畢業(yè)論文-直流微網(wǎng)下垂控制仿真研究

HUNANUNIVERSITY畢業(yè)論文論文題目直流微網(wǎng)下垂控制仿真分析學(xué)生姓名學(xué)生學(xué)號專業(yè)班級電氣工程及其自動化1108班學(xué)院名稱電氣與信息工程學(xué)院指導(dǎo)老師學(xué)院院長2015年6月1日湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)第頁摘要隨著環(huán)境問題和能源問題的日益突出，可再生能源發(fā)電（如太陽能光伏電池發(fā)電，風(fēng)能發(fā)電等）近年來得到了廣泛關(guān)注與研究?？稍偕茉吹碾娔苜|(zhì)量與許多因素相關(guān)，因此需要對這些能源進(jìn)行控制，才能保證電力可靠性?？稍偕茉葱纬傻姆植际诫娫赐ǔＲ阅孀兤髯鳛榻涌?，實(shí)現(xiàn)與其他分布式發(fā)電系統(tǒng)或大電網(wǎng)的連接與控制。微網(wǎng)被定義為相互作用的多個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的分布式發(fā)電系統(tǒng)，包括電源（通常是可再生能源）和負(fù)荷。以微網(wǎng)為基本模塊的智能電網(wǎng)是未來電網(wǎng)的發(fā)展趨勢。直流微網(wǎng)作為連接主網(wǎng)與分布式電源的一種微網(wǎng)形式，能很好的發(fā)揮分布式電源的效益與價(jià)值，具備比交流微網(wǎng)更靈便的重構(gòu)能力。然而由于直流電滅弧困難，直流微網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺少統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，要大規(guī)模的推廣直流微網(wǎng)還需較長時(shí)間。本文介紹了微網(wǎng)，直流微網(wǎng)的基本概念和基本構(gòu)成，直流微網(wǎng)的下垂控制基本原理，利用PSCAD軟件實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)直流源向一個(gè)電阻供電的下垂控制理論的仿真，驗(yàn)證了多直流微網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的均流問題。關(guān)鍵詞：微網(wǎng)，直流微網(wǎng)，分布式電源，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

目錄緒論11.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.2本文主要內(nèi)容1第二章直流微網(wǎng)的下垂控制理論42.1直流微網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)42.1.1直流微網(wǎng)結(jié)42.1.2直流微網(wǎng)的運(yùn)行模式62.2直流微網(wǎng)的控制72.3本章小結(jié)12第三章基于負(fù)載端直流電壓的下垂控制方法103.1直流下垂控制對功率均衡的影響103.1.1傳統(tǒng)的下垂控制器103.2直流微網(wǎng)的下垂控制原理113.3直流微網(wǎng)下垂控制的設(shè)計(jì)133.3.1平變換器的控制133.3.2下垂控制的設(shè)計(jì)183.4改進(jìn)的直流微網(wǎng)的下垂控制…………..183.5本章小結(jié)19第四章系統(tǒng)仿真研究204.1直流下垂控制的建模204.1.1PSCAD的簡介204.1.2直流微網(wǎng)的下垂控制模型204.2仿真結(jié)果及分析224.3本章小結(jié)31第五章總結(jié)與展望32致謝33參考文獻(xiàn)34附錄35附錄A35第一章緒論1.1課題背景及目的隨著電力系統(tǒng)不斷發(fā)展，電力網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍日益增廣，電力負(fù)荷也迅速增長。為提高效率輸電效率，減少電能在輸電線路上的損失，電力系統(tǒng)出現(xiàn)的電壓等級也變高，現(xiàn)如今交流1000kv的超高壓輸電示范工程已經(jīng)在我國建立。但是大規(guī)模電力系統(tǒng)也有其缺點(diǎn)，其運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性仍然有待改善。近年來全球范圍內(nèi)出現(xiàn)了幾次電力安全事故，如2003年發(fā)生在美國和加拿大的美加大停電事故，發(fā)生了電網(wǎng)連續(xù)性的崩潰，導(dǎo)致了電網(wǎng)的大面積癱瘓，對國民經(jīng)濟(jì)，生產(chǎn)生活造成了災(zāi)難性的破壞；2008年我國南方發(fā)生的冰災(zāi)，輸電線路不堪冰層的重量而斷裂，致使多處電力供應(yīng)中斷，電網(wǎng)的脆弱性在此時(shí)暴露了出來。目前，針對上述情況，為改善電網(wǎng)運(yùn)行安全性與穩(wěn)定性，提高資源優(yōu)化的配置能力，企業(yè)、高校和研究機(jī)構(gòu)提出了智能電網(wǎng)的概念。南方電網(wǎng)公司強(qiáng)調(diào)智能電網(wǎng)的關(guān)鍵為“智能，高效、可靠、綠色”[1]。其中微網(wǎng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分。要實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的“堅(jiān)強(qiáng)”、“智能”等特點(diǎn)，必須保證微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)高效與可靠控制?，F(xiàn)階段我國能源資源與負(fù)荷分布嚴(yán)重不均衡，發(fā)電廠所需的常規(guī)能源，如煤、油、水等分布于我國西北西南地區(qū)，而我國東南地區(qū)才是電力負(fù)荷的集中分布地區(qū)，在電力輸送過程中必會受到不同大小的損耗。而分布式發(fā)電可緩解這種情況，使能源與負(fù)荷盡量做到就地平衡。風(fēng)力發(fā)電，光伏發(fā)電，儲能設(shè)備是近年來被廣泛研究的分布式能源。微網(wǎng)制對應(yīng)于大電網(wǎng)而言的功率較小的電網(wǎng)，其重要特點(diǎn)之一就是其電源通常是可再生清潔能源。而這些分布式可再生能源的輸出功率會隨著環(huán)境（如光照強(qiáng)度，溫度，風(fēng)速等）變化而變化，需要對其加以有效的控制以及保護(hù)，使分布式電源能高效安全地接入，滿足電網(wǎng)電能質(zhì)量要求，緩解電力供應(yīng)緊張問題。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前國內(nèi)外對微網(wǎng)已經(jīng)有了很多研究成果。美國的電力建設(shè)開始時(shí)間早，技術(shù)相對成熟。其存在的問題是電力行業(yè)從業(yè)人員日趨老齡化，系統(tǒng)設(shè)備陳舊，欠缺維護(hù)，電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性不足等。美國對微網(wǎng)的要求之一就是微網(wǎng)并網(wǎng)后能提高大電網(wǎng)運(yùn)營穩(wěn)定性，美國電力可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會CERTS（ConsortiumforElectricReliabilityTechnologySolutions）在2002年就提出了較為完整的微網(wǎng)的概念，是美歐日中各國所提出的微網(wǎng)的概念中最權(quán)威的一個(gè)。美國CERTS致力于微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性，可靠性，節(jié)能減排以及微網(wǎng)對生態(tài)環(huán)境的影響程度的研究。