微電網協(xié)調運行控制策略-本科論

1、XX大學本科學位論文題 目：微電網協(xié)調運行控制策略摘要本文主要通過進行了理論研究、仿真平臺搭建，研究微電網綜合協(xié)調控制策略，仿真結果分析，為后續(xù)微電網的深入研究奠定了基礎。本文設計了 PQ 控制器、基于下垂特性的 V/f 控制器，并對逆變器輸出濾波器進 行了設計。同時，針對 PI 控制器的不足，利用模型預測控制方法設計了微網中分 布式微電源逆變器的 PQ 模型預測控制策略和基于下垂特性的 V/f 模型預測控制策略， 并在 MATLAB/Simulink 中建立了仿真模型，對單個微電源分別采用 PI 控制和 MPC 控制時的不同場景進行了分析，證明了 MPC 控制器的效果。最后，建立了微電網的模

2、型，用風力發(fā)電機組、光伏以及蓄電池三種微電 源的模型代替直流電壓源，并設計相應的控制策略，在 MATLAB/Simulink 中，搭建了整個系統(tǒng)的模型，分別在風機和光伏陣列出口處配置蓄電池，用于平抑并網功率并 在孤島下提高電壓和頻率支撐，仿真結果驗證了控制策略的可行性。關鍵詞：微電網；綜合協(xié)調控制；風光儲；逆變器；模型預測控制Study on the Coordination Control Strategy of Wind-Solar-Storage Micro-gridAbstractThis paper mainly studies the micro-grid integrated a

3、nd coordinated control strategies, and, by theoretically analyzing, simulation platform construction, and simulation results analyzing, laid the foundations for subsequent in-depth study of micro-grid.In this paper, a PQ controller, a V/f controller based on droop characteristic and the inverter out

4、put filter has been designed. Meanwhile, considering PI controllers insufficiency, the Model Predictive Control strategy was used to design the converters PQ model predictive control strategy and V/f model predictive control strategy based on droop characteristics, and the simulation model was estab

5、lished in MATLAB/Simulink. Then, by simulating a single micro-source respectively using PI controller and MPC controller in different scenes and by afterward analyzing and comparing, the effectiveness of MPC controllers was proved.After single micro-sources integrating strategy research, the model o

6、f micro-grid with multiple micro-sources was built, and through the simulating and analyzing under 3 conditions: the micro-grid operation mode switching, cutting or adding load in island mode, cutting a micro-source in island mode, it is found that the micro-source MPC controller designed in this th

7、esis achieved a sound power control behavior under the aforementioned three conditions. Meanwhile, both the micro-grids voltage and frequency were within the required range of the system, which proves the effectiveness of control strategies.Last, the wind-solar-storage micro-grid model was built, wh

8、ich used a wind power generation system, a photovoltaic cell and a storage battery to replace DC voltage sources, along with the design of corresponding control strategies. The whole model of the system was then built in MATLAB/Simulink, in which a storage battery was placed respectively in the outl

9、et of wind power generation system and the export of PV array column, for stabilizing grid power and offer voltage and frequency support in island mode. The simulation results validated the feasibility of the control strategies.Key Words: Micro-grid；Integrated coordination control；Wind-Solar-Storage

10、；Converter；Model Predictive Control目錄摘要 . IAbstract .II第一章 緒論 . 11.1 選題背景及意義 . 11.2 微電網發(fā)展現狀 . 21.3 微電網的控制 . 41.4 論文工作的主要內容 . 7第二章 微電源并網及控制模型 . 82.1 微電源并網模型及參數確定 . 82.1.1 三相電壓型逆變器的數學模型 . 82.1.2 PQ 計算 102.1.3 LC 濾波器的設計 112.2 微電源的 PI 控制策略 112.2.1 PQ 控制器 112.2.2 基于下垂特性的 V/f 控制器 122.3 本章小結 . 17第三章 微電源的模型

11、預測控制 . 183.1 模型預測控制機理 . 183.2 微電源的模型預測算法 . 193.2.1 PQ 模型預測控制器 193.2.2 基于下垂特性的 V/f 模型預測控制器 233.3 系統(tǒng)建模與仿真 . 23 基于 Matlab/Simulink 的控制系統(tǒng)建模 233.3.2 仿真結果分析 . 253.4 本章小結 . 28IV第四章 微電源組網運行控制策略 . 294.1 微電網主電路模型和仿真參數 . 294.2 微電源組網運行仿真分析 . 314.2.1 微電網運行模式切換的仿真 . 31 微電網孤島模式下增/切增負荷的仿真 . 324.2.3 微電網孤島模式下切除微電源的仿真

12、 . 334.3 本章小結 . 34 第五章 結論 . 47參考文獻 . 48致謝 . 52第一章 緒論1.1 選題背景及意義微電網成為近年來越來越多被研究的發(fā)電形式，它主要包含風能，光能，燃料電池和其他形式的可再生清潔能源，它不僅能保護環(huán)境，還可以節(jié)約資源，實現能源的多元化利用。目前已被廣泛研究的大規(guī)模發(fā)電，遠距離傳輸和大電網并聯的電力形態(tài)，存在其 固有的缺點：高成本，難維護，并越來越難滿足使用者的需要1,2。而分布式能源可 以解決這些問題，他可以提高電能質量，增加電能供應的靈活性和可擴展性，增強電 力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，優(yōu)化配電系統(tǒng)，增加旋轉備用容量，減小輸配電的成本，這些都是 對電能應用非常有

