微電網(wǎng)建模與控制基礎(chǔ) 課件 1課程介紹+微電網(wǎng)概述及變流器基礎(chǔ)

微電網(wǎng)控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)課程介紹2總課時(shí):64上課時(shí)間：每周五下午7-10節(jié)課(14:00-17:40)上課地點(diǎn)：智能電網(wǎng)樓106（第一次為東下院302）課程內(nèi)容:理論知識(shí)介紹:30%（重要）仿真/上機(jī)實(shí)驗(yàn):40%+30%成績(jī):出勤:10%實(shí)驗(yàn)報(bào)告:90%課程主要目標(biāo)了解微電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)。了解并掌握微電網(wǎng)單變流器的常見(jiàn)控制方法。了解并掌握微網(wǎng)中多變流器的協(xié)調(diào)控制策略。熟練運(yùn)用PLECS仿真軟件進(jìn)行微電網(wǎng)設(shè)計(jì)分析。操作實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并觀測(cè)微電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行現(xiàn)象。理論知識(shí)教學(xué)安排(貫穿課程)微電網(wǎng)簡(jiǎn)介及變流器基礎(chǔ)三相DC-AC變流器的電流控制三相DC-AC變流器的電壓控制多變流器系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制課程安排序號(hào)章節(jié)主要內(nèi)容學(xué)時(shí)分配1緒論及參觀了解微電網(wǎng)的相關(guān)概念及課程相關(guān)要求42三相DC-AC變流器的控制基礎(chǔ)掌握坐標(biāo)變換，掌握PLECS的使用方法，搭建對(duì)應(yīng)的PLECS仿真83三相DC-AC變流器的并網(wǎng)控制掌握三相DC-AC變流器的閉環(huán)并網(wǎng)控制系統(tǒng)，搭建對(duì)應(yīng)的PLECS仿真44三相DC-AC變流器的電壓控制掌握三相DC-AC變流器的閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)，搭建對(duì)應(yīng)的PLECS仿真45微電的主從控制掌握微電網(wǎng)的主從控制，并搭建對(duì)應(yīng)的PLECS仿真46微網(wǎng)的下垂控制掌握微網(wǎng)的下垂控制原理及控制策略，搭建對(duì)應(yīng)的PLECS仿真87微網(wǎng)的分層控制掌握微網(wǎng)的分層控制原理及控制策略，搭建對(duì)應(yīng)的PLECS仿真48微電網(wǎng)開(kāi)放仿真設(shè)計(jì)針對(duì)給定條件，設(shè)計(jì)微電網(wǎng)控制系統(tǒng)，搭建對(duì)應(yīng)的PLECS仿真89實(shí)驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)介與實(shí)驗(yàn)說(shuō)明介紹實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及上位機(jī)，講解實(shí)驗(yàn)安排及注意事項(xiàng)，分配實(shí)驗(yàn)任務(wù)410電壓型變流器控制實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上利用上位機(jī)控制變流器，實(shí)現(xiàn)變流器的電壓控制411電流型變流器控制實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上利用上位機(jī)控制變流器，實(shí)現(xiàn)變流器的并網(wǎng)控制412微網(wǎng)主從控制實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上利用上位機(jī)控制變流器，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的主從控制413微網(wǎng)下垂控制及分層控制實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上利用上位機(jī)控制變流器，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的下垂控制和分層控制4L1.微電網(wǎng)概述及變流器基礎(chǔ)內(nèi)容微電網(wǎng)概述變流器建模原理三相變流器簡(jiǎn)介三相坐標(biāo)變換內(nèi)容微電網(wǎng)概述變流器建模原理三相變流器簡(jiǎn)介三相坐標(biāo)變換電力系統(tǒng)：集中式與分布式分布式的優(yōu)點(diǎn)：冗余度高模塊化容錯(cuò)性好效率高可靠性高集中式電力系統(tǒng)vs.分布式電力系統(tǒng)微電網(wǎng)的出現(xiàn)背景日益豐富的新能源形式光伏（Photovoltaic）風(fēng)能（Wind）小型風(fēng)機(jī)（Micro-turbine）小型儲(chǔ)能系統(tǒng)不間斷電源（UPS）飛輪儲(chǔ)能（Flywheel）電池（Battery）超級(jí)電容（Super-capacitor）基于分布式發(fā)電優(yōu)勢(shì)以及日益豐富的新能源和儲(chǔ)能形式，研究人員提出了“微電網(wǎng)“概念，以實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式發(fā)電和負(fù)荷單元的小規(guī)模集成及分散控制。微電網(wǎng)的概念與特點(diǎn)微電網(wǎng)是什么？一種區(qū)域小型電網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)，內(nèi)部各個(gè)子系統(tǒng)交互運(yùn)行，包括：多個(gè)分布式電源多個(gè)分布式負(fù)荷一定形式的儲(chǔ)能裝置微電網(wǎng)具有哪些特點(diǎn)？發(fā)電單元接近負(fù)荷易集成清潔及高效能源較多的電力電子變流器裝置可以與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，或獨(dú)立運(yùn)行具有較復(fù)雜的控制，不僅僅是簡(jiǎn)單源-荷連接一個(gè)典型的微電網(wǎng)系統(tǒng)微網(wǎng)分布式電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)微電網(wǎng)面臨的新挑戰(zhàn)微電網(wǎng)的保護(hù)能量雙向流動(dòng)微電網(wǎng)單元進(jìn)行電壓與頻率支撐傳統(tǒng)電力系統(tǒng)保護(hù)難以完全適用微電網(wǎng)的控制可再生能源的多變性、低過(guò)載承受能力和低短路容量有源負(fù)載、諧波干擾設(shè)備之間協(xié)同和通信需要較多的監(jiān)測(cè)設(shè)備微電網(wǎng)能量的分配負(fù)載+發(fā)電管理及協(xié)同、微電網(wǎng)聚合、源-荷平衡商業(yè)、法規(guī)、政策等多方面因素微電網(wǎng)的功率等級(jí)單元微電網(wǎng)（<2MW）具有多個(gè)負(fù)載的小型個(gè)人微電網(wǎng)，如醫(yī)院、學(xué)校多單元微電網(wǎng)（2~5MW）由中小規(guī)模發(fā)電設(shè)備及少數(shù)臨近負(fù)載構(gòu)成電網(wǎng)支線（5~20MW）由中大規(guī)模熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備及中大功率臨近負(fù)載構(gòu)成