在2005年時(shí)美國的MadRive微網(wǎng)建成，MadRive微網(wǎng)是美國第一個(gè)投入運(yùn)行的微網(wǎng)。它由美國北部電力系統(tǒng)承建，標(biāo)志著美國對微網(wǎng)的研究以經(jīng)由理論分析，仿真研究正式進(jìn)入到實(shí)際運(yùn)行階段。通過MadRiver微網(wǎng)的運(yùn)行，研究人員檢驗(yàn)了其所研究的微網(wǎng)運(yùn)行控制策略，保護(hù)方法，并建立起了相關(guān)的一系列微網(wǎng)管理規(guī)范條款。為以后微網(wǎng)的研究奠定了基礎(chǔ)。此外，第二個(gè)“通用電氣（GE）全球計(jì)劃（GlobalResearch）”計(jì)劃也正在實(shí)施。該計(jì)劃分兩個(gè)階段，第一個(gè)階段為理論性階段，致力于對微網(wǎng)的能量管理和基礎(chǔ)控制的研究，并分析該計(jì)劃的市場前景。第二階段是應(yīng)用階段，致力于把第一階段的研究成果運(yùn)用到實(shí)際中，進(jìn)行建模仿真并建造示范性工程。微網(wǎng)中分布式電源的電能具有間歇性輸出功率不穩(wěn)定性等特定，如何使微網(wǎng)中各分布式電源與電網(wǎng)電能協(xié)調(diào)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益最高，運(yùn)行成本最低，是微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)MEM（Micro-gridEnergyManagement）的開發(fā)目標(biāo)，也是通用“電氣全球計(jì)劃”的目標(biāo)。歐洲的電網(wǎng)發(fā)展水平較高，其電力網(wǎng)絡(luò)發(fā)展日趨完善，負(fù)荷增長趨于飽和。其面臨的主要問題是如何實(shí)現(xiàn)電力與環(huán)境的友好發(fā)展，減少溫室氣體排放，滿足《京都定義書》中相關(guān)款項(xiàng)的規(guī)定。因此歐洲十分重視各種可再生能源的發(fā)展，對微網(wǎng)的研究也主要是考慮可再生能源與分布式電源的可靠靈活接入。歐洲于2005年提出了SmartPowerNetworks的概念。歐洲的歐盟微網(wǎng)項(xiàng)目致力于對微網(wǎng)的研究，其給出的對微網(wǎng)的定義是利用一次能源；使用微型電源，分為不可控、部分可控和全控三種，并可冷、熱、電三聯(lián)供；配有儲能裝置；使用電力電子裝置進(jìn)行能量調(diào)節(jié)[1]。歐盟第五框架計(jì)劃中專門撥款450萬用于微網(wǎng)研究，該研究建立了DERs的模型、研制本地黑啟動策略、接地保護(hù)方案等?？煽啃浴⒖山尤胄?、靈活性是歐洲所有的與微網(wǎng)相關(guān)的研究計(jì)劃所緊緊圍繞的三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。電網(wǎng)的智能化，能量利用多元化等將是歐洲未來電網(wǎng)的重要特點(diǎn)。日本電力行業(yè)與美歐情況又有所不同，日本在電力建設(shè)方面所面臨的主要問題是能源不足。日本電力負(fù)荷隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速增長，其能源的稀缺與此形成了鮮明的對比，在此背景下，日本也展開了對微網(wǎng)的研究，但其發(fā)展目標(biāo)主要定位于滿足用戶個(gè)性化電力需求、能源供給多樣化、減少污染等方面。日本的新能源與工業(yè)技術(shù)發(fā)展組織NEDO（TheNewEnergyandIndustrialTechnologyDevelopmentOrganization）對新能源的應(yīng)用及發(fā)展展開了研究并取得了很多成果。日本目前建立了多個(gè)微網(wǎng)示范性工程，在世界范圍內(nèi)處于領(lǐng)先地位。2003年日本仔愛知縣，青森縣和京都分別建立了微網(wǎng)試運(yùn)行點(diǎn)，分布式可再生能源在這三個(gè)微網(wǎng)中占了很大比重，微網(wǎng)與本地大電網(wǎng)的互聯(lián)技術(shù)是這三個(gè)試運(yùn)行點(diǎn)的重點(diǎn)研究項(xiàng)目。我國關(guān)于可再生能源發(fā)電的研究已經(jīng)取得很大的成就，如太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電，但對微小型分布式電源組成的微網(wǎng)的研究，特別是直流微網(wǎng)的研究才剛剛起步，這主要是受傳統(tǒng)的交流電規(guī)范的影響，對交流研究較多直流微網(wǎng)研究較少。隨著對直流供電的深入研究，直流微網(wǎng)將被廣泛應(yīng)用。我國也已經(jīng)對此項(xiàng)研究給予大力支持，在國家863和973計(jì)劃中都已分別支持。合肥大學(xué)于2006建立了全國第一個(gè)微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室。主要研究內(nèi)容有：分布式發(fā)電系統(tǒng)仿真的穩(wěn)態(tài)模型和動態(tài)模型；分布式發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題；分布式發(fā)電系統(tǒng)能量管理與安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析等。此外已經(jīng)有學(xué)者對直流微網(wǎng)的穩(wěn)定性控制策略和建模等相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了研究。1.3本文主要內(nèi)容直流微網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)節(jié)能減排，完善智能電網(wǎng)的重要途徑。為使微網(wǎng)能有效地運(yùn)用于實(shí)際，必須研究直流微網(wǎng)的控制策略。下垂控制策略是目前研究的熱點(diǎn)。本文介紹了課題相關(guān)背景，研究了直流微網(wǎng)下垂控制策略的理論基礎(chǔ)與具體實(shí)現(xiàn)方法，對所提出的直流微網(wǎng)下垂控制策略進(jìn)行了仿真分析。本文各章節(jié)內(nèi)容如下：第一章為緒論部分，介紹了直流微網(wǎng)產(chǎn)生的背景，各國對直流微網(wǎng)的研究現(xiàn)狀及其目標(biāo)。第二章介紹了直流微網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，其中包括直流微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)（環(huán)形結(jié)構(gòu)、輻射結(jié)構(gòu)）和直流微網(wǎng)的控制。還介紹了直流微網(wǎng)的下垂控制原理。第三章是基于負(fù)載端直流電壓的下垂控制方法，其中有直流控制對功率均衡的影響（介紹了傳統(tǒng)的下垂控制器）。又介紹了直流下垂控制器的設(shè)計(jì)。第四章在仿真軟件上搭建了直流微網(wǎng)的下垂控制的仿真模型，介紹了直流下垂控制的建模及仿真軟件基本知識。然后是對仿真結(jié)果的分析。第五章總結(jié)與展望部分對全文進(jìn)行了總結(jié)，并分析了本文的不足與可以改進(jìn)之處。

