微電網(wǎng)孤島運(yùn)行下的自整定模糊PID下垂控制器設(shè)計(jì)

1、微網(wǎng)孤島運(yùn)行下的 dg自整定模糊 pid下垂掌握器設(shè)計(jì)目 錄電力系統(tǒng)分析作業(yè)一：微電網(wǎng)討論綜述1.1 微電網(wǎng)的提出1.2 微電網(wǎng)的分類2.3 微電網(wǎng)的掌握2.電力系統(tǒng)作業(yè)二：孤島運(yùn)行下dg 采納自整定模糊pid 下垂掌握31 自整定模糊 pid 下垂掌握的提出 3.2 自整定模糊 pid 下垂掌握器參數(shù)整定4.3 模糊掌握器的構(gòu)建 5.作業(yè)三：仿真 6.1 仿真結(jié)果 6.2 仿真結(jié)果分析7.附錄9.參考文獻(xiàn) 9.電力系統(tǒng)分析作業(yè)一：微電網(wǎng)討論綜述1 微電網(wǎng)的提出目前一味地?cái)U(kuò)大電網(wǎng)規(guī)模明顯不能滿意要求；人們開頭另辟蹊徑，分布式發(fā)電被提上了日程；分布式發(fā)電具有污染少、牢靠性高、能源利用效率高、安裝

2、地點(diǎn)敏捷等多方面優(yōu)點(diǎn)，有效解決了大型集中電網(wǎng)的很多潛在問題；人們才開頭對分布式發(fā)電系統(tǒng)的潛在效益綻開仔細(xì)研究， 并發(fā)表了很多討論報(bào)告和論文；分布式發(fā)電也稱分散式發(fā)電或分布式供能，一般指將相對小型的發(fā)電裝置 一般 50mw 以下 分散布置在用戶 負(fù)荷 現(xiàn)場或用戶鄰近的發(fā)電 供能 方式；分布式電源位置敏捷、分散的特點(diǎn)極好地適應(yīng)了分散電力需求和資源分布，延緩了輸、 配電網(wǎng)升級(jí)換代所需的巨額投資，同時(shí)， 它與大電網(wǎng)互為備用也使供電牢靠性得以改善；分布式電源盡管優(yōu)點(diǎn)突出， 但本身存在諸多問題，例如， 分布式電源單機(jī)接入成本高、掌握困難等； 另外，分布式電源相對大電網(wǎng)來說是一個(gè)不行控源因此大系統(tǒng)往往實(shí)行限

3、制、隔離的方式來處置分 布式電源，以期減小其對大電網(wǎng)的沖擊；1eee p1547對分布式能源的入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)做了規(guī)定：當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，分布式電源必需立刻退出運(yùn)行；這就大大限制了分布式能源效能的充分發(fā)揮；為和諧大電網(wǎng)與分布式電源間的沖突，充分挖掘分布式能源為電網(wǎng)和用戶所帶來的價(jià)值和效益， 在本世紀(jì)初， 學(xué)者們提出了微電網(wǎng)的概念；微電網(wǎng)從系統(tǒng)觀點(diǎn)看問題，將發(fā)電機(jī)、 負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置及掌握裝置等結(jié)合，形成一個(gè)單一可控的單元，同時(shí)向用戶供應(yīng)電能和熱能；微電網(wǎng)依其敏捷的配置結(jié)構(gòu)和便利的運(yùn)行方式在近年來得到廣泛的討論，它能在提高電力系統(tǒng)的安全性和牢靠性的同時(shí)，提高用戶的供電質(zhì)量和電網(wǎng)服務(wù)水平，促進(jìn)了可再生能

