動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速的優(yōu)點(diǎn)，因此成為了無功補(bǔ)償和諧波抑制方面的研究和發(fā)展趨勢(shì)。然而，APF與SVG的應(yīng)用并不止于此，近年來，有許多學(xué)者提出通過控制APF或SVG的輸出方式來進(jìn)行對(duì)三相不平衡電壓的抑制，也取得了不錯(cuò)的效果。它的缺點(diǎn)是一組LC濾波器只能濾除一個(gè)頻率的諧波，并且參數(shù)87目前對(duì)諧波和無功電流分量的檢測(cè)方法大體分為頻域檢測(cè)法和時(shí)域檢測(cè)法兩類。頻域檢測(cè)法（如FFT）一般計(jì)算量大、實(shí)時(shí)性差，在系統(tǒng)三相不對(duì)稱時(shí)也無法得到精確的檢測(cè)結(jié)果。而時(shí)域檢測(cè)法在實(shí)時(shí)性上則要好得多，目前的方法主要有有功電流分離法、瞬時(shí)無功功率理論運(yùn)算法、自適應(yīng)電流檢測(cè)法和dq0坐標(biāo)系下的廣義瞬時(shí)無功檢測(cè)法。目前對(duì)諧波和無功電流分量的檢測(cè)方法大體分為頻域檢測(cè)法和時(shí)域檢88基于Fryze時(shí)域分析的有功電流分離法簡(jiǎn)單有效，但在電壓和電流不對(duì)稱時(shí)，其有功電流中將含有基波負(fù)序分量，從而使得補(bǔ)償效果不好。基于瞬時(shí)無功功率理論的電流檢測(cè)方法有兩種，分別是p-q分解法和ip-iq分解法。p-q分解法受電壓諧波含量和三相不平衡的影響較大，無法在電壓波形畸變時(shí)得到準(zhǔn)確的結(jié)果；ip-iq分解法不受諧波影響，并在三相電壓不對(duì)稱時(shí)，能準(zhǔn)確的檢測(cè)到基波正序電流，但對(duì)其有功和無功電流的分解將受到三相不平衡程度的影響，誤差無法消除。基于Fryze時(shí)域分析的有功電流分離法簡(jiǎn)單有效，但在電壓和電89自適應(yīng)電流檢測(cè)法基于自適應(yīng)干擾對(duì)消原理，把電壓作為參考輸入，負(fù)載電流作為原始輸入，電壓經(jīng)自適應(yīng)濾波器處理后，輸出一個(gè)與負(fù)載電流基波有功分量幅值、相位均相等的信號(hào)，將此信號(hào)從負(fù)載電流中扣除，得到高次諧波和無功電流分量的總和。其自適應(yīng)濾波器又可采用模擬方式和數(shù)字方式(如ANN)來實(shí)現(xiàn)，但這種方法不能濾除基波負(fù)序電流。基于派克變換的廣義瞬時(shí)無功功率的檢測(cè)法可以準(zhǔn)確的檢測(cè)出三相基波正序電流，但是對(duì)有功和無功電流的檢測(cè)也是不準(zhǔn)確的。自適應(yīng)電流檢測(cè)法基于自適應(yīng)干擾對(duì)消原理，把電壓作為參考輸入，90基于瞬時(shí)無功功率理論和同步坐標(biāo)變換的基波正序有功電流檢測(cè)方法，通過計(jì)算基波正序電壓的相位可以正確的檢測(cè)出基波正序有功電流，但這些算法均依賴于總負(fù)載電流的檢測(cè)，并且算法中使用低通濾波器進(jìn)行濾波，算法的精度和實(shí)時(shí)性無法得到保證，若要在微電網(wǎng)的補(bǔ)償中獲得應(yīng)用還需要作出改進(jìn)?；谒矔r(shí)無功功率理論和同步坐標(biāo)變換的基波正序有功電流檢測(cè)方法913、三相電壓不平衡度的補(bǔ)償三相電壓不對(duì)稱現(xiàn)象主要是由系統(tǒng)元件參數(shù)不對(duì)稱或是三相線路及負(fù)載不對(duì)稱造成的。三相電壓不對(duì)稱的程度可以用三相電壓不平衡度來描述，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T15543-1995《電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度》給出的三相電壓不平衡度定義為負(fù)序電壓有效值占正序電壓有效值的百分比。3、三相電壓不平衡度的補(bǔ)償92對(duì)三相電壓不平衡度的補(bǔ)償主要可以采用以下三種補(bǔ)償策略：（1）將不對(duì)稱的三相負(fù)載補(bǔ)償為一個(gè)等效的三相對(duì)稱純阻性負(fù)載，其中比較有代表性的算法是單周控制（One-cycleControl）算法；（2）補(bǔ)償為三相功率平衡；（3）將非線性或不對(duì)稱負(fù)載的饋線電流補(bǔ)償為基波正序有功電流，常見的算法有基于瞬時(shí)無功功率理論的p-q算法和Ip-Iq算法，以及基于派克變換的補(bǔ)償算法。