第四章-微電網運行與控制技術

1、第4 4章 微電網運行與控制技術簡介：微電網主要以分布式電源為主，由于分布式電源的容量一般不微電網主要以分布式電源為主，由于分布式電源的容量一般不大，但是卻數(shù)目眾多，從而使微電網的控制不能像傳統(tǒng)電網那大，但是卻數(shù)目眾多，從而使微電網的控制不能像傳統(tǒng)電網那樣由電網調度中心統(tǒng)一控制以及處理故障，這就對微電網的運樣由電網調度中心統(tǒng)一控制以及處理故障，這就對微電網的運行和控制提出了新的要求。如：根據電網需求或者電網故障情行和控制提出了新的要求。如：根據電網需求或者電網故障情況，能夠實現(xiàn)自主與主電網并列、解列或者是兩種運行方式的況，能夠實現(xiàn)自主與主電網并列、解列或者是兩種運行方式的過渡轉換運行，同時實現(xiàn)

2、電網有功和無功的控制、頻率、電壓過渡轉換運行，同時實現(xiàn)電網有功和無功的控制、頻率、電壓控制，可實現(xiàn)微電網與主電網的協(xié)調優(yōu)化運行以及對主電網的控制，可實現(xiàn)微電網與主電網的協(xié)調優(yōu)化運行以及對主電網的安全支撐等。微電網相對于主電網可作為一個可控的模塊化單安全支撐等。微電網相對于主電網可作為一個可控的模塊化單元，其可對內部負荷提供電能，滿足負荷用戶的需求，這就需元，其可對內部負荷提供電能，滿足負荷用戶的需求，這就需要良好的微電網控制和管理能力。微電網的運行控制應該能夠要良好的微電網控制和管理能力。微電網的運行控制應該能夠做到基于本地信息對電網中的事故作出快速、獨立的響應，而做到基于本地信息對電網中的事

3、故作出快速、獨立的響應，而不用接受傳統(tǒng)電網的統(tǒng)一調度。不用接受傳統(tǒng)電網的統(tǒng)一調度。4.1 微電網自動控制結構與體系4.1.1 微電網的經典結構與控制目標1、經典微電網的基本結構如圖4.1所示，它由微電源、儲能裝置和電/熱負荷構成，并聯(lián)在低壓配電網中。微電源接入負荷附近，很大的減少了線路損耗，增強了重要負荷抵御來自主電網故障的影響的能力。微電源具有“即插即用”的特性，通過電力電子接口實現(xiàn)并網運行和孤島運行方式下的控制、測量和保護功能，這些功能有助于實現(xiàn)微電網兩種運行方式間的無縫切換。圖4.1中微電網包括A、B和C3條饋線，整個網絡呈輻射狀結構，饋線通過微電網主隔離裝置與配電網相連，可實現(xiàn)孤網與并

4、網運行方式的平滑切換。其中A和B為重要負荷，安裝了多個DG為其提供電能，饋線A上接敏感負荷，安裝了光伏電池和微型燃氣輪機，其中微型燃氣輪機運行于熱電聯(lián)產，向用戶提供熱能和電能；采用風力發(fā)電和燃料電池共同在為饋線B的可調節(jié)負荷供電；饋線C為非敏感負荷，沒有配置專門的微電源為饋線C上的負荷供電，直接由配電網供電，孤網運行時，當微電網內部過負荷時，可切斷系統(tǒng)對饋線C上的負荷的供電。并網運行時，當外界主電網發(fā)生故障停電或者出現(xiàn)電能質量問題時，微電網通過靜態(tài)開關切斷與主電網的聯(lián)系，孤網運行。微電網的負荷由微電源承擔，饋線C可通過母線從母線得到電能并維持正常運行。如果孤網運行模式下無法保證電能的供需平衡，

5、可切斷饋線C的負荷，停止對非重要負荷供電。故障消除后，主斷路器重新合上，微電網恢復并網運行模式。通過有效的控制方式實現(xiàn)微電網兩種運行模式的平滑切換。此外，微電網還配備了潮流控制器和保護協(xié)調器，在能量管理系統(tǒng)的統(tǒng)一控制下，通過數(shù)據采集，實現(xiàn)調壓、控制潮流、饋線保護等多項措施。在大電網發(fā)生故障或其電能質量不符合標準情況時，微電網可以孤網運行，保證微電網自身和大電網的正常運行，從而提高供電安全性和可靠性。因此孤網運行時微電網最重要的能力，而實現(xiàn)這一性能的關鍵技術是微電網與主電網之間的電力電子接口處的控制環(huán)節(jié)靜態(tài)開關。該靜態(tài)開關可實現(xiàn)在接口處靈活控制的接受和輸送電能。從大電網的角度看，微電網相當于負荷

6、，是一個可控的整體單元。另一方面，對用戶來說，微電網是一個獨立自治的電力系統(tǒng)，它可以滿足不同用戶對電能質量和可靠性的要求。3 4 圖4.1 典型微電網的基本結構 5 62、微電網控制的主要目標（1）可對微電源出口電壓進行調節(jié)，保證電壓穩(wěn)定性。（2）孤網運行時，確保微電源能夠快速響應，滿足用戶的電力需求。（3）根據故障情況或系統(tǒng)需求，可實現(xiàn)平滑自主的與主電網并網、解列或者兩種運行方式的過渡轉化。（4）調節(jié)微電網的饋線潮流，對有功和無功進行獨立解耦控制。4.1.2 4.1.2 微電網的控制方式微電網的控制方式目前，微電網的控制方式主要有以下幾種：（1）主從控制。即對各微電源采取不同的控制方式，從而

7、使分布式電源實現(xiàn)不同的職能，讓其中一個（或幾個）微電源作為主控電源，支撐系統(tǒng)的頻率，保證電壓的穩(wěn)定，而其他微電源作為從屬電源，不負責電壓的控制和頻率的調節(jié)。主從控制的實現(xiàn)：并網運行時各分布式電源均采用P/Q控制，孤島運行時，一個分布式電源（主控電源）轉換成v/f控制，保持電壓不變，電流隨負荷的變化而變化。但是主從控制存在的缺點有：孤島運行時對主控電源依賴性高，對通信可靠性要求高，負荷波動時需要較高的旋轉備用容量。（2）對等控制策略。即基于電力電子的“即插即用（Plug and Plug）”和“對等（Point to Point）”的控制。系統(tǒng)中各個分布式電源是“平等”的關系，不存在從屬關系。根

