碩士學(xué)位畢業(yè)論文-四端環(huán)形直流微電網(wǎng)母線電壓控制策略研究

1、<p><b>　　碩士學(xué)位論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　四端環(huán)形直流微電網(wǎng)母線電壓控制策略研究</p><p>　　Study of Bus Voltage Control Strategy of Loop DC Microgrid with Four T

2、erminals</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級電力電子與電力傳動（直流微電網(wǎng)） </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 <

3、;/p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　論文原創(chuàng)性聲明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，獨立進行研究工作所取得的研究成果。除文中已經(jīng)標(biāo)明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出貢獻的

4、個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。</p><p>　　學(xué)位論文作者（簽名）：</p><p><b>　　年 月 日</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　大部分形式的新能源，如風(fēng)力、太陽能、潮汐發(fā)電由于其能量密度低，且分布不集中

5、，必須采用分布式發(fā)電的形式。而采用分布式發(fā)電，通常需要建立一種小型、靈活的電網(wǎng)——微電網(wǎng)將分布式電能輸送到用戶，實現(xiàn)分布式能源的就地發(fā)電和使用。目前國內(nèi)外已經(jīng)有許多學(xué)者對微電網(wǎng)展開了研究，微電網(wǎng)作為一種弱電網(wǎng)系統(tǒng)，當(dāng)其受到?jīng)_擊時，供電可靠性容易受到影響，因此，如何解決其母線電壓穩(wěn)定性，是保證微電網(wǎng)供電質(zhì)量的關(guān)鍵問題。</p><p>　　本文綜合考慮了目前微電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)特點以及線路阻抗對輸電的影響，選擇一種四端

6、環(huán)形直流微電網(wǎng)作為研究對象，該結(jié)構(gòu)的直流微電網(wǎng)包含線路模型、并網(wǎng)變流器、蓄電池儲能系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)和負載。</p><p>　　論文首先對目前直流微電網(wǎng)母線電壓控制策略的研究現(xiàn)狀進行了系統(tǒng)的歸納總結(jié)，介紹幾種目前常見的控制方式，然后對四端環(huán)形直流微電網(wǎng)的母線電壓特性進行數(shù)學(xué)分析，并對各個端口變流器進行數(shù)學(xué)建模，為控制策略的提出奠定理論基礎(chǔ)。</p><p>　　為了穩(wěn)定該直流微電網(wǎng)的母線

7、電壓，本文提出一種與之對應(yīng)的分層式控制方式。該種控制方式對微電網(wǎng)的各種工作模式以及模式間的切換條件進行了定義，并介紹了各模式下微電網(wǎng)各端口的本地控制策略以及模式判別流程。通過MATLAB/Simulink仿真，對本文提出所提出的母線電壓控制策略進行了驗證。</p><p>　　針對仿真中出現(xiàn)的并網(wǎng)/孤島切換時母線電壓跌落問題，以及正負母線電壓不對等問題，本文提出一種母線電壓穩(wěn)定性控制策略，包含并網(wǎng)/孤島無縫切換技

8、術(shù)以及母線電壓平衡器，進一步提高了母線電壓的穩(wěn)定性。通過仿真驗證，該穩(wěn)定性控制策略的有效性。</p><p>　　本文最后對微電網(wǎng)母線電壓控制策略研究進行了展望。</p><p>　　關(guān)鍵詞：直流微電網(wǎng)；母線電壓控制；運行模式；無縫切換；電壓平衡器</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　

9、　For the reason that the energy density of most renewable energy, such as wind power, solar energy and tidal energy, is relatively lower than the traditional fossil energy, the distributed generation technology should be

10、 adopted in the renewable energy generation. Additionally, taking the particularity of distributed generation into consideration, a kind of small-scaled and feasible grid, which is microgrid, should be developed to conne

11、ct the renewable energy source and users. There are many scho</p><p>　　Taking the topologies which are commonly adopted in the microgrid and impact of impedance of transmission lines into consideration, a lo

12、op DC microgrid(DCMG) is studied in this paper. The DCMG consists of four terminals including a grid-connected converter, a battery energy storage, a photovoltaic generation system, loads and transmission line models. Fi

13、rstly, the latest development and research of control strategy of DCMG bus voltage have been summarized. Then the characters of DCMG bus are ana</p><p>　　Through simulation, two problems were discovered. Whe

14、n the operation modes of DCMG is switching, a serious voltage sag is happening on the DC bus. Meanwhile, the voltage deviance exists between the positive transmission line and negative transmission line influenced the se

15、curity of power supply. In order to overcome two problems and improve the robustness of DCMG, two methods including Grid/Islanding seamless switch technology and voltage balancer are introduced in this paper. The two met

16、hods ar</p><p>　　Keywords: DC microgrid; Bus voltage control; Operation mode; seamless switch; Voltage balancer</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論</b><

17、/p><p><b>　　1.1 選題意義</b></p><p>　　1.1.1 分布式發(fā)電與微電網(wǎng)</p><p>　　如今在世界各地，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)因為過度依賴化石燃料，正面臨著能源枯竭、能效低下和環(huán)境污染的問題。這些問題引發(fā)一種新的研究熱點，即在本地配電網(wǎng)上，將非常規(guī)或可再生能源發(fā)電接入。這些能源包括天然氣、沼氣、風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、燃料電

18、池、熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、微燃機和斯特林發(fā)動機（Stirling Engine）等等。這類發(fā)電技術(shù)稱之為分布式發(fā)電（Distributed Generation，DG），相應(yīng)的能源被稱為分布式能源（Distributed Energy Resources，DER）[1]。</p><p>　　分布式發(fā)電目前成為了研究熱點，因為相比于傳統(tǒng)發(fā)電形式，分布式發(fā)電可以就地利用多種形式的能源發(fā)電，其優(yōu)點主要有[2]：</p&

19、gt;<p>　　(1)利用可再生能源，諸如風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能和潮沙能等，可提高可再生能源在電力生產(chǎn)的比例，降低化石能源比重，減少電力生產(chǎn)的碳排放和污染排放；</p><p>　　(2)采用熱電聯(lián)供技術(shù)，提高一次能源利用效率，減少污染排放，全球天然氣儲備豐富，天然氣作為下一代的重要能源可為熱電聯(lián)供分布式能源提高充足的燃料；</p><p>　　(3)負荷側(cè)就地發(fā)電可提高供

20、電可靠性,將電力傳輸和分配損耗最小化，減少電力傳輸和分配成本；</p><p>　　(4)為電力系統(tǒng)提供削峰填谷和備用容量等輔助服務(wù)，激勵電力供應(yīng)競爭，分布式發(fā)電能夠?qū)σ淮文茉春碗娏r格做出更敏感的回應(yīng),在開放的電力市場環(huán)境下，分布式發(fā)電能促進電力市場的發(fā)展和完善；</p><p>　　(5)當(dāng)分布式電力發(fā)展到一定規(guī)模時,可為輸電網(wǎng)“擁塞”建立旁路。</p><p>

21、;　　然而由于分布式能源通常分布較為分散，而且能量密度較低，因此，傳統(tǒng)的集中式供電很難適應(yīng)分布式發(fā)電的特點，必須采用一種與之匹配的輸電網(wǎng)絡(luò)。微電網(wǎng)（Microgrid, MG）是由分布式發(fā)電（Distributed Generation，DG）、負荷、儲能裝置及控制裝置構(gòu)成的一個單一可控的獨立發(fā)電系統(tǒng)。微電網(wǎng)中DG和儲能裝置并在一起，直接接在用戶側(cè)。對大電網(wǎng)來說，微電網(wǎng)可視為大電網(wǎng)中的一個可控單元；對用戶側(cè)來說，微電網(wǎng)可滿足用戶側(cè)的特定

