畢業(yè)論文-基于能源路由器的智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究

湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)HUNANUNIVERSITY畢業(yè)論文論文題目基于能源路由器的智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究學(xué)生姓名學(xué)生學(xué)號(hào)專(zhuān)業(yè)班級(jí)學(xué)院名稱(chēng)指導(dǎo)老師學(xué)院院長(zhǎng)2015年5月日第頁(yè)緒論1.1本課題的研究背景及其意義近幾年來(lái)可再生能源，主要是光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的高速發(fā)展，特別是歐洲、日本等，功率等級(jí)已經(jīng)從MV（兆瓦）上升到GW（吉瓦）。若采取單獨(dú)運(yùn)行（孤島）方式，需要有龐大的儲(chǔ)能裝置（一般的蓄電池已不可能做到），故急需解決與系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行方式。由于這兩種新能源發(fā)電很不穩(wěn)定，容易造成大電網(wǎng)不穩(wěn)定。若將傳統(tǒng)電網(wǎng)改成“智能電網(wǎng)”，負(fù)荷調(diào)峰（電網(wǎng)穩(wěn)定）等問(wèn)題可迎刃而解。與此同時(shí)，美國(guó)在能源建設(shè)方面的高投入成為世界性的“智能電網(wǎng)”開(kāi)發(fā)的重要契機(jī)，隨之美國(guó)在該項(xiàng)技術(shù)上也處于世界領(lǐng)先的地位。2009年2月17日美國(guó)總統(tǒng)批準(zhǔn)“再生、再投資法”撥款高達(dá)3110億美元，其中能源建設(shè)占有較大份額。能源開(kāi)發(fā)部分（含智能電網(wǎng)）撥款高達(dá)110億美元。其主要用于智能電網(wǎng)的建設(shè)，具體為提高輸配電網(wǎng)的可靠性和效率。同時(shí)與智能電網(wǎng)關(guān)聯(lián)的項(xiàng)目，如可再生能源、高性能蓄電池研究、電動(dòng)汽車(chē)研究等也占有115億美元的份額。世界各國(guó)也同時(shí)紛紛響應(yīng)對(duì)智能電網(wǎng)的研發(fā)，各國(guó)對(duì)智能電網(wǎng)的概念各有各的說(shuō)法，但不完全統(tǒng)一。例如，歐洲技術(shù)論壇認(rèn)為未來(lái)電網(wǎng)應(yīng)該具有高靈活性、高可靠性、高可接入性、高經(jīng)濟(jì)型等，因此，歐洲諸國(guó)對(duì)智能電網(wǎng)的研究重點(diǎn)放在可再生能源的應(yīng)用于節(jié)能減排方面；而美國(guó)人則認(rèn)為未來(lái)電網(wǎng)應(yīng)更加堅(jiān)強(qiáng)、可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效，且更為環(huán)境友好，把電力網(wǎng)現(xiàn)代化置于國(guó)家的戰(zhàn)略地位，近期重點(diǎn)放在輸電可靠性、安全性和儲(chǔ)能技術(shù)方面；日本提出要建設(shè)一個(gè)“賢明的電網(wǎng)”，目前，日本東京電力公司的電網(wǎng)被認(rèn)為世界上唯一的接近智能電網(wǎng)的系統(tǒng)，日本開(kāi)展智能電網(wǎng)的研發(fā)比較早，且卓有成效，但與歐美不同，研發(fā)完全是大牌公司（富士、三菱、日立）自主研發(fā)，最后形成產(chǎn)品，除企業(yè)外，起核心作用的還有NEDO機(jī)構(gòu)（新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)中心），其操作與中國(guó)的產(chǎn)學(xué)研究機(jī)構(gòu)相似，它集中了日本這方面的人才智庫(kù)，對(duì)智能電網(wǎng)起了核心作用，且已經(jīng)作出貢獻(xiàn)；而我們中國(guó)則明確提出建設(shè)一個(gè)“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”，其中堅(jiān)強(qiáng)是基礎(chǔ)，智能是關(guān)鍵，目的是保障安全、清潔、高效、可持續(xù)的能源和電力供應(yīng)。國(guó)際上“節(jié)能減排”的呼聲日益增高，并且要求指標(biāo)量化，建設(shè)低碳社會(huì)。這樣，不僅要從電力網(wǎng)本身挖掘潛力，而且要利用現(xiàn)代通信及數(shù)字技術(shù)手段，把家庭、辦公室、工廠、商場(chǎng)等均納入智能電網(wǎng)的可控范疇。同時(shí)，通過(guò)筆記本電腦和手機(jī)使用戶(hù)直接了解當(dāng)前負(fù)荷狀況，自覺(jué)減少電力使用量，是用戶(hù)增強(qiáng)節(jié)能意識(shí)。這部分節(jié)能由于是全民性的，其作用不可低估。這里，“智能電網(wǎng)”就要解決發(fā)、配、供電和用戶(hù)之間的信息雙向交流。智能電網(wǎng)的建設(shè)成為了一項(xiàng)十分重要的任務(wù)，它即可以緩解傳統(tǒng)的依賴(lài)于不可再生能源的集中式發(fā)電方式所帶來(lái)環(huán)境壓力和能源壓力，還可以滿足現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展而對(duì)電力系統(tǒng)所提出的高供電可靠性等要求[1-6]。1.2智能電網(wǎng)概述現(xiàn)有電網(wǎng)采用一種由發(fā)電、輸電配電等環(huán)節(jié)構(gòu)成的垂直結(jié)構(gòu)，并在控制系統(tǒng)和各類(lèi)設(shè)備的支持下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。然而，系統(tǒng)運(yùn)行人員正在面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，例如，在現(xiàn)有系統(tǒng)中接入可再生能源、技術(shù)的快捷革新以及多樣化的市場(chǎng)主體和終端用戶(hù)。作為下一代電網(wǎng)的智能電網(wǎng)[7]，將充分利用通信手段和實(shí)時(shí)測(cè)量技術(shù)來(lái)提高系統(tǒng)的適應(yīng)性和預(yù)測(cè)能力，抵抗來(lái)自?xún)?nèi)部和外部的完全威脅。智能電網(wǎng)的設(shè)計(jì)框架是基于對(duì)現(xiàn)有電力行業(yè)的拆分、重組以及資產(chǎn)優(yōu)化。