通常涉及商業(yè)和工業(yè)微電網(wǎng)變電站（>20MW）傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備及大功率臨近負(fù)載構(gòu)成

包含城區(qū)商業(yè)和工業(yè)、住宅等村鎮(zhèn)及島嶼多種發(fā)電設(shè)備，多見(jiàn)于中國(guó)、印度、巴西、歐洲和北美微電網(wǎng)的主要兩種類型微電網(wǎng)關(guān)注的問(wèn)題交流微電網(wǎng)存在的問(wèn)題：電壓、電流、頻率、相位多自由度控制浪涌電流（變壓器、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)發(fā)電機(jī)）三相不平衡（單相負(fù)載、單相發(fā)電機(jī)等，如光伏發(fā)電）近年來(lái)微電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)：基于電力電子變流器的源-負(fù)載（AC/DC和DC/AC變換）小容量分布式發(fā)電（光伏、燃料電池、風(fēng)電、燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組）直流型源和負(fù)載（通過(guò)電力電子變流器實(shí)現(xiàn)）電能質(zhì)量控制（諧波，電壓，頻率等）電力電子變流器的控制及協(xié)調(diào)是微電網(wǎng)核心技術(shù)微電網(wǎng)中的電力電子變流器電網(wǎng)側(cè)變流器

用于交流電網(wǎng)和微電網(wǎng)之間能量互聯(lián)，能量雙向流動(dòng)?？梢允菃蜗嗷蛉嗟腄C-AC變流器（直流微網(wǎng)），也可是AC-DC-AC背靠背型變流器（交流微網(wǎng)）負(fù)載側(cè)變流器

用于微網(wǎng)和終端負(fù)載之間能量互聯(lián)，通常能量單相流動(dòng)?？梢允荄C-AC逆變器（交流負(fù)載），或DC-DC變流器（直流負(fù)載）源側(cè)變流器

將可再生能源與微網(wǎng)進(jìn)行能量互聯(lián)，通常能量單相流動(dòng)。如光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池供電等儲(chǔ)能變流器