13、利的特點3,4。CERTS最早提出微電網的概念，其定義如下1：微電 網是一種負荷和微電源的集合；其中，微電源為系統(tǒng)同時提供電力和熱力，微電源中 的大多數必須是電力電子型的，并能提供所要求的靈活性，以確保能以一個集成系統(tǒng) 運行，其控制的靈活性使微電網能作為大電力系統(tǒng)的一個受控單元，以適應當地負荷 對可靠性和安全性的要求5。圖 1.1 微電網基本結構 Basic structure of Microgrid圖 1.1 為微電網的基本結構，3 條饋線 A，B 和 C 及 1 條負荷母線構成了網絡整 體輻射結構，饋線通過主分隔裝置與配電系統(tǒng)相連，微電網通過 PCC 與外部大電網 相連，通過控制 PCC

14、 點狀態(tài)實現微電網的孤島運行和并網運行，系統(tǒng)中還包括光伏 發(fā)電、風能、燃料電池、微型燃氣輪機等微電源形式，其中一些接在熱力負荷附近， 可以為當地用戶提供熱源，從而提高了能量的利用率和經濟效益6-7。1.2 微電網發(fā)展現狀目前已經有相當多的國家在研究“微網”。其中以歐盟、美國和日本最為先進， 他們的研究目標如表 1.2 所示。第一章 緒論表 1.2 歐盟、美國和日本的微網發(fā)展目標8Table 1.2 Microgrid development goal of EU., USA. and Japan2005 年，歐洲提出“Smart Power Networks”概念。隨后，歐盟第五框架計劃9 和

15、歐洲第六框架計劃10都對微電網研究進行了資助，總共出資 1300 萬歐元，兩次均 由希臘雅典國立大學（NTUA）領導，參與的團體包括歐盟多個國家的組織和團體， 包 括 希 臘 、 法 國 、 葡 萄 牙 的 電 力 公 司 和 EmForce 、 SMA 、 GERMANOS 、 URENCOSinmens、ABB、ZIV、I-POWER、Anco、GERMANOS 等著名公司，以及 Labie、INESC Porto、the university Mancherster、ISET Kassel 等大學和團體，并建立 了微電網的實驗平臺。重點研究了如何將各種分散的小電源連接成一個微電網，并連

16、接到配電網，多個微電網連接到配電網的控制策略、協(xié)調管理方案、系統(tǒng)保護和經濟 調度措施，以及微電網對大電網的影響等內容。美國擁有微電網的權威研究機構 CERTS，它最早提出了微電網的概念。CERTS 在威斯康辛麥迪遜分校、俄亥俄州 Columbus 的 Dolan 技術中心建立了微網平臺。此 外，美國還擁有由美國電力管理部門與通用電氣建立的微網平臺，加州能源認證資助 的商用微網 DUIT，北方電力和國家新能源實驗室的鄉(xiāng)村微網11-16。2005 年，美國能 源部提出了微型電網研究發(fā)展的路線圖，如圖 1.2 所示。3圖 1.2 美國能源部提出的微型電網研究發(fā)展的路線圖Fig. 1.2 Route

17、chart of Microgrids R&D raised by Department of Energy of USA.1.3 微電網的控制微網的控制有多種方式，一種是模擬傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的分層控制方案，它是將微網 控制分為分布式電源原動機控制、分布式電源接口控制和微網及多微網上層管理系統(tǒng) 的控制。另一種是“即插即用”式控制，它包括兩層含義：當大電網中存在多個微網 的時候，微網對大電網可以即插即用；微網中的不同類型的分布式電源對微網具有即4第一章 緒論插即用的功能?？傮w來說，微電網控制的主要目標為：1. 調節(jié)微網內的功率潮流，實現功率解耦控制；2. 調節(jié)微電源出口電壓，保證局部電壓穩(wěn)定;3.

18、孤島模式下，提供電壓頻率參考，實現微電源快速響應和功率分擔；4. 平滑自主實現與主網分離、并聯或二者過渡。 目前微電網控制策略已有許多研究，但仍然有一些不足之處需要改進： 首先，目前采用的控制算法在模式轉換時多存在沖擊大、調節(jié)時間長的問題；其次，只考慮負荷、微電源功率、或網絡結構單一變化的影響；再次，多采用簡化的微 電源模型。1.4 論文工作的主要內容本文主要研究了微電網綜合控制策略的理論、仿真平臺，為后續(xù)微電網的深入研 究奠定了基礎。第二章，分析微電源逆變器的控制方法和原理，并給出了 PQ 控制器、基于下垂 特性的 V/f 控制器的設計方法，并對逆變器輸出濾波器進行了設計。第三章，針對 PI

