含分布式电源的微电网电能质量控制技术研究

摘要

可再生能源可有效缓解能源危机并提高能源可持续发展能力，因此风能、太阳能等可再生能源利用得到快速发展。分布式发电作为可再生能源利用的有效途径，充分利用各种分散存在的可再生能源进行发电，可提高现有电力系统的经济性和可靠性，因此受到国内外的广泛关注。微电网作为大电网和分布式发电的重要桥梁和纽带，可以有效降低分布式发电对电网的冲击，提高供电可靠性。相对于分布式电源，微电网具有明显优势，是智能电网建设的重要组成部分，但由于微电网网络性质更为特殊，微电网内的电能质量问题有了许多新的特点，给微电网安全、稳定和可靠运行提出了严峻挑战。传统的安装电能质量治理装置的方法，虽然可以有效提高微电网电能质量，但增加了微电网的建设成本。通过电力电子变换器并网的分布式电源具有提供电能质量治理服务的潜力，因此利用分布式电源为微电网提供电能质量治理的辅助服务成为微电网研究领域极具创新性和挑战性的研究方向之一。
　　本文在国家高技术研究发展计划（“863”计划）“大型光伏电站并网关键技术研究”和国家电网公司重点科技项目“间歇式可再生能源海岛电网运行技术研究及工程示范”等项目的资助下，以微电网电能质量需求为契机，针对微电网中存在的谐波、电压偏差和频率偏差电能质量问题，系统深入地研究了利用分布式电源和电力电子负荷接口变换器为微电网提供电能质量治理辅助服务的方法，获得了一些创新性研究成果。
　　1、针对微电网内非线性负载产生的谐波在微电网内传播导致的微电网电能质量下降的问题，重点研究了无需互联通信的谐波补偿技术，提出了一种基于分布式电源并网逆变器的多母线微电网谐波补偿策略。所研究谐波补偿策略利用逆变器本地控制所需并测量得到的输出电压和输出电流信号，结合网络方程，间接计算相邻母线电压畸变程度。结合本地计算所得母线电压畸变信息，电压控制环采用比例和并联谐振控制器对母线谐波电压进行跟踪，电流控制环采用比例积分和并联谐振控制器对逆变器输出电流进行控制，使分布式电源具备有功功率注入和谐波补偿的双重功能。所研究谐波补偿策略仅利用本地测量信息无需互联通信，节省了在母线处额外安装电压或电流测量装置以及长距离通信通道的投资，改善了多母线微电网内部的电能质量，确保了负载正常运行，减轻了公共连接点处电能质量治理装置的负担。仿真和实验结果验证了所提方法在线路阻抗准确和存在误差情况下提供谐波补偿辅助服务的适用性和有效性。
　　2、针对微电网离网运行时，下垂控制和线路阻抗压降引起母线电压偏差超出系统允许范围导致微电网电能质量下降的问题，详细研究了无互联通信的微电网母线电压偏差自动补偿技术，提出了基于下垂控制的母线电压偏差自动补偿策略。详细阐释了传统下垂控制策略和带虚拟阻抗的下垂控制策略引起母线电压偏差的机理，推导了两种控制策略下母线电压偏差表达式。所研究母线电压偏差自动补偿策略利用分布式电源下垂控制本身所需并计算所得输出有功功率和无功功率，结合下垂控制所需的阻抗信息，间接计算微电网母线电压幅值。本地计算所得母线电压幅值与母线电压额定值比较后得到母线电压偏差，经比例控制器调节后产生母线电压补偿量并叠加到V/Q下垂控制所得电压幅值，从而实现了对母线电压偏差的自动补偿并确保了负荷电能需求在多个分布式电源间的合理分配。详细分析了线路阻抗误差对于母线电压偏差自动补偿策略补偿性能的影响，给出了线路阻抗准确和存在误差情况下母线电压偏差补偿系数的整定方法。所研究母线电压偏差自动补偿策略仅利用下垂控制器本地信息无需互联通信，节省了在母线处额外安装电压测量装置和长距离通信系统的投资，改善了微电网母线电压电能质量，确保了连接在母线上负载的正常运行。针对线路阻抗准确和线路阻抗存在误差两种情况，进行了实验研究，验证了分布式电源提供母线电压偏差自动补偿辅助服务的可行性和有效性。
　　3、针对微电网离网运行时，下垂控制和微电网内有功功率供需不平衡引起频率偏差超出允许范围导致微电网电能质量下降的问题，重点研究了电力电子负荷参与微电网频率调节的控制技术，提出了基于电力电子负荷的主动频率响应控制策略，以减少微电网频率偏差，从而提高微电网电能质量。详细阐释了微电网离网运行状态下频率偏差的产生机理，分析了电力电子负荷接口变换器的拓扑和运行特性，讨论了电力电子负荷参与微电网频率调节的可行性。在此基础上，提出了电力电子负荷的“主动频率响应控制”概念。所研究电力电子负荷控制策略，通过比较电力电子负荷并网变换器并网点电网频率测量值和设定的频率阈值的大小，判断微电网内分布式电源有功出力和负荷的有功消耗之间的供需平衡情况，并根据微电网频率偏差大小主动调节电力电子负荷的有功功率消耗，使其主动响应微电网内有功供需平衡。详细分析了电力电子负荷参与微电网频率调节的能力，结合电力电子负荷有功消耗可调节量和系统允许的最低频率，给出了电力电子负荷主动频率响应系数的整定方法，以实现电力电子负荷有功消耗的平滑调节。所研究电力电子负荷主动频率响应控制策略，仅需本地测量微电网频率信息无需互联通信，节省了长距离通信系统和大容量储能系统的投资，改善了微电网频率电能质量，确保了微电网频率稳定和负载的正常运行。仿真结果验证了所提电力电子负荷主动频率响应控制策略的可行性和有效性。
　　4、针对电网电压不对称跌落穿越过程中分布式电源直流链电压产生二次波动影响并网变换器稳定运行和并网电流电能质量的问题，重点研究了电网电压跌落穿越过程中分布式电源并网变换器直流链电压控制技术，提出了电网电压不对称跌落穿越过程中分布式电源两级并网变换器直流链电压二次波动抑制策略。详细阐释了分布式电源两级并网变换器的拓扑和运行特性，讨论了电网电压跌落过程中两级并网变换器的控制策略，分析了电网电压不对称跌落时两级并网变换器直流链电压二次波动的产生机理。当电网电压正常运行时，所研究的两级并网变换器直流链电压控制策略通过控制前级升压变换器实现最大功率跟踪，采用比例积分控制器实现直流链电压稳定，并且控制后级变换器实现向电网注入功率。当电网电压发生不对称跌落时，所研究的两级并网变换器直流链电压控制策略通过比例积分控制器和并联谐振控制器组成的组合控制器对前级升压变换器进行控制将直流链电压二次波动转移到升压变换器输入电容实现了对直流链电压二次波动的有效抑制，同时控制后级变换器按照电网电压跌落穿越过程中的并网要求注入无功功率为电网电压跌落穿越提供支持。所研究电网电压不对称跌落穿越过程中直流链电压控制策略，可有效抑制电网电压不对称跌落过程中分布式电源两级并网变换器直流链电压的二次波动，保证了分布式电源可靠并网并为电网电压跌落穿越提供支持，并且提高了分布式电源并网电流的电能质量。开展了电网电压不对称跌落仿真和实验研究，验证了所提控制策略的有效性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 分布式发电发展现状