這個(gè)新一代的電網(wǎng)將能夠：處理調(diào)度計(jì)劃和跨區(qū)能量傳輸中的不確定性；接納可再生能源；優(yōu)化輸配電網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量，滿足對(duì)電能質(zhì)量和可靠性的日益增長(zhǎng)的需求；應(yīng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的難以預(yù)料的事件和各種不確定性，并積極地運(yùn)行規(guī)劃。美國(guó)能源部所設(shè)計(jì)的智能電網(wǎng)架構(gòu)中，將智能電網(wǎng)分為9大區(qū)域，分別為輸電自動(dòng)化、系統(tǒng)協(xié)同與態(tài)勢(shì)評(píng)估、系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度、配網(wǎng)自動(dòng)化、可再生能源接入、能源效率、分布式發(fā)電與儲(chǔ)能、需求參與信號(hào)和方案以及智能家電、PHEV和儲(chǔ)能。未來(lái)智能電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)必須能支持現(xiàn)在配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所不能支持的兩個(gè)基本要求：（1）綜合考慮終端用戶(hù)（分布式電源、電力調(diào)節(jié)設(shè)備、無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備和用戶(hù)能源管理系統(tǒng)）控制和總體配電系統(tǒng)控制，以達(dá)到系統(tǒng)性能的優(yōu)化，取得期望的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量。（2）支持高比重的分布式電源，以提高系統(tǒng)的整體性、效率和靈活性。如通過(guò)協(xié)同的、分布式的控制，可以利用分布式電源來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)的性能；而在發(fā)生重大系統(tǒng)故障時(shí)可以利用它們進(jìn)行局部供電（微型電網(wǎng)）[8]。現(xiàn)有電網(wǎng)中存在一系列因素使其不能有效地滿足供電可靠性的要求。表1.1將現(xiàn)有電網(wǎng)和智能電網(wǎng)做了比較。表1.1現(xiàn)有電網(wǎng)和智能電網(wǎng)的比較期望的特點(diǎn)現(xiàn)有電網(wǎng)智能電網(wǎng)用戶(hù)的主動(dòng)參與兼容所有發(fā)電和儲(chǔ)能形式新產(chǎn)品、服務(wù)和市場(chǎng)為數(shù)字經(jīng)濟(jì)提供高質(zhì)量電能資產(chǎn)優(yōu)化利用和高效運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)的預(yù)測(cè)與應(yīng)變能力（自愈能力）抵御信息攻擊與自然災(zāi)害的能力信息對(duì)用戶(hù)不透明，用戶(hù)不能參與互動(dòng)以集中式發(fā)電為主，分布式能源的接入存在很多障礙有限的、集成度很差的躉售市場(chǎng)；用戶(hù)有限的參與機(jī)會(huì)重點(diǎn)關(guān)注停運(yùn)，而對(duì)電能質(zhì)量問(wèn)題則響應(yīng)很慢運(yùn)行數(shù)據(jù)與資產(chǎn)管理缺乏集成，業(yè)務(wù)流程陷入簡(jiǎn)倉(cāng)模式立足于防止事故的進(jìn)一步擴(kuò)大；強(qiáng)調(diào)故障后對(duì)資產(chǎn)的保護(hù)易收到恐怖襲擊和自然災(zāi)害的影響，響應(yīng)速度慢提供充分的信息，用戶(hù)通過(guò)需求響應(yīng)和分布式能源主動(dòng)參與互動(dòng)存在大量“即插即用”、可再生的分布式能源成熟、高度集成的躉售市場(chǎng)；新興電力市場(chǎng)的增長(zhǎng)有限保證電能質(zhì)量，有各種各樣的質(zhì)量/價(jià)格方案可供選擇，快速處理問(wèn)題極大擴(kuò)展了電網(wǎng)參數(shù)的采集范圍；注重事故預(yù)警，以盡量減少對(duì)用戶(hù)的影響對(duì)事故的自動(dòng)檢測(cè)和響應(yīng)；通過(guò)持續(xù)的預(yù)測(cè)分析來(lái)防患于未然對(duì)信息攻擊與自然災(zāi)害具有抵御能力，快速的系統(tǒng)恢復(fù)能力1.3能源路由器在智能電網(wǎng)中的地位及其作用在互聯(lián)網(wǎng)上，路由器在數(shù)據(jù)傳輸中扮演著至關(guān)重要的作用，同樣，在智能電網(wǎng)中，我們需要能源路由器管理電能的傳輸和分配，能源路由器將成為智能電網(wǎng)的一個(gè)關(guān)鍵組成部分[9]。為了了解智能電網(wǎng)對(duì)于能源路由器的依賴(lài)關(guān)鍵，我們首先概述智能電網(wǎng)的功能預(yù)期，然后討論能源路由器如何支持這些功能。作為現(xiàn)有電力系統(tǒng)的全面升級(jí)，智能電網(wǎng)包含了大量的新特性，其中最重要的是對(duì)可再生能源資源的包容和優(yōu)化能源使用的智能能源管理。特別，智能電網(wǎng)的功能可以分為以下七個(gè)領(lǐng)域：批量生成域、傳輸域、分配域、操作域、市場(chǎng)域、客戶(hù)域和服務(wù)提供者域。能源路由器是一個(gè)在智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)中的有利技術(shù)組件。接下來(lái)我們討論一下能源路由器在每一個(gè)領(lǐng)域的作用。1.批量生成域：能源主要是從分布式能源資源所產(chǎn)生的。這些能源通常連接到當(dāng)?shù)氐挠秒娯?fù)荷。當(dāng)?shù)氐墓?yīng)超過(guò)需求時(shí)，剩余的能量通過(guò)能源路由器流入電網(wǎng)；當(dāng)?shù)氐哪茉闯嘧謺r(shí)，電網(wǎng)通過(guò)能源路由器提供所需的能量。2.傳輸域：傳輸域負(fù)責(zé)將能源從產(chǎn)生地傳輸?shù)较M(fèi)者。由于分布式能源資源的存在，傳輸域需要在滿足當(dāng)?shù)氐男枨蠛筮€有剩余的能源時(shí)，動(dòng)態(tài)地調(diào)度能量來(lái)源處剩余的能源。3.分布域：能量的分布是通過(guò)能源路由器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)用戶(hù)的要求隨著時(shí)間而改變，能源路由器也負(fù)責(zé)跟蹤需求的變化來(lái)動(dòng)態(tài)地調(diào)整能量分布。