第二章直流微網(wǎng)2.1直流微網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)2.1.1直流微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)在微網(wǎng)不斷發(fā)展的同時(shí)。交流微網(wǎng)的不足就會表現(xiàn)的越來越明顯，這就可以快速推動直流微網(wǎng)的研究與發(fā)展。在交流微網(wǎng)中，存在變壓器、電動機(jī)的勵磁涌流，分布式電源的同步并網(wǎng)，三項(xiàng)不對稱，控制復(fù)雜等問題。這些問題與用戶希望微網(wǎng)能夠提供高效、可靠、高電能質(zhì)量供電服務(wù)的要求存在矛盾。隨著直流微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)負(fù)荷類型逐漸多樣化以及規(guī)模的不斷擴(kuò)大，因?yàn)橹绷魑⒕W(wǎng)在這些方面的特別優(yōu)勢獲得了較大的發(fā)展。按用戶對電能質(zhì)量多樣性需求把直流微網(wǎng)分為多環(huán)狀直流微網(wǎng)和輻射狀直流微網(wǎng)。目前直流微網(wǎng)目前仍缺少標(biāo)準(zhǔn)和制度，大范圍的推廣應(yīng)用還需要一定的時(shí)間。（1）多環(huán)直流微網(wǎng)環(huán)狀結(jié)構(gòu)為多環(huán)直流微網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，形成多回路供電系統(tǒng)，能夠達(dá)到用戶對電能質(zhì)量的不同需求。如圖2.1所示，直流負(fù)荷和電源通過DC/DC變流器接入，負(fù)荷、交流源由AC/DC與DC/AC換流器接入網(wǎng)架。間歇性特征比較明顯的DG接在直流環(huán)1上,用于向普通負(fù)荷供電，儲能裝置和運(yùn)行特性平穩(wěn)的DG連接在直流環(huán)2，供給電能質(zhì)量要求比較高的負(fù)荷電能。環(huán)形饋線由兩段構(gòu)成，由混合式限流斷路器連接組成，當(dāng)出現(xiàn)通電故障時(shí)可以解列運(yùn)行，降低停電的面積。圖2.1多環(huán)直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖在多環(huán)直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，直流的電壓決定了DG的并網(wǎng)，不需要考慮各DG間的同步問題，直流電網(wǎng)的DG很容產(chǎn)生協(xié)同運(yùn)行，而它的優(yōu)勢在環(huán)流抑制上更為明顯。多環(huán)微網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)適合電能質(zhì)量要求不同的用戶如：大范圍綜合性大樓、工廠密集區(qū)、數(shù)據(jù)中心等。（2）輻射直流微網(wǎng)輻射直流微網(wǎng)一般都采用串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，電源和負(fù)荷由直流母線和聯(lián)絡(luò)饋線來連接。如圖2.2所示，電力電子變換裝置將儲能裝置、系統(tǒng)中的DG和負(fù)荷等連接到直流母線上，聯(lián)絡(luò)饋線連接負(fù)荷與電源，逆變裝置將直流網(wǎng)絡(luò)連接至外部交流電網(wǎng)。不同電壓等級的交流、直流負(fù)荷由直流微網(wǎng)通過電力電子變換裝置提供電能，儲能裝置可以在直流側(cè)去補(bǔ)償DG和負(fù)荷的波動。圖2.2輻射直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖輻射直流微網(wǎng)可以為負(fù)荷提供很高的電能質(zhì)量的供電服務(wù)，換流器（DC/DC或DC/AC）可以使負(fù)荷并入直流微網(wǎng)。不同的電壓等級不需要經(jīng)過變壓器就可以獲得；此外當(dāng)微網(wǎng)中某一個(gè)負(fù)載出現(xiàn)了過負(fù)荷的時(shí)候，由過負(fù)荷對系統(tǒng)造成的振動可通過并聯(lián)換流器間的相互調(diào)節(jié)來減輕。對電能質(zhì)量要求較高，對供電可靠性要求不高的地區(qū)可采用低壓直流微網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。(3)微網(wǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法微電網(wǎng)具有提高電能質(zhì)量、節(jié)約能源、優(yōu)化電網(wǎng)性能、供電可靠性、降低發(fā)電成本等許多優(yōu)點(diǎn)。因此為了達(dá)到我們引入微網(wǎng)預(yù)想的目的，需要一些要素和基本原則對微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。微網(wǎng)內(nèi)部能量守恒是保證微網(wǎng)網(wǎng)架設(shè)計(jì)的基本原則。一方面微網(wǎng)在孤島運(yùn)行時(shí)能夠提供充足的電能給重要負(fù)荷，當(dāng)在偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村級微網(wǎng)中還要提供備用的能量，另一方面在其正常運(yùn)行時(shí)DG提供的容量和配電網(wǎng)提供的容量之和也應(yīng)該微網(wǎng)負(fù)荷的容量相匹配。在滿足這些原則的前提下，我們在考慮一些外在因素（如負(fù)荷特性、地理位置等）對微網(wǎng)的影響。微網(wǎng)結(jié)構(gòu)的好壞對微網(wǎng)性能的發(fā)揮具有決定性的作用，設(shè)計(jì)網(wǎng)架除了要考慮多了要素外還需要一個(gè)合適的流程，直流微網(wǎng)的網(wǎng)架設(shè)計(jì)如下：確認(rèn)微網(wǎng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的基本要素和原則，收集影響網(wǎng)架的因素并分析。綜合考慮DG、地理特點(diǎn)、技術(shù)能力和負(fù)荷特性，在兼顧成本的情況下合理選擇直流微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)：由我們選擇的DG數(shù)量和類型、微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、負(fù)荷的分布位置，并且我們以網(wǎng)內(nèi)損耗為限制條件，合理選擇微網(wǎng)的電壓等級。網(wǎng)架的連接方式，我們由選擇的電壓等級和結(jié)構(gòu)類型及電能質(zhì)量和可靠供電來確定微網(wǎng)中分布單元的數(shù)目、結(jié)構(gòu)及它們接入微網(wǎng)的位置由DG的發(fā)電特性和負(fù)載對電能的要求來確定。按照他們的基本連接方式，我們把小型微網(wǎng)的網(wǎng)架、和計(jì)劃孤島運(yùn)行的網(wǎng)架組成局部網(wǎng)架，同時(shí)考慮到微網(wǎng)中的其他DG、三類負(fù)荷、二類負(fù)荷的地理位置、特性，并且我們要嚴(yán)格遵守能量守恒的原則再將其接入局部的網(wǎng)架;我們根據(jù)微網(wǎng)的運(yùn)行方式，我們確定局部網(wǎng)架接入配電網(wǎng)PCC的位置及數(shù)目，構(gòu)成較完善的微網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。我們考慮微網(wǎng)負(fù)荷的增長速度及運(yùn)行維護(hù)要求，在基本網(wǎng)架中預(yù)留DG接口，構(gòu)成較完善的微網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。2.1.2微網(wǎng)運(yùn)行模式在直流微網(wǎng)系統(tǒng)中，它既可以連接到外部交流的主網(wǎng)連接到網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，也可以在孤島模式下運(yùn)行。由于直流微網(wǎng)和交流主網(wǎng)之間交換功率的形式不同，我們把直流微網(wǎng)運(yùn)行的模式分為下列三種：聯(lián)接網(wǎng)絡(luò)自由模式、聯(lián)接網(wǎng)絡(luò)限流模式和孤島模式聯(lián)網(wǎng)自由模式。