對(duì)三相電壓不平衡度的補(bǔ)償主要可以采用以下三種補(bǔ)償策略：93第一種補(bǔ)償策略在不對(duì)稱電壓由三相不平衡負(fù)載引起時(shí)非常有效，但對(duì)于由系統(tǒng)元件參數(shù)不對(duì)稱造成的三相不對(duì)稱電壓的補(bǔ)償則不再適用，因?yàn)椴粚?duì)稱的電壓會(huì)在三相對(duì)稱純阻性負(fù)載上產(chǎn)生三相不對(duì)稱電流，從而會(huì)對(duì)電網(wǎng)的其它部分帶來一定的影響。第二種補(bǔ)償策略是對(duì)三相無功功率完全進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)將三相的有功功率補(bǔ)償為三相對(duì)稱。這種補(bǔ)償策略在電壓較高的一相上會(huì)造成較低的相電流，而電壓較低的相電流則較高，三相電流依舊不平衡。第一種補(bǔ)償策略在不對(duì)稱電壓由三相不平衡負(fù)載引起時(shí)非常有效，但94第三種補(bǔ)償策略由于使系統(tǒng)只提供基波正序有功電流，因此對(duì)于不對(duì)稱負(fù)載造成的電壓不對(duì)稱補(bǔ)償非常有效，同時(shí)不會(huì)影響到電網(wǎng)的其它部分，也不會(huì)導(dǎo)致不對(duì)稱電壓的惡性循環(huán)，同時(shí)還補(bǔ)償和抑制了系統(tǒng)的無功功率與諧波，是一種較好的補(bǔ)償策略，因此，后文中將采用此補(bǔ)償策略。要實(shí)現(xiàn)此補(bǔ)償策略，需要對(duì)系統(tǒng)提供的負(fù)載電流中的諧波以及無功分量進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)。在三相對(duì)稱系統(tǒng)中，針對(duì)諧波與無功分量檢測(cè)方法的研究眾多，并且許多也已經(jīng)獲得實(shí)用，取得了不錯(cuò)的效果，但是，這些方法在三相不對(duì)稱系統(tǒng)中并不適用，這主要是由不對(duì)稱電壓造成的。第三種補(bǔ)償策略由于使系統(tǒng)只提供基波正序有功電流，因此對(duì)于不對(duì)95如圖4.19所示，由于三相電壓不對(duì)稱，因此基波相電壓矢量與基波正序相電壓矢量之間存在相位差，對(duì)基波正序相電流按照基波正序相電壓矢量的相位進(jìn)行有功無功分解，才能得到正確的基波正序有功和基波正序無功電流。針對(duì)三相對(duì)稱系統(tǒng)的檢測(cè)方法都是將基波正序電流按照基波相電壓矢量的相位進(jìn)行分解，因此會(huì)產(chǎn)生誤差，不能得到精確的結(jié)果。在圖4.19中，下標(biāo)“a”表示A相電氣量，下標(biāo)“1”表示基波分量，下標(biāo)“p、q”分別表示有功和無功分量，上標(biāo)“＋”表示正序分量。如圖4.19所示，由于三相電壓不對(duì)稱，因此基波相電壓矢量與基96圖4.19基波正序電流的有功無功分解示意圖圖4.19基波正序電流的有功無功分解示意圖97因此在不對(duì)稱系統(tǒng)中對(duì)基波正序有功電流的檢測(cè)需要首先檢測(cè)到基波正序電壓的相位，然后才能得到精確的基波正序有功電流分量，其與負(fù)載電流的差就是APF或SVG要補(bǔ)償?shù)碾娏?。因此在不?duì)稱系統(tǒng)中對(duì)基波正序有功電流的檢測(cè)需要首先檢測(cè)到基波984.4.3基于派克變換的基波正序有功電流控制派克變換是電力系統(tǒng)分析中廣泛應(yīng)用的數(shù)學(xué)工具，它可以將abc靜止坐標(biāo)系下以角速度正向旋轉(zhuǎn)的電壓和電流基波正序分量變換到以同樣角速度正向旋轉(zhuǎn)的dq0坐標(biāo)系下，使之相對(duì)于旋轉(zhuǎn)的dq軸成為靜止的矢量，在dq平面坐標(biāo)系下表現(xiàn)為直流，在0軸上表現(xiàn)為0；對(duì)于abc坐標(biāo)系下以角速度反向旋轉(zhuǎn)的基波負(fù)序分量，在經(jīng)過派克變換后，成為相對(duì)于dq軸以2反向旋轉(zhuǎn)的矢量，其在dq平面坐標(biāo)系下表現(xiàn)為二次諧波，在0軸上表現(xiàn)為0；對(duì)于abc坐標(biāo)系下靜止的零序分量而言，其通過派克變換后，成為0軸上的靜止矢量，其在dq平面坐標(biāo)系下表現(xiàn)為0；而對(duì)于abc坐標(biāo)系下的不同次數(shù)的正序及負(fù)序諧波分量在經(jīng)過派克變換之后，相對(duì)于正向旋轉(zhuǎn)的dq軸均為旋轉(zhuǎn)的矢量，所不同的只是旋轉(zhuǎn)角速度和旋轉(zhuǎn)方向。4.4.3基于派克變換的基波正序有功電流控制99派克變換及其反變換的計(jì)算公式如下：派克變換及其反變換的計(jì)算公式如下：1001、基波正序電壓的計(jì)算考慮到在不對(duì)稱系統(tǒng)電氣量中可能存在的負(fù)序、零序以及諧波分量，abc止坐標(biāo)系下的電壓可以表示為：1、基波正序電壓的計(jì)算101式中，下標(biāo)“n”表示諧波次數(shù)，上標(biāo)“＋，－，0”分別表示正序、負(fù)序和零序分量，