22、需求，如增加本地供電可靠性、降低網(wǎng)損等。微電網(wǎng)是一個可以自我控制、保護和管理的自治系統(tǒng)，既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運行，也可以孤立運行[3]。</p><p>　　微電網(wǎng)技術(shù)可為分布式發(fā)電技術(shù)及可再生能源發(fā)電技術(shù)的整合，可有效削弱分布式發(fā)電對電網(wǎng)的沖擊和負面影響，是電力產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑，符合當(dāng)前“節(jié)能減排，建設(shè)集約型社會”的能源利用方式。加快分布式發(fā)電接入技術(shù)、微電網(wǎng)運行控制技術(shù)和保護協(xié)調(diào)技術(shù)等相關(guān)微電網(wǎng)關(guān)鍵技

23、術(shù)的研究，同時建設(shè)示范性工程，對于促進分布式能源發(fā)展具有重要意義[4]。</p><p>　　1.1.2 直流微電網(wǎng)</p><p>　　要研究微電網(wǎng)，首先需要了解微電網(wǎng)的基本定義。</p><p>　　目前，國際上對微電網(wǎng)的定義已經(jīng)達成共識：微電網(wǎng)是由各種儲能單元、分布式電源、負荷以及保護和監(jiān)控裝置組成的集合；具有靈活的可調(diào)度性能和運行方式，能在并網(wǎng)和孤島兩種運行

24、模式之間切換；通過相關(guān)控制裝置間的協(xié)調(diào)配合，可同時向用戶提供電能和熱能；根據(jù)實際情況，系統(tǒng)容量一般為數(shù)千瓦至數(shù)兆瓦，通常接在配電網(wǎng)中[5]。</p><p>　　對大電網(wǎng)來說，微電網(wǎng)可作為一個可控的“細胞”，是一個簡單的可調(diào)度負荷；對用戶來說，微電網(wǎng)可作為一個可定制的電網(wǎng)。[6]</p><p>　　微電網(wǎng)的構(gòu)成可以很簡單，但也可能比較復(fù)雜。例如：光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)可以組成簡單的用戶級

25、光/儲微電網(wǎng)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、冷/熱/電聯(lián)供微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)可組成滿足用戶冷/熱/電綜合能源需求的復(fù)雜微電網(wǎng)。一個微電網(wǎng)內(nèi)還可以含有若干個規(guī)模相對小的微電網(wǎng)，微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源的接入電壓等級也可能不同。</p><p>　　圖1.1 阿肯色大學(xué)MVA級微電網(wǎng)</p><p>　　如圖1.1所示，為阿肯色大學(xué)的MVA級分級式交流微電網(wǎng)，該微電網(wǎng)中包含低壓母線、中壓母

26、線和高壓母線三種電壓等級的交流母線，可以接入光伏、風(fēng)力等DG端口。</p><p>　　目前微電網(wǎng)可以主要分為直流微電網(wǎng)和交流微電網(wǎng)兩類。</p><p>　　交流微電是采用交流電作為主要方式的微電網(wǎng)，有著諸多優(yōu)勢：由于交流電網(wǎng)已經(jīng)有了一百多年歷史，而交流大電網(wǎng)技術(shù)可以很容易引入交流微電網(wǎng)中[7]。在保護措施上，交流電網(wǎng)中的保護設(shè)備技術(shù)較為成熟，價格相對直流保護較低，同時因為交流斷路器主要

27、依靠電壓過零點進行滅弧，所以，交流斷路器無法應(yīng)用在直流電網(wǎng)中[8]。目前ABB、GE等公司已經(jīng)有直流斷路器，但是相比于交流斷路器，直流斷路器造價更高，而且電壓等級較低[9]。</p><p>　　但是交流微電網(wǎng)也存在著無功補償、諧波污染、頻率偏差等問題，而采用直流輸電技術(shù)，可以避免這些問題[10]。同時，伴隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大功率電力電子器件使直流輸電成為可能。因此，將直流輸電技術(shù)和分布式發(fā)電相結(jié)合的直流微

28、電網(wǎng)成為了新的研究熱點。</p><p>　　作為一種新型的供能系統(tǒng)，相比于交流微電網(wǎng)，直流微電網(wǎng)的可靠性更好，并且效率更高，能為用戶提供高質(zhì)量的電能，同時其控制策略相對簡單，能有效地提高供電可靠性和穩(wěn)定性。其主要優(yōu)點可以概括如下[11]：</p><p>　　(1)高可靠性?？梢詾閷﹄娔苜|(zhì)量有較高要求的用戶提供可靠的電能。例如，經(jīng)試驗顯示當(dāng)負載端出現(xiàn)短時的接地短路，直流微電網(wǎng)仍然可以為電

29、網(wǎng)中其他的負載提供電能。</p><p>　　(2)高靈活性。直流微電網(wǎng)的引入可以大大提高電網(wǎng)功能的多樣性和靈活性。分布式電源可以通過多種電力電子電路與主體電網(wǎng)相連接。然后根據(jù)各個用戶對電能的要求利用電力電子電路將的直流電轉(zhuǎn)換成用戶所需的電能。在電能的多次轉(zhuǎn)換過程中無需體型龐大、維護復(fù)雜的變壓器，僅采用電力電子變流器即可，能夠有效的減小微電網(wǎng)的規(guī)模，達到便于維護和改建的目的。</p><p&g

30、t;　　(3)便于新能源的接入。許多新能源發(fā)電系統(tǒng)都具有直流特性，例如光伏電池板、燃料電池以及蓄電池。利用直流微電網(wǎng)可以便于這些分布式電源的接入，從而大大簡化結(jié)構(gòu)，減少投資。</p><p>　　(4)孤島運行能力。在大電網(wǎng)出現(xiàn)明顯波動的情況下，直流微電網(wǎng)可以通過控制逆變器實現(xiàn)與大電網(wǎng)的解裂，從而利用其自身的分布式電源為負載供電。這種能力可以使直流微電網(wǎng)避免由大電網(wǎng)波動所帶來的惡劣影響，從而大大提高電網(wǎng)的可靠性和

31、穩(wěn)定性。</p><p>　　(5)便于能量交換。當(dāng)出現(xiàn)微網(wǎng)中某一電源供電不足的情況，直流微電網(wǎng)可以成為各個分布式電源之間能量交換的通道，從而有效地彌補由某一分布式電源供能不足所帶來的潮流分布不均衡的問題，達到電能分布的最優(yōu)化。</p><p>　　直流微電網(wǎng)具有如上優(yōu)勢，因此目前已經(jīng)有很多國內(nèi)外學(xué)者對其展開了深入研究。</p><p>　　1.2 直流微電網(wǎng)電壓控

32、制策略研究現(xiàn)狀</p><p>　　目前對于交流微電網(wǎng)的能量管理研究較多，其應(yīng)用也較為成熟。能量管理系統(tǒng)的最終目的是為了保證電能質(zhì)量，為負載提供穩(wěn)定，高質(zhì)量的電能。然而，由于交流微電網(wǎng)中存在著無功補償問題，因此，交流微電網(wǎng)的經(jīng)驗很難直接應(yīng)用在直流微電網(wǎng)上[12]。直流微電網(wǎng)中，由于不存在無功補償問題，母線功率和電壓直接相關(guān)，因此，保證母線電壓穩(wěn)定即可保證微電網(wǎng)中功率平衡。</p><p>