19、 控制器的不足，利用模型預測控制方法，設計了微網中分布式 微 電 源 逆 變 器 的 PQ 控 制 策 略 和 基 于 下 垂 特 性 的 V/f 控 制 策 略 ， 并 在 MATLAB/Simulink 中建立了仿真模型，對單個微電源分別采用 PI 控制和 MPC 控制 時的不同場景進行了分析，證明了 MPC 控制器的效果。第四章，建立了微電源組網運行的微電網模型，通過對微電網運行模式的切換、 孤島模式下切/增負荷、孤島模式下切除某一微電源 3 種情況下的運行特性進行仿真 分析，經過仿真分析，本文設計的微電源模型預測控制器在以上三種情況時都能很好 地進行系統(tǒng)的功率控制，實現負荷功率共享，同

20、時，微電網電壓和頻率變化在系統(tǒng)允 許的范圍內，證明了控制策略的有效性。第二章 微電源并網及控制模型2.1 微電源并網模型及參數確定 三相電壓型逆變器的數學模型三相電壓型并網逆變器的拓撲結構如圖 2.1 所示。饋線圖 2.1 電網側變流器主電路模型 Main circuit model of grid-side inverter三相并網逆變器通過濾波電感 L f 、電容 C f 、線路阻抗 Zln 和饋線相連，三相負 載接于濾波電路出口和傳輸線路之間，其阻抗為 Zld ，三相電流為 ilda、ildb、ildc 。Uia、Uib、Uic 為變流器三相出口電壓， iia 、 iib 、 iic 為

21、變流器的三相輸入電流，Ula、Ulb、Ulc 為濾波電路出口電壓（即三相負載 Zld 電壓）， ica 、 icb 、 icc 為濾波電容 電流；U fa 、U fb 、U fc 為饋線的三相電壓。根據基爾霍夫電壓和電流定律，可以寫出以下方程8第二章 微電源并網及控制模型在實際仿真中，需要建立用開關函數表示的逆變器數學模型。令 S A 、S B 、SC 為 開關函數，其定義如下：1SiiA,B,C 0橋臂上管導通，下管關斷 橋臂下管導通，上管導通則變流器出口電壓可以表示為：以上為三相電壓型變流器在三相靜止坐標系（abc 坐標系）下的數學模型，為了 方便控制系統(tǒng)的設計，將其轉化為兩相旋轉坐標系（

22、d-q 坐標系）下的數學模型。將 d 軸選為與電網電壓矢量同向，由三相靜止坐標系到 d-q 坐標系的轉換矩陣為9式中， 為 d-q 同步旋轉坐標系的角頻率。經過變換，d-q 同步旋轉坐標系下電網側變流器的數學模型為在電網電壓矢量定向的 d-q 坐標系下，由逆變器輸入到電網的有功和無功功率計 算公式為Pg ugd igd ugqigq ugd igdu iu iu iQggd gqgq gdgd gq（2.6）式（2.6）表明，當電網電壓穩(wěn)定時，通過調節(jié)網側變流器電流的 d、q 分量，能 單獨調節(jié)其輸入電網的有功功率和無功功率，即 PQ 解耦控制。經同步旋轉坐標系變換后，變流器系統(tǒng)的模型結構如圖

23、 2.2 所示。1LfUd1 Ids 1LfUq1 s IqIlnd Ilnq1Uldd1Cfs1Cf1Uldqs圖 2.2 旋轉坐標系下變流器系統(tǒng)模型結構圖 Illustration of Inverter system model under rotating coordinate system10第二章 微電源并網及控制模型LC 濾波器的設計濾波器的設計對于采用 SPWM 調制的逆變器是非常重要的，因為該調制方法會 在開關頻率處產生大量諧波，實際工程中網側濾波器通常采用 LC 無源濾波器，其設 計的一般原則如式（2.7）所示。10 fn fc fs / 10fc 1/ (2 Lf C f

24、 )（2.7）式中： fc 為 LC 濾波器的諧振頻率； fn 為調制波頻率； fs 為 SPWM 載波信號的頻率。 濾波器輸出電壓Vout 和輸入電壓Vin 的傳遞函數如式（2.8）所示。G( j) Vout 1/ jC fVinjLf 1/ jC f Rf2（2.8）0 ( j)2 j 22其中， 0 1/00RC ffLf C f , = 2L。因此，可以根據式（2.7）（2.8）設計濾波器參數，同時需要保證濾波電感上 的壓降不能超過系統(tǒng)電壓的 3。2.2 微電源的 PI 控制策略控制器為了保證可再生能源的最大利用，通常對可再生能源采用 PQ 控制策略，儲能等 分布式電源在并網時也可采取