此模式指的是通過G-VSC將直流微網(wǎng)并入到交流主網(wǎng)中，而作為衡量功率的平衡點(diǎn)可以保持直流電壓穩(wěn)定的G-VSC，它能夠確保系統(tǒng)功率的平衡。但是直流微網(wǎng)和交流主網(wǎng)交換的功率卻受到G-VSC容量的限制。若我們忽略功率的損耗，那么該模式下運(yùn)行時(shí)交流主網(wǎng)需要與直流微網(wǎng)交換的功率就應(yīng)該為：PG=式中：PG、PWT和PB分別代表交流主網(wǎng)、風(fēng)電機(jī)組和BES單元提供的功率；PL代表交直流負(fù)荷消耗的總功率。當(dāng)聯(lián)網(wǎng)自由模式下運(yùn)行時(shí)，就要對風(fēng)電機(jī)組采取最大功率跟蹤，蓄電池如果電量未充滿那么蓄電池就會進(jìn)入充電狀態(tài)，來確保當(dāng)G-VSC進(jìn)入限流模式時(shí)也可以保持系統(tǒng)的功率2）聯(lián)網(wǎng)限流模式。在聯(lián)網(wǎng)限流模式下，直流微網(wǎng)和交流主網(wǎng)的交換功率是恒定不變的。在限流模式下的G-VSC將會喪失調(diào)節(jié)直流電壓的能力，因此平衡節(jié)點(diǎn)不能再由G-VSC擔(dān)當(dāng)。不包括主網(wǎng)與微網(wǎng)的交換功率恒定，在下面兩種情況下會采用限流模式：G-VSC的最大功率為交流主網(wǎng)與直流微網(wǎng)的交換功率時(shí)；當(dāng)交流主網(wǎng)發(fā)生故障導(dǎo)致交流電壓降低，致使G-VSC輸出功率受到限制時(shí)。為了能夠維持系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定，BES單元將由聯(lián)網(wǎng)自由模式時(shí)的備用或充電狀態(tài)轉(zhuǎn)換直流電壓控制模式，以此來平衡直流微網(wǎng)內(nèi)部運(yùn)行時(shí)功率的波動，這樣就會使系統(tǒng)達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)BES單元應(yīng)該提供的功率為：PB=并且如果PB處于BES的最大功率范圍內(nèi)，蓄電池電能充足，那么直流電壓將可以被控制。如果因?yàn)轱L(fēng)速和負(fù)荷發(fā)生較大變化或是蓄電池儲能不足，致使BES單元不能使直流電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)，那么就需要對風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電功率進(jìn)行調(diào)節(jié)或是對負(fù)荷進(jìn)行減載，以此來維持系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定3）孤島模式。當(dāng)聯(lián)網(wǎng)斷路器斷開時(shí)直流微網(wǎng)系統(tǒng)就處于孤島運(yùn)行模式，直流微網(wǎng)就會變成一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，這個(gè)時(shí)候直流微網(wǎng)與交流主網(wǎng)沒有功率交換，這種情況下BES單元再一次作為平衡節(jié)點(diǎn)對直流電壓進(jìn)行控制。此時(shí)蓄電池作為主要供電設(shè)備，其通過充放電來調(diào)節(jié)功率的平衡，由此產(chǎn)生的功率差額為：P因?yàn)闆]有了交流主網(wǎng)的供能，當(dāng)風(fēng)速小、負(fù)荷大時(shí)，系統(tǒng)所需要的蓄電池的放電功率值就有可能會超過BES單元的產(chǎn)生的最大功率值，或是由于蓄電池長時(shí)間的放電會導(dǎo)致蓄電池內(nèi)部能量過低，此時(shí)微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)有功功率不足就會使直流電壓降低。因此為了保證直流微網(wǎng)能夠正常運(yùn)行，通常將會切除次要負(fù)荷來減輕微網(wǎng)的負(fù)擔(dān)進(jìn)而保證功率平衡。而當(dāng)風(fēng)速大、負(fù)荷小時(shí)，就會使蓄電池的充電功率超過其額定值或蓄電池的儲能容量達(dá)到最高的限定值。這時(shí)，微網(wǎng)內(nèi)的有功功率過剩就會導(dǎo)致直流電壓升高，這時(shí)就需要通過風(fēng)電機(jī)組來控制W-VSC和槳距系統(tǒng)進(jìn)而降低風(fēng)力的發(fā)電量。2.2直流微網(wǎng)的控制2.2.1電壓分層協(xié)調(diào)控制電壓分層控制是指由于直流電壓變化量的不同系統(tǒng)把控制策略分成三個(gè)不同的控制層，通過合理的調(diào)節(jié)在不同控制層中變流器的工作方式，以此來使系統(tǒng)在不同的工作情況下都能達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行。為了使系統(tǒng)內(nèi)的功率達(dá)到平衡狀態(tài)，其中在每一層的控制下都至少要有一端變流器是依據(jù)電壓下垂特性來控制直流電壓的。且各個(gè)變流器都是獨(dú)立工作的，不需要需相互之間建立通信，從而控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度得到了簡化，因此控制的實(shí)時(shí)性得到了提高。直流變量Udc-G、Udc-B、Udc-WT及Udc-L分別為G-VSC、Bi-DC、W-VSC及負(fù)荷側(cè)直流電壓，為了方便對控制策略進(jìn)行分析，統(tǒng)一寫作Udc圖2.4所示的是電壓的分層方法，由于直流電壓變化量?Udc的不同，我們將系統(tǒng)分成3層進(jìn)行控制，電壓分層切換點(diǎn)處的切換電壓分別為Ut1和Ut2，變量S取為1、2、3，他們分別表示系統(tǒng)所處得第1、2、3控制層。我們通常采用電壓滯環(huán)控制，這樣就可以避免在運(yùn)行的過程中工作方式之間頻繁切換。系統(tǒng)中的切換電壓Ut1和Ut2分別選為0.02和0.05(標(biāo)幺值)。圖2.5為風(fēng)電直流微網(wǎng)電壓分層控制(1)第1層控制在第1層的控制中直流電壓在|?Udc|<0.02，S=1范圍內(nèi)變化，這種情況對應(yīng)聯(lián)網(wǎng)的自由模式。在這一層控制下，風(fēng)電機(jī)組對最大風(fēng)能進(jìn)行捕獲，蓄電池進(jìn)入充電儲能狀態(tài)，直流電壓的穩(wěn)定通過G-VSCMPPT控制由W-VSC來進(jìn)行。當(dāng)我們把同步坐標(biāo)系的d軸定向在定子磁鏈?zhǔn)噶可?，且我們忽略掉磁鏈的變化和定子電阻時(shí)，我們就通過控制定子電流的q軸分量和d軸分量就可以分別控制PMSG的有功功率和無功功率。我們使用的W-VSC通常采用雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，電流控制環(huán)為內(nèi)環(huán)，MPPT控制為外環(huán)，而機(jī)組的有功功率輸出參考指令Po×Pt通常由轉(zhuǎn)速反饋信號Wr的值來計(jì)算，定子電流有功分量參考值我們也可以通過此得到直流電壓穩(wěn)定通過G-VSC來控制。G-VSC也是采用雙閉環(huán)的矢量控制，內(nèi)環(huán)也為電流控制環(huán)，但是外環(huán)卻采用直流的電壓下垂控制。