1、硕士学位论文（20 届）直流微电网孤岛运行模式小干扰稳定性分析姓 名学 科 、 专 业 电气工程研 究 方 向 直流微电网稳定指 导 教 师论文提交日期论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者（签名）： 年 月 日I摘 要化石能源的短缺、电能需求的速增和用户对电能质量要求的提高促进了微电网的发展。微电网既能高效利用清洁能源，又具有较高的可靠性和可控性。
2、依据电流性质划分，微电网可以分为直流微电网和交流微电网。直流微电网相对交流微电网效率高、可控性强、损耗低、更有利于光伏等分布式电源的接入。对于并网运行的直流微电网，其电压稳定可由大电网支撑；孤岛运行模式下，系统直流电压的稳定完全依赖内部电源的控制，因此分析其小干扰稳定性具有理论和实际意义。本文首先介绍了总线式直流微电网和互联式直流微电网两种常用拓扑，针对智能住宅和商业中心等直流微电网应用场合，分析了采用直流配电方式的技术经济优点；其次，分析直流微电网中最基本的变换器单元的阻抗特性，揭示恒功率负载呈现负阻抗特性的原因；第三，将孤岛运行模式下总线式直流微电网利用戴维南定理等效成级联系统，基于阻抗比
3、判据分析其母线电压的稳定性；最后，针对多个总线式直流微电网通过线路互联的系统，在孤岛运行模式下，建立互联直流微电网的降阶模型，利用小扰动特征分析法分析系统的小干扰稳定性。本文给出了总线式直流微电网的阻抗模型和互联式直流微电网的降阶模型，这两种模型可以适用于源和负荷采用各种联接方式的直流微电网的分析；采用下垂控制的直流微电网系统能够稳定运行的充分条件是下垂参数小于负荷的等效最小电阻值，该结论可用于设计直流微电网的控制参数；另外，本文分析了线路参数变化对系统特征值的影响，增大线路电阻或者减小线路电感有助于改善系统的稳定性。关键词：直流微电网；孤岛运行模式；小干扰稳定；稳定性分析IIAbstract
4、Depleting fossil fuels, increasing energy demand, and need for high-reliability power supply motivate the use of microgrid. Microgrids are identified as an effective method for power generation and distribution, also can improve the dependability and controllability. According to the current propert
5、y, microgrids can be divided into DC microgrid and AC microgrid. Compared to the AC microgrid, DC microgrid with higher efficiency, lower energy consumption, lighter pollution and more convenient to accessing for the distributed generation. Under the grid-connected mode, the voltage level depend on
6、the great grid. But its controlled by power electronic converters under island operating mode. Therefore, small signal stability analysis is very important for the island operation mode of the DC microgrid.Firstly, this paper focus on the situations where DC microgrid applying in, such as smart hous
7、e and business centers. Then analyse the technical and economic advantages of DC microgrid. Secondly, analysis the impedance characteristic of converter unit in DC microgrid, reveal the nature of constant power loads which has negative impedance characteristics. Thirdly, analysis the small signal st
8、ability of DC microgrid based on DC-bus by Impedance Criterion. At the last, under the Island Operating Mode, analysis the small signal stability of interconnected DC microgrid by the small disturbance characteristics analysis method. This paper set up the impedance model of DC microgrid based on DC