4.操作域：為了操作優(yōu)化，電網(wǎng)的狀態(tài)信息必須從不同的客戶(hù)收集，例如當(dāng)前的分布式能源發(fā)電能力和當(dāng)前的能源需求。這些狀態(tài)信息從輸電領(lǐng)域和配電領(lǐng)域中使用的能源路由器獲得。5.市場(chǎng)域：因?yàn)檫@個(gè)領(lǐng)域的目的是實(shí)現(xiàn)供給和需求之間的平衡，所以能源供應(yīng)和需求的信息必須從電網(wǎng)的各個(gè)部分收集以確保市場(chǎng)域的操作正確。信息的收集取決于部署在整個(gè)電網(wǎng)的能源路由器。6.客戶(hù)域：客戶(hù)通過(guò)能源路由器從電網(wǎng)購(gòu)買(mǎi)電能。當(dāng)然客戶(hù)也可以以可再生資源費(fèi)發(fā)電，能源路由器會(huì)調(diào)節(jié)其連接客戶(hù)的能量需求和供應(yīng)。如果客戶(hù)的發(fā)電總量超過(guò)他自己的電能需求，多余的電能可以通過(guò)能源路由器售回給電網(wǎng)。7.服務(wù)提供者域：提供者既有自己的能源生產(chǎn)設(shè)施，也有從分布式可再生能源資源購(gòu)買(mǎi)電能，然后將電能賣(mài)給客戶(hù)。他們需要當(dāng)前的能源供應(yīng)和需求信息來(lái)優(yōu)化他們的服務(wù)。信息的采集依賴(lài)于能源路由器。第二章智能電網(wǎng)建設(shè)中的主要關(guān)鍵技術(shù)2.1核心設(shè)備：能源路由器2.1.1能源路由器的設(shè)計(jì)要求能源路由器在智能電網(wǎng)中承擔(dān)著重要的電力控制功能來(lái)執(zhí)行正確和高效的能源管理[10]。能源路由器是電力電子技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的融合。因此，它的設(shè)計(jì)要求包括以下三個(gè)方面。1.電力電子技術(shù)方面的要求能源路由器需要電力電子技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)能源分布分布和管理。從上一章第三節(jié)的討論中我們知道，能源路由器實(shí)時(shí)地從電網(wǎng)收集電力供需信息，然后動(dòng)態(tài)地按照供需信息調(diào)整電力分配。電力電子作為能源路由器中智能管理模塊和固態(tài)變壓器的接口，必須能夠快速、可靠地操作，以確保智能管理模塊發(fā)布的命令能夠正確執(zhí)行。2.通信的要求能源路由器的操作依賴(lài)于電網(wǎng)所收集的狀態(tài)信息。例如，當(dāng)能源路由器檢測(cè)到本地負(fù)荷增加時(shí)，它就打開(kāi)光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電；當(dāng)它檢測(cè)到一個(gè)設(shè)備不正常工作時(shí)，他就關(guān)掉這個(gè)設(shè)備。能源路由器之間的通信必須滿足三個(gè)要求：（1）有足夠的快速處理和通信功能；（2）通信必須可靠；（3）通信必須安全。分布式電網(wǎng)智能模塊除了電力電子與通信，能源路由器必須有分布式電網(wǎng)智能模塊來(lái)對(duì)于電網(wǎng)中的能源管理作出明智的判斷。這個(gè)電網(wǎng)智能模塊利用從通信模塊收集的信息，然后通過(guò)能源路由器的配合來(lái)確定電網(wǎng)中的控制變化。因?yàn)槊總€(gè)能源路由器負(fù)責(zé)一個(gè)微型智能電網(wǎng)，所以智能電網(wǎng)的操作決策達(dá)到了從不同的能源路由器收集到的分布式電網(wǎng)狀態(tài)信息的結(jié)合和處理。2.1.2能源路由器的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在這里，我提出一個(gè)能源路由器的體系結(jié)構(gòu)，包含電力電子，通信和分布式電網(wǎng)智能模塊。在輸配電網(wǎng)絡(luò)中，電壓和電流根據(jù)設(shè)備的位置在一個(gè)大范圍內(nèi)變化。在我所提出的能源路由器的設(shè)計(jì)里，我使用一個(gè)20KV固態(tài)變壓器作為例子。這里提出的能源路由器體系結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于其他輕微修改后的帶負(fù)載能力不同的固態(tài)變壓器。在能源路由器的體系結(jié)構(gòu)在下圖中說(shuō)明。圖2.1能源路由器的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電力電子模塊電力電子模塊的核心功能是將電能從高電壓輸電線路轉(zhuǎn)換未不同程度的低電壓供給不同電壓等級(jí)的用電設(shè)備使用。因此，次模塊是由一系列的子變壓器一次連接在一起轉(zhuǎn)換電壓，例如，從7.2KV交流電變換到10KV直流電，從10KV直流電變換到400V直流電，再?gòu)?00V直流電變換到120交流電。供應(yīng)給子變壓器的功率可以從次級(jí)變壓器的輸出端獲得。對(duì)于不同電氣設(shè)備的接口，子變壓器連接到不同的電氣端口。這些端口一方面對(duì)許多用電設(shè)備提供即插即用的電力服務(wù)，另一方面連接到智能電網(wǎng)。通信模塊能源路由器的通信模塊由兩部分組成，一部分是能源路由器里面的內(nèi)部通信，另一部分是不同能源路由器之間的相互通信。內(nèi)部通信組件也被稱(chēng)為如上圖的體系結(jié)構(gòu)中所示的電力通信接口。這個(gè)組件管理固態(tài)變壓器的控制器和各電氣端口之間的通信。內(nèi)部通信組件可以設(shè)計(jì)為設(shè)有嵌入式系統(tǒng)的專(zhuān)用通信板。它提供了通信設(shè)備來(lái)連接到智能電網(wǎng)中的信息交換基礎(chǔ)設(shè)施。網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)包括ZigBee，以太網(wǎng)和無(wú)線局域網(wǎng)。通信板既可以是從SST控制器板分離出來(lái)的獨(dú)立的板塊，也可以是SST控制器板的一個(gè)集成的部分。如果它是一個(gè)獨(dú)立的板，那么兩板之間的連接可以使用串行連接，USB連接或者其他可能的技術(shù)。電網(wǎng)智能模塊電網(wǎng)智能模塊是集成到SST控制板里面的。它從通信模塊收集能源路由器的狀態(tài)信息，然后即在微電網(wǎng)內(nèi)部也在微電網(wǎng)之間優(yōu)化管理能量的生產(chǎn)和分配。