微電網(wǎng)運(yùn)行-有功功率與無(wú)功功率控制

10一月2024微電網(wǎng)有功功率和無(wú)功功率控制§4-1微型電源控制器功能

§4-2有功功率控制§4-3無(wú)功功率控制§4-4微型電源在不對(duì)稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制10一月2024§4-1微型電源控制器功能

電力電子裝置可為微電網(wǎng)提供靈活的控制功能，從而使其同時(shí)滿足用戶和電力系統(tǒng)的需要。微電網(wǎng)控制必須保證新的微型電源加入到系統(tǒng)中時(shí)，不需要更改微電網(wǎng)中已有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。微電網(wǎng)可以非常迅速和無(wú)縫隙地與大電網(wǎng)并列或解列。系統(tǒng)的有功功率和無(wú)功功率可以分別控制。電壓降落和三相不平衡可以得到校正。微電網(wǎng)能夠滿足電力系統(tǒng)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)特性的要求。設(shè)計(jì)控制器時(shí)最關(guān)鍵的是在微電網(wǎng)的正常操作中，各微型電源不必互相交流信息，每個(gè)微型電源控制器必須能夠有效地響應(yīng)系統(tǒng)的變化，而不需要來(lái)自于其它微型電源或本地其它設(shè)備的數(shù)據(jù)。微型電源控制器的主要功能：調(diào)節(jié)饋線上的潮流；控制每個(gè)微型電源接口處的電壓；當(dāng)系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，保證每個(gè)微型電源能夠迅速承擔(dān)它所分配的負(fù)荷；微電網(wǎng)能夠自動(dòng)平滑地進(jìn)入孤島運(yùn)行和重新與大電網(wǎng)并列的能力。10一月2024§4-1微型電源控制器功能

一、有功功率和無(wú)功功率控制微型電源由三個(gè)部分組成，即微型發(fā)電系統(tǒng)、直流接口和電壓源逆變器。微型電源通過(guò)一個(gè)電抗器連接到微電網(wǎng)。電壓源逆變器同時(shí)控制微型電源輸出電壓的幅值和相位。逆變器的輸出電壓U、微電網(wǎng)的本地電壓E以及電抗器的電抗X決定了微型電源輸出到微電網(wǎng)的有功功率P和無(wú)功功率Q，當(dāng)系統(tǒng)受到微小擾動(dòng)時(shí)，P主要取決于功角δP，Q取決于逆變器的輸出電壓幅值U。這些關(guān)系構(gòu)成了有功功率調(diào)節(jié)和通過(guò)調(diào)節(jié)無(wú)功功率控制電壓的基本的反饋控制方法。10一月2024§4-1微型電源控制器功能

若要將大量微型電源集成到微電網(wǎng)中，不能僅僅采用基本的P-Q控制，為保證微電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性必須實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。二、電壓傾斜控制若沒(méi)有電壓控制，具有大量微型電源的微電網(wǎng)將可能產(chǎn)生電壓和無(wú)功功率振蕩。電壓控制必須確保電源之間沒(méi)有較大的無(wú)功環(huán)流，該問(wèn)題與具有大型同步發(fā)電機(jī)的電力系統(tǒng)控制一樣。在大電網(wǎng)中，發(fā)電機(jī)之間的阻抗足夠大，從而減小了環(huán)流產(chǎn)生的可能性。在輻射型微電網(wǎng)中，較大無(wú)功環(huán)流問(wèn)題非常顯著，當(dāng)出現(xiàn)很小的電壓參考值偏差時(shí)，環(huán)流可能超出微型電源的額定值。因此微電網(wǎng)需要電壓-無(wú)功電流傾斜控制，使得微型電源產(chǎn)生的無(wú)功電流更加偏于容性，本地電壓設(shè)定值減小。10一月2024§4-1微型電源控制器功能

不僅具有微型電源，還有電能存儲(chǔ)裝置的微電網(wǎng)不僅可以運(yùn)行在與大電網(wǎng)并列運(yùn)行的狀態(tài)，也可運(yùn)行于孤島狀態(tài)。三、快速負(fù)荷跟蹤和電能存儲(chǔ)的需要當(dāng)微電網(wǎng)運(yùn)行于孤島狀態(tài)時(shí)，微電網(wǎng)的負(fù)荷跟蹤能力可能成為問(wèn)題，因?yàn)槲⑿蜏u輪發(fā)電機(jī)和燃料電池的響應(yīng)速度比較慢，時(shí)間常數(shù)為10~200s，并且基本上沒(méi)有動(dòng)能儲(chǔ)備。大型電力系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)的動(dòng)能具有電能存儲(chǔ)的作用，當(dāng)新的負(fù)荷接入到線路上時(shí)，最初的能量平衡由系統(tǒng)的動(dòng)能實(shí)現(xiàn)，這將導(dǎo)致系統(tǒng)頻率輕微下降。微電網(wǎng)不能依靠發(fā)電機(jī)的動(dòng)能，必須采用某種形式的能量存儲(chǔ)，保證最初的電能平衡。微電網(wǎng)的能量存儲(chǔ)可為下述幾種形式：可在每個(gè)微型電源的直流母線上采用蓄電池或超級(jí)電容；直接將交流電能存儲(chǔ)裝置(蓄電池、飛輪電能存儲(chǔ)裝置等)連接到微電網(wǎng)；或者采用較大動(dòng)能的微型發(fā)電機(jī)等。在此我們僅假設(shè)在微型電源的直流母線上裝設(shè)有足夠容量的電能存儲(chǔ)裝置。10一月2024§4-1微型電源控制器功能