9、-bus and the reduced-model of interconnected DC microgrid. The methods proposed in this paper is applicable to any interconnecting structure of sources and loads. The sufficiency condition for stable operation of the system is derived. It provides upper bound on droop constants and is useful during
10、planning and designing of dc microgrids. Furthermore, the sensitivity of system poles to variation in cable resistance and inductance is identified. It is proved that the poles move further inside the negative real plane with a decrease in inductance or an increase in resistance.IIIKeywords: DC Micr
11、ogrid; Island Operating Mode; Small Signal Stability; Stability AnalysisIV目 录摘 要 .IAbstract .III1 引言 .11.1 研究背景与意义 .11.1.1 研究背景 .11.1.2 选题意义 .21.2 研究现状 .31.2.1 微电网发展现状 .31.2.2 直流微电网发展现状 .41.2.3 微电网稳定性研究现状 .71.3 本文主要内容 .92 直流微电网拓扑及变换器建模 .112.1 直流微电网拓扑 .112.1.1 总线式直流微电网 .122.1.2 互联式直流微电网 .132.1.3 直流微电
12、网技术经济比较 .152.2 直流微电网变换器 .192.2.1 变换器数学模型 .192.2.2 变换器控制策略 .212.2.3 变换器阻抗特性 .242.3 直流微电网控制方式 .273 总线式直流微电网稳定性分析 .31V3.1 基于阻抗比的稳定判据 .313.2 总线式直流微电网数学建模 .343.2.1 系统组成 .343.2.2 系统等效模型 .353.3 总线式直流微电网稳定性分析 .373.3.1 稳定性分析 .373.3.2 仿真分析 .403.4 实验验证 .423.5 本章小结 .444 互联式直流微电网稳定性分析 .454.1 小扰动特征分析法 .454.2 互联式直
13、流微电网数学建模 .474.2.1 源线性化方程 .484.2.2 负荷线性化方程 .484.2.3 线路线性化方程 .484.2.4 系统等效模型 .494.2.5 降阶模型验证 .504.3 互联式直流微电网稳定性分析 .534.3.1 特征值分析 .534.3.2 灵敏度分析 .534.3.3 仿真分析 .554.4 本章小结.595 结论与展望 .61VI5.1 结论 .615.2 展望 .61参考文献 .63致谢 .6711 引言1.1 研究背景与意义1.1.1 研究背景随着人类社会的进步与发展，电能作为二次能源，需求迅速增长，近代经济和科技的发展离不开电力的发展，电力工业在国民经济
14、中的地位越来越重要，国民经济每增长 1%，电力工业要相应增长 1.31.5%1。目前，我国电力投资大多集中在火电、水电以及核电等大型集中电源和超高压远距离输电网的建设上。我国能源主体是火电、水电和核电等，其中火电占 70%以上，而火电主要来源于不可再生的化石能源，如煤、天然气。一方面，石油、煤炭、天然气等不可再生能源储量日益减少以致将来必然会枯竭；另一方面，中国的 PM2.5，60%的来源与燃煤和燃油有关，由化石燃料引发的环境问题日益受到关注。另外，由于我国水资源分布不均匀，能源利用和水资源地域性很明显，耗资巨大的三峡大坝工程，至今仍在争议其对于环境和生态是否有不可逆转的影响。日本福岛核电站事
15、件后，虽然是受自然灾害影响，但是对于核泄漏的风险和核废料处理问题导致清洁优质的核电的发展明显减缓。在我国，能源中心和负荷中心地区一般都相距甚远。一次能源中，煤炭资源主要集中在山西、内蒙古等地区，水利资源集中在四川、云南等有水位落差的山区，而负荷中心主要集中在珠三角和长三角等大城市、大工业区。因此，目前我国电力系统内电能生产、输送和分配方式是集中发电、高压远距离输电和大电网互联。这种运行方式能减少电能在由能源中心向负荷中心地区传输过程中的损耗，改善能源使用效率，提高电力系统经济性、稳定性和可靠性。随着电网规模的不断扩大，超大规模电力系统的弊端也日益凸现，成本高、运行难度大、难以适应用户越来越高的
16、安全和可靠性要求以及多样化的供电需求。尤其在近年来世界范围内接连发生几次大面积停电事故后，大电网的脆弱性充分暴露出来。当前，人类面临资源可持续发展和经济持续发展的双重挑战，一味地扩大电网规模显然不能满足要求，必须优化电力系统能源的结构，开发多样化、清洁环保的光伏和风电等清洁可再生能源。分布式发电指的是电能在距离负荷较近的地方生产并直接供电给用户的方式，具有可靠性高、污染少、能源利用率高和安装地点灵活等特点 2，有效解决了大型集中电网的许多潜在问题。目前，欧美等发达国家开始广泛研究能源多样化的、高效和经济的分布式发电系统，并取得突破性进展。无疑，分布式发电将成为未来大型电网的有力补充和有效支撑，是未来电力系统的发展趋势之一。尽管分布式电源优点突出，但本身存在诸多问题 3，例如，分布式电源单机接入成本高、控制困难等。另外，分布式电源相对大电网来说是一个不可控源，因此大系统往往采取限制、隔离的方式来