該智能模塊的操作決定傳送到電能質(zhì)量管理組件中去，這個(gè)組件相應(yīng)的負(fù)責(zé)改變固態(tài)變壓器的配置。典型的變化包括端口激活，電器附件和電網(wǎng)的連接等等。2.2電力信息物理融合系統(tǒng)（電力CPS）這些年來(lái)，智能電網(wǎng)越來(lái)越受到全國(guó)各界的關(guān)注，智能電網(wǎng)具有如下幾個(gè)重要的功能：自愈性強(qiáng)，可以接入大量的可再生能源資源和分布式電源，供電可靠，電能質(zhì)量?jī)?yōu)越，用戶(hù)側(cè)參與度高等。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的理論、計(jì)算方法和模型已經(jīng)不能滿足智能電網(wǎng)的功能要求，因此，需要發(fā)展新的計(jì)算和通信技術(shù)，以及建立新的物理系統(tǒng)，但是，這些技術(shù)能否有機(jī)地融合在一起運(yùn)行協(xié)作，成了一個(gè)建設(shè)智能電網(wǎng)的重大挑戰(zhàn)，在此基礎(chǔ)背景之下，提出了構(gòu)造電力CPS來(lái)解決這些問(wèn)題[11]。電力CPS的構(gòu)造結(jié)合了通信和計(jì)算方面的最新技術(shù)，并且它是下一代的電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，電力CPS不僅具有了智能電網(wǎng)的各項(xiàng)功能，例如對(duì)可再生資源的支持、對(duì)分布式電源的接納、安全性和可靠性高以及推進(jìn)用戶(hù)參與等；而且，它也可以實(shí)現(xiàn)通信、計(jì)算、控制以及無(wú)縫連接到電力系統(tǒng)，同時(shí)可以與其他CPS子系統(tǒng)協(xié)作以及共享信息。由此可以知道，電力CPS是CPS與智能電網(wǎng)的有機(jī)融合，是一個(gè)有自主行為的、智能化的系統(tǒng)。下圖是結(jié)合了電力系統(tǒng)與CPS所構(gòu)造的電力CPS的一個(gè)體系結(jié)構(gòu)。圖中的實(shí)線和虛線分別表示了電能的流動(dòng)和信息的流動(dòng)。由圖中可以看出，電力CPS主要是由大量的物理設(shè)備（分布式電源、大型發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷等）、數(shù)據(jù)采集設(shè)備（PMU、傳感器、嵌入式數(shù)據(jù)采集器等）和計(jì)算設(shè)備（計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、嵌入式計(jì)算設(shè)備等）組成。當(dāng)中有兩個(gè)大型網(wǎng)絡(luò)連接各種設(shè)備，分別是通信網(wǎng)絡(luò)和輸電、配電網(wǎng)絡(luò)，其中通信網(wǎng)絡(luò)連接各種數(shù)據(jù)采集設(shè)備和計(jì)算設(shè)備，輸電、配電網(wǎng)絡(luò)連接各種物理設(shè)備。圖2.2電力CPS的體系結(jié)構(gòu)電力CPS的主要組成部分有以下幾個(gè)：1.控制中心:控制中心是電力CPS的核心組成部分，它的角色跟傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的調(diào)度中心一樣[12]，它的主要功能有：從所有的數(shù)據(jù)收集設(shè)備中獲得系統(tǒng)的信息；依據(jù)所收集到的系統(tǒng)信息來(lái)修正系統(tǒng)的模型并且進(jìn)行各項(xiàng)分析和系統(tǒng)仿真；根據(jù)分析的結(jié)果以及系統(tǒng)仿真的結(jié)果來(lái)控制物理設(shè)備，并在有需要時(shí)修正其控制器參數(shù)。2.分布式計(jì)算設(shè)備：電力CPS需要有十分強(qiáng)大的信息處理、計(jì)算和分析能力，來(lái)實(shí)現(xiàn)其實(shí)時(shí)性以及優(yōu)化對(duì)所有物理設(shè)備的控制。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的集中式計(jì)算平臺(tái)很難滿足電力CPS的要求。因此，需要構(gòu)建新一代的電力系統(tǒng)計(jì)算平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)的基礎(chǔ)就是網(wǎng)格計(jì)算或者云計(jì)算等分布式計(jì)算技術(shù)。3.通信網(wǎng)絡(luò)：電力CPS的通信網(wǎng)絡(luò)由3個(gè)部分組成，一個(gè)是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)一般用于連接一些活動(dòng)的設(shè)備如電動(dòng)汽車(chē)等，以及連接一些無(wú)線傳感設(shè)備；另一個(gè)是一般有線網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)一般用于連接一些非關(guān)鍵設(shè)備；而最后一個(gè)是電力系統(tǒng)專(zhuān)用的有線網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)可用于連接電力系統(tǒng)中的控制和傳感設(shè)備到控制中心。4.輸配電網(wǎng)絡(luò)：在未來(lái)的輸配電網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，傳感器的數(shù)量將會(huì)有很大程度上的增加。控制中心應(yīng)該與輸配電網(wǎng)絡(luò)中一部分物理設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，甚至在需要的時(shí)候直接控制這些設(shè)備。由于對(duì)大規(guī)模的電力系統(tǒng)實(shí)施集中控制較為復(fù)雜，所以可以采用變電站與控制中心協(xié)同控制的方法。5.電源和負(fù)荷：在將來(lái)電力CPS中接入的各種分布式電源以及負(fù)荷都可以裝上嵌入式的控制系統(tǒng)和信息采集系統(tǒng)，并通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)連接到控制中心。以專(zhuān)門(mén)為CPS而設(shè)計(jì)的專(zhuān)用通信協(xié)議[15]為基礎(chǔ)的通信網(wǎng)絡(luò)給每一個(gè)物理設(shè)備都配備一個(gè)唯一的網(wǎng)絡(luò)地址，以實(shí)現(xiàn)對(duì)這些物理設(shè)備的搜索與識(shí)別。