圖2.5(a)所示為直流電壓–電流(U-I)下垂特性其曲線表示為：Udc-G=式中:下垂系數(shù)為KG，KG=0.02÷IG-max，IG-max為G-VSC直流側(cè)最大電流值；Udc-G當(dāng)電網(wǎng)采用電壓定向的矢量控制策略的時(shí)候，在d、q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下G-VSC的有功功率和其直流側(cè)功率可以分別表示成：PgPdc-G式中：Pg為G-VSC輸出的有功功率；電網(wǎng)電壓矢量的大小、電網(wǎng)電流矢量在d軸的分量分別為Ug、Igd；G-VSC在直流側(cè)的功率、電壓及電流分別為Pdc-G、依據(jù)功率守恒定律，聯(lián)合式(2-5)和式(2-6)可以知道G-VSC在交流側(cè)的電流和直流側(cè)的電流之間的關(guān)系為：Igd由式(2-5)可知，要實(shí)現(xiàn)控制G-VSC輸出的有功功率，就要對直流電網(wǎng)的電流的d軸分量進(jìn)行控制根據(jù)式(2-7)就可以計(jì)算出它的有功功率電流分量所給定得值。通過采取單位功率的因數(shù)的控制，因此無功電流的分量取為零。當(dāng)對BES單元開始進(jìn)行恒電流充電時(shí)。圖2.5(b)中陰影的部分就為充電得電流IBat的允許波動范圍。為了提高蓄電池的壽命，蓄電池的管理能量的系統(tǒng)就負(fù)責(zé)把蓄電池的充電和放電功率以及容量都限制在一個(gè)特定的范圍。而蓄電池所儲存能量的大小就用荷電的狀態(tài)(stateofcharge，SOC)來表示，我們選取40%~80%為SOC的額定的范圍。當(dāng)SOC達(dá)到最大值80%時(shí)，就會導(dǎo)致充電電流的值為了達(dá)到供電電壓幅值和使交流負(fù)荷的頻率恒定的目的。L-SVC采用在基于交換電流電壓的d、q分量的定交換電流電壓控制的策略。對無源的負(fù)荷來說，不含有電網(wǎng)的電壓要進(jìn)行矢量的定向，L-VSC則直接對交換電流電壓的頻率和幅值進(jìn)行控制，而被用作坐標(biāo)變化的電壓角度θs由恒定的頻率值ωs給定，傳統(tǒng)鎖相環(huán)不再被需要。在這一層控制之下我們不需要把風(fēng)電功率降低或減小負(fù)載控制。如圖2.5(c)（2）第2層控制在第2層的控制下0.02≤|?Udc|<0.05，S=2，為直流電壓變化范圍。它對應(yīng)聯(lián)網(wǎng)的限流模式，這個(gè)模式下G-VSC失去了改變直流電壓能力和運(yùn)行于孤島模式的情況。在此層控制下，W-VSC仍然按照MPPT的方式直接運(yùn)行，G-VSC則工作在限流模式或者離網(wǎng)模式，BES單元直接控制直流電壓對Bi-DC直流電壓的控制仍然采用上面的雙閉環(huán)控制。依據(jù)滯環(huán)控制，當(dāng)直流得電壓超出了所設(shè)定的波動范圍，Bi-DC就會轉(zhuǎn)變其工作方式，由圖2.5(b)所畫的2段U-I下垂特性的曲線，通過調(diào)節(jié)蓄電池的充放電的電流來維持直流微網(wǎng)內(nèi)部功率的平衡。其中2段下垂特性U-I曲線我們表示為：Udc-B=上式中：下垂系數(shù)KB=0.03÷IB-max，其中IB-max為Bi-DC直流母線側(cè)最大的電流值。若是有多組儲能的裝置，功率大裝置的其下垂系數(shù)會小，但是它有更強(qiáng)的直流電壓的調(diào)節(jié)能力。由控制特性我們可以得出，根據(jù)功率守恒我們知道Bi-DC直流兩側(cè)的電流和電壓的關(guān)系為：IBat=Udc-BUBat×Idc-B(2-9)上式中UBat和IBat分別是（3）第3層控制在第3層的控制下|?Udc|≥0.05，S=3，為直流電壓的波動范圍，圖2.5所示，在這一層控制我們分兩種情1）當(dāng)?Udc≤?0.05時(shí)，它對應(yīng)著聯(lián)網(wǎng)的限流模式與孤島模式。在這種情形下蓄電池放電的功率可能會超出Bi-DC的最大功率，此時(shí)我們需要對負(fù)荷進(jìn)行減載的操作。因?yàn)殚L時(shí)間的放電當(dāng)SOC達(dá)到其下限值40%的時(shí)候，我們也需要對負(fù)荷我們定義的負(fù)荷為L1、L2、???、Li、???(i=1,2,???,n)。它們的優(yōu)先級為依照次序升高。而當(dāng)放電的功率超過其最大的值時(shí)，Bi-DC則工作于限流模式下，這就會導(dǎo)致直流電壓的降低，為了阻止系統(tǒng)崩潰，我們應(yīng)采取立即切除次要負(fù)荷的方法，也就是根據(jù)負(fù)荷端的直流電壓的值Udc-L和負(fù)荷的優(yōu)先級，我們立即切除掉適量的次要負(fù)荷。依據(jù)直流電壓的變化切除負(fù)荷的時(shí)候，我們也應(yīng)該采用電壓的滯環(huán)控制，以此來避免運(yùn)行時(shí)負(fù)荷頻繁當(dāng)SOC下降至40%時(shí)，BES單元仍然會繼續(xù)釋放電能，目的是為了保證重要負(fù)荷的供電質(zhì)量。但是，為了對蓄電池進(jìn)行保護(hù)，我們應(yīng)采取延緩切除負(fù)荷的方法，也就是當(dāng)SOC小于40%ti時(shí)間之后，則其對你應(yīng)優(yōu)先級的負(fù)載Li將被切除。而且為了保證較高的優(yōu)先級負(fù)荷Li+1的供電需要，ti+1應(yīng)2）當(dāng)?Udc≥0.05時(shí)對應(yīng)在聯(lián)網(wǎng)的限流模式與孤島模式下的蓄電池充電功率能夠超過Bi-DC最大功率的情況，這時(shí)我們就要對風(fēng)電機(jī)組采用降功率的控制。而當(dāng)SOC達(dá)到其上限值80%的時(shí)候，我們就要把風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電功率降低。而此時(shí)，W-VSC將不再輸出其最大的功率值，而是按照圖2.5(c)所表示的電壓–功率的下垂特性。依據(jù)直流側(cè)的電壓變化量我們在MPPT控制基礎(chǔ)上再加上降功率的值(?PWT)，其作為PMSG的有功的功率的參考值。在這種情形下，直流側(cè)不平衡的功率就轉(zhuǎn)化為PMSG不平衡的電磁功率和機(jī)械功率，并通過轉(zhuǎn)子動能形式把能量存儲起來。當(dāng)PMSG的旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到被限定的速度值時(shí)，為了阻止轉(zhuǎn)子的超速，并且降低對風(fēng)能的捕獲，我們對風(fēng)電機(jī)組采用變槳距的控制。其電壓–功率的Udc-WT上式中：KWT=0.05÷（-?PWT-max）為下垂系數(shù)，其中?PWT-max為風(fēng)電機(jī)組能減少的最大功率的值；直流參考電壓需要我們說明的是，在這一模式下，實(shí)際上是運(yùn)行于孤島模式下，為了避免母線的電壓過高而導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰因此我們應(yīng)采取緊急的運(yùn)行模式。理論上講，在這一模式下，雖然電壓可以被維持在較高的水平，其不會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，但系統(tǒng)會損失一部分的風(fēng)電功率。2.3本章小結(jié)本章第一小節(jié)介紹了直流微網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，其中包含有直流微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式，結(jié)構(gòu)分為環(huán)形結(jié)構(gòu)和輻射結(jié)構(gòu)。運(yùn)行模式則包括有聯(lián)網(wǎng)自由模式、聯(lián)網(wǎng)限流模式和孤島模式三類。這些都是直流微網(wǎng)的基本知識。第二小節(jié)我介紹了直流微網(wǎng)的控制方法—電壓分層協(xié)調(diào)控制，這一方法包含有三個(gè)控制層，且每一層分別對應(yīng)不同不同運(yùn)行模式，在不同的條件下他們是在哪一種模式下。