25、 PQ 控制。逆變器采用 PQ 控制策略時，無論負荷、電 壓、頻率是否變化，微電源都能保證恒定功率輸出。在微電網并網時，分布式電源 均可采取 PQ 控制，微電網孤網運行時，還需要有分布式電源采用恒頻恒壓控制或者 下垂特性控制來進行頻率和電壓的支撐。11 Converter PQ control schematic逆變器 PQ 控制原理圖如圖 2.3 所示。從圖中可以看出，d 軸和 q 軸的給定電流 由式（2.6）得到，給定電流與檢測電流的差值經過 PI 調節(jié)器并進行電流前饋補償后， 得到電壓調制信號，經過 SPWM 調制解調后，給定逆變器的開關信號。系統(tǒng)的頻率 通過三相鎖相環(huán) PLL 檢測得到

26、。 基于下垂特性的 V/f 控制器下垂特性基于輸電線路的功率傳輸特性，這里首先對輸電線路功率傳輸特性進行 介紹。(1) 功率傳輸特性圖 2.4 微電網的簡化模型，直流電壓源Vdc 由逆變器轉化為三相交流電，通過線路 阻抗 Z 將功率輸送到交流母線中。其功率傳輸相量圖如圖 2.5 所示，U 為逆變器輸出 電壓的幅值，E 為交流母線的電壓幅值， 為逆變電源輸出電壓矢量與交流母線電壓 矢量的相角差。12第二章 微電源并網及控制模型圖 2.4 微電源到交流母線的功率傳輸示意圖Fig. 2.4 Power transfer schematic between micro-source to exchag

27、e busU圖 2.5 微電源到交流母線的功率傳輸相量圖 Power transfer vector schematic between micro-source to exchage bus逆變電源輸出的復功率的表達式（2.13）可以看出低壓輸電系統(tǒng)，有功功率的傳輸主要決定于電壓幅值 U，無功功率的傳 輸決定于 。高壓輸電系統(tǒng)的線路參數 XR，R 可以忽略，Z=X， 90，假設功率角 很小，則 sin ， cos 1，公式可變形為：可以看出高壓輸電系統(tǒng)，有功功率的傳輸主要決定于功率角 ，無功功率的傳輸 主要決定于電壓幅值 U。(2)下垂特性 模擬傳統(tǒng)發(fā)電機的下垂特性來實現微電網中微電源的無線

28、并聯控制，稱微電源逆變器下垂控制。其實質為：各逆變單元檢測自身輸出功率，通過下垂特性得到輸出電 壓頻率和幅值的指令值，然后各自反相微調其輸出電壓幅值和頻率達到系統(tǒng)有功和無 功功率的合理分配。各逆變電源的輸出電壓頻率和幅值均按下式變化：（2.17）其中， P 為微電源運行在額定頻率下的輸出功率，U 為微電源輸出無功功率為n00 時的電壓幅值，m、n 分別為有功和無功下垂特性系數， fn 為電網的額定頻率。下 垂特性如下圖 2.6、圖 2.7。14第二章 微電源并網及控制模型ff nf minPnPmax P圖 2.6 P/f 下垂特性 Q-U droop characterastics基于 P-

29、f，Q-U 下垂特性的 V/f 控制，根據微電網控制的要求，靈活選擇與傳統(tǒng) 發(fā)電機相類似的下垂特性曲線進行控制，將系統(tǒng)的不平衡功率動態(tài)的分配給各機組承 擔，消除無功電流環(huán)流的目的。其具有簡單、可靠、易于實現的特點。(3)基于下垂特性的 V/f 控制器設計逆變器微電網處于孤島運行時，由于失去了電網支撐，此時主控型微電源需要轉換控制 策略，采用基于下垂特性的 V/f 控制方法，以分擔并網時由大電網向微電網傳輸的功 率，同時提供微電網系統(tǒng)的電壓和頻率參考。其控制器包括兩個部分：1）功率控制 器；2）電壓電流雙環(huán)控制器。1）功率控制器的設計 由于頻率信號便于測量，所以這里采用頻率控制代替相角控制。其設

30、計的功率控制器結構如圖 2.9 所示。 Structure flowchart of power controller在圖 2.9 中，控制環(huán)中的功率為微電源輸出的瞬時功率，以提高整個系統(tǒng)的實時 性，同時，有功功率 P 和無功功率 Q 須滿足 0PPmax 和-QmaxQQmax 這兩個條 件。功率控制器的輸出將作為電壓電流雙環(huán)控制的參考電壓和角頻率。2）電壓電流雙環(huán)控制器的設計 為了改善三相輸出電能，需對電壓和電流進行精確、動態(tài)的控制。目前有許多控制策略，最典型的就是電壓電流雙環(huán)控制。其控制器結構如圖 2.10 所示。 Structure flowchart of voltage-curre

31、nt double-loop control16第二章 微電源并網及控制模型2.3 本章小結本章首先給出一種通用的微電源逆變器模型，并對 PQ 計算理論和逆變器輸出濾 波器進行了設計。針對微電源的不同類型以及微電網的兩種典型運行模式，將微電源 分為主控型和功率源型兩類，主控性微電源逆變器采用基于下垂特性的 V/f 控制，功 率源型微電源采用 PQ 控制，并分別給出了兩種控制策略的基本原理和控制器設計。17第三章 微電源的模型預測控制本章利用模型預測控制方法，設計了微網中分布式微電源逆變器的控制策略。在 每一個采樣周期內，通過事先建立的預測模型對可選擇的控制變量進行評估，使價值 函數最小的控制變