采用先進(jìn)的控制技術(shù)微電網(wǎng)能夠提供基本的潮流控制。四、孤島運(yùn)行模式下實(shí)現(xiàn)功率分配的頻率傾斜控制在孤島運(yùn)行模式，必須考慮每個(gè)逆變器產(chǎn)生的微小頻率誤差和需要改變逆變器的輸出功率來(lái)匹配負(fù)荷的變化等問(wèn)題。每個(gè)微型電源的功率-頻率傾斜特性不需要復(fù)雜的通信網(wǎng)絡(luò)就能解決上述問(wèn)題。當(dāng)微電網(wǎng)與大電網(wǎng)并列運(yùn)行時(shí)，根據(jù)用戶的需要，微電網(wǎng)中的負(fù)荷可同時(shí)從大電網(wǎng)和本地微型電源取用電能。當(dāng)微電網(wǎng)與大電網(wǎng)斷開(kāi)后，微電網(wǎng)中每個(gè)電源的電壓相位角將發(fā)生變化，導(dǎo)致本地電壓頻率明顯地下降。隨著頻率的下

降每個(gè)微型電源根據(jù)其功率-頻率調(diào)節(jié)特性按一定比例增加其輸出功率，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配的功能，不需要能量管理系統(tǒng)提供新的功率分配方案。10一月2024§4-2有功功率控制由同步發(fā)電機(jī)組成的電力系統(tǒng)，兩臺(tái)或兩臺(tái)以上發(fā)電機(jī)之間有功功率分配主要通過(guò)控制器的頻率傾斜特性實(shí)現(xiàn)。與由同步發(fā)電機(jī)組成的電力系統(tǒng)類似，微電網(wǎng)中分布式電源之間的負(fù)荷分配同樣采用頻率傾斜特性實(shí)現(xiàn)。在電力系統(tǒng)中，頻率傾斜特性是發(fā)電機(jī)的慣性、負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)特性和轉(zhuǎn)速/頻率調(diào)節(jié)特性等的綜合，由電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、與頻率相關(guān)的負(fù)荷以及調(diào)速器等實(shí)際的設(shè)備實(shí)現(xiàn)。在由分布式電源互聯(lián)所組成的微電網(wǎng)中，每臺(tái)分布式電源的頻率傾斜特性是通過(guò)其控制器的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)分布式電源之間的負(fù)荷分配。分布式電源的控制器通常采用DSP實(shí)現(xiàn)，因此具有非常大的靈活性，不會(huì)受到電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、頻率相關(guān)負(fù)荷、調(diào)速器的時(shí)間常數(shù)或原動(dòng)機(jī)的時(shí)間常數(shù)等這些物理參數(shù)的限制。10一月2024§4-2有功功率控制一、單臺(tái)微型電源的有功功率控制微電網(wǎng)中電動(dòng)機(jī)等與頻率相關(guān)的負(fù)荷可提供附加的負(fù)荷調(diào)節(jié)作用，但其調(diào)節(jié)效應(yīng)非常小，可忽略不計(jì)。有功功率控制器包含

一個(gè)頻率恢復(fù)環(huán)節(jié)，其功能類似于同步發(fā)電機(jī)中的調(diào)速器。設(shè)1/s=0可得到控制器頻率響應(yīng)的暫態(tài)偏移：控制器在負(fù)荷變化的瞬間具有有限的頻率降落，這與具有大慣性的同步發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的在負(fù)荷變化瞬間的零頻率降落特性不同。10一月2024§4-2有功功率控制頻率傾斜特性將負(fù)荷變化開(kāi)始初始特性曲線(虛線)以一階時(shí)間常數(shù)TG轉(zhuǎn)換到穩(wěn)態(tài)特性曲線(實(shí)線)。令s=0可得到控制器的穩(wěn)態(tài)頻率偏移：負(fù)荷功率的變化由電源輸出功率變化提供，用ΔPG表示。當(dāng)本地負(fù)荷突然變化時(shí)，系統(tǒng)頻率將首先按1/s=0突變，并最終達(dá)到s=0所確定的穩(wěn)態(tài)值。10一月2024§4-2有功功率控制實(shí)際轉(zhuǎn)速ω和所需功率PG的變化曲線。通過(guò)改變參考功率，可將控制器設(shè)置到滿足任何負(fù)荷要求的給定額定頻率。當(dāng)系統(tǒng)的參考功率不變，而負(fù)荷變化時(shí)，頻率的變化為10一月2024§4-2有功功率控制二、兩臺(tái)微型電源并列運(yùn)行的有功控制具有自動(dòng)發(fā)電控制的微電網(wǎng)可根據(jù)系統(tǒng)頻率的變化調(diào)節(jié)各微型電源的參考功率PL_ref。因?yàn)槲㈦娋W(wǎng)的主要目標(biāo)是對(duì)電能質(zhì)量非常敏感的負(fù)荷提供可靠的電能，因此控制器參考功率的變化必須非常迅速地跟隨負(fù)荷的變化。當(dāng)控制器的參考功率發(fā)生變化時(shí)，微型電源的頻率偏差為10一月2024§4-2有功功率控制兩臺(tái)微型電源并列運(yùn)行的功率控制傳遞函數(shù)框圖流過(guò)聯(lián)絡(luò)線上潮流可等效為兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的負(fù)荷，大小相等，方向相反。