表示相位。聯(lián)立上式得到電壓的派克變換結(jié)果如下：式中，下標(biāo)“n”表示諧波次數(shù)，上標(biāo)“＋，－，0”分別表示正序102由此可知，在abc靜止坐標(biāo)系下以角速度ω正向旋轉(zhuǎn)的電壓基波正序分量經(jīng)過派克變換，相對(duì)于以角速度ω旋轉(zhuǎn)的dq軸成為靜止的矢量，在dq平面坐標(biāo)系下表現(xiàn)為直流。而其他分量經(jīng)過派克變換之后依然為三角函數(shù)，且最大周期為一個(gè)工頻周期T0，因此在一個(gè)工頻周期T0內(nèi)的積分值為零。借此計(jì)算出直流分量即可求得基波正序電壓的相位：由此可知，在abc靜止坐標(biāo)系下以角速度ω正向旋轉(zhuǎn)的電壓基波正103第四章微電網(wǎng)運(yùn)行與控制技術(shù)課件1042、基波正序有功電流的計(jì)算通過同樣的變換，也可以得到基波正序電流，根據(jù)有功功率的定義，基波正序電流在基波正序電壓上的投影即是基波正序電流的有功分量。為了便于計(jì)算，在此將dq0坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度

+u1，也就是基波正序電壓的初相角。這樣經(jīng)過修正的派克變換后，基波正序電壓在dq0坐標(biāo)系下將與d軸重合，而基波正序電流在d軸上對(duì)應(yīng)的分量則是基波正序有功電流。此時(shí)，修正后的派克變換矩陣T’：2、基波正序有功電流的計(jì)算105第四章微電網(wǎng)運(yùn)行與控制技術(shù)課件106同樣定義系統(tǒng)提供的電流如下：同樣定義系統(tǒng)提供的電流如下：107對(duì)三相電流進(jìn)行修正后的派克變換可以得到：對(duì)三相電流進(jìn)行修正后的派克變換可以得到：108對(duì)三相電壓進(jìn)行修正后的派克變換可以得到：對(duì)三相電壓進(jìn)行修正后的派克變換可以得到：109由式上式可知，在經(jīng)過修正后的派克變換之后，基波正序電壓分量與d軸重合，而基波正序有功電流分量恰是d軸電流的直流分量，如圖4.20所示。圖4.20d-q坐標(biāo)系下的基波正序電壓和電流分量由式上式可知，在經(jīng)過修正后的派克變換之后，基波正序電壓分量與110如下式所示，對(duì)I’d在T0時(shí)間段內(nèi)取平均值即可求得在dq0坐標(biāo)系下的基波正序有功電流，而其余分量在經(jīng)過派克逆變換之后則是要補(bǔ)償?shù)膶?duì)象。如下式所示，對(duì)I’d在T0時(shí)間段內(nèi)取平均值即可求得在dq0坐111由于微電網(wǎng)內(nèi)的微電源大都通過逆變器并網(wǎng)，因此其輸出的電壓、頻率以及無功功率都是可控的，其供電的靈活性也允許其在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)為電力系統(tǒng)做出更大的貢獻(xiàn)。逆變型分布式電源（IBDG）接入到電網(wǎng)中的典型形式如圖4.21所示，由圖中可以看到，IBDG有著與SVG、APF相似的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如果可以在其逆變器接口的控制中加入對(duì)無功功率和諧波的補(bǔ)償與抑制，無需在微電網(wǎng)中安裝SVG或APF即能改善微電網(wǎng)的電能質(zhì)量。由于微電網(wǎng)內(nèi)的微電源大都通過逆變器并網(wǎng)，因此其輸出的電壓、頻112圖4.21IBDG接入電網(wǎng)典型形式圖4.21IBDG接入電網(wǎng)典型形式113同時(shí)，IBDG的逆變器直流側(cè)可以用圖4.22所示的等效電路來分析。