32、量將被選擇，在下一個采樣周期應用。該控制策略由于省去了電流 線性控制器和 PWM 調制模塊，因此，控制方法簡單，很容易通過數字信號處理器進 行實現。3.1 模型預測控制機理電力電子變換器的控制取決于如何選擇合適的門極驅動控制信號 S (t) 。模型預測 控制機理如圖 3.1 所示，為了敘述方便，我們設系統(tǒng)的采樣周期為 Ts ，系統(tǒng)狀態(tài)變量 x(t) 在 tk 時刻的值為 x(tk ) ，并設能對系統(tǒng)進行控制的控制變量存在 n 種可能，且 n有限。定義系統(tǒng)的控制變量 Si (i 1, n) ，根據狀態(tài)變量 x(t) 和預測函數 f ，可以得到在 tk 時刻系統(tǒng)所有狀態(tài)變量的預測結果 xi (tk

33、 1 ) f x(tk ), Si , i=1, n。預測函數 f不限形式，只要能實現預測功能可以應用于模型預測控制策略中，通常是根據系統(tǒng)的 離散化模型和相應的系統(tǒng)參數得到。xTsx(t)SS1Tsx1 (tk 1 )x1 (tk 2 )x2 (tk 1 )S1S2SS323x2 (tk 2 )Sx* (t)ntkx3 (tk 1 )Snxn (tk n )tk 1x3 (tk 2 )xn (tk n )ttk 2圖 3.1 模型預測控制原理 Model predictive control principle18第三章 微電源的模型預測控制為了確定在某一時刻最佳的控制行為，通常定義一個價值函

34、數 fg ， fg 是參考變量x* (t) 和預測的狀態(tài)變量 x (t) 之間的函數，即 g fx* (t ), x (t).，其中 i=1，i k 1igi k 1i k 1n。比較常用的價值函數為參考變量 x* (t) 與預測狀態(tài)變量 x (t) 差的二次方，即*2gi x (t) xi (tk 1 )。在某一時刻，系統(tǒng)的 n 個控制變量值導致 n 個不同的價值函數值 gi ，使價值函數 gi 最小的控制變量值將在下一個采樣周期被應用。從圖 3.1 可以看 出，在 tk 時刻，控制變量值 S3 使價值函數 gi 最小，所以 tk 時刻 S3 被選擇；在 tk 1 時刻，控制變量值 S2 使

35、價值函數 gi 最小，所以 tk 1 時刻控制行為 S2 將被選擇，控制系統(tǒng)將以 同樣的方式在未來的控制周期內依次去選擇。3.2 微電源的模型預測算法 PQ 模型預測控制器根據基爾霍夫定律，可以建立逆變器的三相電壓電流方程為：ia Uia Ulda L d iUUf dt b ib ldb ic Uic Uldc (3.1)為了方便控制系統(tǒng)的設計，將其轉化為兩相 坐標系下的數學模型，經過整理得到：d i 1 Ui 1 Uld (3.2)dt i L Ui L Uld 對上式進行離散化，得到1 i (k 1) i (k) s T i (k 1) i (k)式中， Ts 為采樣周期。 由上式可得1

36、 Ui (k)L(k)Ui1 Uld (k)L(k)Uld(3.3)19i (k 1) i (k) T Ui (k) Uld (k)s (3.4)i (k 1)i (k)L Ui (k) Uld (k)在用開關函數表示的逆變器模型中，Ui 2Udc Sa31 (S2b Sc )(3.5)UU2(SS )i2dcbc三相并網逆變器開關狀態(tài)的組合存在 8 種，在使用 SPWM 調制時，會在逆變器 出口產生 7 個不同的電壓矢量。這 7 個不同的電壓矢量如圖 4 所示。u3u2S3 (0,1, 0)u4S4 (0,1,1)S2 (1,1, 0)S1 (1, 0, 0)u1S0 (0, 0, 0)S7

37、 (1,1,1)S5 (0, 0,1)u5S6 (1, 0,1)u6u0,7圖 3.2 三相電壓逆變器的電壓矢量 Voltage vectors of three-phase voltage source converter為了進行 PQ 解耦控制，將模型轉化為兩相 d-q 坐標系下的模型為：id (k 1)cos tsin t i (k 1) iq (k 1)Uldd (k 1)sin tcos tcos t i (k 1)(3.6)sin t Uld (k 1)(3.7)Uldq (k 1)其中， 為電網角頻率。sin tcos t Uld (k 1)三相并網逆變器在電網電壓矢量定向的 d

38、-q 坐標系下有功功率 P 和無功功率 Q可以表示為：20第三章 微電源的模型預測控制P Uldd id Uldqiq Uldd idQ Uldqid Uldd iq Uldd iq(3.8)考慮到孤島運行時饋線電壓會發(fā)生波動，需要對饋線電壓進行預測。本文采用拉 格朗日外推法進行電壓的預測，預測公式如下：Uldd (k 1) 3Uldd (k) 3Uldd (k 1) 2Uldd (k 2)(3.9)由此可得：P(k 1) Uldd (k 1)id (k 1)Q(k 1) Uldd (k 1)iq (k 1)(3.10)其價值函數 g 表示為g P* (k 1) P(k 1)2 Q* (k 1

