控制工程论文栏目提供最新控制工程论文格式、控制工程硕士论文范文。详情咨询QQ:4006227154

微网及其控制策略的研究

论文编号:lw201708191551546989 所属栏目:控制工程论文 发布日期:2018年01月29日 论文作者:无忧论文网
第一章 绪论

1.1 微电网产生背景
19 世纪 70 年代,电力的发明和应用为人类的生产和生活带来了巨大的改变,电力逐渐成为人类生活中的必需品。电力工业也逐渐成为国家的基础能源产业,为工业和经济等国家其它基础部门提供动力支持。目前,电网建设已成为中国电力建设的主要发展方向,电网的大规模建设与安全稳定的运行与人民的生产生活息息相关,同时也影响着国家安全与社会稳定。然而,随着各种大电网的建设越来越大规模,世界各国的电网正接受着来自自身和外部的多重考验。20 世纪 70 年代,电力工业开始发展大联合系统,大机组、大电网和高电压输电是这个时期的主要特点。现如今,以大机组、大电网和高电压为特点的大电网集中供电系统可满足全球 90%的对用电和供电的需求,然而,随着人类日益增长的电力需求以及对用电质量要求的提高,这种集中式发电的缺点逐渐暴露出来:造价高、运行难、不灵活、难以满足如今电力用户们对用电的安全可靠和各种各样的要求。最近一些年国内外均发生了几次大面积断电情况,这完全暴露了大电网系统的脆弱和不足[1]。2008 年年初,我国南方遭遇了 50 年一遇的冰雪灾害,造成了大范围大面积停电,随即引发的连锁反应使本已受灾的人民群众生活一度陷入了困境;2009 年,巴西全国大部分地区停电,约丢失负荷 24GW,其占总数约 40%,5000 万人口都因这次停电受到了损失;2012 年,印度北部包括首都共有 9 个邦内的大部分地区停电,并且重新开始供电若干小时后数,不仅北部,加上东部又共有 13 个邦电力系统不能运行。另外,随着煤炭、化石等传统能源越发紧缺,随着环境的污染越来越严重,为了实现各类资源的可持续利用和社会的和谐稳定发展,亟需寻找一种更环保、更灵活、更安全和多加利用风力、太阳能等可再生绿色能源的发电方式,在这样的环境和条件下,分布式发电技术(DG,Distributed Generation)逐渐在世界范围内应用开来。
...........

1.2 微网概念与特点介绍
美国电力可靠性技术解决方案协会(Consortium for Electric ReliabilityTechnology Solutions,CERTS)[4]对微型电网这一概念最先明确,此后,各国也相继对微电网进行了定义和研究。微网明确的概念知道现在各国仍没有统一意见,但结合 CERTS 定义、欧盟科技框架计划(Framework Program,FP)给出的定义和日本新能源产业技术综合开发机构(New Energy and Industrial TechnologyDevelopment Organization,NEDO)以及我国微网的发展现状,可以这样给出:微电网(Microgrid)是一种将光伏、风电等分布式电源、电力电子设备、储能设备、本地负荷以及相应的监控保护设备融合成为的小型智能发配电系统,既能够与外部大电网并列运行,也能够孤岛运行,独自为本地负荷供电,具有更高的供电安全性和可靠性[5]。可以从以下几方面对微网的概念进行详细理解:若从系统这个角度看,微电网将分布式发电、负荷、储能等装置融合,形成了一个独立且可控的小型供电系统,它结合了许多的电力电子类技术,并且将微型电源同储能设备并联到一块儿,接在用户端。从大电网这个角度看,微电网被当作一个可以控制的单元,快速的反应从而配合外部大电网的用电要求;从用户角度这个角度来看,微电网能够达到一些特殊的要求,如减少馈线损耗、保持电压稳定、增大当地用户用电可靠性,也可以增加各种能源使用的效率等。微电网和大电网两者利用公共连接点(PCC)互相交换能量,从而大大增加了用户用电的可靠性[6]。美国电力可靠性技术解决方案协会(CERTS)所给出的微电网的概念是最权威、最被认可的一个概念,其提出的微网结构图如图 1-1 显示。
.........

第二章 微网模型及控制策略分析

本章节主要对微网主电路进行建模分析以及对微网的主从控制策略进行介绍。微网主电路主要有微源、逆变器和滤波器等组成,分别对这些主要结构进行了介绍以及选择。微网的整体控制策略一般有两种:主从控制和对等控制,但因本文中主要是对主从控制策略中的控制器进行改进,故只介绍主从控制策略以及在该控制策略中所用到的控制方法。