33、　　1.2.1運行模式研究現(xiàn)狀</p><p>　　通常，微電網(wǎng)控制系統(tǒng)會采集電網(wǎng)中的各種運行信息，根據(jù)運行狀況，制定微電網(wǎng)的運行優(yōu)化策略。該優(yōu)化控制策略的目的是根據(jù)微電網(wǎng)中各個發(fā)電端口的輸出功率，以及預(yù)測負荷的輸出功率，以及大電網(wǎng)運行狀況等情況，并且考慮到微電網(wǎng)運行的各種約束條件和運行準則和目標(biāo)等實時條件，制定微電網(wǎng)的調(diào)度方案。而這種運行調(diào)度方案，是通過調(diào)整各個端口的控制策略、出力，以及投切端口，改變負荷來實現(xiàn)

34、微電網(wǎng)的運行策略[13-14] 。在直流微電網(wǎng)中，母線電壓不僅關(guān)系到供電質(zhì)量，也關(guān)系到微電網(wǎng)的經(jīng)濟運行，因此，母線電壓控制策略是一項系統(tǒng)工程。</p><p>　　目前，按照控制結(jié)構(gòu)的不同，可以將直流微電網(wǎng)控制策略分為對等式、主從式和分層式三種模式。</p><p>　　1.2.1.1 對等式控制策略</p><p>　　圖1.2 分布式的能量管理系統(tǒng)</p&

35、gt;<p>　　對等式的控制策略(peer-to-peer mode)也稱為分布式控制模式，是指由各個端口根據(jù)本地系統(tǒng)運行狀況，自動調(diào)節(jié)改變控制策略，進行能量分配，從而使系統(tǒng)穩(wěn)定工作在額定工況下。對等式控制策略的好處是：因為各個端口的運行相對獨立，根據(jù)接口母線電壓等信息進行判別，決定端口工作在什么模式下。各控制器間不存在主和從的關(guān)系，因此不需要遠距離的實時通訊線路，因此相較于主從式能量管理，經(jīng)濟性更好[15][16]。這

36、種控制模式下，各端口通常采用下垂控制（Droop Control）方法[17]。對等式控制目前是微電網(wǎng)控制策略中，應(yīng)用最廣泛的。如圖1.2所示，為一種典型的基于對等式控制的直流微電網(wǎng)。</p><p>　　下面介紹幾種典型的直流微電網(wǎng)的對等控制策略。</p><p>　?。?）文獻[18]中提出了一種基于對等控制策略的直流微電網(wǎng)。該種控制策略針對一個由并網(wǎng)變流器、光伏變流器、負載和儲能系統(tǒng)

37、變流器組成的微電網(wǎng)系統(tǒng)進行控制，并取得了較好的控制效果。</p><p>　　圖1.3 一種對等式的微電網(wǎng)控制策略</p><p>　　如圖1.3所示，直流微電網(wǎng)有四種工作模態(tài)，四種模態(tài)下，微電網(wǎng)的直流母線電壓不一樣，分別為0.9、0.95、1、1.05倍母線電壓基準值，各端口根據(jù)母線電壓的不同，決定本端口變流器的控制策略。如表1.1所示，為各個端口在四種工作模態(tài)下的控制策略。</p

38、><p>　　表1.1 一種對等式直流微電網(wǎng)控制策略端口工作模式</p><p>　　該種控制的優(yōu)點是各個端口可以根據(jù)母線電壓值決定自身的控制策略，因此不需要建立額外的通訊系統(tǒng)，上傳信息量，因此經(jīng)濟性較高。其缺點是，并沒有充分考慮微電網(wǎng)的實際工作狀況，因此模態(tài)設(shè)計考慮不夠周全；另外由于需要母線電壓在一定范圍內(nèi)波動，因此，供電質(zhì)量不好，尤其是對于某些電壓敏感性負荷。</p><

39、;p>　?。?）文獻[19]中提出另外一種基于對等控制的微電網(wǎng)電壓控制策略，其根據(jù)電網(wǎng)的運行工況，將電網(wǎng)運行模式設(shè)置為五種，并且五種模式下電網(wǎng)的運行電壓不同，其基本原理如圖1.4所示。</p><p>　　圖1.4 一種基于母線電壓偏差的微電網(wǎng)對等控制策略</p><p>　　圖1.4中，五種模式根據(jù)母線電壓區(qū)分，當(dāng)微電網(wǎng)處于第一級時，母線電壓為額定值，由并網(wǎng)變流器或儲能變流器控制母

40、線電壓。當(dāng)微電網(wǎng)中過發(fā)功率時，進入正二級控制，將母線電壓抬高至V2+，此時系統(tǒng)中由易控式DER端口或者儲能系統(tǒng)控制母線電壓，易控式DER端口指柴油發(fā)電機等發(fā)電系統(tǒng)，其易于控制；當(dāng)微電網(wǎng)中發(fā)電功率持續(xù)增加，直流母線電壓進一步升高，進入正三級控制，此時需要限制發(fā)電，因此，由不易控式DER端口控制直流母線電壓，不易控式DER端口指風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)或者光伏發(fā)電系統(tǒng)，其發(fā)電受制于外界環(huán)形。</p><p>　　當(dāng)微電網(wǎng)中發(fā)電功

41、率不足時，直流母線電壓降低至V2-，進入負二級控制模式，其基本控制方法與正二級類似。當(dāng)發(fā)電功率進一步降低，母線電壓跌落至V3-，進入負三級控制模式，此時微電網(wǎng)內(nèi)部各端口的備用功率已經(jīng)用盡，需要限制負載功率。</p><p>　　該控制策略不需要通訊系統(tǒng)，容易實現(xiàn)各端口的“即插即用”，而且相比于文獻[18]，該控制策略對微電網(wǎng)的各種運行工況考慮更為詳盡。然而，該種控制策略仍然沒有解決母線電壓波動的問題，易對敏感負荷

42、造成影響。</p><p>　?。?）文獻[16]中提到一種對等控制方法，應(yīng)用在各端口的變流器控制上。該種方法對目前的下垂控制進行了改進，在常用的電壓電流雙環(huán)控制之外，增加一個功率平均環(huán)節(jié)，形成三環(huán)控制。其中電壓電流雙環(huán)的作用是穩(wěn)定端口電壓，為改善各逆變器之間的環(huán)流效應(yīng)，在控制系統(tǒng)中增加了虛擬阻抗。功率環(huán)的作用是，計算并分析系統(tǒng)功率，根據(jù)微電網(wǎng)工作狀況，調(diào)整逆變器輸出功率，使微電網(wǎng)所需功率在各個逆變器之間平均分配

43、。該控制方法在應(yīng)用前，需要對電網(wǎng)進行分析，得到虛擬阻抗值，因此，計算比較繁瑣。</p><p>　　1.2.1.2 主從式控制模式</p><p>　　與對等式控制模式對應(yīng)的是主從式控制模式（master-slave mode），也稱為集中控制模式，在該種控制方法下，根據(jù)端口職能，將微電網(wǎng)的各個端口進行分類，各個端口具有各自的控制模式。如圖1.5所示，通常，在該種控制結(jié)構(gòu)下，其中一個或幾個

44、端口作為主控端口，控制微電網(wǎng)母線電壓，平衡微電網(wǎng)內(nèi)部的能量波動，其他端口作為“從屬”，按照自身要求輸出或發(fā)功率即可[20]。</p><p>　　圖1.5主從式的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　在主從式的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，各個端口的控制和運行要滿足一定條件。在微網(wǎng)處于并網(wǎng)條件下，通常會有一個主控端口，對母線電壓進行控制，其余端口按照自身要求輸出功率，比如在交流微電網(wǎng)中，分布式電源可以采用PQ控