將儲(chǔ)能設(shè)備連入微電網(wǎng)，隨儲(chǔ)能設(shè)備和微網(wǎng)的不同（如電池、飛輪、超級(jí)電容）而具有不同的拓?fù)洌芰侩p向流動(dòng)直流型微網(wǎng)通常能減少所需變流器的數(shù)量及控制復(fù)雜度=~=~=~=~=~AClineDistributedloadsH2Windturbine~=~~UtilityPCCStaticbypassswitchMicrogridCAES~~微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)交流微網(wǎng)系統(tǒng)多個(gè)變流器在AC端并聯(lián)作為母線DC-AC變流器、AC-AC變流器微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)直流微網(wǎng)系統(tǒng)多個(gè)變流器在DC端并聯(lián)作為母線DC-DC變流器、AC-DC變流器微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)交直流混聯(lián)型微電網(wǎng)多端口電力電子變流器：交直流混合一些國(guó)內(nèi)微電網(wǎng)項(xiàng)目一些微電網(wǎng)的實(shí)例多個(gè)微電網(wǎng)組成的分布式電力系統(tǒng)未來(lái)的電網(wǎng)的一種可能形態(tài)以微電網(wǎng)為單元組成的大電力系統(tǒng)能量和信息交流同等重要內(nèi)容微電網(wǎng)概述變流器建模原理三相變流器簡(jiǎn)介三相坐標(biāo)變換典型的變流器結(jié)構(gòu)功率輸入：變流器的輸入電壓/電流功率輸出：變流器的輸出電壓/電流采樣環(huán)節(jié)：采樣電壓/電流信號(hào)控制器：以給定信號(hào)和反饋信號(hào)作為輸入，輸出連續(xù)調(diào)制信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)：以調(diào)制信號(hào)作為輸入，產(chǎn)生功率開(kāi)關(guān)的脈沖通斷信號(hào)一個(gè)典型的電力電子變流器包括以下幾個(gè)部分：調(diào)制環(huán)節(jié)和脈沖驅(qū)動(dòng)是電力電子變流器與其他電能控制系統(tǒng)最大的差別DC-AC變流器的基本單元橋臂功率輸入：DC電壓源

/信號(hào)輸入：PWM脈沖驅(qū)動(dòng)輸出：AC負(fù)載上的電壓及電流前級(jí)：開(kāi)關(guān)電路

—直流供電至開(kāi)關(guān)橋輸出后級(jí)：LC濾波器

—開(kāi)關(guān)橋輸出至負(fù)載電壓以輸出端接LC濾波器的電壓源型DC-AC變流器為例：DC-AC變流器單相橋臂的工作原理DC-AC變流器單相橋臂：正半周：Buck電路負(fù)半周：反向的Boost電路開(kāi)關(guān)過(guò)程及調(diào)制的建模——開(kāi)關(guān)狀態(tài)當(dāng)VD1開(kāi)通，VD2關(guān)斷時(shí)（狀態(tài)1）：當(dāng)VD2開(kāi)通，VD1關(guān)斷時(shí)（狀態(tài)2）：VD1VD2StateOnOn短路!OnOff輸出狀態(tài)1OffOn輸出狀態(tài)2OffOff無(wú)輸出開(kāi)關(guān)過(guò)程及調(diào)制的建?！_(kāi)關(guān)狀態(tài)函數(shù)引入一個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)函數(shù)S(t)：逆變器端口輸出脈沖電壓vi(t)可以寫成：開(kāi)關(guān)過(guò)程及調(diào)制的建?！_(kāi)關(guān)周期平均對(duì)脈沖電壓vi(t)在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)求平均值：假設(shè)VD1的開(kāi)關(guān)占空比為D(t)，VD2的開(kāi)關(guān)占空比為

D’(t)=1–D(t)，則可以得到：脈沖離散電壓變?yōu)檫B續(xù)線性電壓開(kāi)關(guān)過(guò)程及調(diào)制的建模——雙極性PWM調(diào)制對(duì)于雙極性PWM，定義輸入交流調(diào)制波的幅值為Vm，三角載波的幅值為Vtri

假設(shè)開(kāi)關(guān)頻率fsw

遠(yuǎn)大于輸入交流調(diào)制波vm(t)頻率，則一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)vm(t)可視為恒定的常數(shù)，那么如圖根據(jù)幾何關(guān)系，占空比D(t)可以寫成：開(kāi)關(guān)過(guò)程及調(diào)制的建?！狵PWM的推導(dǎo)將D(t)代入開(kāi)關(guān)周期求平均后的電路關(guān)系：則有DC-AC變流器橋臂的開(kāi)環(huán)控制如果開(kāi)關(guān)頻率fsw

足夠大，則對(duì)于低頻分量（遠(yuǎn)低于開(kāi)關(guān)頻率fsw），PWM調(diào)制過(guò)程在頻域下可以用一個(gè)簡(jiǎn)單增益