2.1 微源建模
微网中的分布式电源按照不同的能源利用来说可以分为三类:一是利用煤炭等传统能源的传统发电设备,二是利用太阳能、风能等的光伏发电和风力发电等设备,三是利用天然气、氢气等的微型燃气轮机、燃料电池等发电设备。在这三类电源中,第一类是希望逐渐淘汰的,在此不再讨论。尽管希望都用第二类电源发电,然而这些可再生能源发电功率受环境如光照强度、温度、风力强度等自然因素影响较大,是可间歇性的分布式电源,不能够尤其是在孤岛运行模式下为负荷提供稳定可靠的电能质量,故还需要第三类电源的协助,第三类电源功率可控,可为微网给予电压和频率支持,从而使微网在孤岛运行时也能较长时间的平稳运行。本节主要就第二类微源中的代表光伏电池以及其关键技术最大功率跟踪(MPPT)技术以及第三类微源的等效模型做了详细介绍。由上图可以看出,在不同的温度或者在不同的光照强度下,光伏阵列都有一个的功率也不同,且在某个特定的温度或者光照下会有一个最大功率输出。在实际情况下,光照强度和温度一直处于动态变化当中,但我们在实际应用光伏电池时,希望光照和温度都不发生变化且在此时发出的功率最多,即理论和实践上的太阳能 光伏电池阵列的最大功率点跟踪 MPPT(MaximumPower Point Tracking)[39]。
............

2.2 逆变器的选择
在微网中,有些电源如风力发电和燃料电池,都是通过 DC/AC 逆变器转变成与电网一致的交流电接入电网的,也有些如风电和微型燃气轮机,先通过AC/DC 整流转换,再通过 DC/AC 接入大电网,因所有电源都需用到 DC/AC 逆变器,在本章节中单独拿出 DC/AC 逆变器进行介绍。一般来说,电流源逆变器和电压源逆变器都可以用作分布式电源接口处的接口逆变器,从而完成分布式电源输出电压满足接入大电网的要求。用电流源逆变器时,其输出电流是可控的,用电压源逆变器时,其输出电压是可控的。若采用的是 PQ 控制方法,两种逆变器均可以使用,但孤岛运行时,采用 V/f 控制的分布式电源,需要为整个微网系统提供频率和电压支持,故此时采用电压源逆变器更为合适,从而使其从端口看上去如一个可控电压源一般。故在本文中以电压源型逆变器进行介绍。脉宽调制技术(Pulse Width Modulation,PWM)基本原理为面积等效原理,即:通过控制逆变电路中各个 开关 器件的接通和断开,从而输出端输出了一系列幅值一样、宽度不同的脉冲,从而达到用这系列等幅不等宽的 脉冲 来替代正弦波或者所需要的其它波形的目的。比较常用的脉宽调制方法有很多,如优化PWM,SVPWM,SPWM 等,本文就目前工程中应用较为成熟的 SPWM 进行介绍。
..........

第三章 微网系统平滑切换控制策略..........23
3.1 从控制器的设计...........23
3.1.1 内环原理设计....23
3.1.2 外环原理设计....24
3.1.3 仿真...........25
3.2 主控制器设计....26
3.2.1 主控制器常用结构.....26
3.2.2 自适应调频调压控制器的设计............27
3.2.3 改进后的主控制器设计....30
3.3 同步并网控制器的设计........33
3.3.1 电压矢量叉积....33
3.3.2 同步并网............34
3.4 本章小结.....37
第四章 微网仿真与算例分析....39
4.1 微网仿真系统建模.......39
4.2 算例分析 1...........41
4.2.1 算例 1........41
4.2.2 算例 2........42
4.2.3 算例 3........44
4.3 算例分析 2...........45
4.4 本章小结.....47
第五章 结论与展望...........48
5.1 主要结论.....48
5.2 工作展望.....48

第四章 微网仿真与算例分析

为检验前文所改进的微网平滑切换控制策略的正确性,故通过MATLAB/Simulink 仿真平台搭建了微网仿真模型,并且在微网并网状态、孤岛状态以及模式切换状态等多种运行工况下进行了仿真验证,在此基础上详细地阐述了仿真结果,仿真结果显示所提出的控制策略是有效的。

4.1 微网仿真系统建模

如上图所示,本文采用微网结构由 3 个微源以及 4 处负荷组成,并且在公共连接点 PCC 处设置断路器来改变微网的运行模式。考虑到微网容量较小,故大电网当作无穷大理想电压源替代。三个微源中,DG1 为主控制器,采用经改进设计后的控制器,即增加了自适应调频调压控制器的控制器,在并网时为 PQ 控制,孤岛时因自适应调频调压控制器的工作自动转变成 V/f 控制,DG2 和 DG3为从控制器,不管在并网状态下还是在孤岛状态下均选用普通的 PQ 控制。总共4 个负荷中,负荷 4 为是重要负荷,可以切除。图所示为图 4-1 所示的微网系统在 Simulink/MATLAB 的建模仿真图形,其中采样时间为 6e^(-6)s,且有三个的发电模块,即微源 1 发电模块、微源 2 发电模块和微源 3 发电模块,以及若干个由 Three-Phase V-I Measurement 和 Scope组成的测量和显示模块,分别测量各微源的输出电压、电流和输出功率以及公共连接点两侧的电压值。逆变器模块直接在 Simulink