4、源分布式發(fā)電的應(yīng)用； 傳統(tǒng)電網(wǎng)為電源到負(fù)荷的單向潮流供電方式，微電網(wǎng)的接入將轉(zhuǎn)變這種運(yùn)行特性，并對微電網(wǎng)接入點(diǎn)的電壓、線路潮流、線路電流、電能質(zhì)量、繼電愛護(hù)以及網(wǎng)絡(luò)牢靠性等都將產(chǎn)生影響；微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)圖如圖一所示：電網(wǎng)b1pccb 2b 3b 4一般重要負(fù)荷drdr負(fù)荷微網(wǎng)圖1：微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)目前， 溝通微網(wǎng)仍舊是微網(wǎng)的主要形式； 溝通微網(wǎng)的網(wǎng)架基本結(jié)構(gòu)相像， 大多采納輻射狀網(wǎng)架， dg、儲(chǔ)能裝置等均通過電力電子裝置連接至溝通母線，通過 pcc 處開關(guān)的掌握，可實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行與孤島運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)換； 但溝通網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與微電源容量及負(fù)荷對電能質(zhì)量要求也親密相關(guān)， 通?？梢砸罁?jù)容量大小將溝通微網(wǎng)

5、系統(tǒng)分為三類：系統(tǒng)級(jí)微網(wǎng)、 工商業(yè)區(qū)級(jí)微網(wǎng)以及偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村級(jí)微網(wǎng)；微電網(wǎng)中接在用戶側(cè)的分布式發(fā)電（dg ），如光伏發(fā)電、 風(fēng)力發(fā)電等，很好地實(shí)現(xiàn)了新能源利用，節(jié)能減排，但存在發(fā)電間歇性、需要大電網(wǎng)支撐、需要建設(shè)相同的備用容量、外部故障失去分布式發(fā)電等缺點(diǎn)；dg 與儲(chǔ)能裝置（ es）聯(lián)合構(gòu)成的分布式電源（dr ），解決了新能源發(fā)電的間歇性；分布式能源 （der ）在靠近用戶側(cè)生產(chǎn)電能和熱能使新能源更充分利用，直接產(chǎn)生熱能削減了電能轉(zhuǎn)換熱能的損耗，不僅解決了新能源發(fā)電的間歇性，也解決了 dr與 der1存在的缺點(diǎn)；微電網(wǎng)中的電源多為微電源，亦即含有電力電子界面的小型機(jī)組 小于 100kw ，包括微型燃

6、氣輪機(jī)、燃料電池、光伏電池以及超級(jí)電容、飛輪、蓄電池等儲(chǔ)能裝置；它們接在用戶側(cè)，具有低成本、低電壓、低污染等特點(diǎn)；微電網(wǎng)既可與大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，也可在電網(wǎng)故障或需要時(shí)與主網(wǎng)斷開單獨(dú)運(yùn)行；它仍具有雙重角色：對于公用電力企業(yè)，微電網(wǎng)可視為電力系統(tǒng)可控的“細(xì)胞” ，例如；這個(gè)“細(xì)胞”可以被掌握為一個(gè)簡潔的可調(diào)度負(fù)荷，可以在數(shù)秒內(nèi)做出響應(yīng)以滿意傳輸系統(tǒng)的需要；對于用戶， 微電網(wǎng)可以作為一個(gè)可定制的電源，以滿意用戶多樣化的需求，例如，增強(qiáng)局部供電牢靠性，降低饋電損耗，支持當(dāng)?shù)仉妷?，通過利用廢熱提高效率， 供應(yīng)電壓下陷的校正，或作為不行中斷電源；由于微電網(wǎng)敏捷的可調(diào)度性且可適時(shí)向大電網(wǎng)供應(yīng)有力支撐；此外，緊