45、制，直流微電網(wǎng)中，光伏可以采用MPPT模式。當(dāng)微電網(wǎng)從并網(wǎng)模式轉(zhuǎn)入孤島模式下時，控制直壓的端口可能會轉(zhuǎn)移，這時，要求作為主控單元的端口，能夠很快從輸出功率模式，轉(zhuǎn)換為電壓控制模式，穩(wěn)定母線電壓，平衡母線上的功率[21]。通常采用以下端口作為電壓主控單元：</p><p>　　（1）儲能裝置。在微電網(wǎng)孤島運行時，由于并網(wǎng)變流器閉鎖，微電網(wǎng)失去大電網(wǎng)的支撐，當(dāng)分布式電源端口或者負載端口的輸出功率發(fā)生波動時，勢必影響微

46、電網(wǎng)的母線電壓，影響供電質(zhì)量。此時，采用儲能裝置作為微電網(wǎng)的主控端口，可以吸收微電網(wǎng)的多余功率，彌補缺損功率，使母線電壓穩(wěn)定。但是采用儲能裝置作為孤島主控端口也有缺點：由于儲能裝置通常采用蓄電池、超級電容等，其容量有限。當(dāng)儲能裝置長期處于充電或放電狀態(tài)時，其電量會達到極限，就不能為微電網(wǎng)提供電壓支撐了。因此，這種模式下，微電網(wǎng)不能孤島運行太長時間。</p><p>　?。?）DER單元。能夠作為主控單元的DER單

47、元，必須具備一定特點：易于控制、輸出穩(wěn)定。因為作為主控單元，必須有較好的動態(tài)性能，才能及時彌補母線上的功率波動。因此，光伏、風(fēng)力、潮汐等分布式電源端口，不適合作為主控單元，因為其發(fā)電功率受制于外界條件，穩(wěn)定性不高，而且光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率還受到輸出電壓的影響，因此，其動態(tài)性能不高。生物燃料電池等可以作為主控單元，因為其發(fā)電功率可以人為控制，而且輸出穩(wěn)定。如果微電網(wǎng)中存在多個穩(wěn)定的DER單元，可以選擇容量較大的單元作為主控端口。這種情況

48、下，微電網(wǎng)的孤島穩(wěn)定性較強，可以長時間孤島運行。</p><p>　?。?）混合式主控單元。通常情況下，DER由于穩(wěn)定性不強，不能單獨作為電壓主控單元。例如光伏和風(fēng)電，其發(fā)電功率受制于氣候影響，因此，單獨作為主控單元時，不能很好的為母線電壓提供支撐。但是，如果將DER和儲能端口組合，結(jié)合儲能系統(tǒng)的易控性和DER的持續(xù)性，可以長時間為微電網(wǎng)母線提供電壓支撐。而且，同前兩種相比，該方案在經(jīng)濟性上更好。</p&g

49、t;<p>　　目前，該種控制方法采用較多，文獻[22]中，提出一種主從式的能量管理和協(xié)調(diào)控制方法，如圖1.6所示。</p><p>　　圖1.6 一種直流微電網(wǎng)的主從式能量管理系統(tǒng)</p><p>　　該控制方法給直流微電網(wǎng)定義了5種工作模態(tài)，在5種工作模態(tài)下，各個端口的控制方法不同。在模式1下，直流微電網(wǎng)工作在并網(wǎng)模式下，圖1.7中的各個開關(guān)選擇通道1；在模式2-1下，直

50、流微電網(wǎng)并網(wǎng)且欠功率，并網(wǎng)變流器和蓄電池的開關(guān)選擇通道2，其余端口選擇通道1；在模式2-2下，直流微電網(wǎng)進入孤島模式，并網(wǎng)變流器選擇通道3，蓄電池控制直壓，DER端口MPPT發(fā)電；模式3-1下，直流微電網(wǎng)中欠功率，因此蓄電池控制直壓，DER端口MPPT發(fā)電，并且微電網(wǎng)中開始減載；模式3-2下，直流微電網(wǎng)中過發(fā)功率，因此，限制DER端口發(fā)電，由PV進行恒壓控制，蓄電池輔助PV平衡系統(tǒng)功率。</p><p>　　文獻

51、[22]中的這種控制方法好處在于，其模式之間的判別依據(jù)為母線電壓、蓄電池和并網(wǎng)變流器輸出電流大小以及蓄電池SOC值，能夠讓直流微電網(wǎng)母線電壓穩(wěn)定在額定值。然而該方法的缺點是，需要建立一套通訊系統(tǒng)，采集系統(tǒng)內(nèi)部的信息量進行判別，因此經(jīng)濟性比對等控制差。而且，沒有增加相應(yīng)的模式切換時，系統(tǒng)母線電壓波動的抑制措施，因此，在模式切換時，母線電壓可能會有較大波動。</p><p>　　圖1.7 一種直流微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)管理策略

52、</p><p>　　1.2.1.3 分層式控制模式</p><p>　　分層模式（Hierarchical Control）和前兩種控制模式不同，分層控制模式需要有一個中央控制器對微電網(wǎng)中的各個端口進行調(diào)度與控制，文獻中[23]中提出一種典型的兩層式微電網(wǎng)控制模式，如圖1.8所示。該微電網(wǎng)中有一臺主控機，其通過通信系統(tǒng)采集微電網(wǎng)的運行信息，對微電網(wǎng)的各個端口輸出功率以及功率需求進行預(yù)測，

53、并且根據(jù)控制算法，對整體運行方案進行優(yōu)化調(diào)整，然后向各個端口下發(fā)調(diào)度控制指令。該種控制模式不但能夠保證直流母線電壓的穩(wěn)定性，也能為微電網(wǎng)的各個端口提供保護。如圖1.8所示，各個端口的終端控制器和上一層中有通信系統(tǒng)聯(lián)系，而整個電網(wǎng)受微電網(wǎng)的上位機控制。</p><p>　　文獻中[24]中提出一種兩層控制系統(tǒng)，應(yīng)用在交直流混合微電網(wǎng)中。該文獻中的控制方法主要針對于混合式微電網(wǎng)中直流部分的端口變流器控制系統(tǒng)，分為兩層

54、，第一層針對于本地控制，第二層根據(jù)上層調(diào)度指令，對端口輸出進行進一步調(diào)整。兩層控制的控制目標(biāo)也不相同：第一層控制針對端口直流側(cè)電壓和交流側(cè)電流，同時通過Droop控制環(huán)，在各端口分配直流負荷功率；由于Droop控制為有靜差控制，需要補償其帶來的母線電壓靜差。因此加入第二層控制，通過一個PI控制的直流電壓外環(huán)，補償下垂控制帶來的電壓跌落。</p><p>　　圖1.8 一種兩層控制的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)</p>

55、<p>　　文獻[25]中提出一種應(yīng)用于直流微電網(wǎng)的三層電壓控制策略，該文獻中的直流微電網(wǎng)不同于其他微電網(wǎng)，其可以通過網(wǎng)側(cè)接口變流器，接入到配電網(wǎng)中。如圖1.9所示。</p><p>　　圖1.9 一種應(yīng)用于直流微電網(wǎng)的三層電壓控制策略</p><p>　　三層控制分別為：（1）三級控制，該層控制為端口本地控制層；（2）二級控制，主要功能為快速恢復(fù)直流母線電壓，并可以實現(xiàn)微網(wǎng)運

56、行模式的無縫切換；（3）底層控制，為端口本地的電壓電流雙環(huán)控制，因此，要求響應(yīng)速度達到微秒級。</p><p>　　由于主控機需要對微電網(wǎng)內(nèi)部運行狀況進行分析，相比于主從控制和對等控制，分層控制需要額外添加通訊系統(tǒng)，因此，相比對等控制、主從控制更高，基于分層控制的微電網(wǎng)造價，控制系統(tǒng)相對更復(fù)雜。但是，分層控制的微電網(wǎng)并且根據(jù)各端口的輸出參數(shù)，對其控制策略進行及時調(diào)整。同時可以把微網(wǎng)的保護策略集成到控制策略中，因此