如果忽略逆變器的損耗，直流側(cè)輸入逆變器的有功功率即是逆變型分布式電源的交流側(cè)輸出有功功率，即同時(shí)，IBDG的逆變器直流側(cè)可以用圖4.22所示的等效電路114圖4.22逆變器直流側(cè)等效電路圖4.22逆變器直流側(cè)等效電路115對(duì)于如圖4.22所示的等效電路模型，基爾霍夫電壓和電流定律（KCL、KVL）描述如下：對(duì)于如圖4.22所示的等效電路模型，基爾霍夫電壓和電流定律（116聯(lián)立上式可以求得輸入逆變器的有功功率與直流側(cè)電壓的關(guān)系：聯(lián)立上式可以求得輸入逆變器的有功功率與直流側(cè)電壓的關(guān)系：117由上式可以看出，輸入逆變器的有功功Pdc與直流側(cè)電容上的電壓Udc以及原動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)Edc呈非線性關(guān)系，當(dāng) Udc穩(wěn)定在設(shè)定的基準(zhǔn)值時(shí)，Pdc僅由原動(dòng)機(jī)的出口電壓Edc確定。由于光伏電池、風(fēng)機(jī)等分布式電源都會(huì)安裝最大功率追蹤控制系統(tǒng)，在其控制下，原動(dòng)機(jī)的出口電壓會(huì)穩(wěn)定在能夠輸出最大功率的出口電壓基準(zhǔn)值。因此Udc穩(wěn)定時(shí)，逆變器將輸出原動(dòng)機(jī)所能提供的最大有功功率。由上式可以看出，輸入逆變器的有功功Pdc與直流側(cè)電容上的電壓118由圖4.20所示，改變I’+d1即可以改變逆變器輸出的有功功率，并且基波正序分量在d軸上是直流，用PI控制可以實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)。因此，可以通過檢測(cè)逆變器直流側(cè)的電容電壓與基準(zhǔn)值的差完成對(duì)I’+d1的PI調(diào)節(jié)，同時(shí)也無靜差的實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出有功功率的控制。由圖4.20所示，改變I’+d1即可以改變逆變器輸出的有功功119現(xiàn)有的諧波與無功補(bǔ)償算法都是提取負(fù)載電流進(jìn)行分解，進(jìn)而計(jì)算補(bǔ)償電流的基準(zhǔn)，但在實(shí)際系統(tǒng)中IBDG的接入點(diǎn)一般具有多條饋線或負(fù)載出線，對(duì)于如圖4.21所示的接線方式，提取總的負(fù)載電流具有一定的難度和復(fù)雜度。因此采用提取IBDG接入點(diǎn)母線進(jìn)線上的電流，接線簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)，結(jié)合前文所述的無功和有功控制算法，提出IBDG在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的控制方法及仿真電路如圖4.23所示?，F(xiàn)有的諧波與無功補(bǔ)償算法都是提取負(fù)載電流進(jìn)行分解，進(jìn)而計(jì)算補(bǔ)120圖4.23IBDG控制方法及仿真電路示意圖圖4.23IBDG控制方法及仿真電路示意圖121具體的IBDG補(bǔ)償控制過程如下：首先提取IBDG接入母線的三相電壓，計(jì)算出基波正序電壓的相位，并將其導(dǎo)入到修正后的派克變換矩陣T’中，然后提取母線進(jìn)線上的三相系統(tǒng)電流，并進(jìn)行修正派克變換，將直軸的直流分量去除后進(jìn)行PI控制，并將PI控制器的輸出作為逆變器的基準(zhǔn)輸出電流。當(dāng)系統(tǒng)電流中不包含無功、諧波、負(fù)序、零序分量時(shí)，PI控制器的輸出達(dá)到穩(wěn)定。同時(shí)，直流側(cè)電容電壓達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，IBDG也可以穩(wěn)定的輸出有功功率，微電網(wǎng)的補(bǔ)償控制算法得以實(shí)現(xiàn)。具體的IBDG補(bǔ)償控制過程如下：首先提取IBDG接入母線的三122謝謝!謝謝!123