39、) Q(k 1)2(3.11)其中， P* (k 1), Q* (k 1) 為 k 1 時刻有功功率和無功功率的給定值?；谀Ｐ皖A測 PQ 控制原理圖如圖 3.3 所示。逆變器饋線等效 DGUiLfiabcCfZUldabck)SB(k)SC優(yōu)化函數 求解idqabc SA(k)UlddqP (k 1)dqPLLP&Q計算Q (k 1)預測模型id (k 1)iq (k 1)Uldd (k 1)Uldd(k)id (k)iq (k)Pref Qref圖 3.3 基于模型預測的 PQ 控制原理圖 PQ control schematic based on MPC其控制算法流程如圖 3.4 所示。

40、21電流采樣i (k ), i (k )電壓采樣Uld (k ), Uld (k )For i=0 to 7Ui (i) S(i)Udci (k 1) i (k) T Ui (k) Uld (k)s i (k 1)i (k)L Ui (k) Uld (k)id (k 1)cos tsin t i (k 1) iq (k 1) sin tcos t i (k 1)Uldd (k ) Uld (k ) cos t Uld (k ) sin tUldd (k 1) 3Uldd (k) 3Uldd (k 1) 2Uldd (k 2)P(k 1) Uldd (k 1)id (k 1)Q(k 1) Uld

41、d (k 1)iq (k 1)ig P* (k 1) P(k 1)2 Q* (k 1) Q(k 1)否i=7?是選擇S(tk+1),使得gi最小t tk 1否t tk 1是S (tk 1 )圖 3.4 PQ 模型預測控制流程圖 Flowchart of PQ control based on MPC22第三章 微電源的模型預測控制 基于下垂特性的 V/f 模型預測控制器基于下垂特性的 V/f 模型預測控制原理如圖 3.5 所示。電流預測模型與 PQ 模型 預測控制器一樣，電壓控制器，功率控制器與基于 PI 控制的 V/f 控制一樣。逆變器U等效 iDGiabc饋線LfUldabc ilabcZ

42、CfS (k )電流 預測i(k 價值函數 最小值i*UldabcP&Q計算U *PQldabcabc電壓控制器功率控 制器Pref Qref圖 3.5 基于下垂特性的 V/f 模型預測控制原理圖 Schematic of V/f MPC control based on droop characterastics3.3 系統(tǒng)建模與仿真基于 Matlab/Simulink 的控制系統(tǒng)建模(1) PQ 控制系統(tǒng)的仿真模型單個微電源的 PQ 控制仿真模型如圖 3.6 所示。圖中進行了子系統(tǒng)的封裝，PQ control 為控制策略子系統(tǒng)，abc2dq 為坐標變換子系統(tǒng)，PLL 為鎖相環(huán)模塊，P&Q

43、measure 為有功功率和無功功率檢測模塊，有功功率和無功功率的給定用兩個信號生 成器實現，微電源逆變后經濾波電路，帶負載與電網連接。23Discrete, s = 2e-005powerguiP&QP&Q measure Vabc PQPLLVabc(pu)Freq wtw800g+VabcAA IabcIabc VabcVldSin_CosBB a-AA IabcIabcThree-Phase SourceCC bcIGBTBBaA CCbBcCA B CCLfA B CVabc IabcAa BbcCfA B CV&ILoad1Out1Vlddq PrefQrefVlddqSignal

44、 Builder1Pref Group 1Qref Group 1Vlddq In1 Out1In2VldwIdqIdqIdqOut2In3Iabcwwabc2dqPQ control圖 3.6 單個微電源的 PQ 控制系統(tǒng)整體仿真模型Fig 3.6 Overall simulation model of PQ control system of single micro-source(2)基于下垂特性的 V/f 控制系統(tǒng)的仿真模型Discrete, s = 5e-006powergui+800signgVabcAA IabcBBaScope2 iabcA AVabcA IabcBaVldab

45、c ildabcAa-C CbBBCbBbcCCcCcAaBCAaBCLfAABBCCVabc Iabcb cVabc Iabcb cCfVldabcK-GainPLLFreq Vabc(pu)wt Sin_Cosf wV1&i1V2&i2A B CA B C Load1 Load2V/f droop controlPref PPref PVldabc ildabcP&Q measureVMag_V_IIP_QP&Q PQsignSignQref QVlddq Idq wQref QVlddq idqwVlddq idq In1 Out1In2Out2 In3abc2dqVldabc wiab