8、據微電網的控制目標，靈活的設定下垂系數(shù)，調節(jié)受控微電源，保證整個微電網的電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定以及電能的供需平衡，具有簡單可靠的優(yōu)點。但是對等控制策略只考慮了一次調頻，而忽略了傳統(tǒng)電網的二次調頻問題，即沒有考慮微電網系統(tǒng)電壓和頻率的恢復問題，因此，在微電網受到大擾動時，很難保證系統(tǒng)的頻率質量，不能保證負荷的正常運行。另外，此方法是針對有電力電子技術的微電源的控制，沒有考慮傳統(tǒng)發(fā)電機如微型燃氣輪機與微電網之間的協(xié)調控制。（3）基于功率管理系統(tǒng)的控制。該控制方式采用不同的控制模塊，分別對有功和無功進行解耦控制。較好的滿足了微電網P/Q、v/f等多種控制方式的要求，尤其是對于功率平衡的調節(jié)，應用了頻率恢

9、復算法，可以很好地滿足系統(tǒng)對頻率質量的要求。針對微電網中各用戶對無功的不同需求，功率管理系統(tǒng)采用了多種控制方法并加入了無功補償裝置，提高了系統(tǒng)的控制能力，同時也提高了控制的靈活性。但是該方法沒有考慮含有調速和勵磁系統(tǒng)的常規(guī)發(fā)電，特別是沒有考慮含電力電子接口的微電源間的協(xié)調控制（4）基于多代理技術的控制。該方法將傳統(tǒng)電網的多代理技術應用到微電網控制系統(tǒng)。該控制策略綜合了多種控制方式，能夠隨時插入某種控制，實現(xiàn)了微電網的經濟優(yōu)化調度，保證了微電網系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。多代理技術具有很好的自愈能力，響應能力強等特點可很好的滿足微電網的分散控制的需要。但目前多代理技術在微電網中的應用還處于起步階段，還只是

10、集中對微電網的系統(tǒng)頻率、電壓等進行控制的層面，因此要使多代理技術在微電網的控制中發(fā)揮更大的作用，還需要大量的研究工作。微電網中的分布式電源的控制方法主要有： PQ控制 VF控制 下垂控制1）PQ控制PQ控制也就是恒功率控制，通常在并網運行狀態(tài)下采用PQ控制，控制的目的是不考慮其對微電網頻率和電壓的調節(jié)作用，使分布式電源輸出的有功和無功能夠實時跟蹤參考信號，而頻率和電壓支撐由大電網提供。對于光伏發(fā)電和風力發(fā)電等分布式電源，其出力受環(huán)境影響較大，輸出功率具有間歇性，采用PQ控制策略可以保證可再生能源的充分利用。第一種方法是分別控制有功和無功功率，通過給定微電源原動機的有功功率參考值來控制微電源發(fā)出

11、的有功，直接給定微電源的無功功率參考值來控制其發(fā)出的無功功率。如圖4.2所示： 圖4.2 PQ控制示意圖從圖4.2可知，控制原動機發(fā)出的有功功率，有功功率參考值為 ,在原動機自身功率調節(jié)器的作用下跟蹤輸出的有功功率，通過在逆變器直流側的電壓PI1控制器來保持母線電壓恒定，從而實現(xiàn)微電源的有功輸出調節(jié)。第二種方法是直接通過逆變器 控制有功和無功功率。逆變器的輸出功率就是微電源輸出的功率，實現(xiàn)該種控制的具體方法是：通過鎖相環(huán)得到交流側的三相電壓和電流，經過由Park變換得到dq0分量，通過式（4-1）得到微電源輸出的有功和無功功率。 （4-1） 通過式（4-1）計算得到dq軸的電流值，把它作為電流

12、環(huán)參考值，與實際的電流值做差，然后通過PI控制器。得到濾波電感參數(shù)后，設置dq軸電壓參考分量，通過Park反變換，得到三相交流分量，通過PWM輸出給逆變器。iuiuiuPddqqddrefiuiuiuQddqqddref（2）VF控制V/f控制通過控制微電源逆變器的輸出量，使逆變器輸出的電壓和頻率為參考量，以保證微電網在孤島運行時的電壓和頻率的穩(wěn)定，使負荷功率能夠很好的跟蹤變化特性。通過設定電壓和頻率的參考值，再通過PI調節(jié)器對電壓和頻率進行跟蹤，作為恒壓、恒頻電源使用。其控制示意圖如圖4.3所示： 圖4.3 v/f控制示意圖從圖4.3中可以看出，電源在進行v/f控制時只采集逆變器端口的電壓信

13、息，可通過調節(jié)逆變器來調節(jié)電壓值，頻率采用恒定值50HZ。（3）下垂（Droop）控制Droop控制主要是指電力電子逆變器的控制方式，其與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的一次調頻類似，利用有功-頻率和無功-電壓呈線性關系的特性對系統(tǒng)的電壓和頻率進行調節(jié)。目前主要有兩種Droop控制方法，一種是傳統(tǒng)的有功-功率（P-f）和無功-電壓（Q-U）進行Droop控制，一種是對有功-電壓（P-U）和無功-頻率（Q-f）進行反Droop控制。如圖4.4所示Droop控制有功-頻率（P-f）和無功-電壓（Q-U）呈線性關系，當微電源輸出有功、無功增加時，運行點由A點移動到B點，達到一個新的穩(wěn)定運行狀態(tài)，該控制方法不需要各微源