第4章微電網(wǎng)運(yùn)行與控制技術(shù)

第4章微電網(wǎng)運(yùn)行與控制技術(shù)

124簡(jiǎn)介：微電網(wǎng)主要以分布式電源為主，由于分布式電源的容量一般不大，但是卻數(shù)目眾多，從而使微電網(wǎng)的控制不能像傳統(tǒng)電網(wǎng)那樣由電網(wǎng)調(diào)度中心統(tǒng)一控制以及處理故障，這就對(duì)微電網(wǎng)的運(yùn)行和控制提出了新的要求。如：根據(jù)電網(wǎng)需求或者電網(wǎng)故障情況，能夠?qū)崿F(xiàn)自主與主電網(wǎng)并列、解列或者是兩種運(yùn)行方式的過渡轉(zhuǎn)換運(yùn)行，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)有功和無功的控制、頻率、電壓控制，可實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)與主電網(wǎng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行以及對(duì)主電網(wǎng)的安全支撐等。微電網(wǎng)相對(duì)于主電網(wǎng)可作為一個(gè)可控的模塊化單元，其可對(duì)內(nèi)部負(fù)荷提供電能，滿足負(fù)荷用戶的需求，這就需要良好的微電網(wǎng)控制和管理能力。微電網(wǎng)的運(yùn)行控制應(yīng)該能夠做到基于本地信息對(duì)電網(wǎng)中的事故作出快速、獨(dú)立的響應(yīng)，而不用接受傳統(tǒng)電網(wǎng)的統(tǒng)一調(diào)度。簡(jiǎn)介：1254.1微電網(wǎng)自動(dòng)控制結(jié)構(gòu)與體系

4.1.1微電網(wǎng)的經(jīng)典結(jié)構(gòu)與控制目標(biāo)1、經(jīng)典微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)如圖4.1所示，它由微電源、儲(chǔ)能裝置和電/熱負(fù)荷構(gòu)成，并聯(lián)在低壓配電網(wǎng)中。微電源接入負(fù)荷附近，很大的減少了線路損耗，增強(qiáng)了重要負(fù)荷抵御來自主電網(wǎng)故障的影響的能力。微電源具有“即插即用”的特性，通過電力電子接口實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行方式下的控制、測(cè)量和保護(hù)功能，這些功能有助于實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)兩種運(yùn)行方式間的無縫切換。4.1微電網(wǎng)自動(dòng)控制結(jié)構(gòu)與體系