46、c圖 3.7 單個微電源基于下垂特性的 V/f 控制系統(tǒng)整體仿真模型 Overall simulation model of V/f control system based on droop characterastics of single micro-source24第三章 微電源的模型預測控制單個微電源基于下垂特性的 V/f 控制系統(tǒng)整體仿真模型如圖 3.7 所示。圖中 V/f droop control 為控制策略子系統(tǒng)，abc2dq 為坐標變換子系統(tǒng)，PLL 為鎖相環(huán)檢測模塊， P&Q measure 為有功功率和無功功率檢測模塊，有功功率和無功功率的基準值實現確 定，微電源逆變后

47、經濾波電路，帶負載與電網連接。 仿真結果分析(1) 單個 PQ 控制的微電源帶負荷與電網并網運行 為了驗證控制策略的正確性和有效性，利用 MATLAB/Simulink 搭建了微網分布式電源逆變器 PI 控制和模型預測控制的仿真平臺，并對兩種控制策略的效果進行了 對比。仿真實驗中系統(tǒng)參數為：微電源額定功率 PN 10kW，Udc 800V ，電網電壓U f 380V ，fn 50Hz ，L 0.6mH ，C 1500F ，R 0.01，PQ 控制器參數 K p 0.5 ，Ki 20 ，系統(tǒng)采樣周期 Ts 100s 。 實驗場景 1當微網中系統(tǒng)容量出現缺額時，如果此時分布式電源仍有額外容量，可以

48、將多余容量送入系統(tǒng)中，以補充系統(tǒng)缺額，維持微電網能量穩(wěn)定，此時需要 DG 重新調整出 力，觀察給定出力調整后 DG 能否及時達到目標水平。設定 DG 有功功率給定 Pref 原先為 6kW，0.005s 時重新調整為 10kW，0.015s 后又 調回 6kW，無功功率給定 Qref 始終為零。 Active power modulability under two control strategies254實驗場景 2 Reactive power response while modulating active power當系統(tǒng)電壓出現波動時，可以充分利用 DG 的無功功率調節(jié)能力，為微電

49、網提供 無功支撐，維持系統(tǒng)電壓水平，此時需要調整微電網無功出力，觀察給定無功出力調 整后 DG 運行情況。設定 DG 給定原先為 Pref =8kW，Qref =0，0.1s 時重新調整為 Pref =8kW，Qref =1.5kW,0.020 時重新調回 Pref =8kW， Qref =0。10Q/kVar-1-2PIMPC-300.0050.0100.0150.0200.025T/s圖 3.10 兩種控制策略下無功功率調節(jié)能力 Reactive power modulability under two control strategies26第三章 微電源的模型預測控制12 PI10MP

50、CP/kW86400.0050.0100.0150.0200.025T/s圖 3.11 無功功率調節(jié)時有功功率響應 Active power response while modulating reactive power由圖 3.8，圖 3.10 中可以看出相對于 PI 控制，MPC 控制具有較小的超調，同時 響應速度較快，這對于微網迅速進行能量調節(jié)，同時抑制短時不平衡波動時很有作用 的。由圖 3.9，圖 3.11 可以看到，在有功功率（無功功率）給定發(fā)生變化時，無功功 率（有功功率）沒有明顯波動，說明兩種控制策略都具有良好的解耦能力。這些仿真結果驗證了 MPC 控制策略的有效性，說明 MP

51、C 控制策略在微網中應 用是很有優(yōu)勢的。(2)單個 V/f 控制的微電源帶負荷獨立運行利用 MATLAB/Simulink 搭建了微網分布式電源逆變器 PI 控制和模型預測控制的 仿真平臺，并對兩種控制策略的效果進行了對比。仿真實驗中系統(tǒng)參數為：微電源參 數： Pn 2 8 . 9 k W( 微 電 源 運 行 在 額 定 頻 率 下 的 輸 出 功 率 ) ， Pmax 40kW ，Qmax=-Qmin=70kvar；系統(tǒng)額定輸出:E0 380V(幅值)， fn 50Hz ；PI 控制器參數：KP 10 ， KI 100(電壓調節(jié)器)， K 5(電流調節(jié)器)； L 0.6mH ， C 150

52、0F ，R 0.01，負荷 l 參數： Pload1 28.6kW ， Qload1 3.6kvar ；系統(tǒng)采樣周期 Ts 100s 。 實驗場景 1單個微電源帶負荷獨立運行，微電源逆變器采用基于下垂控制的 V/f 控制方式， t=0.005s 時突加負荷 2( Pload1 10kW ，Qload1 3.6kvar )， t=0.015s 時又將該負荷切掉， 仿真結果如圖。27 Frequency response under two control strategies while add or minus load由圖 3.12 可以看出相對于 PI 控制，MPC 控制具有較小的超調，同

53、時響應速度較 快，這也是 MPC 進行電流控制的優(yōu)勢，驗證了 MPC 控制器的效果。3.4 本章小結本章利用模型預測控制方法，設計了微網中分布式微電源逆變器的 PQ 控制策略 和基于下垂特性的 V/f 控制策略，并在 MATLAB/Simulink 中建立了仿真模型，對單 個微電源分別采用 PI 控制和 MPC 控制時的不同場景進行了分析，結論證明了 MPC 控制器的效果。28第四章 微電源組網運行控制策略為了驗證所設計的模型預測控制策略的有效性，需要檢驗微電網在不同的工況下 的運行情況，本文選取的微電網運行場景分別為：微電網孤島模式下增加或減少負荷； 微電網運行模式轉換；微電網孤島模式時某微