14、之間通信聯(lián)系就可以實施控制，所以一般采取對微電源接口逆變器控制。 圖4.4 頻率、電壓下垂特性4.2 4.2 微電網的逆變器控制4.2.1 4.2.1 微電網中逆變器的主要控制目標微電網中逆變器的主要控制目標微電網有并網和離網兩種穩(wěn)定運行模式，在兩種模式下都要表現(xiàn)為受控的可靠的發(fā)電裝置，這都對逆變器施加適當?shù)目刂?。具體而言，微電網中逆變器的控制目標如下：（1）微電網工作與并網模式下。首先，逆變器需滿足電網的接口要求，保證注入電流諧波含量合乎標準，不造成當?shù)仉娔苜|量的惡化，保持與電網同步的能力，不發(fā)生攻角振蕩。其次，微電網作為獨立受控的單元，一般要求逆變器向電網發(fā)出的有功功率是可調度的，要求逆變

15、器和電網間交換的無功功率是可控的，以滿足負荷要求，對大電網的頻率和電壓起調節(jié)和支撐作用。再者，電網運營商可能會提出諧波補償、有源濾波、電網故障時的低電壓穿越等要求。（2）微電網工作于離網模式下。逆變器必須能維持電網交流側的電壓和頻率，自動匹配本地負載有功無功需求。此外，如果離網運行時交流側并聯(lián)有多臺逆變器，那么，最好能夠按照逆變器容量或其它原則分配每臺逆變器的有功、無功出力。3）微電網在兩種模式之間切換。當大電網發(fā)生故障或由于其它原因，微電網需要從并網模式切換到離網模式，逆變器的控制從電流控制過渡到電壓控制，既要保證交流電壓頻率的平滑過渡，又要讓輸出功率匹配負荷的速度盡可能快；當微電網從離網模

16、式切換到并網模式時，為了避免并網瞬間的電流沖擊，要保證并網前微電網與大電網同步且電壓相等。4.2.2 4.2.2 微電網中逆變器的控制方法微電源的控制是微電網控制的基礎，而微電網中大多數(shù)微電源通過三相電壓型逆變器（VSI）接入系統(tǒng)，所以對微電源的控制就是對逆變器的控制。如圖4.5，微電源逆變器控制系統(tǒng)拓撲結構可分為內環(huán)控制器和外環(huán)控制器，內環(huán)控制器動態(tài)響應快，可以用來提高逆變器輸出的電能質量，外環(huán)控制器的動態(tài)響應速度較慢，用以體現(xiàn)不同的控制目的，并產生內環(huán)所需的控制信號。圖 4.5 微電源逆變器控制系統(tǒng)拓撲微電網并網運行時，由大電網提供參考電壓和參考頻率；獨立運行時，則要求微電網至少有一個微電

17、源能建立穩(wěn)定的電源和頻率，為微電網系統(tǒng)提供電壓和頻率參考值。在微電網不同運行模式下，微電源逆變器的外環(huán)控制器主要有PQ控制器和v/f控制器兩種。微電網并網運行時，微電源逆變器外環(huán)控制采用PQ控制器，微電源按指定功率輸出；微電網獨立運行時，部分微電源使用v/f控制器，使微電源輸出電壓和頻率在允許變化的范圍之內，其余微電源采用PQ控制器。目前針對微電網控制的研究大多以假設電網電壓三相對稱為前提的，在這種條件下，微電源的逆變器輸出及微電網中各種控制器的性能能夠滿足微電網要求。但是實際微電網系統(tǒng)中，一般都存在三相電壓不對稱現(xiàn)象，微電網中的三相電壓不對稱可能由以下原因引起：（1）微電網三相系統(tǒng)參數(shù)不對稱

18、；（2）三相微電源本地負荷不對稱；（3）微電網不對稱故障；（4）微電網并網運行時大電網不平衡電壓的影響。當微電網內三相電壓不對稱時，這將直接降低微電網的輸出性能。在三相不平衡三相三線制微電網系統(tǒng)，相應的控制規(guī)律由于受三相電流之間的耦合關系的影響，只有兩個獨立方程。微電網系統(tǒng)不對稱情況的存在，使其內環(huán)控制器三相電流之間存在復雜耦合，此時中性點的電源會影響電流控制效果。因此，需研究三相三線制微電源逆變器的內環(huán)控制器的電流解耦控制問題。為了提高微電源在各種擾動下的輸出性能，通過對微電源逆變器的結構進行分析，利用滑模變結構控制方法對干擾魯棒性強的特點，針對微電網并網模式和獨立模式兩種不同運行狀態(tài)，在自

19、適應離散滑模變結構理論的基礎上，提出適用于微電網不對稱條件下的微電源逆變器內環(huán)電流解耦控制方法。4.2.3 4.2.3 并網逆變器技術1、現(xiàn)有逆變電源并網技術現(xiàn)有的逆變電源并網技術主要分為兩類：分布式發(fā)電并網技術和微電網并網技術。而傳統(tǒng)的分布式發(fā)電并網技術不能滿足微電網中逆變電源的運行要求。以光伏發(fā)電系統(tǒng)為例，分析分布式發(fā)電系統(tǒng)的并網技術，來闡述兩種并網技術的差異以及微電網的特點。圖4.6為光伏并網功率調節(jié)系統(tǒng)原理示意圖，圖中a,b,c為公共電網的三相，末端接有負載，光伏發(fā)電系統(tǒng)并于兩者之間。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，MPPT單元為最大功率跟蹤控制單元，用來確定最大功率點工作電壓 。電壓控制單元，其調

20、節(jié)輸出為并網電流有功分量幅值的給定 。瞬時無功計算單元檢測電網電流的無功分量，由此確定無功補償電流 ，在指令電流計算單元內將有功分量與無功分量合成，最終得到系統(tǒng)的并網交流電流指令值。電流控制單元完成并網電流的跟蹤控制，保證輸出電流跟蹤指令電流的精度?？梢?，逆變電源以電網電壓為參考，以太陽能最大功率跟蹤為目的調節(jié)有功電流，以提供負載所需無功為目的調節(jié)無功電流，最終通過合成的電流進行閉環(huán)控制，驅動逆變電源主電路開關管的通段。顯而易見，當微電網處于孤島狀態(tài)時，這種電流控制方法失去大電網電壓的參考，因此這樣并網策略不適合于微電網中。 圖4.6 光伏并網功率調節(jié)系統(tǒng)在微電網中有許多分散的逆變電源并聯(lián)在一