57、，基于分層式控制的微電網(wǎng)穩(wěn)定性和供電質(zhì)量更好，可以對微網(wǎng)內(nèi)部設(shè)備以及負荷起到更好的保護作用。</p><p>　　1.2.2直流母線電壓穩(wěn)定性控制策略</p><p>　　1.2.2.1 模式切換技術(shù)</p><p>　　目前對于微電網(wǎng)母線電壓控制策略的研究，通常只是針對于微電網(wǎng)的特點，對微電網(wǎng)在各種工況下的運行模式給出了定義。但是當(dāng)微電網(wǎng)在發(fā)生模式切換時，比如從并

58、網(wǎng)模式切換到孤島模式時，并沒有給出相應(yīng)的切換策略。</p><p>　　然而，模式切換策略是非常必要的。當(dāng)微電網(wǎng)發(fā)生模式切換時，由于各端口PI控制器的飽和問題，以及端口關(guān)閉或控制方法帶來的功率缺損問題，都會使母線電壓發(fā)生波動，嚴重時會影響對負荷的供電，甚至對設(shè)備造成損害。因此，在設(shè)計母線電壓控制策略時，需要加入模式無縫切換技術(shù)。微電網(wǎng)中模式切換最極端的情況是并網(wǎng)/孤島切換，因為通常在并網(wǎng)狀態(tài)下，母線電壓由大電網(wǎng)提

59、供支撐，并網(wǎng)變流器工作在電壓控制模式下，當(dāng)微電網(wǎng)突然切換至孤島模式時，并網(wǎng)變流器閉鎖，會在短期內(nèi)，對微電網(wǎng)造成功率缺損。并網(wǎng)/孤島無縫切換技術(shù)是指，微電網(wǎng)從并網(wǎng)模式切換到孤島模式時，盡量減小對微電網(wǎng)內(nèi)部設(shè)備的電壓電流沖擊，保證對敏感負荷的供電質(zhì)量，使微電網(wǎng)快速平滑的切換向孤島模式[26]。并網(wǎng)/孤島無縫切換技術(shù)是目前微電網(wǎng)研究中的關(guān)鍵問題，是提高負載供電可靠性、充分利用可再生能源的關(guān)鍵技術(shù)[27]。目前國內(nèi)外已經(jīng)有許多學(xué)者對微電網(wǎng)無縫切

60、換技術(shù)進行了深入的研究。</p><p>　　目前針對直流微電網(wǎng)的并網(wǎng)/孤島無縫切換技術(shù)研究較少，大部分無縫切換技術(shù)針對交流微電網(wǎng)。對于交流微電網(wǎng)，因為主控端口在并網(wǎng)和孤島模式下，分別會采用P/Q控制和V/f控制，因此，無縫切換通常在考慮電壓幅值和頻率一致的情況下，還會考慮相位同步的問題。下面介紹幾種并網(wǎng)/孤島無縫切換技術(shù)。</p><p>　　文獻[28]中提出了一種并網(wǎng)/孤島平滑切換控

61、制方法，利用反饋控制，使下垂控制器跟隨V/f控制器狀態(tài)?；驹砣缦拢涸摽刂品椒ú捎昧酥鲝目刂坪蛯Φ瓤刂葡嘟Y(jié)合的方法，并網(wǎng)模式下，儲能變流器采用下垂控制；孤島模式下，儲能變流器轉(zhuǎn)為V/f控制。其平滑切換的控制方法如圖1.10所示。</p><p>　　圖1.10 基于控制器狀態(tài)跟隨的平滑切換控制方法</p><p>　　并網(wǎng)模式下，開關(guān)K1、K4閉合，開關(guān)K2、K3斷開，此時，V/f控制器

62、自動跟隨下垂控制器的輸出。當(dāng)微電網(wǎng)切換為孤島模式時，開關(guān)K2、K3閉合，開關(guān)K1、K4斷開，此時因為V/f的輸出跟隨上一時刻下垂控制器的輸出信號，因此，逆變器的輸出電壓幅值、頻率、相位不會突變，實現(xiàn)無縫切換。該種平滑切換方法簡單易行，但是對于開關(guān)動作時間的要求較高，必須在下垂控制器的輸出值跟隨上V/f控制器的瞬間完成切換，當(dāng)不能完成切除時，容易造成瞬時電流沖擊。</p><p>　　文獻[29]中提出一種針對交

63、流微電網(wǎng)的無縫切換方法，這種方法應(yīng)用在包含多臺并聯(lián)逆變器、重要負荷、通訊母線和一臺上層控制器的分層式微電網(wǎng)中，主要依靠上層控制器對微電網(wǎng)進行協(xié)調(diào)控制，完成并網(wǎng)到孤島和孤島到并網(wǎng)的平滑切換。</p><p>　　通常情況下，由上層控制器對微網(wǎng)整體進行能量管理，采集母線電壓的幅值、相位和頻率信號，并計算出電壓基準值信號傳輸給微網(wǎng)內(nèi)各逆變器端口。并網(wǎng)時，微網(wǎng)中所有逆變器工作在電流單環(huán)控制模式，母線電壓由大電網(wǎng)支撐，如圖

64、1.11所示。</p><p>　　圖1.11 一種含多逆變器的交流微電網(wǎng)</p><p>　　其并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島模式的切換步驟如下所示：</p><p>　　上層控制器檢測到交流大電網(wǎng)故障時，迅速提取電網(wǎng)電流信息igrid；</p><p>　　上層控制器通過通信總線，將igrid信號向電流控制模式下的逆變器傳送</p><p

65、>　　5個開關(guān)周期以后，上層控制向直流固態(tài)開關(guān)下發(fā)關(guān)斷指令；</p><p>　　上層控制系統(tǒng)選擇各個端口逆變器中，容量最大的作為新的電壓控制端口（如圖1.11中的逆變器1）。向選中的發(fā)出指令，使其在下一個母線電壓過零點迅速轉(zhuǎn)換為電壓電流雙環(huán)控制模式。</p><p>　　逆變器1開始控制母線電壓，并且向剩余逆變器傳送輸出電流信息，剩余逆變器將缺損功率補上。</p>&

66、lt;p>　　文獻[30]中分析了一種交直流混合母線微電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)，同時給出該微電網(wǎng)中并網(wǎng)變流器的P/Q控制以及電壓控制兩種控制模式。為使系統(tǒng)能夠在兩種模式下實現(xiàn)無縫切換，文獻中給出了與之對應(yīng)的控制算法，通過在控制系統(tǒng)中，增加相角控制環(huán)節(jié)，避免了切換過程中的相位差，有效地提高了微電網(wǎng)系統(tǒng)切換過程中的穩(wěn)定性。但是該種控制方法中，控制參數(shù)較多，參數(shù)設(shè)計較為復(fù)雜，另外，其主要適用于交流微電網(wǎng)。</p><p>

67、　　1.2.2.2 母線電壓平衡策略</p><p>　　當(dāng)直流輸電采用三線制時，由于直壓控制通常對正負母線之間電壓進行控制，不會單獨對中性點進行控制，因此當(dāng)直流電壓出現(xiàn)擾動時，可能會出現(xiàn)中性點電壓偏差，導(dǎo)致電壓在兩極導(dǎo)線之間分配不均的情況。如果偏差持續(xù)增大，對線路絕緣性能造成影響，會使影響線路的正常輸電，甚至損壞設(shè)備。</p><p>　　母線電壓平衡問題多見于三線制的直流輸電線路中，如