第三章基于負(fù)載端直流電壓的下垂控制方法3.1直流下垂控制對功率均衡的影響(1)傳統(tǒng)的下垂控制器Vdc=Vdc*-d其中dj為下垂系數(shù)，ij為電源電流，V為了比例分配各電源的額定功率，兩個(gè)變換器的下垂系數(shù)應(yīng)該與他們的額定功率成反比。因此應(yīng)滿足如下關(guān)系式。d1×每個(gè)變換器輸入直流母線的有功功率和電流分別為：Pi=（vi2-vIj=（vi-v0）其中Roi將(3-1)式帶入(3-4)式中，得到:Ij=（Vdc*-dj×iIj=（Vdc*-v0)÷(R經(jīng)過整理得到：Pi=（Vdc*-dj×ij）×ij=（Vdc(3-7)將(3-6)式帶入(3-1)中得到兩個(gè)變換器輸出電壓差值為：?V=V2-V1=d1×i1-d2×i2=（vdc*（3-8）為了使d1×那么?V就應(yīng)該為零，所以d又根據(jù)(3-1)式，電流偏差?ij?ij又因?yàn)?V=所以ep%=p1其中V*下垂率為：a%=?V÷V*3.2直流下垂控制原理對于每一個(gè)單元，重要的是如何控制直流電網(wǎng)，電壓抑制循環(huán)電流最好的方法之一是引入所謂“自主控制”通信的任何信息單元，在可靠性拓展和維護(hù)由于存在電壓差控制和檢測錯(cuò)誤，如果每個(gè)單元控制獨(dú)立的直流輸出電壓，即直流電網(wǎng)電壓過度環(huán)狀電流可能流入直流電網(wǎng)。每個(gè)單元應(yīng)保持循環(huán)電流零連接到直流電網(wǎng)系統(tǒng)中，且采用合適的控制方法為每個(gè)單元，他們?nèi)缦滤荆海?）并網(wǎng)逆變器和電池能量存儲的控制方法在電池能量存儲單元直流電壓控制器使用當(dāng)前的參考電流Idc*。直流電壓Vdc達(dá)到它的參考電壓Vdc*。電流控制器處理的PWM暫波器使電池電流由Ibt下降到Ibt*。如果電池滿電或無電。這個(gè)電池充電或不充電的控制者將使Ibt為0。在并網(wǎng)逆變器中直流電壓控制器使電流參數(shù)I圖3.1直流輸出側(cè)的電路增加一路直流輸出電流的直流電壓控制系統(tǒng)這個(gè)電池單元和這個(gè)并網(wǎng)逆變器單元都有各自的直流電壓控制器每個(gè)單元的輸出特性類似一個(gè)電壓源，在每個(gè)單元的電壓控制如果有一個(gè)錯(cuò)誤，會有循環(huán)電流流動。減少當(dāng)前容易，只有一個(gè)阻抗組件之間要把每個(gè)單元的輸出直流電網(wǎng)。然而這種方法是不切實(shí)際的鏈接組件是觀念伴隨著損失，增加成本，并在每個(gè)單元大小看圖3.1（a）。因此圖3.1（a）展示一個(gè)被提出的解決方案，直流電壓控制系統(tǒng)需要以下反饋過程，單元的輸出直流電流Idc被測到時(shí)，并且它乘以增益K，該合成信號減去參考電壓Vdc*如果這個(gè)直流輸出電壓VVdc=Vdc0-K×IdcK·Idc顯示這電壓降并且K類似一個(gè)等效電阻。因此，即使電阻實(shí)際上不是通過插入環(huán)狀電流而是通過添加K·I（2）K的設(shè)計(jì)由于等效阻抗是一個(gè)電阻，K為實(shí)常數(shù)直流電網(wǎng)的額定電壓為345±K=?Vdc×Vdcmin÷Pu?Vdc為電壓變化大概在8V左右，Vdcmin是V圖3.2展示了輸出電壓與輸出電流的關(guān)系;這個(gè)包含等效電阻的區(qū)域和這個(gè)斜線表示額定電力。如果其他單元與不同容量連接到直流電網(wǎng)，等效電阻K計(jì)算使用方程（3），5千瓦的單元，K取0.54.圖3.2中虛線表示5千瓦的輸出電流與輸出電壓的關(guān)系。這個(gè)5千瓦和10千瓦與這直流電網(wǎng)相連且電壓達(dá)到340V。每個(gè)單元的電流值如下；Idc10k=（345-340）÷0.27=18.5A（圖3.3Idc5k=（345-340）÷0.54=9.259(圖Idc10k是功率為10千瓦時(shí)的電流值，I發(fā)電機(jī)組控制在太陽能電池發(fā)電機(jī)組，MPPT最大功率跟蹤控制器的參考電流為Ipv*，使發(fā)電功率保持在最大功率，電流控制器的PWM升壓暫波器生成限制器限制電流Ipv到一個(gè)合適的值，直流電網(wǎng)電壓超過最大電壓時(shí)。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中最大功率跟蹤控制器產(chǎn)生速度參考值W*保持發(fā)電功率在最大功率，速度控制器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩電流分量的參考電流為I太陽能和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制直流電網(wǎng)的電流源。參見圖3.3每個(gè)單元的輸出等于從MPPT控制器給出參考直流電流。直流電壓是沒有控制的。有一個(gè)循環(huán)發(fā)電單元之間的單位和其他單位連接到電流源。直流電網(wǎng)電壓是由一個(gè)控制單元控制的。例如，當(dāng)只有一個(gè)發(fā)電單元和一個(gè)AC逆變器連接到網(wǎng)絡(luò)。直流電壓的直流電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)，被認(rèn)為是如下。圖3.2（a）表示一種等效電路。當(dāng)發(fā)電機(jī)的等效串聯(lián)電阻的輸出為10A時(shí)，它被視為是交流逆變器。下面是直流電壓VdcVdc=345+0.27×10=347.7V用公式編輯器完成所有公式(3-11)用公式編輯器完成所有公式圖3.2a.發(fā)電機(jī)組直流側(cè)電路圖3.3直流電網(wǎng)電壓特性的直流輸出電流b.太陽能單元的控制器3.3直流下垂控制器設(shè)計(jì)3.3.1電壓下垂控制圖3.4電壓下垂控制原理圖每個(gè)下垂控制器都可以模擬了一個(gè)阻抗，在變換器輸出電壓減小時(shí)增加供應(yīng)電流。在一個(gè)中心的控制下不需要這個(gè)策略，直流微網(wǎng)中互相連接的平行變換器的電流共享在這個(gè)策略中提高了?；谶@些，我們提出了一個(gè)關(guān)于直流－直流變換器采用的電壓下垂的控制方案，如圖3.5所示。圖3.5DC/DC變換器的電壓下垂控制方案利用了一個(gè)低通的濾波器來截止諧波頻率和減緩直流母線電壓的快速震蕩。根據(jù)圖示我們可以采用下述公式來計(jì)算：Pref=G(s)【Uref－（Wlp÷（S+Wlp））×U式中:補(bǔ)償器傳遞函數(shù)為G(s);參考電壓是Uref;低通的濾波器截止頻率為Wlp;變換器的耦合點(diǎn)直流微網(wǎng)的電壓為變換器的參考電流可由（5）式計(jì)算得出，如下:Iref=pref÷US式中，直流源電壓為Us3.3.2電壓下垂控制設(shè)計(jì)1.變換器的設(shè)計(jì)變換器負(fù)斜率的特性在曲線坐標(biāo)方程中可以看做下垂控制方案。對此，本節(jié)將研究介紹兩種變換器，比例和比例積分控制器兩種變換器，分別研究平行變換器接入直流微網(wǎng)時(shí)的不同的表現(xiàn)。(1)比例控制器比例控制器能夠設(shè)計(jì)成基于變換器操作的特性下給它強(qiáng)加下垂增益，這時(shí)一系列的電阻就會由直流源產(chǎn)生如Rdn，Kp為傳遞函數(shù)增益。它G(s)=KP=1÷Rdn(這里變換器數(shù)量由下標(biāo)n表示。將式(3-11)帶入式(3-9)，如果有一個(gè)0dB低通的濾波器源，那么對其額定功率的波紋表達(dá)式可表示為如下：Prdten=δn(1－δn)Urefn2÷相關(guān)的變換器的額定功率輸出的電壓下垂增益或叫標(biāo)稱的下垂增益為δn=（1-UPrdten、Urefn、δn作為源定義，被定義之后就能計(jì)算出Rdn的值。變換器所產(chǎn)生得良好電壓規(guī)律可由一條平滑下垂曲線表示出，但是負(fù)載的共享特會性變差也可由這種情況產(chǎn)生，也就是說好的負(fù)載Cdcconv=4÷(Rd×Wlp（2）比例積分控制器穩(wěn)態(tài)誤差可以由比例積分控制器消除，如下式所示：G(s)=Kp【1+1/S×Ti】(控制器的積分時(shí)間常數(shù)為式中的TiP控制器的方法同樣也可以計(jì)算Pi控制器，下面等式計(jì)算可以計(jì)算TiTi=4÷Wlp(3.3.3微源的下垂控制因?yàn)樾履茉吹姆植季哂蟹稚⑿裕瑢τ诜植际桨l(fā)電系統(tǒng)，其逆變器的統(tǒng)一控制非常困難，為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，通常通過下垂的特性對逆變器實(shí)施控制。