21、起，要實現(xiàn)逆變電源并聯(lián)穩(wěn)定的運行，其關鍵在于各并聯(lián)逆變電源能共同承擔負責所需的功率，以達到輸出與需求之間的平衡，如此系統(tǒng)才能工作在最佳狀態(tài)。要做到這一點，要求各逆變電源的輸出正弦波電壓必須具有相同的頻率和幅值。在微電網中，多個并聯(lián)的逆變電源以輸出的有功功率和無功功率為控制量對逆變電源的輸出電壓進行同步，從而達到穩(wěn)定和諧并聯(lián)的目的。圖4.7顯示的是兩臺逆變電源并聯(lián)的等效電路，忽略阻抗 、 中的阻性成分，可得出逆變電源1輸出的有功和無功功率的表達式為： (4-2) (4-3)1011sinXVVPXVVVQ01211cos 圖4.7 兩臺逆變電源并聯(lián)的等效電路由于相角差 很小，因此可認為：sin

22、, .由式（4-2）（4-3）可得：逆變電源的輸出有功功率主要由相角差 決定，而無功功率主要受幅值 影響。基于此結論，在由逆變電源組成的微電網系統(tǒng)中，可以借鑒電力系統(tǒng)中同步發(fā)電機的下垂特性，引入對P,Q的調節(jié)達到控制逆變電源輸出電壓的幅值和頻率的目的，下垂法可表示如下：Pmiiii0QVViiini0（4-4） (4-5) 其中 、 分別為第i臺逆變電源空載時輸出電源的頻率和幅值， ， 分別為第i臺逆變電源輸出電壓的頻率幅值的下垂系數(shù)，下垂系數(shù)m、n的主要是根據多臺并聯(lián)逆變電源的容量決定的，如式（4-6）所示：pmpmpmnn.2211QnQnQnnn.2211（4-6）下垂特性的直觀表達如圖

23、4.8所示圖4.8 不同容量逆變電源下垂特性示意圖 目前國外很多微電網平臺中的逆變電源控制方法就是采用下垂法。圖4.8所示的為采用下垂法的逆變電源控制示意圖，圖中U、I分別為逆變電源輸出電源、電流采樣，通過有功、無功計算單元計算出P和Q，再利用下垂模塊得到頻率和幅值的實際值 、V，并與其相應的指令值相比較，通過反饋調節(jié)來穩(wěn)定逆變電源輸出的電源幅值及頻率。圖4.8 基于下垂法的逆變電源控制示意圖采用下垂法控制的逆變電源能夠滿足輸出電源、頻率的穩(wěn)定以及輸出功率的平衡，適用于并網和孤島兩種工作狀態(tài)，但是由于此方法是通過采樣電壓、電流計算得到有功、無功功率，再經過下垂單元得到實際的頻率和電壓幅值與給定

24、值相比較的，整個閉環(huán)控制過程中沒有引入功率指令，所以它在功率調度方面有所不足，無法靈活地隨著調度中心指令的變動而變動。2、虛擬同步發(fā)電機概念的提出微電網與大電網之間除了規(guī)模上的差異之外，發(fā)電裝置的區(qū)別才是兩者最本質的不同。相比大電網中的同步發(fā)電機，微電網中的逆變電源的主要差異表現(xiàn)在：(1)逆變電源的單機容量相對較小，造成了給相同負載供電時，微電網需要比大電網更多的發(fā)電單元，增加了控制上的難度(2) 逆變電源幾乎沒有慣性，而同步發(fā)電機具有大慣量的特點，因此逆變電源的電壓波動范圍比同步發(fā)電機的電壓波動大，控制策略比同步發(fā)電機復雜的多，進一步加大了控制難度。（3）同步發(fā)電機的輸出阻抗大，且呈感性，逆

25、變電源的輸出阻抗小，因此逆變電源抗電流沖擊的能力差，且輸出電流變化快，容易給電力電子裝置帶來不良影響。（4）同步發(fā)電機過載能力強，而逆變電源中的電力電子器件的過載能力普遍較弱，一旦出現(xiàn)故障，逆變電源的抵抗能力相對脆弱。根據上文中分析，適用于微電網的逆變電源必須具備調功調頻調壓的功能，而目前微電網中的逆變電源大多采用下垂法，下垂法模擬了同步發(fā)電機的部分特性，卻沒有同步發(fā)電機輸出阻抗大、慣量大等特點，不能完全滿足微電網對于逆變電源的要求。本文借鑒電力系統(tǒng)中成熟的技術和經驗，設計了基于同步發(fā)電機模型的微電網逆變電源虛擬同步發(fā)電機，使逆變電源能夠完全的模擬同步發(fā)電機的特性，實現(xiàn)自同步、大慣性、大阻抗等

26、特點，滿足微電網對逆變電源的要求，也使微電網在管理和調度方面能更好地借鑒吸收電力系統(tǒng)中的經驗，促進了微電網的快速發(fā)展。3、虛擬同步發(fā)電機的設計原理為了使逆變電源能夠模擬同步發(fā)電機的輸出特性，本文中將同步發(fā)電機的數(shù)學模型整合到逆變電源的控制算法之中，通過控制算法來改變逆變電源的輸出特性。在調節(jié)同步發(fā)電機的輸出過程中，是通過調節(jié)輸入機械功率穩(wěn)定輸出頻率和功率，通過改變勵磁電流來調節(jié)輸出電壓，因此在虛擬同步發(fā)電機中，必須加入電壓、功率、頻率的閉環(huán)控制，使逆變電源更真實地模擬同步發(fā)電機的輸出特性。圖4.9為虛擬同步發(fā)電機的原理示意圖，它展示了虛擬同步發(fā)電機的組成。圖4.9 虛擬同步發(fā)電機原理示意圖4、