10一月2024§4-2有功功率控制潮流的方向取決于兩條母線之間電壓的相位差，為兩個(gè)系統(tǒng)之間相對(duì)頻率偏差的函數(shù)。設(shè)ΔPL1發(fā)生變化而ΔPL2為零，則可確定系統(tǒng)的頻率偏移和聯(lián)絡(luò)線上的功率變化。(1)首先考慮傳遞函數(shù)中沒(méi)有頻率調(diào)節(jié)器的情況。當(dāng)母線1上的負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)微型電源1的頻率偏移為微型電源2的頻率偏移為從母線1到母線2聯(lián)絡(luò)線上功率變化為：1.沒(méi)有自動(dòng)發(fā)電控制時(shí)的有功功率控制10一月2024§4-2有功功率控制電源1的初始頻率偏移為電源2的初始頻率偏移為聯(lián)絡(luò)線上的初始功率變化為負(fù)荷1的瞬時(shí)功率改變開(kāi)始時(shí)并不能由電源2提供，這是因?yàn)槁?lián)絡(luò)線對(duì)系統(tǒng)功率的變化具有積分的作用。另外聯(lián)絡(luò)線也不能存儲(chǔ)電能來(lái)支持負(fù)荷的瞬時(shí)變化。在負(fù)荷變化瞬間，兩電源的頻率變化不相等將引起母線1和母線2之間的電壓相位差迅速變化，從而使得由電源1響應(yīng)母線1上負(fù)荷瞬時(shí)變化的持續(xù)時(shí)間達(dá)到最小。兩臺(tái)電源在暫態(tài)過(guò)程的初期即可實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的分配，這與常規(guī)的由同步發(fā)電機(jī)組成的多機(jī)系統(tǒng)不同。這對(duì)由分布式電源組成的微電網(wǎng)具有積極的作用。系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，兩臺(tái)電源的頻率變化和頻率變化率將相等。系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)頻率偏差和聯(lián)絡(luò)線上的功率變化為：10一月2024§4-2有功功率控制當(dāng)負(fù)荷1階躍變化而負(fù)荷2不變，且兩臺(tái)電源均沒(méi)有頻率恢復(fù)控制時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線：由于系統(tǒng)具有恒定增益的傾斜特性，當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化的瞬間，頻率突然下降。10一月2024§4-2有功功率控制(2)考慮頻率恢復(fù)控制回路的作用當(dāng)負(fù)荷發(fā)生1變化而負(fù)荷2不變時(shí)，系統(tǒng)頻率將恢復(fù)到接近于額定頻率，此時(shí)穩(wěn)態(tài)頻率偏差和聯(lián)絡(luò)線上功率變化為10一月2024§4-2有功功率控制穩(wěn)態(tài)時(shí)頻率偏移額定數(shù)值的大小由于調(diào)節(jié)器的作用而減小。兩臺(tái)并列運(yùn)行的微型電源的穩(wěn)態(tài)頻率特性和負(fù)荷分配：設(shè)負(fù)荷變化前系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，兩臺(tái)電源的輸出功率等于設(shè)定值，系統(tǒng)的總功率為：總的負(fù)荷由兩臺(tái)電源根據(jù)穩(wěn)態(tài)時(shí)的功率-頻率傾斜特性分配。兩臺(tái)電源的頻率傾斜特性的斜率分別為當(dāng)母線1的負(fù)荷變化時(shí)，系統(tǒng)總功率為10一月2024§4-2有功功率控制當(dāng)參考輸出功率不變時(shí)，根據(jù)電源的功率-頻率特性，系統(tǒng)頻率下降，電源的輸出功率增加，從而滿足負(fù)荷的需要。穩(wěn)態(tài)時(shí)系統(tǒng)增加的功率為因?yàn)榉€(wěn)態(tài)時(shí)兩臺(tái)電源的頻率變化相等，因此可得：當(dāng)忽略每臺(tái)電源的功率-頻率動(dòng)態(tài)特性時(shí)，兩臺(tái)微型電源組成的系統(tǒng)，其穩(wěn)態(tài)頻率特性也可用一條特性傾斜表示。10一月2024§4-2有功功率控制2.有自動(dòng)發(fā)電控制時(shí)的有功功率控制若兩臺(tái)分布式電源并列運(yùn)行，當(dāng)電源1的功率設(shè)定值變化而電源2的不變時(shí)，兩臺(tái)分布式電源的頻率變化以及聯(lián)絡(luò)線上的功率變化如下圖所示。10一月2024§4-2有功功率控制電源1設(shè)定參考功率的變化也將導(dǎo)致兩臺(tái)分布式電源所分配的負(fù)荷功率發(fā)生變化。假設(shè)穩(wěn)態(tài)時(shí)兩臺(tái)分布式電源的參考功率等于各自的本地負(fù)荷功率，則暫態(tài)過(guò)程發(fā)生前系統(tǒng)的總功率為：兩電源頻率傾斜特性的斜率分別為當(dāng)電源1的頻率控制器的參考功率增加ΔPL1-ref時(shí)，兩臺(tái)微電源之間的負(fù)荷分配如圖。系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的總功率為10一月2024§4-2有功功率控制當(dāng)頻率控制器的參考功率設(shè)定值發(fā)生變化而負(fù)荷不變時(shí)，總的輸出功率由兩臺(tái)分布式電源重新分配來(lái)承擔(dān)，而系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率發(fā)生了變化。