7、緊環(huán)繞全系統(tǒng)能量需求的設(shè)計(jì)理念和向用戶供應(yīng)多樣化電能質(zhì)量的供電理念是微電網(wǎng)的 2個(gè)重要特點(diǎn)；在接人問題上微電網(wǎng)的入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)只針對微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的公共連接點(diǎn) pcc ，而不針對各個(gè)詳細(xì)的微電源；微電網(wǎng)不僅解決了分布式電源的大規(guī)模接入問題，充分發(fā)揮了分布式電源的各項(xiàng)優(yōu)勢，仍為用戶帶來了其他多方面的效益；2 微電網(wǎng)的分類微網(wǎng)的分類標(biāo)準(zhǔn)有很多，可以依據(jù)其復(fù)雜程度、功能、 結(jié)構(gòu)等進(jìn)行劃分；基于微網(wǎng)結(jié)構(gòu)的微電網(wǎng)類型， 依據(jù)微電源連接方式以及微網(wǎng)的掌握方式將微網(wǎng)分為并聯(lián)式結(jié)構(gòu)微網(wǎng)和串聯(lián)結(jié)構(gòu)微網(wǎng)； 依據(jù)交、 直流微網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)以及供電特點(diǎn)的不同，將微網(wǎng)分為溝通微網(wǎng)、直流微網(wǎng)和交直流混合微網(wǎng)； ，通?？梢砸罁?jù)容量大

8、小將溝通微網(wǎng)系統(tǒng)分為三類：系統(tǒng)級(jí)微網(wǎng)、工商業(yè)區(qū)級(jí)微網(wǎng)以及偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村級(jí)微網(wǎng)；3 微電網(wǎng)的掌握微電網(wǎng)的掌握由微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)分析可看到，微電網(wǎng)如此敏捷的運(yùn)行方式與高質(zhì)量的供電服務(wù)， 離不開完善的穩(wěn)固與掌握系統(tǒng)；掌握問題也正是微電網(wǎng)討論中的一個(gè)難點(diǎn)問題；其中一個(gè)基本的技術(shù)難點(diǎn)在于微電網(wǎng)中的微電源數(shù)目太多，很難要求一個(gè)中心掌握點(diǎn)對整個(gè)系統(tǒng)做出快 速反應(yīng)并進(jìn)行相應(yīng)掌握，往往一旦系統(tǒng)中某一掌握元件故障或軟件出錯(cuò)，就可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓； 因此， 微電網(wǎng)掌握應(yīng)當(dāng)做到能夠基于本地信息對電網(wǎng)中的大事做出自主反應(yīng)，例如， 對于電壓跌落、 故障、 停電等， 發(fā)電機(jī)應(yīng)當(dāng)利用本地信息自動(dòng)轉(zhuǎn)到獨(dú)立運(yùn)行方式，而不是像傳統(tǒng)方式中由

9、電網(wǎng)調(diào)度統(tǒng)一和諧；3類比較經(jīng)典的微電網(wǎng)掌握方法：1) 基于電力電子技術(shù)的“即插即用”與“對等”的掌握思想”依據(jù)微電網(wǎng)掌握要求，敏捷挑選與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)相類似的下垂特性曲線進(jìn)行掌握，將系統(tǒng)的不平穩(wěn)功率動(dòng)態(tài)安排給各機(jī)組承擔(dān)，具有簡潔、 牢靠、 易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)；但該方法沒有考慮系統(tǒng)電壓與頻率的復(fù)原問題，也就是類似傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)中的二次調(diào)整問題，因此， 在微電網(wǎng)遭受嚴(yán)峻擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)的頻率質(zhì)量可能無法保證；2) 基于功率治理系統(tǒng)的掌握該方法采納不同掌握模塊對有功、無功分別進(jìn)行掌握，很好地滿意了微電網(wǎng)多種掌握的要求，特別在調(diào)劑功率平穩(wěn)時(shí)，加入了頻率復(fù)原算法，能夠很好地滿意頻率質(zhì)量要求；另外，針對微電網(wǎng)中對無功的不