4.1.1微電網(wǎng)的經(jīng)典結(jié)126圖4.1中微電網(wǎng)包括A、B和C3條饋線，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)呈輻射狀結(jié)構(gòu)，饋線通過微電網(wǎng)主隔離裝置與配電網(wǎng)相連，可實(shí)現(xiàn)孤網(wǎng)與并網(wǎng)運(yùn)行方式的平滑切換。其中A和B為重要負(fù)荷，安裝了多個(gè)DG為其提供電能，饋線A上接敏感負(fù)荷，安裝了光伏電池和微型燃?xì)廨啓C(jī)，其中微型燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行于熱電聯(lián)產(chǎn)，向用戶提供熱能和電能；采用風(fēng)力發(fā)電和燃料電池共同在為饋線B的可調(diào)節(jié)負(fù)荷供電；饋線C為非敏感負(fù)荷，沒有配置專門的微電源為饋線C上的負(fù)荷供電，直接由配電網(wǎng)供電，孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)微電網(wǎng)內(nèi)部過負(fù)荷時(shí)，可切斷系統(tǒng)對(duì)饋線C上的負(fù)荷的供電。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，圖4.1中微電網(wǎng)包括A、B和C3條饋線，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)呈輻射狀結(jié)構(gòu)127當(dāng)外界主電網(wǎng)發(fā)生故障停電或者出現(xiàn)電能質(zhì)量問題時(shí)，微電網(wǎng)通過靜態(tài)開關(guān)切斷與主電網(wǎng)的聯(lián)系，孤網(wǎng)運(yùn)行。微電網(wǎng)的負(fù)荷由微電源承擔(dān)，饋線C可通過母線從母線得到電能并維持正常運(yùn)行。如果孤網(wǎng)運(yùn)行模式下無法保證電能的供需平衡，可切斷饋線C的負(fù)荷，停止對(duì)非重要負(fù)荷供電。故障消除后，主斷路器重新合上，微電網(wǎng)恢復(fù)并網(wǎng)運(yùn)行模式。通過有效的控制方式實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)兩種運(yùn)行模式的平滑切換。此外，微電網(wǎng)還配備了潮流控制器和保護(hù)協(xié)調(diào)器，在能量管理系統(tǒng)的統(tǒng)一控制下，通過數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓、控制潮流、饋線保護(hù)等多項(xiàng)措施。當(dāng)外界主電網(wǎng)發(fā)生故障停電或者出現(xiàn)電能質(zhì)量問題時(shí)，微電網(wǎng)通過靜128在大電網(wǎng)發(fā)生故障或其電能質(zhì)量不符合標(biāo)準(zhǔn)情況時(shí)，微電網(wǎng)可以孤網(wǎng)運(yùn)行，保證微電網(wǎng)自身和大電網(wǎng)的正常運(yùn)行，從而提高供電安全性和可靠性。因此孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)微電網(wǎng)最重要的能力，而實(shí)現(xiàn)這一性能的關(guān)鍵技術(shù)是微電網(wǎng)與主電網(wǎng)之間的電力電子接口處的控制環(huán)節(jié)—靜態(tài)開關(guān)。該靜態(tài)開關(guān)可實(shí)現(xiàn)在接口處?kù)`活控制的接受和輸送電能。從大電網(wǎng)的角度看，微電網(wǎng)相當(dāng)于負(fù)荷，是一個(gè)可控的整體單元。另一方面，對(duì)用戶來說，微電網(wǎng)是一個(gè)獨(dú)立自治的電力系統(tǒng)，它可以滿足不同用戶對(duì)電能質(zhì)量和可靠性的要求。在大電網(wǎng)發(fā)生故障或其電能質(zhì)量不符合標(biāo)準(zhǔn)情況時(shí)，微電網(wǎng)可以孤網(wǎng)1293

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圖4.1典型微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)

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6341302、微電網(wǎng)控制的主要目標(biāo)（1）可對(duì)微電源出口電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證電壓穩(wěn)定性。（2）孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，確保微電源能夠快速響應(yīng)，滿足用戶的電力需求。（3）根據(jù)故障情況或系統(tǒng)需求，可實(shí)現(xiàn)平滑自主的與主電網(wǎng)并網(wǎng)、解列或者兩種運(yùn)行方式的過渡轉(zhuǎn)化。（4）調(diào)節(jié)微電網(wǎng)的饋線潮流，對(duì)有功和無功進(jìn)行獨(dú)立解耦控制。2、微電網(wǎng)控制的主要目標(biāo)1314.1.2微電網(wǎng)的控制方式