在需要的時(shí)候，控制中心也可以直接控制各種分布式電源和負(fù)荷設(shè)備。2.3基于云計(jì)算的電力系統(tǒng)的計(jì)算平臺(tái)隨著對(duì)智能電網(wǎng)的研究與發(fā)展，國(guó)家已經(jīng)對(duì)傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)提出了新的目標(biāo)與要求，包括信息采集能力較強(qiáng)、計(jì)算能力必須強(qiáng)大、計(jì)算的實(shí)時(shí)性要求較高、計(jì)算的任務(wù)和種類(lèi)較多等，而傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)的集中式計(jì)算平臺(tái)有時(shí)候?yàn)榱嗽诰€計(jì)算而大量簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，從而使得計(jì)算的準(zhǔn)確性大大下降；仿真計(jì)算很多時(shí)候只針對(duì)特定的情況，很難應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)的一些意外情況；過(guò)于依賴(lài)調(diào)度中心的計(jì)算平臺(tái)，計(jì)算能力和信息處理能力不足的同時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力和數(shù)據(jù)分析能力也嚴(yán)重不足。因此傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)計(jì)算平臺(tái)已經(jīng)不能滿足智能電網(wǎng)的發(fā)展要求，需要建設(shè)新一代電力系統(tǒng)的計(jì)算平臺(tái)[16]。云計(jì)算是近幾年來(lái)興起的一種計(jì)算技術(shù)，它代表了一種以因特網(wǎng)為基礎(chǔ)的分布式計(jì)算方式。它具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）可以整合大范圍內(nèi)的差異較大的計(jì)算資源和大部分的計(jì)算設(shè)備，從而形成一個(gè)計(jì)算資源池，作為云計(jì)算平臺(tái)的一部分；（2）可擴(kuò)展性強(qiáng)：因?yàn)樵朴?jì)算平臺(tái)可以整合操作系統(tǒng)不同、計(jì)算和存儲(chǔ)能力不同的分布式計(jì)算設(shè)備，因此在有需要的時(shí)候可以快速地?cái)U(kuò)展其計(jì)算和存儲(chǔ)能力，并且升級(jí)較為方便省時(shí)，不像傳統(tǒng)計(jì)算平臺(tái)那樣需要比較復(fù)雜的升級(jí)過(guò)程和較長(zhǎng)的升級(jí)時(shí)間；（3）應(yīng)用虛擬化技術(shù)：整合了大量計(jì)算資源與設(shè)備的云計(jì)算平臺(tái)，實(shí)際上可以看做是一個(gè)單一的實(shí)體，它可以分配計(jì)算任務(wù)到許多臺(tái)設(shè)備上運(yùn)行，從而充分利用全系統(tǒng)內(nèi)的計(jì)算資源，同時(shí)云計(jì)算平臺(tái)的整體運(yùn)行不會(huì)受到某些單體設(shè)備故障的影響；（4）以因特網(wǎng)為基礎(chǔ)：整合到云計(jì)算平臺(tái)的各個(gè)計(jì)算設(shè)備之間的聯(lián)系是通過(guò)因特網(wǎng)進(jìn)行的，通信的可靠性和安全性都比較高；（5）經(jīng)濟(jì)效益高：云計(jì)算平臺(tái)可以整合電力系統(tǒng)中閑置的一些計(jì)算和存儲(chǔ)資源，避免了資源的浪費(fèi)，同時(shí)，在未來(lái)對(duì)各省電力公司的計(jì)算平臺(tái)的整合可以大大減少電力信息系統(tǒng)的重復(fù)建設(shè)以及可以促進(jìn)信息的共享與系統(tǒng)之間的協(xié)作。云計(jì)算平臺(tái)的組成如下圖所示。圖2.3云計(jì)算的組成由圖中可知，云計(jì)算平臺(tái)可以分為兩部分，一部分是控制中心，另一部分是各個(gè)被整合的計(jì)算資源。用戶(hù)可以通過(guò)手機(jī)、個(gè)人筆記本、臺(tái)式計(jì)算機(jī)或者智能家電等訪問(wèn)終端訪問(wèn)云計(jì)算平臺(tái)，并且通過(guò)因特網(wǎng)把自己的計(jì)算請(qǐng)求發(fā)送到控制中心，控制中心再通過(guò)因特網(wǎng)把用戶(hù)的計(jì)算任務(wù)智能地分配到整合的計(jì)算資源中去，當(dāng)各部分計(jì)算設(shè)備完成計(jì)算后把各部分結(jié)果送回控制中心，再由控制中心把各部分結(jié)果整合后通過(guò)因特網(wǎng)傳到用戶(hù)手中。云計(jì)算平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)圖如下所示。由圖中可以看出，云計(jì)算平臺(tái)可以分成兩個(gè)主要部分，一部分是硬件部分，包括數(shù)據(jù)采集層、用戶(hù)層、物理存儲(chǔ)設(shè)備層和物理計(jì)算設(shè)備層，也就是云計(jì)算平臺(tái)所整合的物理設(shè)備，另一部分就是軟件部分，包括通信網(wǎng)絡(luò)、因特網(wǎng)、Web層、負(fù)荷分配層、數(shù)據(jù)管理層和計(jì)算邏輯層等。其中負(fù)荷分配層、數(shù)據(jù)管理層和邏輯分配層是這個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)的核心部分，當(dāng)用戶(hù)的計(jì)算任務(wù)傳送到負(fù)荷分配層時(shí)，負(fù)荷分配層負(fù)責(zé)計(jì)算任務(wù)分成若干個(gè)子任務(wù)，然后由計(jì)算邏輯層負(fù)責(zé)把計(jì)算任務(wù)分配到具體的計(jì)算設(shè)備中去；當(dāng)結(jié)果計(jì)算出來(lái)之后也通過(guò)計(jì)算邏輯層回饋到負(fù)荷分配層中去，由負(fù)荷分配層返還處理后的結(jié)果給用戶(hù)。同樣，當(dāng)要將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到物理存儲(chǔ)設(shè)備層或者從中提取數(shù)據(jù)時(shí)，也由負(fù)荷分配層通過(guò)數(shù)據(jù)管理層的控制來(lái)完成。