微電網(wǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)的控制器的設(shè)計(jì)與分析

1、 題目：微電網(wǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)的控制器的設(shè)計(jì)與分析學(xué)院：電氣工程學(xué)院專業(yè):電力電子與電力傳動(dòng)姓名：唐福順摘要這篇文章主要講述了微電網(wǎng)并網(wǎng)控制器的設(shè)計(jì)與分析?？刂破靼▽τ诿總€(gè)分布式電源的內(nèi)部電壓和電流環(huán)控制環(huán)和外部控制功率均分以及控制由并網(wǎng)轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行模式下的功率分配問題的外部有功無功控制環(huán)?？刂破鬟€包括同步算法來確保當(dāng)故障清除后平滑的自動(dòng)并網(wǎng)。通過控制器的合理搭建，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可以在并網(wǎng)和孤島模式轉(zhuǎn)換過程中并不影響外界的負(fù)荷。并且通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一結(jié)論。 引言近年來，越來越多的新能源或者是微能源例如光伏，小型風(fēng)機(jī)，燃料電池開始以分布式電源的形式并入大電網(wǎng)。隨著分布式電源的發(fā)展，包含著許多系統(tǒng)化

2、的分布式電源的微電網(wǎng)這個(gè)概念隨之產(chǎn)生。與傳統(tǒng)的集中式電源相比，微電網(wǎng)可以在并網(wǎng)和孤島兩種模式下運(yùn)行，因而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電源質(zhì)量。額外它還包含了所有單個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。為了更好地控制微電網(wǎng)，在并網(wǎng)和孤島運(yùn)行模式下我們采用外部了功率環(huán)和內(nèi)部電壓環(huán)雙重控制。這些控制算法應(yīng)該在各個(gè)并聯(lián)的分布式電源之間沒有信息連接，可以分開單獨(dú)控制。因此，每一個(gè)分布式電源的控制算法應(yīng)該只使用自己當(dāng)?shù)啬軠y量到的變量進(jìn)行反饋。還有，我們還期望當(dāng)大電網(wǎng)出現(xiàn)故障離網(wǎng)時(shí)，各個(gè)分布式電源之間能夠迅速反應(yīng)來合理的分配自己的輸出功率來保證功率平衡以及當(dāng)故障清除后微電網(wǎng)和大電網(wǎng)的再次同步運(yùn)行然后平滑并網(wǎng)。為了實(shí)現(xiàn)上述性能，本文對

3、各個(gè)分布式電源采用一種統(tǒng)一的控制器設(shè)計(jì)方法。即，在控制輸出電壓的前提下，設(shè)計(jì)控制器控制功率環(huán)，它能夠控制并網(wǎng)模式下的功率流動(dòng)，能夠保證在孤島模式下使各個(gè)分布式電源有功和無功的合理分配，以及在再次并網(wǎng)之前實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)和大電網(wǎng)的再同步。這種控制器響應(yīng)迅速，并且保證微電網(wǎng)能夠在并網(wǎng)和孤島兩種模式下平滑轉(zhuǎn)換并且不影響與其相連接的負(fù)載。通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種控制器設(shè)計(jì)具有良好的效果。系統(tǒng)配置Fig1展示了本文的微電網(wǎng)配置圖，這里采用了兩個(gè)并聯(lián)的分布式電源DG1和DG2.每個(gè)分布式電源由直流源、控制的電壓源型逆變器以及LC濾波器。在正常的運(yùn)行模式下，微電網(wǎng)通過STS（靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)）在PCC點(diǎn)處與大電網(wǎng)相連