68、中點鉗位型多電平的整流器中。</p><p>　　圖1.12 一種母線電壓平衡器</p><p>　　文獻[31]中提出一種針對于中點鉗位型（NPC）多電平整流器的中點平衡策略，將中點控制算法集成在SVPWM的算法中，利用矢量合成的方式，對中點偏差電壓進行調(diào)整。這種方法直接在控制算法上做調(diào)整，不需要外加硬件設(shè)施，因此比較經(jīng)濟。但是由于該算法只能應(yīng)用于基于SVPWM技術(shù)的中點鉗位型三電平整流

69、器中，當(dāng)微電網(wǎng)進入孤島模式，需要儲能DC/DC變流器進行電壓控制時，母線電壓中點不能得到控制，因此該方法不適用于直流微電網(wǎng)中。</p><p>　　文獻[32]中提出一種應(yīng)用于直流微電網(wǎng)中的母線電壓平衡器，其基本原理如圖1.12所示。</p><p>　　該母線電壓平衡器串聯(lián)在并網(wǎng)變流器的輸出端，對并網(wǎng)變流器的正負極輸出電壓進行調(diào)節(jié)，使并網(wǎng)變流器的輸出電壓在正負極間均勻分配。文獻所述平衡器

70、具有一定局限性，由于其必須串聯(lián)在并網(wǎng)變流器端口，因此一旦安裝后，將很難更改。另外，當(dāng)微電網(wǎng)處于孤島模式時并網(wǎng)變流器閉鎖，該平衡器將無法使用。</p><p><b>　　1.3 本文工作</b></p><p>　　1.3.1論文研究對象</p><p>　　本文提出了一種環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的四端直流微電網(wǎng)，包含一個光伏發(fā)電端口（PV）、蓄電池儲能端口（

71、BES）、并網(wǎng)變流器端口（GCC）和一個負載（Load）。目前的微電網(wǎng)中，常常忽略線路阻抗造成的壓降，本文中的微電網(wǎng)考慮了傳輸線路對系統(tǒng)電壓的影響，對包含線路模型的四端微電網(wǎng)進行了拓撲結(jié)構(gòu)分析。為達到穩(wěn)定直流微電網(wǎng)母線電壓的目的，本文在文獻[13]的基礎(chǔ)上，分析了直流微電網(wǎng)的各種運行工況，對GCC、BES和PV端口進行數(shù)學(xué)建模分析。本文中提出一種直流微電網(wǎng)母線電壓控制策略。該控制策略主要分為兩部分，首先對直流微電網(wǎng)的各運行模式以及模式間

72、切換條件進行定義；同時，為解決并網(wǎng)/孤島模式切換的電壓跌落問題，以及電壓在正負母線間分布不相等的問題，進一步穩(wěn)定母線電壓，本文提出一種基于數(shù)字PI控制器的模式切換技術(shù)以及母線電壓平衡器。</p><p>　　現(xiàn)將本文主要創(chuàng)新點總結(jié)如下：</p><p>　?。?）提出一種包含直壓母線線路模型的環(huán)形直流微電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，并對其靜態(tài)母線電壓進行了數(shù)學(xué)分析；</p><p>

73、;　　（2）提出一種分層式的母線電壓控制策略，根據(jù)GCC的運行狀況、直流母線電壓和交流電網(wǎng)電壓，判斷系統(tǒng)工作模態(tài)。相比于常用的微網(wǎng)對等式控制策略，本文提出的控制策略可以更好的穩(wěn)定母線電壓。</p><p>　?。?）為減小微電網(wǎng)在并網(wǎng)/孤島切換時的電壓跌落，進一步穩(wěn)定母線電壓，針對BES的控制系統(tǒng)進行改進，提出一種基于外環(huán)數(shù)字PI的并網(wǎng)/孤島模式平滑切換技術(shù)。</p><p>　?。?）為

74、解決電壓在正負母線間分布不均的問題，在文獻[18]的基礎(chǔ)上，提出了一種直流母線電壓平衡器，應(yīng)用于三線制直流母線上，可以使母線電壓在正負極母線之間均等分配，并提出其參數(shù)設(shè)計方法。</p><p>　　1.3.2論文組織結(jié)構(gòu)</p><p>　　本文對四端直流微電網(wǎng)的母線電壓控制策略進行研究，主要分為四個部分，各部分內(nèi)容如下：</p><p>　　第一章介紹了微電網(wǎng)與分

75、布式發(fā)電的研究意義，對目前微電網(wǎng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了調(diào)研分析。首先介紹了微電網(wǎng)控制系統(tǒng)的三種類型：主從控制、對等控制和分層控制及其研究現(xiàn)狀。其次，提出了幾種微電網(wǎng)的并網(wǎng)/孤島無縫切換技術(shù)，最后總結(jié)了全文的主要內(nèi)容及創(chuàng)新點。</p><p>　　第二章首先介紹了四端環(huán)形直流微電網(wǎng)的基本拓撲結(jié)構(gòu)，分析該拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，并對該四端環(huán)形直流微電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)電壓進行分析。介紹了各個端口變流器的拓撲結(jié)構(gòu)，并分別對GCC、BES

76、和PV端口進行了數(shù)學(xué)建模分析，為控制策略提出奠定理論基礎(chǔ)。</p><p>　　第三章首先提出微電網(wǎng)控制策略的系統(tǒng)分層及各層功能，提出了控制策略的遵循準則。其次，根據(jù)直流微電網(wǎng)的運行工況，提出了直流母線電壓控制策略，定義了直流微電網(wǎng)的各種運行模態(tài)，分析模態(tài)間的切換條件。提出GCC、BES和PV端口的本地控制方法以及模式切換判別流程，最后通過Simulink仿真驗證所述母線電壓控制策略的有效性，并歸納仿真結(jié)果，引出

77、下一章內(nèi)容。</p><p>　　第四章中，第一節(jié)針對第三章仿真中出現(xiàn)的并網(wǎng)/孤島模式切換時的母線電壓跌落問題，對基于BES控制策略做了改進，提出一種基于數(shù)字PI控制器的并網(wǎng)/孤島無縫切換策略，利用雙環(huán)控制中，內(nèi)環(huán)響應(yīng)速度較快這一特點，迅速補償GCC閉鎖帶來的功率缺損，實現(xiàn)并網(wǎng)/孤島模式間的平滑切換。第二節(jié)針對第三章中出現(xiàn)的正負級母線電壓不均勻的情況，提出一種直流母線電壓平衡器，并對其控制參數(shù)進行設(shè)計。最后通過仿

78、真驗證了模式切換技術(shù)和母線電壓平衡器的有效性。</p><p>　　第五章對本文的內(nèi)容進行了總結(jié)，并就下一步工作進行了展望。</p><p>　　2 四端環(huán)形直流微電網(wǎng)靜態(tài)電壓分析</p><p>　　2.1 四端環(huán)形直流微電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.1.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)介紹</p><p>　　當(dāng)考慮到線路阻抗對

79、于微電網(wǎng)的影響時，就必須對微電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進行分析。如何設(shè)計微電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，對于其運行的穩(wěn)定性具有重要的意義。</p><p>　　首先，實現(xiàn)分布式電源大規(guī)模接入配網(wǎng)，增加電力系統(tǒng)的安全性，提高供電可靠性和電能質(zhì)量，是微網(wǎng)概念提出的一個很重要的立足點。而微電網(wǎng)能夠孤島運行，是重要負荷得以持續(xù)供電的保證[33] 。</p><p>　　圖2.1一種多源單母線直流微電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)</p&g