圖2.4云計(jì)算平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)電力系統(tǒng)云計(jì)算平臺(tái)的研究尚處于剛剛起步的狀態(tài)，仍然面臨著諸多的挑戰(zhàn)，其中比較重大的幾項(xiàng)是：（1）盡量減少設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)通信的同時(shí)提高算法的并行度；（2）負(fù)荷分配算法的開(kāi)發(fā)：給計(jì)算設(shè)備分配任務(wù)時(shí)要考慮該設(shè)備的計(jì)算能力；（3）盡量?jī)?yōu)化云計(jì)算平臺(tái)的物理結(jié)構(gòu)，減少對(duì)云計(jì)算平臺(tái)運(yùn)行性能的影響；（4）保證數(shù)據(jù)的安全性。2.4本章小結(jié)在這一章里我主要介紹智能電網(wǎng)建設(shè)中的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，包括能源路由器、電力CPS和云計(jì)算。首先提出了能源路由器的設(shè)計(jì)要求，然后提出了一個(gè)可行的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，接著就電力信息物理融合系統(tǒng)簡(jiǎn)述了體系結(jié)構(gòu)和幾個(gè)主要的組成部分，最后簡(jiǎn)單介紹了基于云計(jì)算的電力系統(tǒng)計(jì)算平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)和研究挑戰(zhàn)。能源路由器中電力電子模塊的實(shí)現(xiàn)3.1FREEDM系統(tǒng)中固態(tài)變壓器的功能配置FREEDM（FutureRenewableElectricEnergyDeliveryandManagement）系統(tǒng)，即未來(lái)可再生電能傳輸和管理系統(tǒng)是美國(guó)北卡州立大學(xué)所提出的一個(gè)新型智能微型電網(wǎng)系統(tǒng)，這是一個(gè)革命性的電網(wǎng)系統(tǒng)，目的是為了實(shí)現(xiàn)分布式電源以及分布式儲(chǔ)能設(shè)備的即插即用。在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中，電能是單方向的從發(fā)電廠流向用戶(hù)，而FREEDM系統(tǒng)中電能的傳輸是雙向的，用戶(hù)不僅僅是電能的消費(fèi)者，同時(shí)也是電能的提供者。當(dāng)用戶(hù)端的分布式電源產(chǎn)生的電能除了供應(yīng)給自身使用之外，剩余的電能可以出售到電網(wǎng)中去。因此，F(xiàn)REEDM系統(tǒng)是一個(gè)綠色的創(chuàng)新型能源網(wǎng)絡(luò)[17]。在第二章第一節(jié)中我們就提到過(guò)能源路由器中電力電子模塊的核心功能是將電能從高電壓輸電線路轉(zhuǎn)換未不同程度的低電壓供給不同電壓等級(jí)的用電設(shè)備使用。因此，我們用一個(gè)固態(tài)變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)核心功能，這個(gè)固態(tài)變壓器同時(shí)功能配置如下圖所示：圖3.1固態(tài)變壓器的基本功能配置由上圖可以看出，固態(tài)變壓器基本上是一個(gè)三端口的功率轉(zhuǎn)換級(jí)的能源路由器的雛形。固態(tài)變壓器裝置包括一個(gè)高壓交流-直流功率轉(zhuǎn)換級(jí)，一個(gè)高頻直流-直流轉(zhuǎn)換級(jí)（來(lái)產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)壓直流母線）和一個(gè)直流-交流功率轉(zhuǎn)換級(jí)（來(lái)產(chǎn)生一個(gè)低壓穩(wěn)壓交流母線）。固態(tài)變壓器并不僅僅是一個(gè)具有降壓作用的電力電子裝置，在FREEDM系統(tǒng)中使用固態(tài)變壓器的一個(gè)重要目的是實(shí)現(xiàn)兼容性和靈活性。當(dāng)有FREEDM組件從配電網(wǎng)絡(luò)中添加或者退出運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)必須繼續(xù)正常運(yùn)行。子系統(tǒng)的生成和存儲(chǔ)可能有不同的接口類(lèi)型（交流或者直流）、不同的電壓等級(jí)、不同的功率水平和不同的電能質(zhì)量要求，固態(tài)變壓器作為一個(gè)即插即用的智能接口，可以從不同的子系統(tǒng)中通過(guò)交流端口或者直流端口來(lái)轉(zhuǎn)換和分配電能。固態(tài)變壓器的使用將電網(wǎng)側(cè)參數(shù)（電壓和頻率）和用戶(hù)側(cè)隔離開(kāi)來(lái)。這是FREEDM系統(tǒng)的一個(gè)非常重要的能力-因?yàn)榈蛪簜?cè)通過(guò)固態(tài)變壓器從電網(wǎng)側(cè)分隔開(kāi)而大大增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，固態(tài)變壓器可以接入即插即用的分布式可再生能源資源、分布式儲(chǔ)能裝置和負(fù)載。3.2雙向功率流三級(jí)固態(tài)變壓器的結(jié)構(gòu)及原理基于第三章第一節(jié)所提出的固態(tài)變壓器的基本功能配置，現(xiàn)在提出一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)其功能的電路拓?fù)?，就是雙向功率流的三級(jí)固態(tài)變壓器結(jié)構(gòu)。圖3.2雙向功率流三級(jí)固態(tài)變壓器的結(jié)構(gòu)其基本工作原理如下：AC/DC整流級(jí)將接入進(jìn)來(lái)的三相高壓交流電信號(hào)轉(zhuǎn)換為高壓直流電信號(hào)，然后DC/DC隔離級(jí)先將高壓直流信號(hào)升頻為高頻方波信號(hào)送到高頻變壓器的一側(cè)，經(jīng)過(guò)高頻變壓器耦合到另一側(cè)，在降頻為低壓直流信號(hào)，送到DC/AC輸出級(jí)，最后逆變?yōu)槿喙ゎl交流信號(hào)。3.2.1AC/DC整流級(jí)的結(jié)構(gòu)及原理在圖3.2中所提出的雙向功率流三級(jí)固態(tài)變壓器中的AC/DC整流級(jí)和DC/AC逆變級(jí)所采用的結(jié)構(gòu)均為三相電壓型變換器，其等效電路如圖3.3所示。其開(kāi)關(guān)器件我們選用全控型雙向功率器件IGBT，然后用電容來(lái)濾除電壓紋波，用電感來(lái)濾除電流紋波[21]。