10、同需求，功率治理系統(tǒng)采納了多種掌握方法，從而大大增加了掌握的敏捷性并提高了掌握性能；3) 基于多代理技術(shù)的微電網(wǎng)掌握方法該方法將傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的多代理技術(shù)應(yīng)用于微電網(wǎng)掌握系統(tǒng)；代理的自治性、 反應(yīng)才能、自發(fā)行為等特點(diǎn)； ”正好滿意微電網(wǎng)分散掌握的需要，供應(yīng)了一個(gè)能夠嵌人各種掌握性能但又無需治理者常常顯現(xiàn)的系統(tǒng)；但目前多代理技術(shù)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用多集中于和諧市場交易、對能量進(jìn)行治理方面，仍未深化到對微電網(wǎng)中的頻率、電壓等進(jìn)行掌握的層面；2電力系統(tǒng)作業(yè)二：孤島運(yùn)行下dg 采納自整定模糊pid 下垂掌握1 自整定模糊 pid 下垂掌握的提出針對微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)分布式電源 dg 所采納的傳統(tǒng)電壓頻率下垂

11、掌握方法的不足，提出了一種具有比例一積分一微分 pid 結(jié)構(gòu)的改進(jìn)下垂掌握方法，并依據(jù)電壓和頻率的變化，使用模糊推理技術(shù)來優(yōu)化相應(yīng)參數(shù)；設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)模糊pid 下垂掌握器，以進(jìn)一步有效減小微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)由于擾動(dòng)所造成的電壓頻率振蕩；通過仿真運(yùn)算驗(yàn)證了所提出的模糊pid 下垂掌握器設(shè)計(jì)的正確性和有效性；系統(tǒng)電壓和頻率掌握是微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)需要重點(diǎn)解決的問題，目前所采納的掌握方法主 要包括： 1）主從掌握，即僅有一個(gè)或多個(gè)分布式電源 dg 供應(yīng)參考電壓和參考頻率；2）對等掌握， 即采納下垂掌握方法，利用有功功率一頻率和無功功率一電壓下垂曲線將微電網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)荷功率安排給各dg ；4）多代理掌握

12、， 將多代理技術(shù)與微電網(wǎng)掌握相結(jié)合，利用代理的自治性、響應(yīng)才能、自發(fā)行為等特點(diǎn)構(gòu)建一個(gè)能夠嵌入各種掌握且無需治理者常常參加的系統(tǒng)；目前微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)討論和應(yīng)用較多的是對等掌握；有些采納通信線的方法來實(shí)現(xiàn)各dg 之間的和諧掌握，但這些通信線限制了逆變器地理位置上的分布，同時(shí)也會(huì)給系統(tǒng)引入新的干擾； 依據(jù)微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及掌握要求，無互聯(lián)通信線的方法 如傳統(tǒng)的下垂掌握 就更適用于微電網(wǎng)中基于逆變器dg 的掌握；該類方法只需檢測逆變器自身的輸出，通過調(diào)整自身輸出電壓的頻率和幅值來掌握輸出的有功功率和無功功率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)并聯(lián)dg 之間功率安排的合理性和微電網(wǎng)的穩(wěn)固性；但傳統(tǒng)的下垂掌握方法需采納低通濾

13、波器來運(yùn)算每個(gè)工頻周期逆變器輸出的有功功率和無功功率， 存在響應(yīng)速度慢的固有缺點(diǎn)， 且由于下垂因子固定， 使得在負(fù)荷變化時(shí)母線電壓的幅值和頻率波動(dòng)較大； 同時(shí)由于各逆變器輸出連接阻抗值存在差異， 從而很大程度上影響了無功功率安排的成效； 有些分析了典型微電網(wǎng)中逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的有功環(huán)流和無功環(huán)流模型， 并針對傳統(tǒng)下垂掌握時(shí)逆變器輸出電壓幅值和頻率的不穩(wěn)固問題，提出了改進(jìn)的下垂系數(shù)自調(diào)劑方法，減小了微電網(wǎng)負(fù)荷突變情形下母線電壓幅值及頻率的波動(dòng)，但這種方法需要挑選合適的掌握參數(shù)才能較好地實(shí)現(xiàn)掌握成效；有些針對傳統(tǒng)逆變器無線并聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn) 態(tài)均流精度低和動(dòng)態(tài)響應(yīng)差等缺點(diǎn)，提出了基于傳統(tǒng)無線并聯(lián)下垂法的新型