4、接。在這種模式下，兩個(gè)分布式電源來提供對負(fù)載123的功率和電壓支持，這種配置減少了大電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)和大電網(wǎng)的功率傳送并且提高了負(fù)荷的對大電網(wǎng)擾動(dòng)的抗干擾能力。Fig 1 微電網(wǎng)的配置當(dāng)大電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，在半個(gè)周期內(nèi)STS打開來斷開微電網(wǎng)和大電網(wǎng)之間的連接，那么這這時(shí)候兩個(gè)分布式電源成為了獨(dú)立的電源通過能量分配策略來供應(yīng)給負(fù)荷不間斷的能量。隨后，當(dāng)故障清除后，在STS再次閉合來平滑的返回并網(wǎng)模式下之前微電網(wǎng)需要與大電網(wǎng)的再同步。 控制器設(shè)計(jì)這部分展示了控制器設(shè)計(jì)方法來使fig 1中的微電網(wǎng)按照fig2所示的一樣運(yùn)行（本文的方法也適合于更復(fù)雜的多個(gè)分布式電源的微電網(wǎng)，本文只是針對雙分布式電源作為說明。

5、）Fig2 包含控制策略和濾波器的三相并網(wǎng)逆變電路圖內(nèi)部電壓和電流控制環(huán)控制三相電壓型逆變器的內(nèi)部的電流環(huán)和電壓環(huán)控制策略見上圖所示，通過設(shè)置外部電容電壓反饋系統(tǒng)v來使電容電壓V a，V b,c追蹤上給定的正弦信號，并且在一定的可以接受范圍內(nèi)的THD情況下。電壓補(bǔ)償器的輸出信號作為電流環(huán)的給定信號通過與反饋信號比較后通過電流系數(shù)Ki產(chǎn)生調(diào)制信號。內(nèi)部電流環(huán)的作用主要是穩(wěn)定系統(tǒng)并且提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)（因?yàn)殡娏餍盘柋粶y量出來的速度要快于電壓信號）。最后輸出的調(diào)制信號反饋到SPWM來產(chǎn)生高頻的驅(qū)動(dòng)信號來驅(qū)動(dòng)三相電壓型逆變器。首先，針對fig2模型，我們可以得出如下：這里，代表著每個(gè)半導(dǎo)體的開關(guān)狀態(tài)，

6、當(dāng)=1開關(guān)為閉合，=0，開關(guān)為斷開，是直流電壓值。 假設(shè)三相對稱負(fù)載和三相對稱電壓。即把（4）（5）式帶入（1）（3）中，得到對于高頻調(diào)制信號，那么可以寫成這里，代表相角偏移，m代表調(diào)制深度，通過變換后得到，然后最后的方程可以寫成這里，指的是調(diào)制信號，代表濾波電容，c代表電容電壓，相應(yīng)的電流環(huán)方框圖如fig3，在這里，負(fù)載電流看成一個(gè)擾動(dòng)輸入信號。Fig3 電流內(nèi)環(huán)方框圖那么，相應(yīng)的傳遞函數(shù)為：根據(jù)傳遞函數(shù)并且令Ki=1，我們畫出伯德圖如下， Fig 伯德圖理想狀態(tài)，通過增大來使的帶寬應(yīng)該無窮大，來更好的追蹤所有的輸入信號，但更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及更好的抑制干擾信號，但是更大的會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定性

7、，一個(gè)很好地折中就是在基頻附近提供一個(gè)比較好的帶寬即可，那么我們設(shè)定，這樣我們可以得到=-0.00348dB=0.9996并且在基頻附近有一個(gè)比較小Ic/Iload。一旦電流環(huán)設(shè)計(jì)好以后，下一步我們就開始設(shè)計(jì)電壓增益，它的開環(huán)傳遞函數(shù)可以寫成Fig5 閉環(huán)電壓傳遞函數(shù)類似于電流環(huán)，我們只需要設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的電壓系數(shù)來消除相角偏差，這個(gè)Kv應(yīng)該在系統(tǒng)穩(wěn)定性和高帶寬之間取一個(gè)折中。本文中，Kv取值需要滿足在基頻下電壓穩(wěn)態(tài)誤差低于2%。 因此，的仿真伯德圖如，可見，穩(wěn)態(tài)電壓誤差在.相角偏差.度。性能能夠可以通過一個(gè)電壓前饋來更好的得到提升，相應(yīng)的方框圖如.Fig.包含電壓前饋的電壓電流雙環(huán)控制方框圖這