圖3.3三相電壓源變換器下面在這里進(jìn)行電壓源變換器的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)：圖3.4電壓源變換器的單橋臂等效電路在上圖中，用理想開(kāi)關(guān)來(lái)表示雙向功率器件，用來(lái)表示開(kāi)關(guān)損耗，用和來(lái)表示等效開(kāi)關(guān)，并用邏輯0表示開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)和用邏輯1來(lái)表示開(kāi)關(guān)的閉合，由電壓源變換器的工作原理有：（3-1）（3-2）（3-3）（3-4）由（3-2）至（3-4）得，（3-5）其中，。同理可得：（3-6）（3-7）又因?yàn)槿嘞到y(tǒng)對(duì)稱(chēng)，，，所以由（3-5）至（3-7）相加可得：（3-8）最后統(tǒng)一將三相電壓源變換器的橋臂方程寫(xiě)成：（k=a,b,c）(3-9)(3-10)(3-11)公式（3-9）至（3-11）就是三相電壓源變換器的數(shù)學(xué)模型。三相電壓源變換器應(yīng)用PWM控制技術(shù)后成為三相電壓型PWM變換器，它具有以下特點(diǎn)：(1)完成AC/DC或者DC/AC的變換；（2）保持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定；（3）使交流側(cè)電流接近正弦波；（4）可以在單位功率因素下運(yùn)行；（5）可以進(jìn)行電網(wǎng)的無(wú)功調(diào)節(jié)；（6）實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳遞。當(dāng)交流側(cè)電網(wǎng)電壓E和交流側(cè)電網(wǎng)電流I同相位時(shí)，三相電壓型PWM變換器工作在整流狀態(tài)[24]，從電網(wǎng)接收電能，這時(shí)候的功率因素為1；當(dāng)交流側(cè)電網(wǎng)電壓E與交流側(cè)電網(wǎng)電流I反相時(shí)，三相電壓型PWM變換器工作在逆變狀態(tài)，向電網(wǎng)傳輸電能，為負(fù)阻性運(yùn)行，此時(shí)的功率因素為-1。其運(yùn)行向量圖如圖3.4所示。圖3.5三相PWM變換器運(yùn)行向量圖整流運(yùn)行（b）逆變運(yùn)行當(dāng)用作整流運(yùn)行時(shí)，三相電壓型整流器模型如下圖所示，根據(jù)前面對(duì)電壓源變換器的數(shù)學(xué)模型分析，我們可以得到三相電壓型PWM整流器的數(shù)學(xué)表達(dá)式：(3-12)(3-13)式（3-12）和（3-13）中的物理量都是瞬時(shí)交流值，很難應(yīng)用于控制。但是可以通過(guò)坐標(biāo)變換的方法把靜止坐標(biāo)下的交流量轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)（dq0）下，有功分量用d軸來(lái)表示，無(wú)功分量用q軸來(lái)表示，電網(wǎng)側(cè)交流電壓與d軸同相，從而實(shí)現(xiàn)電壓的定向控制[25]。圖3.6三相電壓型整流器三相交流電壓和電流經(jīng)過(guò)派克變換之后得到了如下的三相動(dòng)態(tài)電感方程：（3-14）由圖3.6可以看出，和。根據(jù)式（3-14），我們需要加上一個(gè)解耦控制器來(lái)解決和之間存在的耦合，使得各自分量可以達(dá)到獨(dú)立控制。采用PI調(diào)節(jié)時(shí)和的控制方程分別為：（3-15）（3-16）式（3-15）和式（3-16）就是AC/DC整流級(jí)電壓電流雙環(huán)解耦控制的核心，其中電流內(nèi)環(huán)控制的電流有功和無(wú)功分量參考值由電壓外環(huán)通過(guò)比例積分環(huán)節(jié)之后得到，內(nèi)環(huán)的作用是保證交流側(cè)電流與電壓同相位，且保持正弦波形的標(biāo)準(zhǔn)；而電壓外環(huán)的作用是保持輸出電壓直流的穩(wěn)定。電流內(nèi)環(huán)采用了直流電壓控制下的固定開(kāi)關(guān)頻率控制。整流級(jí)的雙環(huán)解耦控制框圖如下圖所示。圖3.7整流級(jí)雙環(huán)結(jié)藕控制框圖3.2.2DC/DC隔離級(jí)的結(jié)構(gòu)及原理雙向功率流三級(jí)固態(tài)變壓器的DC/DC隔離級(jí)結(jié)構(gòu)采用的是帶隔離變壓器的DC/DC變換器[28]，其組成部分包括：全控型橋式逆變電路、高頻隔離變壓器和全控型橋式整流電路。在結(jié)構(gòu)上屬于完全對(duì)稱(chēng)，逆變和整流都采用全控型橋式電路，以實(shí)現(xiàn)電能的雙向傳輸。它的主要作用是將前面AC/DC整流級(jí)傳送過(guò)來(lái)的高壓直流信號(hào)通過(guò)全控型橋式逆變電路調(diào)制成高頻方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)高頻的隔離變壓器之后，再通過(guò)全控型橋式整流電路解調(diào)為低壓直流信號(hào)，送到后面的DC/AC逆變級(jí)中去。結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖3.8DC/DC隔離級(jí)結(jié)構(gòu)為了實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，整流器和逆變器都采用PWM控制，采用占空比為50%的同步的互補(bǔ)觸發(fā)脈沖作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)。假如逆變側(cè)的觸發(fā)信號(hào)和整流側(cè)的觸發(fā)信號(hào)不同步的話，那么隔離級(jí)的傳輸功率可以用下式來(lái)表示[29]：（3-17）其中，是傳輸?shù)挠泄β?，是高壓直流，是低壓直流，L是變壓器漏感，是開(kāi)關(guān)器件的頻率，d為逆變側(cè)和整流側(cè)調(diào)制信號(hào)相角差。由式（3-17）可以看出，在、、L、確定的情況下，可以通過(guò)移相角d的變化來(lái)控制輸出直流?？刂品椒ㄟx用無(wú)靜差的PI控制器[30]。高頻變壓器在DC/DC隔離級(jí)結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著十分重要的作用，一方面實(shí)現(xiàn)了一次側(cè)和二次側(cè)之間的電氣隔離，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，另一方面起到了變壓的作用。隔離變壓器的工作頻率較高，一般在千赫茲級(jí)別，這樣可以增大變壓器容量，提高原邊電壓，提高效率。