14、多環(huán)掌握結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)的雙環(huán)掌握結(jié)構(gòu)中增加了負(fù)載電流和輸出電壓補(bǔ)償環(huán)，但只能提高單臺(tái)逆變器的性能；有些提出了帶有修正項(xiàng)的下垂掌握方法，能有效跟蹤功率變化，優(yōu)化了微電網(wǎng)內(nèi)部的負(fù)荷安排，同時(shí)仍可以防止微電網(wǎng)內(nèi)部負(fù)荷變化引起的振蕩，但這種方法中修正項(xiàng)的參數(shù)整定比較困難；本文針對目前下垂掌握存在的電壓幅值和頻率波動(dòng)較大以及下垂系數(shù)不易選取等問題，提出了一種具有比例一積分一微分 pid 結(jié)構(gòu)，并使用模糊推理來進(jìn)行參數(shù)整定的改進(jìn)下垂掌握器，建立了該掌握器的數(shù)學(xué)模型，并給出了使用模糊推理進(jìn)行參數(shù)整定的原理和詳細(xì)實(shí)現(xiàn)方法；最后通過仿真運(yùn)算對所提出的設(shè)計(jì)方法的正確性和有效性進(jìn)行了驗(yàn)證；模糊 pid 掌握也稱自整定

15、模糊pid 掌握；其工作原理是：在常規(guī)pid 掌握的基礎(chǔ)上，采納模糊掌握規(guī)律推理方法來調(diào)整pid 掌握算法中的參數(shù)；但經(jīng)過模糊推理得到的結(jié)果不是直接作為 系統(tǒng)的輸出；而是用該結(jié)果來整定pid 掌握的參數(shù)，再依據(jù)pid 算法掌握系統(tǒng)的輸出；本文以 下圖微電網(wǎng)為例來說明掌握器的設(shè)計(jì)；該微電網(wǎng)包含 3個(gè)dg 及其本地負(fù)荷，3個(gè)dg 均采納逆變器接口并人微電網(wǎng)；3i c1v b1rline1i line1l line1vpccr line3r line2lline2i line3i line2ic2lline3vb2ic3dg3v b3負(fù)荷 3dg1dg2負(fù)荷 1負(fù)荷 2圖2：微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖v 0x 9

16、0spjqvbb圖3：逆變器的等效電路圖3是以電壓源逆變器 vsc 為接口的 dg 與微電網(wǎng)之間的連接示意圖；由圖可見， 逆變器通過一個(gè)解耦阻抗與微電網(wǎng)在公共連接點(diǎn) pcc 處相連；逆變器輸出阻抗是高度感性的，即zx90o ；依據(jù)微電網(wǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，在傳統(tǒng)下垂掌握方法中加入有功功率和無功功率的設(shè)定值，得到下垂掌握方程為：wwm p pp0 （1）vodv odnp qq0 （2）式中：p0 和 q0 分別為 dg 的額定有功功率和無功功率； w 和 vod 分別為逆變器輸出電壓的額定角頻率和幅值； vod 為逆變器輸出電壓幅值的d 軸重量 ； w 為逆變器輸出電壓的角頻率；m