由于負(fù)荷不變，即兩臺(tái)電源的穩(wěn)態(tài)頻率偏差為：系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，兩臺(tái)電源的頻率偏差相同，則電源1的參考功率設(shè)定值變化將引起兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的輸出功率變化。10一月2024§4-2有功功率控制系統(tǒng)總的穩(wěn)態(tài)頻率偏差為當(dāng)忽略每臺(tái)電源的功率-頻率動(dòng)態(tài)特性時(shí)，兩臺(tái)分布式電源組成的系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)頻率特性也可用一條特性傾斜表示。10一月2024§4-3無(wú)功功率控制微電網(wǎng)中分布式電源的電力電子轉(zhuǎn)換器通常采用半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)，由于這些半導(dǎo)體器件所允許的電流容量受到限制，因此必須控制微電網(wǎng)中分布式電源輸出的視在功率。視在功率控制可采用有功功率調(diào)節(jié)器和無(wú)功功率調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)。有功功率控制器可采用頻率傾斜特性實(shí)現(xiàn)。無(wú)功功率控制器可采用負(fù)荷電壓幅值與分布式電源輸出的無(wú)功功率之間的關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)。10一月2024§4-3無(wú)功功率控制用于無(wú)功-電壓控制的分布式電源建模與常規(guī)同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的有功-頻率控制系統(tǒng)類似，電壓和無(wú)功關(guān)系采用一階滯后傳遞函數(shù)表示：電力系統(tǒng)中的無(wú)功負(fù)荷可分為與電壓無(wú)關(guān)和電壓有關(guān)的負(fù)荷兩大類。與電壓相關(guān)的負(fù)荷主要為電感、電容等無(wú)源負(fù)荷，以及電機(jī)等。這些負(fù)荷對(duì)分布式電源將起到負(fù)荷調(diào)節(jié)作用。負(fù)荷的無(wú)功功率變化引起的電壓變化的關(guān)系為：若設(shè)與電壓無(wú)關(guān)的無(wú)功負(fù)荷為ΔQL，則系統(tǒng)中總的無(wú)功變化可表示為設(shè)計(jì)時(shí)使R>>R’，則上式可簡(jiǎn)化為10一月2024§4-3無(wú)功功率控制與有功-頻率控制中的頻率調(diào)節(jié)器相似，無(wú)功功率控制器中也包含一個(gè)由電壓恢復(fù)回路組成的電壓調(diào)節(jié)器。當(dāng)控制器采用DSP實(shí)現(xiàn)時(shí)，電壓傾斜特性和電壓恢復(fù)回路用軟件實(shí)現(xiàn)。無(wú)功負(fù)荷的變化與電壓偏差之間的關(guān)系為10一月2024§4-3無(wú)功功率控制設(shè)s=0可得電壓響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)偏移為因?yàn)樨?fù)荷無(wú)功功率的變化將引起分布式電源輸出的無(wú)功功率變化，因此可將上式改寫為：上式為線性方程，可用電壓-無(wú)功靜態(tài)特性曲線表示。當(dāng)改變控制器的設(shè)定參考無(wú)功功率時(shí)，特性曲線將沿著ΔQG軸平移。10一月2024§4-3無(wú)功功率控制若兩臺(tái)具有無(wú)功-電壓控制的分布式電源通過(guò)聯(lián)絡(luò)線互聯(lián)，則系統(tǒng)無(wú)功潮流的方向如圖所示。母線1送到聯(lián)絡(luò)線上的無(wú)功功率為母線2送到聯(lián)絡(luò)線上的無(wú)功功率為一般情況下，從聯(lián)絡(luò)線一端輸入到聯(lián)絡(luò)線上的無(wú)功功率并不等于聯(lián)絡(luò)線另一端所接收的無(wú)功功率，因?yàn)殡娏€路為感性的，線路上將產(chǎn)生無(wú)功功率損耗。10一月2024§4-3無(wú)功功率控制因此聯(lián)絡(luò)線上的無(wú)功功率可表示為假設(shè)δ12非常小，則設(shè)系統(tǒng)無(wú)功功率在穩(wěn)態(tài)時(shí)產(chǎn)生微小變化，則可得因此聯(lián)絡(luò)線上無(wú)功功率變化為10一月2024§4-3無(wú)功功率控制若忽略聯(lián)絡(luò)線上無(wú)功功率損耗的變化，則U0為系統(tǒng)母線的額定電壓。設(shè)額定電壓的標(biāo)么值為1，則聯(lián)絡(luò)線上無(wú)功功率變化可簡(jiǎn)化為兩臺(tái)分布式電源組成的微電網(wǎng)的無(wú)功-電壓關(guān)系：聯(lián)絡(luò)線上無(wú)功功率的方向取決于兩條母線的相對(duì)電壓。10一月2024§4-3無(wú)功功率控制穩(wěn)態(tài)情況下，ΔU1和ΔU2不必相等，因?yàn)槁?lián)絡(luò)線的無(wú)功功率關(guān)系為恒定增益的傳遞函數(shù)。