8、個(gè)傳遞函數(shù)的前饋通道可以寫成，考慮前饋通道后，那么，閉環(huán)傳遞函數(shù)可以寫成 相應(yīng)的伯德圖如Fig7，觀察圖形，我們可以清晰地看出，前饋通道可以增加帶寬因此有一個(gè)更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并且電流負(fù)載幾乎不影響電壓閉環(huán)性能。 Fig 7 相應(yīng)伯德圖外部有功無功率環(huán)從概念上講，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的P由頻率控制，與之相對應(yīng)的是Q由電壓幅值控制，那么根據(jù)這個(gè)概念，外部的有功無功環(huán)可以提出無論是在并網(wǎng)還是孤島運(yùn)行模式下。1） 從并網(wǎng)到孤島模式下的轉(zhuǎn)換，當(dāng)斷開時(shí)，那么分布式電源必須迅速的承擔(dān)起增加的功率來維持功率平衡。這種功率分配的施行不需要相互之間的通信只需要在控制器之間的控制特性即可完成。所示的下垂特性應(yīng)用于中的分布式電

9、源中，這些下垂特性曲線應(yīng)該相互協(xié)調(diào)來使每個(gè)分布式電源根據(jù)他們的容量來供應(yīng)武功和有功大小。相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：Fig8. P-w下垂曲線這里，是每個(gè)分布式電源實(shí)際的輸出功率，分別是有功功率的最大自和最小允許運(yùn)行的頻率。分別是給定的有功功率和頻率，是下垂特性系數(shù)，相應(yīng)的方框圖見Fig9.至于同步控制器下本在介紹。Fig9包含同步算法的有功控制環(huán)根據(jù)Fig8，每一個(gè)分布式電源開始并網(wǎng)運(yùn)行在基頻W*（50Hz）和額定輸出有功頻率P*，一旦孤島后，每個(gè)分布式電源必須根據(jù)下垂特性調(diào)整他們的輸出有功功率來在一個(gè)稍微降低的頻率上滿足有功功率平衡。這就要求每個(gè)分布式電源根據(jù)自身的容量來來調(diào)整自己的輸出下垂曲線

10、以達(dá)到功率平衡。這里，說明一下，孤島模式下降低的頻率對微電網(wǎng)再同步和在并網(wǎng)都是非常有利的，并且它還能作為系統(tǒng)是在并網(wǎng)狀態(tài)還是孤島狀態(tài)的一種指示器。類似，通過改變每個(gè)分布式電源的電壓幅值來調(diào)整無功功率也有相應(yīng)的下垂曲線，其下垂特性用表達(dá)式寫成：這里，代表實(shí)際的輸出的無功功率，分別是給定的有功功率和電壓幅值，代表下垂斜率，那么這個(gè)相應(yīng)的方框圖如，其中同步算法下文再詳細(xì)介紹。Fig10 包含同步算法的無功控制環(huán)但是Q-E下垂特性有個(gè)復(fù)雜之處，那就是分布式電源的輸出電壓必須不同于并網(wǎng)的大電網(wǎng)電壓，這樣才能保證保證在并網(wǎng)模式下正常的無功功率控制。因此，Q-E特性不能直接用于并網(wǎng)模式下的無功功率控制。這一

11、點(diǎn)不同于P-w控制因?yàn)槊恳粋€(gè)分布式電源和大電網(wǎng)在并網(wǎng)模式下具有相同的頻率，因此允許在并網(wǎng)和孤島模式下采用相同的下垂特性控制算法。一個(gè)良好的解決這個(gè)問題的辦法就是在并網(wǎng)模式下加一個(gè)額外的調(diào)節(jié)器如圖Fig10 所示，當(dāng)并網(wǎng)時(shí)，選擇PI調(diào)節(jié)器來控制無功功率，保證輸出的無功功率無偏差的跟蹤上給定的無功功率。在這里PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置為由于參數(shù)比較小，所以反應(yīng)時(shí)間比較長，這樣就可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部電壓電流環(huán)和外部有功功率環(huán)的解耦。當(dāng)大電網(wǎng)出現(xiàn)故障孤島運(yùn)行時(shí)，控制器選擇到Q-E下垂特性上去，這樣可以確保微電網(wǎng)能夠平滑的從并網(wǎng)過渡到孤島運(yùn)行模式下。2）從孤島模式轉(zhuǎn)換為并網(wǎng)模式：當(dāng)大電網(wǎng)恢復(fù)正常運(yùn)行后，那么微電網(wǎng)必須