27、虛擬同步發(fā)電機的模型分析由圖4.9可見，虛擬同步發(fā)電機主要由逆變元和虛擬同步發(fā)電機算法單元構成，其中逆變單元的拓撲結構如圖4.10，微電網功率等級較大，因此采用三相全橋電路，全橋逆變電源則一般用在中大功率場合。逆變器輸出級接有 濾波器，圖中顯示了三個采樣點 、 、 ，其中 與 用于電壓調節(jié)器的控制，來調節(jié)勵磁電壓 的輸出， 和 則用來計算逆變電源輸出功率的大小，用來調整功率指令 的大小。 為逆變電源與大電網的連接感抗，通過改變逆變電源側的電壓來調節(jié)輸出電壓與電網電壓之間的相角關系，使逆變器能夠向電網輸送能量。圖4.10 逆變器主電路拓撲結構示意圖在逆變電路控制模型中，高頻 調制方式的基本思想是

28、輸入的參考正弦 和載波信號比較，用得到的寬度按正弦規(guī)律變化的 波形控制逆變電路中開關器件的通斷脈沖去控制各功率開關器件。由于開關的動作是非連續(xù)的，分析時我們采用狀態(tài)空間平均法來分析。狀態(tài)空間平均法是基于輸出頻率遠小于開關頻率的情況下，在一個開關周期內，用變量的平均值代替其瞬時值，從而得到連續(xù)狀態(tài)模型，簡化了分析過程。為了進一步簡化分析的復雜程度，在分析逆變單元模型時，均按照單相全橋拓撲進行分析。圖 4.11為單相等效模型，逆變器輸出級接有 LC 濾波器，Ls為逆變器與大電網之間的連接感抗，R為負載，圖中忽略了電感中的阻性成分。圖4.11 單相及等效拓撲結構將濾波器中的電感與電容分別用 和 表示

29、，則可以推導出 A、B 之間的電壓與逆變單元輸出電壓之間的頻域傳遞函數(shù)為：111111)(2sRLLCsRCsLsRCssG（4-7）) 12(*DiUUdc（4-8）其中，占空比D根據根據SPWM調制可表示為：)1 (21*UUtrimD(4-9)其中 為參考正弦波信號， 為三角載波峰值。由式（4-9）代入式（4-8）有：UUUUtridcmi*UUUUimdctri* 或 (4-10)則從調制信號輸入至逆變橋輸出的傳遞函數(shù)為：UUUUKtridcmiPWMss)()(4-11)在SPWM中，載波頻率（開關頻率）遠高于輸出頻率時，由式（4-11）可將逆變橋看成是一個比例環(huán)節(jié)，比例系數(shù)定義為

30、。聯(lián)立式（4-7）可得：KsUUUUUUPWMmiimRLLCsssssssG*11)()()()()()()(200(4-12)即為逆變器輸入和輸出的傳遞函數(shù)，根據傳遞函數(shù)的表達式，可以得到其等效框圖如圖4.12所示。圖4.12 逆變單元結構框圖 而對于虛擬同步發(fā)電機單元，由虛擬同步發(fā)電機算法的標幺值表達式，通過有名值換算以及拉普拉斯變換可得：式中P為轉子極對數(shù)。在同步發(fā)電機并網時，穩(wěn)態(tài)情況下通過一次調頻及二次調頻，輸出頻率在額定頻率附近的波動是很小的，這也是電網穩(wěn)定的條件。因此轉子運動方程中的機械轉速可以認為是恒定值為：Nmp（4-13）結合前式，建立虛擬同步發(fā)電機算法的結構圖，如圖 4.

31、13 所示。其中Io(s)為逆變器輸出電流，作為虛擬同步發(fā)電機的電樞電流。輸出電壓U(s) 作為逆變器的指令電壓， 、Q的輸出為檢測信息，用于下文中的功頻調節(jié)和電壓調節(jié)。圖4.13 虛擬同步機單元算法結構框圖5、虛擬同步發(fā)電機的控制策略虛擬同步發(fā)電機是加入了同步發(fā)電機算法的新型逆變電源，它不同于傳統(tǒng)的逆變電源，在結構上也不完全等同于同步發(fā)電機，它集中了兩者各自的特點，因此在其控制策略方面，需要整合普通逆變電源和同步發(fā)電機的控制方法。虛擬機的輸出電壓以及功率是最終要被利用的變量，必須保證輸出變量的穩(wěn)定性和變量的精度，因此在控制結構上，參照并網逆變器的雙閉環(huán)控制策略，在逆變電源輸出端取相應采樣點，

32、通過輸出變量的反饋比較，達到控制輸出穩(wěn)定的目的。又因為考慮到虛擬同步發(fā)電機的設計初衷就是：使其輸出特性與同步發(fā)電機的輸出特性一致。從輸入輸出角度來看，虛擬同步發(fā)電機就是一個同步發(fā)電機，因此對于虛擬機的控制可宏觀上參照同步發(fā)電機的控制方法，圖4.14為同步發(fā)電機的系統(tǒng)控制圖。圖4.14 同步發(fā)電機的控制結構示意圖借鑒同步發(fā)電機的控制結構，本文設計了虛擬同步發(fā)電機的系統(tǒng)控制結構，如圖4.15所示：圖4.15 虛擬同步發(fā)電機控制結構示意圖圖4.15展示了虛擬同步發(fā)電機的控制框圖，設計過程中借鑒了同步機的控制結構，但是虛擬同步發(fā)電機本質上是一個逆變電源，因此不存在同步發(fā)電機中的轉速變量，控制結構中也就

33、沒有測速器、調速器、原動機，取而代之的為功率調節(jié)，但是兩者在控制過程中的意義卻是一樣的，都是通過系統(tǒng)反饋信號和指令信號的比較來調節(jié)核心單元的輸入變量，從而穩(wěn)定輸出頻率以及調整輸出功率。圖 4.15中的勵磁電壓調節(jié)器與圖4.14中的勵磁系統(tǒng)同出一轍，均用于調整勵磁電壓，穩(wěn)定輸出電壓幅值。4.3 微電網并網和離網控制4.3.1 4.3.1 微電網并網運行控制微電網并網運行控制在大電網、微電網均運行正常時，微電網與大電網并網，微電網內的負荷根據情況從微電網內部或外部吸收電能，各微電源都處于并網輸出有功的運行狀態(tài)。如果在電網內部，由于某個發(fā)電單元故障、檢修等原因退出運行或者負荷急劇增加，致使供電功率不