假設(shè)母線1負(fù)荷變化為ΔQL1，而母線2負(fù)荷不變，當(dāng)無(wú)功功率控制器中沒(méi)有電壓恢復(fù)回路時(shí)的傳遞函數(shù)為10一月2024§4-3無(wú)功功率控制當(dāng)母線1無(wú)功負(fù)荷發(fā)生階躍變化而母線2無(wú)功負(fù)荷不變時(shí)，微電網(wǎng)的無(wú)功-電壓響應(yīng)如下圖所示。兩臺(tái)電源的電壓都近似地按一階滯后傳遞函數(shù)下降。兩臺(tái)分布式電源的電壓偏移不同，這是因?yàn)閷⒙?lián)絡(luò)線等效為恒增益模型。10一月2024§4-3無(wú)功功率控制微電網(wǎng)對(duì)無(wú)功負(fù)荷階躍變化的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)分析：當(dāng)微電網(wǎng)中沒(méi)有電壓調(diào)節(jié)器時(shí)，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)時(shí)母線電壓和聯(lián)絡(luò)線上功率變化為如果分布式電源具有電壓調(diào)節(jié)器，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，經(jīng)過(guò)一定的延遲時(shí)間后，系統(tǒng)電壓將恢復(fù)到接近于額定電壓。新的穩(wěn)態(tài)電壓和聯(lián)絡(luò)線上功率偏差為10一月2024§4-3無(wú)功功率控制當(dāng)在無(wú)功-電壓控制器中加入電壓調(diào)節(jié)器后，微電網(wǎng)的無(wú)功-電壓響應(yīng)如下圖所示。電壓偏移經(jīng)過(guò)一定的延遲后將接近于零。電壓-無(wú)功關(guān)系將受聯(lián)絡(luò)線電抗的影響，這與有功-頻率關(guān)系不同，有功-頻率特性與聯(lián)絡(luò)線的電抗無(wú)關(guān)。10一月2024§4-3無(wú)功功率控制不同電源的電壓-無(wú)功特性沒(méi)有相同的穩(wěn)態(tài)參數(shù)，因此要找到兩臺(tái)分布式電源之間的共有的屬性很困難，畫出兩臺(tái)分布式電源組成的微電網(wǎng)的電壓傾斜曲線來(lái)表示無(wú)功功率分配將沒(méi)有什么益處。10一月2024§4-4微型電源在不對(duì)稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制三相配電系統(tǒng)，特別是低壓三相配電系統(tǒng)中，負(fù)荷通常是不對(duì)稱的。微電網(wǎng)中的分布式電源若采用PMW逆變器，則可實(shí)現(xiàn)UPS功能并可改善電能質(zhì)量。逆變器控制器的動(dòng)態(tài)性能可采用多環(huán)控制方法來(lái)改善。不失一般性，逆變器主電路采用如圖所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。10一月2024§4-4微型電源在不對(duì)稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制逆變器的直流母線可采用恒定電壓源模擬，因?yàn)椴捎眠m當(dāng)?shù)闹绷髂芰看鎯?chǔ)裝置可實(shí)現(xiàn)負(fù)荷跟蹤。開(kāi)關(guān)器件如IGBT等采用PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)，使得逆變器能夠輸出頻率和幅值符合要求的正弦電壓。PWM輸出波形中的高頻開(kāi)關(guān)頻率成分通過(guò)二階低通濾波器濾除。濾波后的電壓通過(guò)電抗器和變壓器送到負(fù)載。變壓器二次側(cè)為星形帶中線的連接方式，使得逆變器既可帶三相負(fù)載，也可帶單相負(fù)載，滿足用戶的需要。一、三相不對(duì)稱物理量的復(fù)數(shù)表示三相電壓和電流可表示為復(fù)數(shù)向量。對(duì)稱的三相物理量為正序向量，可表示為正的單邊帶傅立葉頻譜，相量的運(yùn)動(dòng)軌跡為復(fù)空間逆時(shí)鐘旋轉(zhuǎn)的圓。10一月2024§4-4微型電源在不對(duì)稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制除了對(duì)稱的物理量外，在分布式電源的逆變器側(cè)出現(xiàn)由負(fù)序分量產(chǎn)生的不對(duì)稱物理量是很常見(jiàn)的。三相三橋臂逆變器應(yīng)使由不對(duì)稱物理量產(chǎn)生的零序分量不能出現(xiàn)在逆變器輸出端，變壓器應(yīng)采用D/yn連接方式，因此在三角形連接的逆變器側(cè)將僅有正序和負(fù)序分量。含有負(fù)序分量的不對(duì)稱物理量其向量在復(fù)平面的運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓，其傅立葉頻譜將同時(shí)包含正和負(fù)的頻率邊帶，分別對(duì)應(yīng)于正序和負(fù)序分量。設(shè)系統(tǒng)中的電壓或電流信號(hào)用f表示，則a、b和c三相信號(hào)在復(fù)平面可表示為將f(t)表示為直角坐標(biāo)形式：10一月2024§4-4微型電源在不對(duì)稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制若正弦信號(hào)fa(t)、fb(t)和fc(t)對(duì)稱，其幅值為Ap，角頻率為ω，則上式的極坐標(biāo)表示形式為向量在復(fù)平面的軌跡為以恒定角頻率ω旋轉(zhuǎn)的圓。