1．2．2 微电网发展现状

1．2．3 含分布式电源的微电网电能质量问题分析

1．2．4 含分布式电源的微电网电能质量研究现状

1．3 论文主要研究内容

第二章 微电网运行及控制技术

2．1 引言

2．2 微电网运行模式分析

2．3 微电网控制策略分析

2．4 分布式电源控制分析

2．4．1 分布式电源并网逆变器数学模型

2．4．2 分布式电源PQ控制策略

2．4．3 分布式电源Droop控制策略

2．4．4 分布式电源V／f控制策略

2．5 本章小结

第三章 基于并网逆变器的多母线微电网谐波补偿控制策略

3．1 引言

3．2 多母线微电网拓扑

3．3 基于并网逆变器的多母线微电网谐波补偿策略

3．3．1 母线电压计算

3．3．2 锁相环

3．3．3 基于母线电压计算的双闭环控制策略

3．4 多母线微电网谐波补偿效果分析

3．5 仿真与实验结果验证

3．5．1 仿真结果验证

3．5．2 实验结果验证

3．6 本章小结

第四章 基于下垂控制的母线电压偏差自动补偿控制策略

4．1 引言

4．2 下垂控制模式下母线电压偏差分析

4．2．1 传统下垂控制策略母线电压偏差分析

4．2．2 引入虚拟阻抗的下垂控制策略母线电压偏差分析

4．3 基于下垂控制的母线电压偏差自动补偿控制策略

4．3．1 母线电压偏差自动补偿控制策略

4．3．2 母线电压偏差自动补偿效果分析

4．3．3 电压电流双闭环控制方法

4．4 实验验证

4．4．1 线路阻抗准确情况下的实验验证结果及分析

4．4．2 线路阻抗不准确情况下的实验验证结果及分析

4．5 本章小结

第五章 基于电力电子负荷的主动频率响应控制策略

5．1 引言

5．2 微电网频率偏差分析

5．3 电力电子负荷接口变换器拓扑和运行特性分析

5．3．1 PWM整流器的典型拓扑和运行特性

5．3．2 PWM变频器的典型拓扑和运行特性

5．4 电力电子负荷主动频率响应控制策略

5．4．1 电力电子主动频率响应控制原理

5．4．2 电力电子负荷主动频率响应控制策略

5．5 仿真结果验证

5．6 本章小结

第六章 电网电压不对称跌落穿越过程中分布式电源直流链电压控制策略

6．1 引言

6．2 电网电压不对称跌落穿越过程中典型的两级并网变换器运行特性分析

6．3 电网电压不对称跌落穿越过程中直流链电压控制策略

6．4 仿真和实验验证

6．4．1 仿真结果验证

6．4．2 实验结果验证

6．5 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 主要结论

7．2 后续研究工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间取得的研究成果