1、 分类号 密级 U D C 编号 武 汉 大 学 硕 士 学 位 论 文 四端环形直流微电网母线电压 控制策略研究 研 究 生 姓 名 ： 学号 ： 指导教师姓名、职称 ： 专业名称 ： 电力电子与电力传动 研究方向 ： 直流微电网 年 月 摘要 大部分形式的新能源，如风力、太阳能、潮汐发电由于其能量密度低，且分布不集中，必须采用分布式发电的形式。而采用分布式发电，通常需要建立一种小型、灵活的电网 微电网将分布式电能输送到用户 ，实现分布式能源的就地发电和使用 。目前国内外已经有许多学者对微电网展开了研究，微电网作为一种弱电网系统，当其受到冲击时，供电可靠性容易受到影响，因此，如何解决其母线电
2、压稳定性，是保证微电网供电质量的关键问题。 本文综合考虑了目前微电网的拓扑结构特点以及线路阻抗对输电的影响，选择一种四端环形直流微电网作为研究对象，该结构的直流微电网包含线路模型、并网变流器、蓄电池储能系统、光伏发电系统和负载。 论文首先对目前直流微电网母线电压控制策略的研究现状进行了系统的归纳总结，介绍几种目前常见的控制方式，然后对四端环形直流微电网的母线电压特性进行数学分 析，并对各个端口变流器进行数学建模，为控制策略的提出奠定理论基础。 为了稳定该直流微电网的母线电压，本文提出一种与之对应的分层式控制方式。该种控制方式对微电网的各种工作模式以及模式间的切换条件进行了定义，并介绍了各模式下
3、微电网各端口的本地控制策略以及模式判别流程。通过 MATLAB/Simulink 仿真，对本文提出所提出的母线电压控制策略进行了验证。 针对仿真中出现的并网 /孤岛切换时母线电压跌落问题，以及正负母线电压不对等问题，本文提出一种母线电压稳定性控制策略，包含并网 /孤岛无缝切换技术以及母线电压平衡器， 进一步提高了母线电压的稳定性。通过仿真验证，该稳定性控制策略的有效性。 本文最后对微电网母线电压控制策略研究进行了展望。 关键词 ： 直流微电网；母线电压控制；运行模式；无缝切换；电压平衡器 Abstract For the reason that the energy density of mo
4、st 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 adopted in the renewable energy generation. Additionally, taking the particularity of distributed generation into considerat
5、ion, a kind of small-scaled and feasible grid, which is microgrid, should be developed to connect the renewable energy source and users. There are many scholars around the world are researching microgrid. As a kind of weak power system, the power supply robustness of microgrid is not perfect when th
6、e microgrid is affected by uncontrolled power. Therefore, stability of microgrid bus voltage is of great importance to the power supply quality of microgrid. Taking the topologies which are commonly adopted in the microgrid and impact of impedance of transmission lines into consideration, a loop DC
7、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. Firstly, the latest development and research of control strategy of DCMG bus voltage hav
8、e been summarized. Then the characters of DCMG bus are analyzed by mathematical method and the mathematical models of every terminal is built in this paper. Besides, in order to realize the control objects, a hierarchical control strategy which defines the operation modes of DCMG and the criterion o
9、f modes switching is proposed in this paper. The identifying process and the local control strategies of each terminal in different operation modes is introduced. The control strategy is verified through MATLAB/Simulink. Through simulation, two problems were discovered. When the operation modes of D
10、CMG 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 security of power supply. In order to overcome two problems and improve the robustness of DCMG, two methods
