基于虚拟电机的全柔性配电技术及应用

摘要

随着能源短缺问题与环境保护问题日益严重，以清洁能源为主的分布式能源（Distributed Energy Resources, DERs）逐渐发展。这些分布式能源包括分布式发电装置（Distributed Generation，DG）如太阳能发电、风力发电等，以及分布式储能装置（Distributed Storage, DS）如飞轮储能，超级电容器储能等。随着这些分布式能源逐渐大量接入配电网，配电网也逐渐由传统的无源配电网向着有源配电网发生转变。这一转变对配电装置提出了更高要求，原有传统无源配电网中的不可控刚性配电装置已经不能完全满足电网高效稳定运行的要求，配电网需要更加灵活可控的柔性配电装置已满足其多种需求。
　　在此基础上，针对有源配电网对配电装置的需求，本文研究了有源配电网中的柔性配电技术，提出了一种基于虚拟电机技术的全柔性配电装置；将具有优良性能的虚拟电机控制技术融入到该装置中；给出了该装置的主电路拓扑及其控制；优化设计和分析了其重要电气参数及其控制参数；在 PSCAD仿真软件中给出了其在多种工况下的应用；并由RT-LAB得到了半实物仿真结果，验证了所提出装置的正确性和有效性。本文主要内容有：
　　（1）针对有源配电网对配电装置的需求，提出了一种含储能级的基于虚拟电机技术的五级式全柔性配电装置，其构成部分包括并网级，储能级，隔离级，交流负荷级以及直流负荷级，并将虚拟电机技术应用到装置中，引入了阻尼惯性，增强了装置抗扰动能力。建立了交流同步电机和直流电机的等效模型，将此模型融合到控制策略中，然后分别给出了各个部分的主电路拓扑结构及其控制策略。
　　（2）对本文所提出的全柔性配电装置的参数进行了优化设计与分析。对包括并网电感，直流侧电容，高频变压器漏感，交流侧 LC滤波器等在内的主电路的重要电气参数进行了优化设计，并根据小扰动分析原理，对装置接口虚拟电机的重要控制参数进行了优化分析。
　　（3）搭建了基于全柔性配电装置的多源组网仿真系统。构建包含了多种分布式电源和分布式储能详细模型的直流微电网，将该微网通过全柔性配电装置接入低压配电网。在 PSCAD仿真软件中对全柔性配电装置在多源组网下的多种工况进行了大量仿真并对其结果进行分析，仿真工况主要包括了在分别考虑直流微网功率剩余，功率平衡或功率不足时装置的稳态运行状况；小扰动和大扰动下的运行情况，以及网侧和负荷侧分别传入电能质量问题时的运行情况。
　　（4）利用 RT-LAB实验平台得到装置在有源配电网中应用的实验结果，介绍了实验平台，并给出了全柔性配电装置在并网情况下各个部分的实验波形，进一步验证了所提出的全柔性配电装置的有效性和可行性。

目录

第1章 绪 论

1.1 配电网发展趋势

1.2虚拟电机控制与柔性配电技术

1.3配电装置的发展现状

1.4本文的主要研究内容

第2章 基于虚拟电机的全柔性配电装置拓扑与控制

2.1并网级主电路拓扑结构及其控制策略

2.2基于超级电容器的储能级主电路拓扑及其控制策略

2.3隔离级主电路拓扑结构及其控制策略

2.4交流负荷级主电路拓扑结构及其控制策略

2.5直流负荷级主电路拓扑结构及其控制策略

2.6本章小结

第3章全柔性配电装置参数优化设计分析

3.1并网电感参数优化设计

3.2隔离级高频变压器漏感参数优化设计

3.3直流电容参数优化设计

3.4交流负荷级滤波参数优化设计

3.5并网接口虚拟电机参数优化分析

3.6本章小结

第4章 全柔性配电装置应用的仿真验证

4.1 直流微网在功率平衡、盈余和短缺情况下的仿真分析

4.2小扰动仿真分析

4.3大扰动仿真分析

4.4典型负荷侧电能质量仿真分析

4.5 电网传入谐波干扰仿真分析

4.6 本章小结

第5章基于RT-LAB的全柔性配电装置实验

5.1半实物实验平台简介

5.2硬件在环RT-LAB半实物平台

5.3实验波形及其分析

5.4本章小结

总结与展望

全文内容总结：

后期工作展望：

参考文献

致谢

附录 攻读学位期间取得的研究成果