54、電源由于故障退出系統(tǒng)。在這三種運行 情景，通過在 MATLAB/Simulink 中進行仿真，驗證微電源控制策略的有效性。4.1 微電網主電路模型和仿真參數本文在 MATLAB/Simulink 環(huán)境下建立微電網組網運行的模型，主電路模型如圖所示。圖 4.1 中，微電網由 3 個微電源（DG1DG3）及 2 個負荷組成，通過線路和開關連接到配電網中。假設 3 個微電源均為直流源或經整流后的直流源。在聯網運行時，293 個微電源均為 PQ 控制，使其輸出功率恒定；在孤島運行時，主電源 DG1 采用基于 下垂特性的 V/f 模型預測控制控制，以控制母線電壓恒定，功率源型微電源 DG2 和 DG3

55、仍采用 PQ 控制，輸出恒定功率。負荷 1 為敏感性負荷，應保證其供電質量；負 荷 2 為普通負荷，必要時可以切除。本例中，仿真系統(tǒng)的主要參數如下表所示：表 4.1 微電源參數Table 4.1 Micro-source parameters微電源有功功率參考(kW)無功功率參考(kVar)DG112.40DG23.60DG34.00表 4.2 負荷參數Table 4.2 Load parameters負荷類型有功功率參考(kW)無功功率參考(kVar)敏感負荷 114.01普通負荷 26.51表 4.3 系統(tǒng)其它參數Table 4.3 Other parameters of the syst

56、em系統(tǒng)參數符號數值電網電壓幅值(V)U380直流側電壓(V) 電網頻率(Hz)Udcfn80050線路參數( /km)R/X0.642/0.083濾波電感(mH)Lf濾波電容( F)Cf濾波電阻( )Rf0.615000.01下垂系數1/ a0.000011/ b0.0003采樣周期( s)Ts10030第四章 微電源組網運行控制策略4.2 微電源組網運行仿真分析 微電網運行模式切換的仿真為了驗證運行模式切換時控制策略的效果，假定的場景為：微電網 0.1s 前并網 運行，0.1s 與電網斷開，1s 時重聯電網，對應的仿真結果如圖 4.2 所示。P2 / kWP1 / kW20151000.5

57、11.55000.511.5P3 / kW5000.511.5t/ s5Q1 / kVar0-5210Q2 / kVar00.511.510-1210Q3 / kVar00.511.510-100.511.5t/ sa) DG1DG4 輸出有功功率b) DG1DG4 輸出無功功率V/2UU /V 32031030000.511.5t/s50.04f /Hz50.0250.00 49.9800.511.5t/sc) 母線的電壓d) 系統(tǒng)的頻率U1L/ V5000-5000.9511.05I1L/ A200-200.9511.05t/sf) 敏感負荷 1 的電壓和電流圖 4.2 微電網聯網、脫網、

58、再并網時運行特性 Operational characteristics of microgrid while connecting, disconnecting and reconnecting the grid31算例分析：從圖 4-2（a）和（b）中可以看出，并網運行時，DG1 和 DG2 輸出 的有功和無功功率均不變，說明 PQ 控制能夠達到理想的效果。0.1s 到 1s 時，微電網 孤網運行， DG1 采用基于下垂特性的 V/f 模型預測控制，可以看出，其輸出的有功 和無功功率均有所增加，說明基于下垂特性的 V/f 模型預測控制能夠控制微電源根據 下垂系數和容量分擔原來由外電網向微電

59、網系統(tǒng)提供的功率。從圖（c）、圖（d）可 以看出，母線的電壓幅值在斷網后有一定增加，系統(tǒng)的頻率在電網斷開后上升，而重 新并網后，電壓幅值和頻率均能自動與外電網一致，說明其滿足下垂特性原理。整個 過程中電壓幅值和頻率的變化始終在允許的范圍內，能夠滿足敏感負荷 1 的電壓質量要求。從圖（f）可以看出，敏感負荷 1 的電壓和電流在整個過程中都保持穩(wěn)定，說 明該控制系統(tǒng)能向敏感負荷提供較高的電能質量。 微電網孤島模式下增/切增負荷的仿真微電網獨立運行，0.5s 時切掉普通負荷 2，1s 時重新給負荷 2 供電，對應的結果 如圖 4-3 所示。20100W15k/7.5P2 / kWP1050P3 /

60、kW5000.511.500.511.500.511.5t/ s5Q1 / kVar0-5Q2 / kVar00.511.5210Q3 / kVar00.511.521000.511.5t/ sV/2UU /V 320310300a) DG1DG3 輸出有功功率b) DG1DG3 輸出無功功率50.04f /Hz50.0250.0049.9800.511.5t/s00.511.5t/sc) 母線電壓d) 微電網頻率 圖 4.3 負荷變化時微電網的運行特性 Operational characteristics of microgrid while load changing32第四章 微電源組