34、足，微電網應需與外電網并聯(lián)運行以引進功率；或者由于在某種極限情況，在滿足負荷和儲能需求后，仍有功率富余，微電網可與外部大電網并聯(lián)且向外送出能量。為了充分利用風能、太陽能等清潔綠色能源，在聯(lián)網運行期間，分布式電源通常以最大有功出力運行；若考慮無功補償，還應適當降低有功輸出而增大無功輸出；系統(tǒng)的電壓幅值和頻率參考大電網。當風速、光照等新能源發(fā)生突變的時候，由于分布式發(fā)電機組的轉動慣量很小，所以機組出力將隨之迅變，其變化速度通常高于傳統(tǒng)發(fā)電機的響應速度。若此類分布式發(fā)電機組所占比例較大，那么在新能源突變的時候必將引起微電網系統(tǒng)電壓的跌落，此時應裝設響應速度較快的儲能裝置，通過儲能設備釋放或吸收功率來

35、輔助調節(jié)微電網的電壓和頻率穩(wěn)定。飛輪裝置、蓄電池和超級電容等都可以作為儲能裝置。簡之，聯(lián)網運行時，微電網和傳統(tǒng)電網類似，服從系統(tǒng)調度，可同時利用微網內分布式發(fā)電和從大電網吸取電能，并能在自身電力充足時間向大電網輸送多余電能。4.3.2 4.3.2 微電網離網運行控制微電網離網運行控制當由于電壓降落、故障、停電檢修等原因造成外部電網連接中斷時，微電網需要從并網運行平滑過渡到獨立運行狀態(tài)。與外部電網隔離后，微電網進入獨立運行狀態(tài)，此時，微電網將面臨如下幾個關鍵問題：（1）電壓和頻率管理當微電網并網運行時，其電壓和頻率由大電網建立。當微電網獨立運行時，必須存在一個或幾個微電源與儲能裝置共同建立微電網

36、的電壓和頻率，否則，微電網將會瓦解。如果微電網頻率下降到了允許值范圍之外，控制裝置將會采取切負荷策略使頻率恢復到正常值。（2）電能質量微電網在獨立運行模式下，應該將電能質量維持在用戶可以接受的范圍內。因此，微電網內必須有足夠的無功功率進行電壓補償。當頻率或電壓發(fā)生偏移時，儲能裝置能夠快速的對其做出反應，吸收或者發(fā)出合適的有功和無功將偏移減小。此外，微電網還應該供給非線性負荷所需要的諧波電流。（3）與微電源相關的問題微電源與傳統(tǒng)大電網中的電源相比，一個最大的不同點就是前者沒有慣性，因此，微電網中沒有大電網中固有的熱備用容量。大多數(shù)微電源在執(zhí)行二次電壓和頻率控制時的響應速度都比較慢，所以此時需要儲

37、能裝置發(fā)揮類似于熱備用容量的作用，及時對系統(tǒng)工況的改變做出反應。此外，對于像風力發(fā)電和光伏發(fā)電這樣的電源，其輸出功率的大小受天氣影響較大，這種微電源的控制目標應該是如何保證功率輸出為最大值，并且能夠預測未來某個時刻的功率輸出。（4）微電網元件之間的通訊微電網在獨立運行狀態(tài)下選擇控制策略時，另一個需要考慮的問題是微電網元件之間的通訊網絡。微電網應該具有一個“即插即用”的體系結構，所以微電源僅利用當?shù)匦畔⒕涂梢钥刂扑鼈兊墓β瘦敵?。如果在?zhí)行控制策略的過程中，元件之間需要通訊，那么則要求信息在通訊網絡的傳輸過程中不能出現(xiàn)錯誤。4.4 4.4 微電網電能質量控制微電網電能質量控制微電網中由于非線性電力

38、電子設備和可再生能源的廣泛存在，由其產生的諧波等電能質量問題必須引起足夠的重視。并聯(lián)型有源濾波器(APF)是解決電能質量的重要設備，但傳統(tǒng)APF直流側通常連接的是電容，不具備有功調節(jié)能力，功能單一；且針對微電網的諧波和無功電流檢測方法的準確性也對補償性能產生重要影響，特別是微電網中電源形式多樣，其獨立運行時電壓不穩(wěn)定情況時有發(fā)生，傳統(tǒng)的基于對稱電壓的諧波和無功電流的檢測方法不再適用。本小節(jié)以風力發(fā)電為例，討論典型微電源對微電網電壓穩(wěn)定的影響機理，提出基于儲能支撐的微電網系統(tǒng)電壓穩(wěn)定控制策略，針對微電網中存在的典型電能質量問題，提出基于儲能支撐的微電網諧波和無功補償?shù)目刂撇呗浴?.4.1 4.4

39、.1 電壓穩(wěn)定控制電壓穩(wěn)定控制風力發(fā)電是微電網中常見的微電源，但風能具有間歇性和不穩(wěn)定性特征，結合上文對風力發(fā)電機并網特性的分析可知，當風速突變時,發(fā)電機的輸出功率將產生較大波動，從而引發(fā)暫態(tài)過程。因獨立運行的微電網容量一般較小，這種功率波動可能危及微電網的功率平衡和電壓穩(wěn)定。若在風力發(fā)電機接入點處配置一定容量的快速儲能變換裝置，當風速擾動時儲能可對風力發(fā)電機輸出功率波動進行快速緩沖，兩者可等效為一個有功/無功功率輸出穩(wěn)定的微電源，可有效提高微電網的電壓穩(wěn)定性，其控制原理如圖4.16所示。圖4.16 基于儲能支撐的電壓穩(wěn)定控制原理圖4.16中，儲能逆變器功率電路通過濾波器接入微電網，因儲能裝置

40、電壓等級較低，在并網時需通過Y/Y升壓變壓器接入微電網，其控制系統(tǒng)由電流控制器、功率控制器（如圖4.17所示）等組成。電流控制器位于內環(huán)，用以實現(xiàn)有功/無功電流的解禍,進而產生逆變器所需的PWM信號;功率控制器位于外環(huán)，產生電流控制器所需的有功/無功電流參考值，其結構取決于儲能的控制策略。(a)PV控制 (b) PQ控制 圖4.17 功率控制器示意圖圖4.17給出了儲能裝置PV和PQ控制中的功率控制器結構，Pv控制的有功功率控制與PQ控制方式一致,無功功率控制則隨接入點電壓Vr變化：將Vr與參考值Vref的差值經過PI控制器后的輸出作為儲能裝置輸出無功功率的參考值，當Vr小于Vref時，儲能向