目前，微電網(wǎng)的控制方式主要有以下幾種：（1）主從控制。即對(duì)各微電源采取不同的控制方式，從而使分布式電源實(shí)現(xiàn)不同的職能，讓其中一個(gè)（或幾個(gè)）微電源作為主控電源，支撐系統(tǒng)的頻率，保證電壓的穩(wěn)定，而其他微電源作為從屬電源，不負(fù)責(zé)電壓的控制和頻率的調(diào)節(jié)。主從控制的實(shí)現(xiàn)：并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)各分布式電源均采用P/Q控制，孤島運(yùn)行時(shí)，一個(gè)分布式電源（主控電源）轉(zhuǎn)換成v/f控制，保持電壓不變，電流隨負(fù)荷的變化而變化。但是主從控制存在的缺點(diǎn)有：孤島運(yùn)行時(shí)對(duì)主控電源依賴性高，對(duì)通信可靠性要求高，負(fù)荷波動(dòng)時(shí)需要較高的旋轉(zhuǎn)備用容量。4.1.2微電網(wǎng)的控制方式

132（2）對(duì)等控制策略。即基于電力電子的“即插即用（PlugandPlug）”和“對(duì)等（PointtoPoint）”的控制。系統(tǒng)中各個(gè)分布式電源是“平等”的關(guān)系，不存在從屬關(guān)系。根據(jù)微電網(wǎng)的控制目標(biāo)，靈活的設(shè)定下垂系數(shù)，調(diào)節(jié)受控微電源，保證整個(gè)微電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定以及電能的供需平衡，具有簡(jiǎn)單可靠的優(yōu)點(diǎn)。但是對(duì)等控制策略只考慮了一次調(diào)頻，而忽略了傳統(tǒng)電網(wǎng)的二次調(diào)頻問題，即沒有考慮微電網(wǎng)系統(tǒng)電壓和頻率的恢復(fù)問題，因此，在微電網(wǎng)受到大擾動(dòng)時(shí)，很難保證系統(tǒng)的頻率質(zhì)量，不能保證負(fù)荷的正常運(yùn)行。另外，此方法是針對(duì)有電力電子技術(shù)的微電源的控制，沒有考慮傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)如微型燃?xì)廨啓C(jī)與微電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)控制。（2）對(duì)等控制策略。即基于電力電子的“即插即用（Pluga133（3）基于功率管理系統(tǒng)的控制。該控制方式采用不同的控制模塊，分別對(duì)有功和無功進(jìn)行解耦控制。較好的滿足了微電網(wǎng)P/Q、v/f等多種控制方式的要求，尤其是對(duì)于功率平衡的調(diào)節(jié)，應(yīng)用了頻率恢復(fù)算法，可以很好地滿足系統(tǒng)對(duì)頻率質(zhì)量的要求。針對(duì)微電網(wǎng)中各用戶對(duì)無功的不同需求，功率管理系統(tǒng)采用了多種控制方法并加入了無功補(bǔ)償裝置，提高了系統(tǒng)的控制能力，同時(shí)也提高了控制的靈活性。但是該方法沒有考慮含有調(diào)速和勵(lì)磁系統(tǒng)的常規(guī)發(fā)電，特別是沒有考慮含電力電子接口的微電源間的協(xié)調(diào)控制（3）基于功率管理系統(tǒng)的控制。該控制方式采用不同的控制模塊，134（4）基于多代理技術(shù)的控制。該方法將傳統(tǒng)電網(wǎng)的多代理技術(shù)應(yīng)用到微電網(wǎng)控制系統(tǒng)。該控制策略綜合了多種控制方式，能夠隨時(shí)插入某種控制，實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度，保證了微電網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。多代理技術(shù)具有很好的自愈能力，響應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)可很好的滿足微電網(wǎng)的分散控制的需要。但目前多代理技術(shù)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用還處于起步階段，還只是集中對(duì)微電網(wǎng)的系統(tǒng)頻率、電壓等進(jìn)行控制的層面，因此要使多代理技術(shù)在微電網(wǎng)的控制中發(fā)揮更大的作用，還需要大量的研究工作。（4）基于多代理技術(shù)的控制。該方法將傳統(tǒng)電網(wǎng)的多代理技術(shù)應(yīng)用135微電網(wǎng)中的分布式電源的控制方法主要有：