17、p 和 n p 分別為頻率和電壓的下垂因子；本文提出了一種具有pid結(jié)構(gòu)的新型功率安排掌握器；這種掌握器具有3個(gè)自由度， 可以在調(diào)劑靜態(tài)下垂特性的同時(shí)改善系統(tǒng)的暫態(tài)特性；該新型下垂掌握器可描述為：wwmpp tdpmpp dmp010ddt （ 3）vvnqq ntqqdndqodq010ddt （ 4）式中： mp和 n q 在穩(wěn)態(tài)負(fù)荷安排中起主要作用；md 和 n d用以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能；m1 和行 n1 用以排除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；當(dāng)微電網(wǎng)內(nèi)部負(fù)荷顯現(xiàn)顯著變化時(shí)，md 和 nd 以及m1 和n1 根據(jù)功率變化率的大小對下垂掌握起到修正作用，確保系統(tǒng)的穩(wěn)固性和良好的暫態(tài)響應(yīng)特性，因此 md

18、， nd ， m1 ， n1 也稱為修正因子；2 自整定模糊 pid 下垂掌握器參數(shù)整定模糊掌握具有魯棒性好、算法簡潔等優(yōu)點(diǎn)，對于非線性系統(tǒng)具有很好的適應(yīng)性；因此， 本文利用模糊掌握進(jìn)行pid掌握器的參數(shù)整定； 將式 3 和式 4 所示具有 pid結(jié)構(gòu)的新型電壓幅值和頻率下垂掌握器加以改進(jìn)，設(shè)計(jì)成能夠自適應(yīng)調(diào)劑pid參數(shù)k p ， k i ，kd 的模糊 pid下垂控制器，由于mp ， m1 ， md和 nq ， n 1 ， n d 的整定方法是相同的，并且通過不同的比例因子量4化以后模糊集合也是相同的，因此，本文后續(xù)部分將以的3個(gè)參數(shù)；k p ，k i ， k d 分別代表上述2組參數(shù)中模糊

19、規(guī)章與推理kk pk div od +w t -eetede t dt新型電壓幅值和頻率pid 下垂掌握器vodw t 圖4： 模糊 pid下垂掌握系統(tǒng)原理圖pid 掌握的參數(shù)整定自整定模糊pid掌握算法是利用模糊掌握算法來優(yōu)化傳統(tǒng)pid掌握； 其核心技術(shù)就是優(yōu)化傳統(tǒng)pid ；常規(guī) pid掌握的掌握算式為：在pid 參數(shù)整定時(shí)，必需考慮到不同時(shí)刻比例系數(shù)k p ；積分系數(shù)ki 、微分系數(shù)kd ；這 3個(gè)參數(shù)的作用以及它們之間的耦合關(guān)系；針對不同的誤差e和誤差變化量e ，參數(shù)整定原就如下：(1) 當(dāng) e較小時(shí)，應(yīng)取較大的使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能；k p 和 k i；以及適當(dāng)?shù)膋d ；防止系統(tǒng)在平

20、穩(wěn)點(diǎn)鄰近顯現(xiàn)振蕩；(2) 當(dāng) e中等大小時(shí)，應(yīng)取較小的k p ；及適當(dāng)?shù)膋 i ，和kd ；使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)量；3當(dāng)e較大時(shí)，應(yīng)取較大的3 模糊掌握器的構(gòu)建k p 和較小的kd ，使系統(tǒng)響應(yīng)加快；圖5：模糊掌握器圖5構(gòu)建二輸入、三輸出的模糊掌握器以誤差e 和誤差變化量e 作為輸入， pid掌握的3個(gè)參數(shù)k i 、 k p 、 k d 作為輸出當(dāng)e 為0時(shí)，系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)上；et ， ec t ， k i， kd ， k p 的隸屬度函數(shù)如圖6所示 ；5圖六：隸屬度函數(shù)作業(yè)三：仿真1 仿真結(jié)果1）第一是編寫 2個(gè)輸入， 3個(gè)輸出的隸屬度函數(shù)；接下來的是模糊規(guī)章，一共49條；圖7：模糊掌握器的建立圖8：隸屬度函數(shù)的建立依據(jù) 49條模糊掌握規(guī)章，模糊掌握器進(jìn)行pid