41、微電網輸出無功功率以提高Vr，反之儲能將吸收部分無功功率使Vr變小。儲能PV控制的目標是平滑風力發(fā)電機輸出有功功率的波動，穩(wěn)定微電網電壓。功率控制器的輸出,進一步經過電流解藕控制，從而產生儲能控制所需的PWM調制信號。將風力發(fā)電機和儲能作為一個整體進行控制，進而實現(xiàn)相對于微電網側的功率平衡及維持微電網系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。4.4.2 4.4.2 不對稱系統(tǒng)電能質量的補償控制技不對稱系統(tǒng)電能質量的補償控制技術術目前針對微電網的研究都是建立在三相平衡的基礎上的，但在實際中，單相負載大量存在于 400V 的低壓配電網中，因此三相不平衡是常見現(xiàn)象。微電網由于電壓等級及自身特性的原因一般位于低壓配電網的末端，

42、不可避免的要工作在三相不對稱的網絡環(huán)境下，為了給用戶提供高質量的電能，就必須要對三相不對稱電壓、諧波以及無功功率進行補償和抑制。1、無功補償在無功功率補償方面，目前主要存在兩種方法：一種靜態(tài)補償方法，一種是動態(tài)無功補償方法。無功補償電容器就是傳統(tǒng)的靜態(tài)功補償裝置，其阻抗是固定的，不能跟蹤負荷無功需求的變化，即不能實現(xiàn)對無功功率的跟蹤和動態(tài)補償。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對無功功率進行快速動態(tài)補償?shù)男枨笤絹碓酱?。傳統(tǒng)的無功功率動態(tài)補償裝置是同步調相機。它是專門用來產生無功功率的同步電機，在過勵磁或欠勵磁的不同情況下，可以分別發(fā)出不同大小的容性或感性無功功率。自 20 世紀二三十年代以來的幾十年中，同步

43、調相機在電力系統(tǒng)無功功率控制中一度發(fā)揮著主要作用。然而，由于它是旋轉電機，因此損耗和噪聲都較大，運行維護復雜，而且響應速度慢，在很多情況下已無法適應快速無功功率控制的要求。所以 70 年代以來，同步調相機開始逐漸被靜止型動態(tài)無功補償裝置所取代，目前有些國家甚至已不再使用同步調相機。早期的靜止型動態(tài)無功補償主要有晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）等，它們是由可控開關器件進行一組電容器或電抗器的投切，靠投入的電容器或電抗器的總容量來補償不同大小的無功功率，具有響應速度快，噪音小的優(yōu)點。但在平衡的三相電路中，不論負載的功率因數(shù)如何，三相瞬時功率的和是一定的，在任何時刻都是等于三相

44、總的有功功率。因此總的來看，在三相電路的電源和負載之間沒有無功能量的傳遞，無功能量是在三相之間變換的。所以，能夠將三相總的統(tǒng)一處理的三相橋式變流電路逐漸成為了無功補償?shù)氖走x，并且由于三相電路中電源和負載之間沒有無功的傳遞，因此理論上講，三相對稱系統(tǒng)中的橋式變流電路的直流側可以不設儲能元件，實際上，三相不對稱以及諧波的存在也會造成總體看來有少許無功能量在電源和橋式電路之間傳遞。所以為了維持橋式變流電路的正常工作，其直流側仍需要一定大小的電感或電容作為儲能元件，但若補償同樣大小的無功功率，其所需儲能元件的容量遠比 TCR和 TSC 等要小得多，具體應用系統(tǒng)結構框圖如圖4.18所示。這種橋式變流電路

45、被稱作靜止無功發(fā)生器（SVG）或稱靜止同步補償器（STATCOM），在近年來逐漸成為無功補償?shù)闹髁?。圖4.18 SVG 的系統(tǒng)結構框圖如圖4.18所示，SVG 的原理是首先把系統(tǒng)提供的無功電流分量檢測出來作為待補償電流，然后控制逆變器輸出一個與待補償電流幅值相同、相位相反的電流，以補償線路上的無功功率，因此，SVG 的補償效果依賴于對無功電流的檢測精度以及對逆變器的控制速度。2、諧波抑制與無功補償對諧波抑制主要有兩種方法：一種是改造諧波源無源濾波，一種是諧波補償。改造諧波源是指設法提高電力系統(tǒng)中主要的諧波源，即整流裝置的相數(shù)，或是采用高功率因數(shù)整流器。諧波補償是指安裝諧波補償設備，如 LC 濾

46、波器或有源電力濾波器。LC 濾波器是利用 LC 諧振電路的諧振特性，將頻率與 LC 諧振頻率相等的諧波引入大地，從而達到濾除諧波的目的。它的缺點是一組 LC 濾波器只能濾除一個頻率的諧波，并且參數(shù)設計復雜。有源電力濾波器（APF）實際上就是SVG 在控制方法上的發(fā)展，其結構與 SVG 完全一樣，僅是將 SVG 中的待補償電流變?yōu)橄到y(tǒng)提供的無功和諧波電流分量之和。因此，APF 還可以補償無功功率。由于它與 SVG 一樣具有體積小、容量大、諧波少、動態(tài)響應迅速的優(yōu)點，因此成為了無功補償和諧波抑制方面的研究和發(fā)展趨勢。然而，APF 與 SVG的應用并不止于此，近年來，有許多學者提出通過控制 APF