PQ控制

VF控制

下垂控制

微電網(wǎng)中的分布式電源的控制方法主要有：1361）PQ控制PQ控制也就是恒功率控制，通常在并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下采用PQ控制，控制的目的是不考慮其對(duì)微電網(wǎng)頻率和電壓的調(diào)節(jié)作用，使分布式電源輸出的有功和無功能夠?qū)崟r(shí)跟蹤參考信號(hào)，而頻率和電壓支撐由大電網(wǎng)提供。對(duì)于光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等分布式電源，其出力受環(huán)境影響較大，輸出功率具有間歇性，采用PQ控制策略可以保證可再生能源的充分利用。1）PQ控制137第一種方法是分別控制有功和無功功率，通過給定微電源原動(dòng)機(jī)的有功功率參考值來控制微電源發(fā)出的有功，直接給定微電源的無功功率參考值來控制其發(fā)出的無功功率。如圖4.2所示：第一種方法是分別控制有功和無功功率，通過給定微電源原動(dòng)機(jī)的有138

圖4.2PQ控制示意圖

139從圖4.2可知，控制原動(dòng)機(jī)發(fā)出的有功功率，有功功率參考值為,在原動(dòng)機(jī)自身功率調(diào)節(jié)器的作用下跟蹤輸出的有功功率，通過在逆變器直流側(cè)的電壓PI1控制器來保持母線電壓恒定，從而實(shí)現(xiàn)微電源的有功輸出調(diào)節(jié)。第二種方法是直接通過逆變器控制有功和無功功率。逆變器的輸出功率就是微電源輸出的功率，實(shí)現(xiàn)該種控制的具體方法是：通過鎖相環(huán)得到交流側(cè)的三相電壓和電流，經(jīng)過由Park變換得到dq0分量，通過式（4-1）得到微電源輸出的有功和無功功率。從圖4.2可知，控制原動(dòng)機(jī)發(fā)出的有功功率，有功功率參考值為140（4-1）

通過式（4-1）計(jì)算得到dq軸的電流值，把它作為電流環(huán)參考值，與實(shí)際的電流值做差，然后通過PI控制器。得到濾波電感參數(shù)后，設(shè)置dq軸電壓參考分量，通過Park反變換，得到三相交流分量，通過PWM輸出給逆變器。（4-1）通過式（4-1）計(jì)算得到dq軸的電流值，141（2）VF控制V/f控制通過控制微電源逆變器的輸出量，使逆變器輸出的電壓和頻率為參考量，以保證微電網(wǎng)在孤島運(yùn)行時(shí)的電壓和頻率的穩(wěn)定，使負(fù)荷功率能夠很好的跟蹤變化特性。通過設(shè)定電壓和頻率的參考值，再通過PI調(diào)節(jié)器對(duì)電壓和頻率進(jìn)行跟蹤，作為恒壓、恒頻電源使用。其控制示意圖如圖4.3所示：（2）VF控制142

圖4.3v/f控制示意圖從圖4.3中可以看出，電源在進(jìn)行v/f控制時(shí)只采集逆變器端口的電壓信息，可通過調(diào)節(jié)逆變器來調(diào)節(jié)電壓值，頻率采用恒定值50HZ。圖4.3v/f控制示意圖從圖4.3中可以看出，電源在進(jìn)行143（3）下垂（Droop）控制

Droop控制主要是指電力電子逆變器的控制方式，其與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻類似，利用有功-頻率和無功-電壓呈線性關(guān)系的特性對(duì)系統(tǒng)的電壓和頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。目前主要有兩種Droop控制方法，一種是傳統(tǒng)的有功-功率（P-f）和無功-電壓（Q-U）進(jìn)行Droop控制，一種是對(duì)有功-電壓（P-U）和無功-頻率（Q-f）進(jìn)行反Droop控制。（3）下垂（Droop）控制 144如圖4.4所示Droop控制有功-頻率（P-f）和無功-電壓（Q-U）呈線性關(guān)系，當(dāng)微電源輸出有功、無功增加時(shí)，運(yùn)行點(diǎn)由A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)，達(dá)到一個(gè)新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，該控制方法不需要各微源之間通信聯(lián)系就可以實(shí)施控制，所以一般采取對(duì)微電源接口逆變器控制。如圖4.4所示Droop控制有功-頻率（P-f）和無功-電壓145

圖4.4頻率、電壓下垂特性圖41464.2微電網(wǎng)的逆變器控制

4.2.1微電網(wǎng)中逆變器的主要控制目標(biāo)微電網(wǎng)有并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種穩(wěn)定運(yùn)行模式，在兩種模式下都要表現(xiàn)為受控的可靠的發(fā)電裝置，這都對(duì)逆變器施加適當(dāng)?shù)目刂?。具體而言，微電網(wǎng)中逆變器的控制目標(biāo)如下：4.2微電網(wǎng)的逆變器