80、t;<p>　　目前對交流微電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)已經(jīng)有了明確定義[34]，但是對直流微電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，仍然缺少明確的標(biāo)準和制度，通?？梢詤⒖冀涣魑㈦娋W(wǎng)的經(jīng)驗，將直流微電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)定義為輻射狀網(wǎng)絡(luò)和環(huán)形網(wǎng)絡(luò)兩種[35] 。</p><p>　?。?）輻射狀網(wǎng)絡(luò)。由于微電網(wǎng)中通常接入多種分布式電源，因此微電網(wǎng)為多源、多負載式的拓撲結(jié)構(gòu)。單母線式微電網(wǎng)是一種常用的輻射狀網(wǎng)絡(luò)，即將多個端口直接連接到一條公共直流母

81、線中（PCB, Public Connected Bus）。如圖2.1所示，為多源單母線直流微電網(wǎng)。該種拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于：構(gòu)架比較簡單，便于和其他微電網(wǎng)之間通過聯(lián)絡(luò)母線相連，容易實現(xiàn)優(yōu)化和管理。缺點也十分明顯：由于只有一條母線，當(dāng)母線發(fā)生接地故障時，需要將整個系統(tǒng)停運，因此輸電可靠性不強，適用于微電網(wǎng)中不含重要用戶，且可能要對微電網(wǎng)進行擴建的情況。</p><p>　?。?）環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。圖2.2為一種典型的基于環(huán)

82、形網(wǎng)絡(luò)的直流微電網(wǎng)，相比于輻射狀網(wǎng)絡(luò)，該種拓撲結(jié)構(gòu)的可靠性更強，當(dāng)母線中某處發(fā)生接地故障時，可以通過差動保護將故障段母線從微電網(wǎng)中切除，而剩余部分仍然可以構(gòu)成輻射狀網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)供電。該種拓撲結(jié)構(gòu)適用于醫(yī)院等對可靠性要求較高的用戶。</p><p>　　圖2.2 一種典型的基于環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的直流微電網(wǎng)</p><p>　　另外，微電網(wǎng)通常采用分布式發(fā)電作為供電源，分布式發(fā)電通常能量密度較小，發(fā)電端口

83、分布較為分散，因此將諸多分布零散的發(fā)電端口通過微電網(wǎng)相連時，就必須考慮線路損耗問題，尤其是線路上的電壓損耗。例如，在一個幾十平方公里大小的海島上建立微電網(wǎng)，如希臘的基斯諾斯島（Kythnos）等，如果采用潮汐發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電等分布式電源對負荷供電，潮汐發(fā)電需要建在海岸附近，風(fēng)力發(fā)電機需要建在風(fēng)力較強的地方，光伏電池需要安裝在不被遮擋，光照強度較高的地方。因此，各種發(fā)電端口很難安裝在同一個地方。同時也很難保證島內(nèi)的負荷集中分布在

84、同一個點上。在這種情況下，需要建立輸電線路較長的微電網(wǎng)[36]。在對該種微電網(wǎng)進行設(shè)計時，就必須考慮微電網(wǎng)的線路損耗，在對微電網(wǎng)進行分析設(shè)計時，必須加入線路模型。</p><p>　　圖2.3 四端環(huán)形直流微電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)</p><p>　　根據(jù)上述分析，綜合考慮到供電可靠性和線路阻抗，本文基于單側(cè)電源環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提出如圖2.3所示的四端環(huán)形直流微電網(wǎng)。該網(wǎng)架中，輸電線路采用單極雙線制輸電方

85、式；直流母線采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，保證微電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生線路短路故障時，系統(tǒng)可以迅速排除故障，并且仍然可以保證供電；相比于常用的多源單母線直流微電網(wǎng)，該種拓撲結(jié)構(gòu)可以大大提高直流微電網(wǎng)的供電可靠性。</p><p>　　2.1.2 端口分類</p><p>　　如圖2.3所示，該四端環(huán)形直流微電網(wǎng)中，存在著四個端口，各自職能不同。文獻[37]中提到，通常微電網(wǎng)中的各個端口，根據(jù)其職能，可以分為幾類：發(fā)

86、電端口、負荷端口、儲能端口和并網(wǎng)端口。然而該種分類方式，無法確定端口發(fā)功率的特點，因此文獻[19]中，提到一種對微電網(wǎng)各端口的新分類方法：根據(jù)他們對于系統(tǒng)運行的作用以及自身特點，可以將其分為兩類：能量端口和松弛端口。</p><p>　?。?）能量端口（Power terminals）。能量端口是一種“利己”端口，其輸出端根據(jù)自身需求吸收功率或發(fā)出功率，而不會考慮系統(tǒng)整體的需求。例如，當(dāng)光伏或者風(fēng)電在MPPT工作

87、模式下時，就屬于能量端口，他們的輸出功率取決于外部自然條件，而非系統(tǒng)需求。</p><p>　?。?）松弛端口（Slack terminals）。松弛端口則是一種“利他”端口，其職能是根據(jù)整個微電網(wǎng)中的功率情況，自動補償系統(tǒng)中的缺損功率和吸收系統(tǒng)過發(fā)功率，使系統(tǒng)達到功率平衡，將母線電壓控制在額定范圍內(nèi)。典型的松弛端口包括工作在直壓控制下的GCC、BES，在下垂控制下的儲能系統(tǒng)，如超級電容、飛輪儲能器、備用柴油機都

88、屬于松弛端口[19]。</p><p>　　對于同一個端口，其類型不是固定的，既可以是能量端口，也可以成為松弛端口，取決于其控制方式。例如，文獻[38]中，在微網(wǎng)處于Level 1模式下時，GCC工作在VSC模式下，屬于松弛端口；在Level 2下，GCC工作在限流模式，其輸出電流保持恒定，相當(dāng)于電流源性變流器，變?yōu)槟芰慷丝凇Ｔ谖墨I[39]所述的交流微電網(wǎng)中，儲能系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)需求，工作P/Q控制或U/f控制兩

89、種模式下，儲能系統(tǒng)在P/Q模式下屬于能量端口，在U/f模式下屬于松弛端口。因此，同一個端口可以根據(jù)系統(tǒng)需求在能量端口和松弛端口之間切換。</p><p>　　2.2直流微電網(wǎng)各端口數(shù)學(xué)模型</p><p>　　2.2.1 并網(wǎng)變流器數(shù)學(xué)模型</p><p>　　并網(wǎng)變流器（Grid-Connected Converter, GCC）的主要功能是在微電網(wǎng)并網(wǎng)條件下，作

90、為微電網(wǎng)和交流大電網(wǎng)能量交換的接口。</p><p>　　通常情況下，如果微電網(wǎng)采用主從控制方式或分層控制方式，GCC依托大電網(wǎng)的穩(wěn)定性，為微電網(wǎng)提供電壓支撐，是微電網(wǎng)中的主控制端口。因此，GCC通常為松弛端口。但是當(dāng)大電網(wǎng)中出現(xiàn)故障而電壓質(zhì)量不達標(biāo)時，為避免微電網(wǎng)的正常運行受到大電網(wǎng)影響，要求GCC能夠快速閉鎖，將微電網(wǎng)和大電網(wǎng)之間的聯(lián)系切斷，使微電網(wǎng)工作在孤島模式下，繼續(xù)為負載供電。</p>&

91、lt;p>　　因此，微電網(wǎng)對于GCC的功能及性能要求如下：</p><p>　　（1）可以實現(xiàn)能量的雙向流動。當(dāng)微電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)出的功率大于消耗功率時，GCC能將多余功率從微電網(wǎng)回饋到大電網(wǎng)；當(dāng)微電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)出功率不足時，GCC能夠從大電網(wǎng)中吸取能量，彌補微電網(wǎng)中的功率缺額。</p><p>　?。?）直流端輸出電壓穩(wěn)定性較高。正常情況下，GCC作為微電網(wǎng)電壓主控制器，當(dāng)負荷功率或分布式電