電壓下垂控制基本不必要使用通訊設(shè)備，通過測量逆變器自身的輸出電壓的大小，可實(shí)時(shí)對電壓進(jìn)行調(diào)整。直流微電網(wǎng)中各個(gè)分布式電源以母線電壓為參考值，根據(jù)下垂特性，改變各微源的出力，保證微電網(wǎng)直流母線電壓在穩(wěn)定范圍內(nèi)波動。由于各分布式電源作用和容量不同，各微源的下垂系數(shù)一般也選擇不同的值。多個(gè)逆變器并列運(yùn)行時(shí)，它的下垂特性如圖3.6所示。圖3.6下垂特性曲線直流母線電壓穩(wěn)定波動范圍的最大值為圖3.6中的UH；直流母線電壓穩(wěn)定的最小值為圖3.6中的UL；系統(tǒng)直流母線額定電壓為a1p1=a2p2=a3p3式中Pn、a3.3.4直流變壓技術(shù)DC/DC變換器在在高壓直流系統(tǒng)中還沒有得到應(yīng)用，但是，這種解決方案已經(jīng)被廣泛的得到了認(rèn)可。直流電網(wǎng)中，DC/DC變換器現(xiàn)在主要應(yīng)用于已經(jīng)建成的高壓直流輸電線路電壓等級不同的直流端互聯(lián)，比如波羅地海和北海中有多條高壓直流輸電線路相對臨近可以采用DC/DC變化器使他們互聯(lián)，并且應(yīng)用到直流輸電線路的潮流調(diào)節(jié)當(dāng)中。由于統(tǒng)一的電壓標(biāo)準(zhǔn)在直流電網(wǎng)中還沒存在，因此存在多種電壓等級的直流線路，如果將這些電壓等級不同的直流線路連接起來形成網(wǎng)絡(luò)，并且應(yīng)充分快速的提高直流電網(wǎng)運(yùn)行的靈活性，必不可少的設(shè)備就是DC/DC變換器。到目前為止DC/DC變換器并沒有應(yīng)用到直流傳輸領(lǐng)域，但在未來的直流電網(wǎng)中將會得到廣泛的應(yīng)用。在理想的情況下，DC/DC變換器應(yīng)具備以下功能：變比可控、較高，階梯型變比，可以連接不同電壓等級的直流系統(tǒng)；能夠連接不同類型的換流器；極間功率平衡的直流系統(tǒng)，潮流方向雙向可控；低造價(jià)、低損耗、體積小；可以耐受一定的故障電流如今的DC/DC變換器大都集中在低功率場合，很難適用于高壓直流輸電系統(tǒng)，所以我們需要從原理研究、拓補(bǔ)設(shè)計(jì)、絕緣保護(hù)、性能比較等多方面考慮與研究設(shè)計(jì)新型的DC/DC變換器來適應(yīng)高壓直流電網(wǎng)的使用。已經(jīng)被廣泛認(rèn)可的DC/DC變換器類型有如下幾種：雙閥DC/DC變換器，最簡單的結(jié)構(gòu)如下圖3.7：通過恰當(dāng)?shù)腜WM觸發(fā)相應(yīng)的閥，就會使Udc1與U圖3.7雙閥直流-直流變換器結(jié)構(gòu)圖直流-直流變換器的軟開關(guān)直流-直流變換器能夠通過軟開關(guān)技術(shù)提高其性能，它的結(jié)構(gòu)如下圖3.8：圖3.8直流-直流變換器軟開關(guān)電路優(yōu)點(diǎn)：損耗小、閥的造價(jià)低電路缺點(diǎn)：需要額外加一臺高頻變壓器、換流器閥的數(shù)量多一倍（閥是損耗產(chǎn)生的主要部分）。串聯(lián)的直流-直流變換器，其結(jié)構(gòu)如下圖3.9：為了進(jìn)一步降低變換器的成本，可以通過利用采用可關(guān)斷器件的變換器的高度可以控制性來輔助直流電網(wǎng)的控制系統(tǒng)。用Visio用Visio畫圖圖3.9串聯(lián)直流-直流變換器結(jié)構(gòu)圖3.4改進(jìn)的下垂控制器設(shè)計(jì)如下圖3.10所示為改進(jìn)電壓下垂控制框圖：當(dāng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸入電壓調(diào)節(jié)器應(yīng)該為零dj只要我們Ke選擇相同，那么全部的變換器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)等式的右側(cè)是始終不變的即：dj電流誤差?ij,可以用負(fù)載電壓誤差?i對于兩個(gè)變換器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)P1?Vep負(fù)載電壓可表示為：V0dj×3.5本章小結(jié)本章作為本文的核心內(nèi)容系統(tǒng)的介紹了直流下垂控制的關(guān)鍵下垂控制器的設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)下垂控制器中直流下垂控制對功率平衡的影響，其中直流下垂控制對功率平衡的影響是通過計(jì)算直觀的展現(xiàn)出下垂控制系數(shù)與功率成反比的關(guān)系。而下垂控制器的設(shè)計(jì)則是通過簡述了電壓下垂的結(jié)構(gòu)及其控制的原理和介紹了電壓下垂控制的設(shè)計(jì)中的兩個(gè)控制器來闡述的，兩個(gè)控制器分別為比例控制器和比例積分控制器。第四章系統(tǒng)仿真研究4.1直流微網(wǎng)下垂控制的建模4.1.1PSCAD簡介由于本文的仿真時(shí)采用PSCAD軟件，所以首先我先介紹一下PSCAD軟件。PSCAD/EMTDC是一種世界各國廣泛使用的電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真程序。PSCAD/EMTDC仿真軟件分為兩個(gè)主要部分：（1）EMTDC（Electro-MagneticTransientprogramforDC）是一個(gè)離線的電磁暫態(tài)計(jì)算程序，是PSCAD/EMTDC仿真的核心。它有精確的直流元件模型、方便的數(shù)據(jù)輸入方式以及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能，是進(jìn)行直流系統(tǒng)分析和工程研究的有力工具。（2）PSCAD（PowersystemcomputerAidedDesign）作為EMTDC的圖形用戶界面，完成所要研究系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖的構(gòu)建、仿真運(yùn)行和結(jié)果分析等任務(wù)。其主要功能為可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中斷路器操作、故障及雷擊時(shí)出現(xiàn)的過電壓、可對包含復(fù)雜非線性元件（如直流輸電設(shè)備）的大型電力系統(tǒng)進(jìn)行全三相的精確模擬，其輸入、輸出界面非常直觀、方便進(jìn)行電力系統(tǒng)時(shí)域或頻域計(jì)算仿真電力系統(tǒng)諧波分析及電力電子領(lǐng)域的仿真計(jì)算實(shí)現(xiàn)高壓直流輸電、FACTS控制器的設(shè)計(jì)。4.1.2直流微網(wǎng)下垂控制模型在PSCAD環(huán)境下實(shí)現(xiàn)直流微網(wǎng)的下垂控制仿真，其等效電路如圖4.1所示：圖4.1直流微網(wǎng)等效電路圖4.1*直流微網(wǎng)仿真電路圖其主要結(jié)構(gòu)包括：兩個(gè)直流輸入源、兩個(gè)Boost直流變換器、下垂控制器等；該系統(tǒng)由兩個(gè)BoostDC/DC變換器實(shí)現(xiàn)直流側(cè)母線電壓的穩(wěn)定，且采用雙閉環(huán)控制。根據(jù)直流電壓—電流（U-I）下垂特性曲線表示為：（4-1）式（1）中，k為下垂系數(shù)，為輸出直流電壓參考值，為直流側(cè)輸出電流，為直流側(cè)輸出電壓。下垂系數(shù)k設(shè)計(jì)，下列公式可推出：（4-2）式（13）中為電壓變化值，；為直流源輸出額定功率；為直流源輸出額定電流。圖4.2直流微網(wǎng)下垂控制方案圖4.3下垂控制器控制框圖直流微網(wǎng)下垂控制方案如圖2所示。