47、或 SVG 的輸出方式來進行對三相不平衡電壓的抑制，也取得了不錯的效果。目前對諧波和無功電流分量的檢測方法大體分為頻域檢測法和時域檢測法兩類。頻域檢測法（如 FFT）一般計算量大、實時性差，在系統(tǒng)三相不對稱時也無法得到精確的檢測結果。而時域檢測法在實時性上則要好得多，目前的方法主要有有功電流分離法、瞬時無功功率理論運算法、自適應電流檢測法和 dq0 坐標系下的廣義瞬時無功檢測法?；贔ryze時域分析的有功電流分離法簡單有效，但在電壓和電流不對稱時，其有功電流中將含有基波負序分量，從而使得補償效果不好?；谒矔r無功功率理論的電流檢測方法有兩種，分別是p-q分解法和 ip-iq分解法。p-q分解

48、法受電壓諧波含量和三相不平衡的影響較大，無法在電壓波形畸變時得到準確的結果；ip-iq分解法不受諧波影響，并在三相電壓不對稱時，能準確的檢測到基波正序電流，但對其有功和無功電流的分解將受到三相不平衡程度的影響，誤差無法消除。自適應電流檢測法基于自適應干擾對消原理，把電壓作為參考輸入，負載電流作為原始輸入，電壓經自適應濾波器處理后，輸出一個與負載電流基波有功分量幅值、相位均相等的信號，將此信號從負載電流中扣除，得到高次諧波和無功電流分量的總和。其自適應濾波器又可采用模擬方式和數(shù)字方式(如 ANN)來實現(xiàn)，但這種方法不能濾除基波負序電流。基于派克變換的廣義瞬時無功功率的檢測法可以準確的檢測出三相基

49、波正序電流，但是對有功和無功電流的檢測也是不準確的?；谒矔r無功功率理論和同步坐標變換的基波正序有功電流檢測方法，通過計算基波正序電壓的相位可以正確的檢測出基波正序有功電流，但這些算法均依賴于總負載電流的檢測，并且算法中使用低通濾波器進行濾波，算法的精度和實時性無法得到保證，若要在微電網的補償中獲得應用還需要作出改進。3、三相電壓不平衡度的補償三相電壓不對稱現(xiàn)象主要是由系統(tǒng)元件參數(shù)不對稱或是三相線路及負載不對稱造成的。三相電壓不對稱的程度可以用三相電壓不平衡度來描述，國家標準GB /T 15543-1995電能質量 三相電壓允許不平衡度給出的三相電壓不平衡度定義為負序電壓有效值占正序電壓有效值

50、的百分比。對三相電壓不平衡度的補償主要可以采用以下三種補償策略：（1）將不對稱的三相負載補償為一個等效的三相對稱純阻性負載，其中比較有代表性的算法是單周控制（One-cycle Control）算法；（2）補償為三相功率平衡；（3）將非線性或不對稱負載的饋線電流補償為基波正序有功電流，常見的算法有基于瞬時無功功率理論的p-q算法和Ip-Iq算法，以及基于派克變換的補償算法。第一種補償策略在不對稱電壓由三相不平衡負載引起時非常有效，但對于由系統(tǒng)元件參數(shù)不對稱造成的三相不對稱電壓的補償則不再適用，因為不對稱的電壓會在三相對稱純阻性負載上產生三相不對稱電流，從而會對電網的其它部分帶來一定的影響。第二

51、種補償策略是對三相無功功率完全進行補償，同時將三相的有功功率補償為三相對稱。這種補償策略在電壓較高的一相上會造成較低的相電流，而電壓較低的相電流則較高，三相電流依舊不平衡。第三種補償策略由于使系統(tǒng)只提供基波正序有功電流，因此對于不對稱負載造成的電壓不對稱補償非常有效，同時不會影響到電網的其它部分，也不會導致不對稱電壓的惡性循環(huán)，同時還補償和抑制了系統(tǒng)的無功功率與諧波，是一種較好的補償策略，因此，后文中將采用此補償策略。要實現(xiàn)此補償策略，需要對系統(tǒng)提供的負載電流中的諧波以及無功分量進行準確的檢測。在三相對稱系統(tǒng)中，針對諧波與無功分量檢測方法的研究眾多，并且許多也已經獲得實用，取得了不錯的效果，但

52、是，這些方法在三相不對稱系統(tǒng)中并不適用，這主要是由不對稱電壓造成的。如圖4.19所示，由于三相電壓不對稱，因此基波相電壓矢量與基波正序相電壓矢量之間存在相位差，對基波正序相電流按照基波正序相電壓矢量的相位進行有功無功分解，才能得到正確的基波正序有功和基波正序無功電流。針對三相對稱系統(tǒng)的檢測方法都是將基波正序電流按照基波相電壓矢量的相位進行分解，因此會產生誤差，不能得到精確的結果。在圖4.19中，下標“a”表示 A 相電氣量，下標“1”表示基波分量，下標“p、q”分別表示有功和無功分量，上標“”表示正序分量。圖4.19 基波正序電流的有功無功分解示意圖因此在不對稱系統(tǒng)中對基波正序有功電流的檢測需

53、要首先檢測到基波正序電壓的相位，然后才能得到精確的基波正序有功電流分量，其與負載電流的差就是 APF 或 SVG 要補償?shù)碾娏鳌?.4.3 4.4.3 基于派克變換的基波正序有功電流控制基于派克變換的基波正序有功電流控制派克變換是電力系統(tǒng)分析中廣泛應用的數(shù)學工具，它可以將abc靜止坐標系下以角速度正向旋轉的電壓和電流基波正序分量變換到以同樣角速度正向旋轉的dq0坐標系下，使之相對于旋轉的dq軸成為靜止的矢量，在dq平面坐標系下表現(xiàn)為直流，在0軸上表現(xiàn)為0；對于abc坐標系下以角速度反向旋轉的基波負序分量，在經過派克變換后，成為相對于dq軸以2反向旋轉的矢量，其在dq平面坐標系下表現(xiàn)為二次諧波，在0軸上表現(xiàn)為0；對于abc坐標系下靜止的零序分量而言，其通過派克變換后，成為0軸上的靜止矢量，其在dq平面坐標系下表現(xiàn)為0；而對于abc坐標系下的不同次數(shù)的正序及負序諧波分量在經過派克變換之后，相對于正向旋轉的dq軸均為旋轉的矢量，所不同的只是旋轉角速度和旋轉方向。派克變換及其反變換的計算公式如下：1、基波正序電壓的計算考慮到在不對稱系統(tǒng)