由于向量中僅包含正頻率復(fù)指數(shù)項(xiàng)，其傅立葉頻譜僅僅包含正的頻率邊帶。如果正弦信號(hào)fa(t)、fb(t)和fc(t)還具有負(fù)序分量，則其向量的極坐標(biāo)表達(dá)式為向量f(t)在復(fù)平面的軌跡為橢圓，其主軸和輔軸的長(zhǎng)度分別為Ap+An和Ap-An。由于此時(shí)向量中同時(shí)具有正和負(fù)頻率的復(fù)指數(shù)項(xiàng)，因此其傅立葉頻譜將同時(shí)包含正和負(fù)的頻率邊帶。將主電路中濾波電容Cf的電壓和流過(guò)電感Lf和Lt的電流表示成復(fù)平面的向量。由于濾波器采用三相三線制，可用兩相變量表示三相系統(tǒng)。因此ab相和cb相之間濾波電容電壓可表示為ucf(t)，a相和c相濾波電感Lf和電抗器Lt的電流分別為iLf(t)和iLt(t)。10一月2024§4-4微型電源在不對(duì)稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制復(fù)平面的電壓和電流向量可定義為二、復(fù)數(shù)傳遞函數(shù)不對(duì)稱的三相電壓和電流的復(fù)平面向量其幅值不相等，且對(duì)于零頻率點(diǎn)也不對(duì)稱。對(duì)于單獨(dú)的交流正序信號(hào)每相傅立葉頻譜的幅值相等且為零頻率對(duì)稱，正弦量Asin(ωt)和Acos(ωt)可分別表示為10一月2024§4-4微型電源在不對(duì)稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制交流信號(hào)實(shí)部分量的信號(hào)處理可采用傳遞函數(shù)的系數(shù)為復(fù)變量s的實(shí)系數(shù)濾波器實(shí)現(xiàn)。設(shè)低通濾波器的傳遞函數(shù)為該傳遞函數(shù)的幅值和相位分別為低通濾波器Grlpf(s)的幅頻特性和相頻特性如圖所示，截止頻率為ωc=2π(200)rad/s。實(shí)數(shù)傳遞函數(shù)以中心頻率ω=0對(duì)稱的。10一月2024§4-4微型電源在不對(duì)稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制復(fù)數(shù)電壓和電流向量可采用復(fù)系數(shù)濾波器濾波。復(fù)數(shù)帶通濾波器的傳遞函數(shù)為傳遞函數(shù)Gcbpf(s)可通過(guò)線性變換s→s-jω0由低通濾波器Grlpf(s)獲得。復(fù)數(shù)帶通濾波器的幅頻和相頻特性如圖所示。當(dāng)分析微型電源的控制結(jié)構(gòu)時(shí)，可采用波特圖設(shè)計(jì)和分析控制器的性能。波特圖的頻率軸一般為對(duì)數(shù)坐標(biāo)，因此在同一圖上可能不適合表示負(fù)的頻率成分。10一月2024§4-4微型電源在不對(duì)稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制因?yàn)椴ㄌ貓D只能給出正的頻率響應(yīng)，所以可將濾波器Gcbpf(s)的正序和負(fù)序分量的響應(yīng)分別以Gcbpf(jω)和Gcbpf(-jω)畫出。10一月2024§4-4微型電源在不對(duì)稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制復(fù)數(shù)濾波器正序分量的帶寬為ωc+ω0=2π(300)rad/s，轉(zhuǎn)折頻率處的相位為-45度；而負(fù)序分量的帶寬為ωc-ω0=2π(100)rad/s，轉(zhuǎn)折頻率處的相位為45度。采用波特圖分析負(fù)序分量的頻率響應(yīng)的相位信息與正序分量的相反。三、控制結(jié)構(gòu)采用直角坐標(biāo)的微電源與電網(wǎng)的電力電子接口濾波器的方框圖10一月2024§4-4微型電源在不對(duì)稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制逆變器系統(tǒng)的控制可采用電壓源逆變器控制器的同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)變換設(shè)計(jì)方法。為得到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的無(wú)差調(diào)節(jié)特性，通?？刹捎肞I控制器。當(dāng)微型電源并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，d-q坐標(biāo)變換的頻率是變化的，為保持逆變器的輸出信號(hào)的相位與線路信號(hào)的相位一致，需采用鎖相環(huán)(PLL)。由于考慮系統(tǒng)的不對(duì)稱，正序和負(fù)序分量的控制是分別采用不同的旋轉(zhuǎn)參考軸實(shí)現(xiàn)，使得系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更復(fù)雜。下面采用一種不需進(jìn)行abc到d-q坐標(biāo)變換的高性能的電流調(diào)節(jié)方法。為保證系統(tǒng)的正序和負(fù)序分量控制性能，用于控制器的信號(hào)分別采用正序和負(fù)序?yàn)V波器對(duì)實(shí)時(shí)測(cè)量的信號(hào)進(jìn)行分離。