3.2.3DC/AC逆變級(jí)的結(jié)構(gòu)及原理DC/AC逆變級(jí)的結(jié)構(gòu)與AC/DC相似，是三相電壓源變換器用作逆變，稱(chēng)為三相電壓型逆變器[31]，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖3.9三相電壓型逆變器結(jié)構(gòu)其工作原理如下：對(duì)于A相，當(dāng)S1導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓=/2;當(dāng)S4導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓=-/2；S1和S4各導(dǎo)通。對(duì)于B相和C相的分析同理可知，且A、B、C三相之間導(dǎo)通的電角度分別相差。因此，每一時(shí)刻，六個(gè)IGBT中都有三個(gè)處在于導(dǎo)通狀態(tài)。對(duì)于DC/AC逆變級(jí)結(jié)構(gòu)我們采用如下圖所示的控制原理。由上圖可以看出，輸出電壓經(jīng)過(guò)dq變換之后得到兩個(gè)直流分量和，然后跟這兩個(gè)分量的參考值和作比較，它們之間的差值也分別經(jīng)過(guò)PI控制后，送入dq-變換，得到SVPWM的電壓調(diào)制信號(hào)和[32]。圖3.10逆變級(jí)控制原理框圖3.3本章小結(jié)本章主要進(jìn)行的是實(shí)現(xiàn)能源路由器中的電力電子模塊，首先簡(jiǎn)述了FREEDM系統(tǒng)中固態(tài)變壓器的功能配置，指出固態(tài)變壓器三端口功率轉(zhuǎn)換的雛形，然后介紹了雙向功率流傳輸級(jí)聯(lián)式的三級(jí)固態(tài)變壓器的結(jié)構(gòu)，并一一分析了其各個(gè)級(jí)的電路結(jié)構(gòu)及原理。固態(tài)變壓器的建模與仿真4.1整流級(jí)仿真整流級(jí)的輸入端從10KV配電網(wǎng)接入電能，由于電網(wǎng)的輸出電網(wǎng)為恒定值，所以用電壓源作為整流級(jí)的輸入。然后逐步搭建整流級(jí)的主電路部分，從左到右分別是三相電壓源、三相電壓電流測(cè)量、交流側(cè)電阻和濾波電感、三相電壓型整流橋、直流側(cè)濾波電容以及負(fù)載電阻。各參數(shù)設(shè)置分別為：三相交流線電壓有效值10kV,頻率50Hz，濾波電感7.5mH，交流側(cè)等效電阻0.2Ω，整流橋開(kāi)關(guān)頻率10kHz，濾波電容5000μF，負(fù)載電阻50Ω，直流側(cè)參考電壓為18kV。圖4.1整流級(jí)仿真模型主電路接著搭建整流橋的控制信號(hào)的來(lái)源，如下圖所示。圖4.2整流橋控制信號(hào)下面給出了AC/DC整流級(jí)的仿真結(jié)果，其中圖4.3給出的是輸入的三相交流相電壓波形，其幅值為8165V，并且是三相對(duì)稱(chēng)的。而圖4.4中畫(huà)出的是整流級(jí)交流側(cè)A相的電壓和電流波形，由圖中可以得出，電流與電壓很快達(dá)到了同相，保持單位功率因素運(yùn)行的同時(shí)具有比較高的正弦度。最后由圖4.5中我們可以看出整流級(jí)輸出側(cè)的直流電壓很快就穩(wěn)定在了18kV，跟給定的直流參考值相差很小，動(dòng)態(tài)性能較好。圖4.3三相輸入電壓波形圖4.4整流級(jí)交流側(cè)A相電壓電流波形圖4.5整流級(jí)直流側(cè)電壓波形4.2中間隔離級(jí)仿真下圖是中間DC/DC隔離級(jí)的仿真模型，其中高頻變壓器的額定頻率設(shè)定為10kHz，變比為18000:750，輸入側(cè)直流電壓為18kV，輸出側(cè)濾波電容為1500，濾波電感為2.5mH，負(fù)載為5Ω。圖4.6中間隔離級(jí)仿真模型圖4.7隔離變壓器原邊電壓由圖4.7到圖4.9可以看出，中間隔離級(jí)的輸入電壓經(jīng)過(guò)其第一部分全控橋式逆變電路后被調(diào)制成了高頻方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)其第二部分高頻變壓器之后完成變壓，最后經(jīng)過(guò)其第三部分全控橋式整流電路變?yōu)榈蛪褐绷餍盘?hào)。圖4.8隔離變壓器副邊電壓圖4.9中間隔離級(jí)輸出電壓4.3逆變級(jí)仿真逆變級(jí)仿真的參數(shù)為：輸入直流電壓750V，開(kāi)關(guān)頻率取10kHz，交流側(cè)線路的等效電阻為0.01Ω，濾波電感為5mH,濾波電容為1500，輸出的三相交流線電壓的有效值為380V，頻率為50Hz，三相電阻性負(fù)載的額定功率是5kW。下面分別給出逆變級(jí)的仿真模型以及仿真結(jié)果。由圖4.11可以看出，逆變級(jí)輸出的三相空載電壓的幅值為311V，且三相對(duì)稱(chēng)，波形質(zhì)量非常好。由圖4.12可以看出，帶阻性負(fù)載時(shí)，電流和電壓波形都可以達(dá)到較好的正弦度。由圖4.13可以看出，單相電壓基本上可以維持在220V并保持穩(wěn)定。圖4.10逆變級(jí)仿真模型圖4.11逆變級(jí)空載電壓圖4.12阻性負(fù)載時(shí)A相的電壓與10倍電流波形圖4.13逆變級(jí)單相輸出電壓有效值總結(jié)與期望智能電網(wǎng)是傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的升級(jí)版，不過(guò)對(duì)于它的定義和研究都處于一個(gè)起步階段，不過(guò)世界各國(guó)對(duì)它都有基本相似的要求和目標(biāo)，包括：無(wú)論電力系統(tǒng)發(fā)生什么類(lèi)型的故障，智能電網(wǎng)都可以通過(guò)自身的調(diào)節(jié)能力來(lái)解決問(wèn)題，即智能電網(wǎng)具備自愈性；可以鼓勵(lì)和促進(jìn)用戶(hù)端與電網(wǎng)之間的交互；能夠抵御來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)的惡意攻擊以及自然災(zāi)害；可以向用戶(hù)提供21世紀(jì)用電設(shè)備所需要的高電能質(zhì)量；提高能源效率，最大程度上挖掘資產(chǎn)和設(shè)備的應(yīng)用，以達(dá)到優(yōu)化效果；協(xié)調(diào)發(fā)電、供電和儲(chǔ)能之間的選擇，盡量減少電能的大范圍傳輸；進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電力的市場(chǎng)化。為了實(shí)現(xiàn)以上要求及目標(biāo)，必須加大開(kāi)發(fā)智能電網(wǎng)的力度，本人在前人的研究基礎(chǔ)之上，主要作出了以下研究：（1）概述了智能電網(wǎng)的特點(diǎn)與要求，并在此基礎(chǔ)之上，將智能電網(wǎng)與現(xiàn)有電網(wǎng)作了如下幾項(xiàng)比較：