其中下垂控制器框圖如圖3所示，控制器由電壓下垂控制和電流控制環(huán)構(gòu)成。4.2仿真結(jié)果及分析例1：刪除例1、2等。由兩個(gè)輸入源給一個(gè)直流負(fù)載供電時(shí)，等效電路如圖4所示。假設(shè)直流源輸出額定功率，負(fù)載額定功率PL=10kW，輸出直流電壓參考值=400V，直流電壓變化值=20V。刪除例1、2等。圖4.4直流微網(wǎng)等效電路1可推出：（4-3）（4-4）（4-5）由基爾霍夫電流定律，可得（4-6）即，Vdc=390.24V，I1=I2=12.2A，負(fù)載電流IL=24.4A。PSCAD軟件仿真參數(shù)設(shè)置：Uref=400V，下垂系數(shù)k1=k2=0.8Ω，負(fù)載電阻RL=16Ω。仿真結(jié)果如圖4.5所示，直流負(fù)載RL接入直流微網(wǎng)，直流電壓穩(wěn)定在約391V（直流電壓放大圖），理論計(jì)算值為390.24V，與理論計(jì)算相對誤差為0.26%。圖4.5所示為仿真運(yùn)行時(shí)直流負(fù)載電流波形，電流約為24.4A，實(shí)際電流與理論結(jié)果幾乎一致。圖4.6所示為仿真運(yùn)行時(shí)直流側(cè)輸出電流波形，其中藍(lán)色部分為輸入源1的輸出電流，約為12A，綠色部分為輸入源2的輸出電流，約為12A，與理論計(jì)算結(jié)果幾乎一致。（a）直流母線電壓（b）直流母線電壓放大圖圖4.5例1仿真運(yùn)行直流母線電壓（a）直流負(fù)載電流（b）直流負(fù)載電流放大圖圖4.5例1仿真運(yùn)行直流負(fù)載電流圖4.6例1仿真運(yùn)行直流側(cè)輸出電流由兩個(gè)輸入源給一個(gè)直流負(fù)載供電時(shí)，等效電路如圖7所示。假設(shè)直流源輸出額定功率，，負(fù)載額定功率PL=10kW，輸出直流電壓參考值=400V，直流電壓變化值=20V。圖4.7直流微網(wǎng)等效電路2可推出：（4-7）（4-8）（4-9）（4-10）（4-11）由基爾霍夫電流定律，可得（4-12）即，Vdc=387V，I1=16.25A，I2=8.125A，負(fù)載電流IL=24.375A。PSCAD軟件仿真參數(shù)設(shè)置：Uref=400V，下垂系數(shù)k1=0.8Ω，k2=1.6Ω，負(fù)載電阻RL=16Ω。仿真結(jié)果如圖4.7所示，直流負(fù)載RL接入直流微網(wǎng)，直流電壓穩(wěn)定在約387.5V（直流電壓放大圖），理論計(jì)算值為387V，與理論計(jì)算相對誤差為0.13%。圖4.8所示為仿真運(yùn)行時(shí)直流負(fù)載電流波形，電流約為24.25A，理論計(jì)算值為24.375A，與理論計(jì)算相對誤差為0.52%。圖4.9所示為仿真運(yùn)行時(shí)直流側(cè)輸出電流波形，其中綠色部分為輸入源1的輸出電流，約為16A，藍(lán)色部分為輸入源2的輸出電流，約為8A。（a）直流母線電壓（b）直流母線電壓放大圖圖4.7例2仿真運(yùn)行直流母線電壓（a）直流負(fù)載電流（b）直流負(fù)載電流放大圖圖4.8例2仿真運(yùn)行直流負(fù)載電流圖4.9例2仿真運(yùn)行直流側(cè)輸出電流例3：由兩個(gè)輸入源給一個(gè)直流負(fù)載供電時(shí)，等效電路如圖4.10所示。假設(shè)直流源輸出額定功率，負(fù)載額定功率PL=20kW，輸出直流電壓參考值=400V，直流電壓變化值=20V，線路阻抗rline1=0.8Ω。圖4.10直流微網(wǎng)等效電路3可推出：（4-13）（4-14）（4-15）由基爾霍夫電流定律，可得（4-16）（4-17）即，Vdc=375V，=387.5V，I1=15.6A，I2=31.25A，負(fù)載電流IL=46.85A。PSCAD軟件仿真參數(shù)設(shè)置：Uref=400V，下垂系數(shù)k1=k2=0.8Ω，負(fù)載電阻RL=8Ω，線路阻抗rline1=0.8Ω。仿真結(jié)果如圖4.11所示，直流負(fù)載RL接入直流微網(wǎng)，直流電壓Vdc（紅色）穩(wěn)定在約375V，直流電壓（綠色）穩(wěn)定在約388V，理論計(jì)算值為387.5V，與理論計(jì)算相對誤差為0.13%。圖4.12所示為仿真運(yùn)行時(shí)直流負(fù)載電流波形，電流約為47A，理論計(jì)算值為46.85A，與理論計(jì)算相對誤差為0.32%。圖4.13所示為仿真運(yùn)行時(shí)直流側(cè)輸出電流波形，其中綠色部分為輸入源1的輸出電流，約為17A，藍(lán)色部分為輸入源2的輸出電流，約為29.8A，與理論計(jì)算相對誤差分別為8.9%和4.8%。（a）直流電壓（b）直流電壓放大圖圖4.11例3仿真運(yùn)行直流電壓（a）直流負(fù)載電流（b）直流負(fù)載電流放大圖圖4.12例3仿真運(yùn)行直流負(fù)載電流圖4.13例3仿真運(yùn)行直流側(cè)輸出電流由兩個(gè)輸入源給一個(gè)直流負(fù)載供電時(shí)，等效電路如圖4.14所示。假設(shè)直流源輸出額定功率，負(fù)載額定功率PL=20kW，輸出直流電壓參考值=400V，直流電壓變化值=20V，線路阻抗rline1=0.8Ω，線路阻抗rline2=2Ω。圖4.14直流微網(wǎng)等效電路4可推出：（4-18）（4-19）（4-20）由基爾霍夫電流定律，可得（4-21）（4-22）（4-23）即，Vdc=354.84V，=377.42V，=387.097V，I1=28.225A，I2=16.13A，負(fù)載電流IL=44.35A。PSCAD軟件仿真參數(shù)設(shè)置：Uref=400V，下垂系數(shù)k1=k2=0.8Ω，負(fù)載電阻RL=8Ω，線路阻抗rline1=0.8Ω，線路阻抗rline2=2Ω。仿真結(jié)果如圖4.15所示，直流負(fù)載RL接入直流微網(wǎng)，直流電壓Vdc（淺藍(lán)色）穩(wěn)定在約355.5V，直流電壓（綠色）穩(wěn)定在約378V，直流電壓（紅色）穩(wěn)定在約388V。上述各電壓與理論計(jì)算值的相對誤差分別為0.19%、0.15%和0.23%。圖4.16所示為仿真運(yùn)行時(shí)直流負(fù)載電流波形，電流約為44.5A，理論計(jì)算值為44.35A，與理論計(jì)算相對誤差為0.34%。圖4.17所示為仿真運(yùn)行時(shí)直流側(cè)輸出電流波形，其中綠色部分為輸入源1的輸出電流，約為27.5A，藍(lán)色部分為輸入源2的輸出電流，約為16.8A，與理論計(jì)算相對誤差分別為2.5%和4.2%。（a）直流電壓（b）直流電壓放大圖圖4.15例4仿真運(yùn)行直流電壓（a）直流負(fù)載電流（b）直流負(fù)載電流放大圖圖4.16例4仿真運(yùn)行直流負(fù)載電流圖4.17例4仿真運(yùn)行直流側(cè)輸出電流由兩個(gè)輸入源給一個(gè)直流負(fù)載供電時(shí)，等效電路如圖4.18所示。假設(shè)直流源輸出額定功率，，負(fù)載額定功率PL=10kW，輸出直流電壓參考值=400V，直流電壓變化值=20V，線路阻抗rline1=0.8Ω，線路阻抗rline2=2Ω。圖4.18直流微網(wǎng)等效電路5可推出：（4-24）（4-25）（4-26）（4-27）（4-28）由基爾霍夫電流定律，可得（4-29）（4-30）（4-31）即，Vdc=374.1V，=387.05V，=388.49V，I1=16.19A，I2=7.195A，負(fù)載電流IL=23.385A。PSCAD軟件仿真參數(shù)設(shè)置：Uref=400V，下垂系數(shù)k1=0.8Ω，k2=1.6Ω，負(fù)載電阻RL=16Ω，線路阻抗rline1=0.8Ω，線路阻抗rline2=2Ω。仿真結(jié)果如圖4.19所示，直流負(fù)載RL接入直流微網(wǎng)，直流電壓Vdc（淺藍(lán)色）穩(wěn)定在約374V，直流電壓（綠色）穩(wěn)定在約387.5V，直流電壓（紅色）穩(wěn)定在約389.5V。上述各電壓與理論計(jì)算值的相對誤差分別為0.03%、0.12%和0.26%。圖4