92、源發(fā)電功率出現(xiàn)波動時，為減小微電網(wǎng)中的母線電壓波動，GCC應(yīng)該具有較高的動態(tài)響應(yīng)速度；而為了保證微電網(wǎng)穩(wěn)定運行時的電能質(zhì)量，GCC應(yīng)該具有較高的穩(wěn)態(tài)輸出精度。</p><p>　?。?）盡量減小GCC對于大電網(wǎng)的影響。作為一種電力電子器件，GCC相對于大電網(wǎng)是一個諧波源，其發(fā)出的諧波電流對于大電網(wǎng)的運行不利。因此，為了大電網(wǎng)的運行，要求GCC對大電網(wǎng)的運行影響盡可能小。</p><p>　

93、　為滿足上述目標(biāo)，GCC的拓撲結(jié)構(gòu)采用三相半橋式PWM整流器，采用IGBT作為功率器件[40]。其拓撲結(jié)構(gòu)如圖所示。</p><p>　　圖2.4 并網(wǎng)變流器電路拓撲結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖2.4中，Ltg為變壓器等效電感，在本文中，因為直流母線電壓設(shè)置為500V，而交流電網(wǎng)電壓為380V，PWM整流器的輸出電壓必須高于同等條件下的不控整流輸出電壓值，因此必須采用降壓變壓器，將交流電壓

94、降為190V。采用變壓器的好處在于，可以和大電網(wǎng)進行電氣隔離，同時變壓器可以視為一個電感，與濾波電感Lg和濾波電容Cg共同構(gòu)成LCL濾波器。與LC濾波器相比，LCL濾波器多一個電感，因此，其階數(shù)相對于LC濾波器更高，因此，對高頻諧波的衰減更大，濾波效果比LC濾波器更明顯[41]，因此，可以使微電網(wǎng)對于大電網(wǎng)的影響更小。</p><p>　　為了分析該種拓撲結(jié)構(gòu)，首先對其進行數(shù)學(xué)建模。通常情況下，變壓器等效電阻rt

95、g和電感寄生電阻rg較小。因此，以a相為例，單相回路可以簡化為如圖2.5所示。</p><p>　　圖2.5 GCC的a相回路簡化等效圖</p><p>　　首先根據(jù)基爾霍夫電路定律，可以得到LCL濾波器的回路方程：</p><p><b>　　(2.1)</b></p><p>　　式2.1中，為k相開關(guān)函數(shù)，其定義為

96、[42]：</p><p>　?。?）當(dāng)該相上橋臂導(dǎo)通，下橋臂關(guān)斷時，；</p><p>　?。?）當(dāng)該相下橋臂導(dǎo)通，上橋臂關(guān)斷時，；</p><p>　　同時，由于三相對稱，式2.1的第一個等式可以推廣至其余兩相電路中，可以得到</p><p><b>　　(2.2)</b></p><p>　

97、　將式2.2中的三個等式的等號左右分別相加，可以得到式2.3</p><p><b>　　(2.3)</b></p><p>　　當(dāng)三相對稱時，忽略掉高頻諧波，三相電壓、電流之矢量和為零[43]，容易得到</p><p><b>　　(2.4)</b></p><p>　　因此，根據(jù)KVL和KCL，

98、可以得到GCC在靜止坐標(biāo)系下的各相狀態(tài)方程。</p><p><b>　　對于a相有：</b></p><p><b>　　(2.5)</b></p><p><b>　　對于b相有：</b></p><p><b>　　(2.6)</b></p&g

99、t;<p><b>　　對于c相有：</b></p><p><b>　　(2.7)</b></p><p>　　對于式2.5、2.6、2.7，取i1、i2、ucg為狀態(tài)量，us、ur為輸入量，可以得到GCC在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型[44]，如式2.8所示</p><p><b>　　(2.8)

100、</b></p><p>　　由式2.8可知，在三相靜止坐標(biāo)系下的GCC數(shù)學(xué)模型為9階數(shù)學(xué)模型，對這樣一個高階系統(tǒng)進行分析和控制系統(tǒng)設(shè)計都是非常復(fù)雜的，因此，本文中，通過變換，對式2.8進行降階，經(jīng)過降階后，GCC數(shù)學(xué)模型可由9階變?yōu)?階數(shù)學(xué)模型，如式2.9所示。</p><p><b>　　(2.9)</b></p><p>&l

101、t;b>　　式2.9中，</b></p><p>　　usα、usβ分別為三相電網(wǎng)電壓的α、β分量；</p><p>　　i1α、i1β分別為GCC輸入端電流的α、β分量；</p><p>　　ucgα、ucgβ分別為GCC的LC濾波器電容電壓的α、β分量；</p><p>　　urα、urβ分別為橋臂中點電壓的α、β分量。

102、</p><p>　　如果需要在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下對系統(tǒng)進行建模，則需要對式2.9等號兩邊進行旋轉(zhuǎn)變換，得到式2.10，式2.10中，</p><p>　　usd、usq分別為三相電網(wǎng)電壓的d、q分量；</p><p>　　i1d、i1q分別為GCC輸入端電流的d、q分量；</p><p>　　ucgd、ucgq分別為GCC的LC濾波器電容電壓的d

103、、q分量；</p><p>　　urd、urq分別為橋臂中點電壓的d、q分量。</p><p><b>　　(2.10)</b></p><p>　　根據(jù)式2.10可以畫出GCC在dq坐標(biāo)系下的結(jié)構(gòu)框圖，如圖2.6所示</p><p>　　圖2.6 GCC的數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　由

104、圖2.6可以看出，GCC在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為六階模型，其控制系統(tǒng)的設(shè)計較為復(fù)雜。如果采用常規(guī)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的PI控制，必然需要采用很復(fù)雜的解耦控制[45]，因此，可以考慮采用αβ坐標(biāo)系下的控制。</p><p>　　2.3.2 儲能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型</p><p>　　圖2.7 儲能系統(tǒng)DC/DC變流器拓撲結(jié)構(gòu)</p><p>　　蓄電池儲能系統(tǒng)（BES）的拓撲結(jié)

105、構(gòu)如圖2.7所示，其對于微電網(wǎng)的作用主要體現(xiàn)在以下幾方面[46]：</p><p>　?。?）提高微電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。BES在并網(wǎng)模式下通常不作為微電網(wǎng)主電壓控制端口，因此，并網(wǎng)條件下其主要功能是配合GCC，對微電網(wǎng)內(nèi)部的能量進行協(xié)調(diào)和管理，抑制微電網(wǎng)各種模式切換時，由于功率不匹配導(dǎo)致的母線電壓波動。微電網(wǎng)孤島時，BES為主發(fā)電單元穩(wěn)定投入提供過渡。當(dāng)大電網(wǎng)恢復(fù)正常后，BES調(diào)節(jié)微網(wǎng)母線電壓大小，并隨時準備回到并

106、網(wǎng)模式[47]。</p><p>　?。?）作為微電網(wǎng)的主電壓控制端口。在孤島模式下，由于GCC閉鎖，而DG發(fā)電通常具有隨機性，因此，BES作為可靠地供電源，可以作為微電網(wǎng)的主電壓控制端口，支撐直流母線電壓。</p><p>　?。?）為微電網(wǎng)的經(jīng)濟運行提供硬件條件。該項功能是能量管理系統(tǒng)中不可或缺的一環(huán)，利用蓄電池的儲能特點，在DG發(fā)電較多的時段將所發(fā)的電能儲存起來，在DG發(fā)電較少時段將