12、實(shí)現(xiàn)再同步然后才可以在并網(wǎng)。同步算法可以通過控制微電網(wǎng)和電網(wǎng)電壓的電壓差和相角差來控制，然后把這種想法付諸于實(shí)際見圖Fig9 和Fig10.這兩個(gè)控制器的輸入信號就是STS開關(guān)兩端的電壓幅值差和相角差，輸出信號反饋到有功和無功環(huán)來使微電網(wǎng)電壓幅值和相角完全跟蹤上大電網(wǎng)的幅值和相角。一旦在同步并且閉合STS后，馬上解除同步控制器并且設(shè)定他們的輸出為0以便不影響并網(wǎng)模式下的正常運(yùn)行。在本文中，每個(gè)同步控制器的反應(yīng)時(shí)間設(shè)為在0.5s左右，來確保電壓幅值和頻率在負(fù)荷允許的承受范圍能力內(nèi)?；谶@個(gè)目標(biāo)，那么相應(yīng)的頻率同步PI調(diào)節(jié)器參數(shù)為并且對于頻率控制器而言飽和限幅為。幅值同步控制器參數(shù)為并且飽和限幅為

13、. 當(dāng)多個(gè)分布式電源并網(wǎng)時(shí)存在一個(gè)問題，那就是個(gè)各分布式電源必須有著相同的電壓幅值和頻率變化特性來避免分布式電源內(nèi)部之間的環(huán)流。由于每個(gè)同步控制器都采用相同的輸入信號，因此只要對每個(gè)分布式電源使用相同的控制器參數(shù)就可以解決這一問題?？偨Y(jié)，最終的控制方框圖如Fig11Fig11 總體控制器結(jié)構(gòu)圖通過實(shí)驗(yàn)搭建電路圖來進(jìn)行仿真如圖Fig12 Fig12. 實(shí)施數(shù)字仿真的實(shí)驗(yàn)設(shè)備A 并網(wǎng)到孤島模式Fig13和Fig14展示了從t=6s開始為微電網(wǎng)從并網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換為孤島模式的有功和無功功率變化圖。Fig13清晰地展示了兩個(gè)分布式電源有功功率呈現(xiàn)比例性的增加。而Fig14展示了無功功率略微不成比例的增加。這

14、是因?yàn)橄麓固匦缘臏?zhǔn)確性被兩個(gè)分布式電源的線阻抗所干擾。Fig13 由并網(wǎng)到孤島模式下有功功率變化曲線Fig14從并網(wǎng)到孤島運(yùn)行下的無功功率變化曲線B從孤島到并網(wǎng)模式Fig15展示了在t=6s時(shí)進(jìn)行再同步算法，很明顯，控制器成功的實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)電壓完全無偏差的跟蹤上了大電網(wǎng)電壓并且分布式電源內(nèi)部之間沒有環(huán)流。Fig15 微電網(wǎng)和電網(wǎng)的再同步Fig16和Fig17展示了在再同步過程中有功功率和無功功率的變化，F(xiàn)ig16 再同步過程分布式電源有功功率變化曲線Fig17 再同步過程中無功功率的變化曲線這些數(shù)據(jù)顯示再同步過程中有功功率無功功率都在增加，這是為了輸出更高的輸出電壓。Fig18和19展示了在t=13s在次并網(wǎng)過程中有功和無功功率的變化。Fig18