微电网分层控制及其电能质量改善研究

摘要

研究含有分布式电源(Distributed generation，DG)的微电网接入主电网具有很强的现实意义。微电网是包括分布式电源、储能装置、能量变换装置、负荷、保护装置集中而成的小型电力系统。介绍了微电网技术的特点，分析了分布式电源的随机性可能导致的微电网不易运行控制及其对电能质量产生不利影响。影响微电网电能质量问题的因素很多:微电源的运行特性及控制方法、微电源的接入点和容量、微电网运行方式和控制方法、电力电子装置、储能设备和负荷特性等都会影响电能质量，从而导致微电网电能质量的检测、分析、评估、改善和主电网相比更加困难复杂。
　　微电网的电能质量特殊性是由微电源、负荷和微电网运行与控制方法共同决定的。其中，微电网电能质量控制有如下要求:(1)无功电压控制;(2)频率稳定;(3)不平衡控制;(4)谐波抑制。因此，研究改善微电网的电能质量，基于分层控制的运行控制具有重要的实际意义。
　　上述问题的微电网电能质量的表现形式不同，但问题的解决都依赖于能量的平衡控制，分层控制策略是实现能量平衡、保证微电网正常运行的重要手段。分层控制在微电网中的应用需要解决一些关键技术问题，如关系到微电网的经济运行、优化运行，分层控制抑制功率波动的控制策略。研究内容主要涉及以下四个方面:微电网内各分布式电源建模及其分层控制方法、电压偏差和频率偏差的二级控制、电压不平衡的二级控制以及微电网中的谐波抑制，本文的主要研究内容如下:
　　(1)从微电网的架构与多种分布式电源的数学模型出发，包括风力发电、太阳能光伏电池和蓄电池储能系统。根据基本的状态空间平均方法，对微电网中的分布式电源多采用电力电子变换装置并入微电网;蓄电池储能系统的并网控制模型分为蓄电池、双向半桥DC/DC变换器、逆变器控制系统三部分，太阳能光伏电池发电系统的并网控制模型分为太阳能光伏电池、双向半桥DC/DC变换器、逆变器控制系统三部分，风力发电采用直驱永磁同步发电机的并网主要由发电机侧整流器与网侧逆变器构成。仿真结果验证了分布式电源对微电网电能质量的影响，为了改善微电网的电能质量，提出了一种微电网的分层控制策略。
　　(2)微电网电压和频率的偏差是两个重要的电能质量的指标，传统的分布式电源逆变器采用下垂控制方法，会对电压以及频率造成偏差。在微电网初级控制中，大部分分布式电源采用电力电子接口，负荷与网络结构多变，这些都增加了微电网电压和频率稳定控制的困难。如何保证微电网在孤岛运行时，可以满足电压和频率的稳定性指标，是微电网可靠运行的关键。为了补偿微电网电压和频率的偏差造成的影响，建立了基于二级控制的微电网控制策略。该控制方法通过重新控制逆变器的输出电压幅值和频率，使得微电网公共连接点处电压和频率的偏差在一定范围内。
　　另外，基于二级控制的微电网并网同步控制策略，可以实现微电网电压和主电网电压的平稳、频率的同步，从而避免了微电网并网过程的冲击电流，最后可以实现微电网由孤岛模式到并网模式的平滑切换。
　　(3)微电网中的分布式电源存在包含单相分布式电源与负荷特性的情况下，这会导致公共连接点的微电网电压不平衡。当微电网在公共连接点存在不平衡的电压时，初级控制的微电网中的电压存在正序分量和负序分量，其中正序电压分量转化为直流分量、负序电压分量转化为二倍频分量。为补偿微电网电压中的负序分量，此时必须采取适合于微电网的不平衡情况下的锁相环，提出了基于二级控制的微电网控制策略，结合改进解耦的双同步坐标系锁相环(IDDSRF-PLL)控制，确保并网电压无畸变且对称并网，从而保证了并网电能质量，同时能够精确获得微电网在公共连接点平衡的电压。
　　(4)微电网中的分布式电源和储能装置的电力电子接口变换器会产生谐波、非线性负荷会引起电流谐波，这会导致微电网公共连接点电压波形发生严重畸变。在微电网初级控制中，该层控制采用多重PR比例谐振控制器的电压电流环控制，结合虚拟阻抗的下垂控制策略，可以实现消除微电网逆变器输出的电压和电流的5次、7次等谐波畸变，满足分布式电源的并网标准。
　　另外，由于非线性负荷产生的谐波电流，会引起公共连接点电压畸变。为了补偿此电压畸变，提出了基于二级控制的微电网控制策略。该控制方法通过谐波补偿器，可以使微电网中的谐波得到抑制。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究的背景及意义

1．2 分布式电源对微电网电能质量的影响

1．2．1 分布式电源的特点

1．2．2 微电网电能质量的影响

1．3 微电网发展现状

1．4 微电网的分层控制研究

1．4．1 分层控制的概念

1．4．2 微电网的分层控制模式

1．4．3 微电网的初级控制

1．4．4 微电网的二级控制

1．5 论文主要研究内容

第2章 分布式电源建模和微电网的分层控制方法

2．1 引言

2．2 分布式电源的原理和建模

2．2．1 永磁同步发电机原理

2．2．2 永磁同步发电机的数学模型

2．2．3 太阳能光伏电池建模

2．2．4 太阳能光伏电池的数学模型

2．2．5 太阳能光伏电池的MPPT算法

2．2．6 蓄电池储能系统原理和数学模型

2．3 电力电子器件

2．3．1 整流器的数学模型

2．3．2 双向变换器的数学模型

2．3．3 逆变器的数学模型

2．4 LC滤波器的设计

2．5 分布式电源并网技术

2．5．1 分布式电源的并网标准

2．5．2 风力发电系统的并网控制

2．5．3 太阳能光伏电池发电系统的并网控制

2．5．4 蓄电池储能系统的并网控制

2．6 分布式电源的模型仿真

2．7 微电网的分层控制方法

2．7．1 下垂控制原理

2．7．2 微电网的分层控制策略

2．8 本章小结

第3章 基于分层控制的微电网电压和频率控制策略

3．1 引言

3．2 微电网电压和频率稳定的理论分析

3．3 基于初级控制的微电网控制策略

3．3．1 功率控制器设计

3．3．2 电压电流双环控制器

3．3．3 LC滤波器以及耦合电感

3．4 基于二级控制的微电网控制策略

3．4．1 基于二级控制的微电网孤岛运行控制策略

3．4．2 基于二级控制的微电网并网同步控制策略

3．5 仿真分析

3．6 本章小结

第4章 基于分层控制的微电网电压不平衡补偿控制策略

4．1 引言

4．2 微电网不平衡时数学模型分析

4．2．1 不平衡电压下的逆变器数学模型

4．2．2 不平衡电压下的功率模型

4．3 双电流环控制策略

4．4 不平衡时正序、负序的检测

4．5 三相电压源逆变器的LC滤波器

4．6 电压不平衡补偿的二级控制策略

4．6．1 不平衡度的定义

4．6．2 基于双同步坐标系的解耦锁相环

4．6．3 电压不平衡补偿控制器

4．7 仿真分析

4．8 本章小结

第5章 基于分层控制的微电网谐波抑制策略

5．1 引言

5．2 谐波原理和抑制

5．3 基于初级控制的微电网控制策略

5．3．1 电流内环设计

5．3．2 电压外环设计

5．3．3 虚拟阻抗阻控制原理

5．4 基于二级控制的微电网谐波抑制策略

5．5 仿真分析

5．6 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介