10一月2024§4-4微型電源在不對(duì)稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制為保證系統(tǒng)在時(shí)變、不對(duì)稱情況下的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，控制器采用分級(jí)控制方式。采用電壓反饋調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)變壓器一次側(cè)電容濾波器的電壓Ucf(t)的控制，控制器采用合適性能的二階傳遞函數(shù)反饋控制。中心的控制器采用矢量調(diào)節(jié)器，為逆變器的IGBT通過(guò)所需要的占空比調(diào)節(jié)參考信號(hào)dinv(t)，輸入的參考信號(hào)為逆變器的電壓調(diào)節(jié)參考值Uinv*(t)。該控制器與直流電壓前饋傳遞函數(shù)合成，防止直流電壓擾動(dòng)對(duì)調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)性能的影響。10一月2024§4-4微型電源在不對(duì)稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制更高層次的控制器為系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)濾波器電感Lf的電流。為了將濾波電容電壓Ucf(t)和濾波電感電流iLf(t)解耦，將電容電壓Ucf(t)與電感電流iLf(t)在電流環(huán)的輸入端疊加。由于濾波電感電流不是最終的調(diào)節(jié)量，其穩(wěn)態(tài)性能不是很重要，因此電流環(huán)采用簡(jiǎn)單的比例調(diào)節(jié)。為改善閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性，在電流環(huán)中加入電感Lt的前饋電流。該調(diào)節(jié)器結(jié)合了具有精確的電壓跟蹤能力和正弦擾動(dòng)信號(hào)調(diào)節(jié)功能的控制器。最外層的控制器補(bǔ)償電抗器Lt兩端的電壓降Ucvm(t)，用它修改電容電壓控制器的參考電壓。電抗器Lt考慮了變壓器的漏抗。該電壓可將測(cè)量得到的電流與串聯(lián)電抗用合適的比例相乘得到。10一月2024§4-4微型電源在不對(duì)稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制1.濾波電感電流調(diào)節(jié)器直角坐標(biāo)系下最內(nèi)環(huán)的Lf電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。電流調(diào)節(jié)器的輸出為逆變器矢量調(diào)節(jié)器的參考輸入信號(hào)。調(diào)節(jié)器采用恒定增益Ki的比例控制，其輸入為從ucf(t)中消去關(guān)聯(lián)電流iLf(t)的電壓信號(hào)。電流環(huán)控制器的凈傳遞函數(shù)為積分增益?zhèn)鬟f函數(shù)1/Lfs。電流環(huán)的帶寬ωci與增益Ki的關(guān)系為電流環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為10一月2024§4-4微型電源在不對(duì)稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)Gi,op的正序和負(fù)序復(fù)數(shù)冪空間向量的波特圖。10一月2024§4-4微型電源在不對(duì)稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)僅在零頻率處有一個(gè)極點(diǎn)，因此直流量的穩(wěn)態(tài)誤差為零僅出現(xiàn)在iLf,r。在工頻處的交流正序量的穩(wěn)態(tài)誤差取決于帶寬ωci。盡管正序和負(fù)序分量的幅頻特性相同，但相頻特性不同。正序分量的相位關(guān)系與空間向量相同，而負(fù)序分量的相位關(guān)系為空間向量的相位的負(fù)值。電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為內(nèi)部電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個(gè)一階的低通濾波器，其截止頻率等于電流環(huán)的帶寬ωci。2.濾波電容電壓調(diào)節(jié)器電壓ucf(t)的調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)中，考慮了電流iLt(t)的影響。其方法是將iLt(t)中低于電流環(huán)帶寬ωci的電壓消去。10一月2024§4-4微型電源在不對(duì)稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制設(shè)Gcu(s)為電壓ucf(t)反饋調(diào)節(jié)器的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)，則電壓環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為如果電壓環(huán)的動(dòng)態(tài)特性頻率限制在低于電流環(huán)的帶寬ωci，則上式中的傳遞函數(shù)Gi,cl(s)可以忽略。