KPWM

來(lái)表示：當(dāng)對(duì)單相DC-AC變流器輸入幅值為Vm

的正弦調(diào)制信號(hào)，變流器輸出電壓也為正弦波；若要使輸出正弦波電壓幅值為Vm

，三角載波幅值Vtri

應(yīng)設(shè)為VDC/2。內(nèi)容微電網(wǎng)概述變流器建模原理三相變流器簡(jiǎn)介三相坐標(biāo)變換單相和三相系統(tǒng)中的瞬時(shí)功率單相變流器的瞬時(shí)功率為

三相變流器的瞬時(shí)輸出功率為由此可見(jiàn)，單相變流器輸出功率中含有二倍頻波動(dòng)，而三相變流器輸出功率穩(wěn)定，不含二倍頻波動(dòng)。直流分量二倍頻分量微電網(wǎng)中的三相DC-AC變流器相比單相變流器，在交流微電網(wǎng)

中更為常見(jiàn)的是三相變流器。三相變流器廣泛應(yīng)用于中大功率

場(chǎng)合，如風(fēng)力發(fā)電。三相變流器可看做3個(gè)相位依次相差120°的單相DC-AC變流器構(gòu)成微電網(wǎng)中的三相DC-AC變流器L/LCL濾波器

（控制AC電流）（接有源電網(wǎng)）LC濾波器

（控制AC電壓）

（接無(wú)源負(fù)載）微電網(wǎng)中的三相DC-AC變流器三相三線制：三相電流之和恒為0三相四線制：三相電流之和可以不為0內(nèi)容微電網(wǎng)概述變流器建模原理三相變流器簡(jiǎn)介三相坐標(biāo)變換三相電壓/電流矢量以電壓為例，三相電壓間，相鄰兩相依次滯后120°相位，可以使用以下的矢量表示：空間結(jié)構(gòu)中，靜止abc坐標(biāo)系中abc為3個(gè)相互垂直的坐標(biāo)軸如果給定靜止abc坐標(biāo)系，三相電壓的瞬時(shí)值所代表的矢量可以合成一個(gè)電壓矢量Clark變換（abc到αβ）引入一個(gè)新的坐標(biāo)系—靜止αβ0坐標(biāo)系。靜止αβ0坐標(biāo)系中0軸與abc坐標(biāo)系中三個(gè)坐標(biāo)軸上的單位矢量相加得到的矢量方向相同。a軸在αβ平面上的投影與α軸重合。三相電壓矢量v在αβ平面上的分量vαβ逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，角頻率為ω。一個(gè)理想的三相對(duì)稱電壓矢量的0軸分量v0為零，則三維矢量降解為二維矢量。Clark變換（abc到αβ）如果使變換前后參量的幅值保持一致，從abc坐標(biāo)系至αβ0的坐標(biāo)變換關(guān)系是：相應(yīng)的坐標(biāo)變換矩陣是：這一坐標(biāo)變換關(guān)系也稱為Clark變換若v0在三相對(duì)稱系統(tǒng)中為0，變換將3個(gè)自由度減少為2個(gè)自由度。Clark變換的另一種變換矩陣如果使矢量和的幅值保持不變，Clark變換關(guān)系將有所不同：這一變換關(guān)系本質(zhì)上反映的是變換前后的總功率不變：在本課程中，我們均采用幅值不變的變換（系數(shù)為2/3）。Clark變換矩陣全為常數(shù)，僅需要三相電壓作為輸入量。dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系在三相系統(tǒng)的相關(guān)分析中，dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系也是常用的坐標(biāo)系dq坐標(biāo)平面與αβ坐標(biāo)平面是同一平面。d軸與q軸之間呈90°夾角，相對(duì)于αβ坐標(biāo)系以角頻率ω逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)t=0，以下三個(gè)坐標(biāo)軸彼此重合：a軸在αβ平面上的投影、α軸、d軸。如果dq坐標(biāo)初相位為零，旋轉(zhuǎn)速度ω，則d軸可以與三相電壓矢量同步旋轉(zhuǎn)并保持重合。αβ/dq變換令變換前后參量的幅值保持不變，那么從αβ0到dq0坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換關(guān)系是：αβ到dq坐標(biāo)系變換需要一個(gè)額外輸入量θ，其為dq坐標(biāo)系相對(duì)于靜止αβ坐標(biāo)系的相位差。通常d軸與電壓矢量在αβ平面上的投影方向保持一致。Park變換(abc直接到dq)類似地，abc坐標(biāo)系下的電壓參量也可以直接變換至dq0坐標(biāo)系下，坐標(biāo)變換關(guān)系為：因此坐標(biāo)變換矩陣為：從ab