因此：與電流環(huán)不同，電壓環(huán)控制器Gcu(s)的穩(wěn)態(tài)特性必須是無(wú)差的。由于對(duì)具有積分增益的系統(tǒng)，若采用比例控制器，則對(duì)于交流正弦信號(hào)將實(shí)現(xiàn)不了無(wú)差穩(wěn)態(tài)特性，因此采用的控制器必須在給定的參考信號(hào)的頻率處具有奇點(diǎn)。如果正弦參考信號(hào)的頻率為ω0，則控制ucf(t)的正序復(fù)指數(shù)分量的反饋控制器的傳遞函數(shù)Gcup(s)為10一月2024§4-4微型電源在不對(duì)稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制實(shí)現(xiàn)上式復(fù)數(shù)傳遞函數(shù)的電壓調(diào)節(jié)器如圖所示。該傳遞函數(shù)可適用于僅僅包含正序分量的對(duì)稱三相系統(tǒng)。在微電網(wǎng)中由于負(fù)荷的不對(duì)稱可能產(chǎn)生負(fù)序分量，因此復(fù)數(shù)控制器的傳遞函數(shù)中對(duì)于ucf(t)中負(fù)序分量的控制也需要采用無(wú)差調(diào)節(jié)。10一月2024§4-4微型電源在不對(duì)稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制對(duì)于復(fù)指數(shù)信號(hào)ucf(t)的控制其傳遞函數(shù)為控制器Gcun(s)的實(shí)現(xiàn)類似于Gcup(s)。傳遞函數(shù)Gcun(s)和Gcup(s)可分別獨(dú)立地采用預(yù)測(cè)-校正數(shù)值積分實(shí)現(xiàn)，預(yù)測(cè)器可采用前向歐拉算法實(shí)現(xiàn)，而校正器可采用梯形法實(shí)現(xiàn)。10一月2024§4-4微型電源在不對(duì)稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制系統(tǒng)的波特圖無(wú)論是正序還是負(fù)序分量，在系統(tǒng)基波頻率具有無(wú)限增益。而正序和負(fù)序分量的相位邊界均大于45度。10一月2024§4-4微型電源在不對(duì)稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制輸出阻抗可定義為電容電壓ucf(t)和電抗電流iLt(t)之比。若電壓調(diào)節(jié)中沒(méi)有控制器，則輸出阻抗G0(s)可由下式確定：上述電容電壓調(diào)節(jié)回路的設(shè)計(jì)基于電流回路的帶寬之上iLt(t)中不存在任何成分。而是將電流iLt(t)設(shè)置為輸入擾動(dòng)信號(hào)。為確定擾動(dòng)信號(hào)iLt(t)的抑制，應(yīng)該對(duì)分布式電源有和沒(méi)有控制器時(shí)的輸出阻抗進(jìn)行分析。當(dāng)濾波器的角頻率時(shí)，LfCf濾波器的輸出阻抗達(dá)到最大，為無(wú)限大，而當(dāng)角頻率為零時(shí)達(dá)到最小。當(dāng)控制器的Uload*(t)為零時(shí)，輸出阻抗可表示為：10一月2024§4-4微型電源在不對(duì)稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制多環(huán)控制器改善了系統(tǒng)的輸出阻抗。當(dāng)角頻率為零和±ω50時(shí)，控制器的輸出阻抗最小，這是因?yàn)镚cu(s)在角頻率為±ω50時(shí)的增益為無(wú)限大。當(dāng)時(shí)不具有無(wú)限大的增益，因此LfCf濾波器的并聯(lián)諧振被多環(huán)控制器消除。10一月2024§4-4微型電源在不對(duì)稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制當(dāng)無(wú)控制器時(shí)，LfCf濾波器在頻率為933Hz時(shí)出現(xiàn)并聯(lián)諧振，正序和負(fù)序分量的響應(yīng)是一致的。當(dāng)采用內(nèi)部電流環(huán)中具有電容電壓前饋的比例控制器時(shí)，并聯(lián)諧振受到抑制。在外部電壓環(huán)中采用電感電流iL(t)前饋環(huán)節(jié)時(shí)，在電流環(huán)的帶寬之下所有頻率范圍內(nèi)具有較低的阻抗。在角頻率為±ω50處具有奇點(diǎn)的電壓調(diào)節(jié)器確保了iL(t)的復(fù)數(shù)空間矢量的正序和負(fù)序分量具有傳輸零點(diǎn)，這可從正序和負(fù)序分量中在基波頻率處具有較低的增益看出。控制器Gcu(s)除了具有對(duì)基本控制量的跟蹤能力外，還具有較好的抑制擾動(dòng)的性能。3.控制電壓修正器按上述方法設(shè)計(jì)控制器可調(diào)節(jié)變壓器一次側(cè)濾波電容電壓。微型電源控制器的基本目標(biāo)是調(diào)節(jié)變壓器二次側(cè)的負(fù)荷母線電壓，使得在所有可能出現(xiàn)的負(fù)荷擾動(dòng)情況下保持電壓在一定的范圍。10一月2024§4-4微型電源在不對(duì)稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制應(yīng)估計(jì)變壓器漏磁感抗和電抗器Lt兩端電壓降Ucum(t)并疊加到電容電壓調(diào)節(jié)器輸入端，改善負(fù)荷母線電壓調(diào)節(jié)的性能?？刂齐妷盒拚鞯姆娇驁D如圖所示。電感電流iL(t)的正序和