11、including Grid/Islanding seamless switch technology and voltage balancer are introduced in this paper. The two methods are verified through simulation. The last part is the sum and prospect. Keywords: DC microgrid; Bus voltage control; Operation mode; seamless switch; Voltage balancer 目 录 摘要 . II Ab
12、stract . III 1 绪论 . 1 1.1 选题意义 . 1 1.1.1 分布式发电与微电网 . 1 1.1.2 直流微电网 . 2 1.2 直流微电网电压控制策略研究现 状 . 4 1.2.1 运行模式研究现状 . 4 1.2.2 直流母线电压稳定性控制策略 . 11 1.3 本文工作 . 14 1.3.1 论文研究对象 . 14 1.3.2 论文组织结构 . 15 2 四端环形直流微电网静态电压分析 . 16 2.1 四端环形直流微电网架结构 . 16 2.1.1 网架结构介绍 . 16 2.1.2 端口分类 . 18 2.2 直流微电网各端口数学模型 . 19 2.2.1 并网变
13、流器数学模型 . 19 2.3.2 储能系统数学模型 . 26 2.3.3 光伏发电系统 . 28 2.3 微电网静态电压分析 . 30 2.4 本章小结 . 32 3 直流微电网工作模式及母线电压稳定性 . 34 3.1 直流微电网控制系统分层及控制目标 . 34 3.2 直流微电网工作模态分析 . 36 3.2.1 并网模式 . 38 3.2.2 孤岛模式 . 39 3.3 直流微电网各端口控制方法 . 40 3.4.1 GCC 控制方法 . 40 3.4.2 BES 控制方法 . 43 3.4.3 PV 控制方法 . 45 3.4 工作模态仿真以及电压稳定性问题 . 47 3.4.1 仿
14、真模型介绍 . 47 3.4.2 微电网稳态下各端口运 行状况 . 50 3.4.3 并网时的动态性能仿真 . 52 3.4.4 孤岛时的动态性能仿真 . 54 3.4.5 并网 /孤岛切换 . 56 3.4.6 仿真结果总结 . 57 3.5 本章小结 . 57 4 直流微电网稳定性控制策略 . 58 4.1 并网 /孤岛模式切换策略 . 58 4.1.1 引言 . 58 4.1.2 电压跌落机理分析 . 58 4.1.3 切换策略 . 59 4.2 母线电压平衡策略 . 61 4.3 稳定性控制策略仿真 . 63 4.3.1 并网 /孤岛无缝切换仿真 . 63 4.3.2 母线电压平衡器仿
15、真 . 64 4.4 本章小结 . 66 5 总结与展望 . 67 5.1 全文工作总结 . 67 5.2 后续工作展望 . 67 参考文献 . 69 附录 . 73 攻读硕士学位期间发表的科研成果 . 74 致谢 . 75 1 1 绪论 1.1 选题意义 1.1.1 分布式发电 与微电网 如今在世界各地，传统电力系统因为过度依赖化石燃料，正面临着能源枯竭、能效低下和环境污染的问题。这些问题引发一种新的研究热点，即在本地配电网上，将非常规或可再生能源发电接入。这些能源包括天然气、沼气、风力发电、太阳能发电、燃料电池、热电联产系统、微燃机和斯特林发动机（ Stirling Engine）等等。这
16、类发电技术称之为分布式发电（ Distributed Generation， DG），相应的能源被称为分布式能源（ Distributed Energy Resources， DER） 1。 分布式发电目前成为了研究热点，因为相比于传统发电形式， 分布式发电 可以 就地利用多种形式的能源发电，其优点主要有 2： (1)利用可再生能源 ， 诸如风能、太阳能、生物质能和潮沙能等 ， 可提高可再生能源在电力生产的比例 ， 降低化石能源比重 ， 减少电力生产的碳排放和污染排放 ； (2)采用热电联供技术 ， 提高一次能源利用效率 ， 减少污染排放 ， 全球天然气储备丰富 ， 天然气作为下一代的重要能源
17、可为热电联供分布式能源提高充足的燃料 ； (3)负荷侧就地发电可提高供电可靠性 ,将电力传输和分配损耗最小化 ， 减少电力传输和分配成本 ； (4)为电力系统提供削峰填谷和备用容量等辅助服务 ， 激励电力供应竞争 ， 分布式发电能够对一次能源和电力价格做出更敏感的回应 ,在开放的电力市场环境下 ， 分布式发电能促进电力市场的发展和完善 ； (5)当分布式电力发展到一定规模时 ,可为输电网 “ 拥塞 ” 建立旁路。 然而由于分布式能源通常分布较为分散，而且能量密度较低，因此，传统的集中式供电很难适应分布式发电的特点，必须采用一种与之匹配的输电网络。 微电网（ Microgrid, MG）是由分布
18、式发电（ Distributed Generation， DG）、负荷、储能装置及控制装置构成的一个单一可控的独立发电系统。微电网中 DG 和储能装置并在一起，直接接在用户侧。对大电网来说，微电网可视为大电网中的一个可控单元；对用户侧来 说，微电网可满足用户侧的特定需求，如增加本地供电可靠性、降低网损等。微电网是一个可以自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行 3。 微电网技术可为分布式发电技术及可再生能源发电 技术的整合，可有效削弱分布2 式发电对电网的冲击和负面影响，是电力产业可持续发展的有效途径，符合当前 “ 节能减排，建设集约型社会 ” 的能源利用方式。
19、加快分布式发电接入技术、微电网运行控制技术和保护协调技术等相关微电网关键技术的研究，同时建设示范性工程，对于促进分布式能源发展具有重要意义 4。 1.1.2 直流 微电网 要研究微电网，首先需要了解微电网的基本定义。 目前，国际上对微电网的定义已经达成共识：微电网是由各种储能单元、分布式电源、负荷以及保护和监控装置组成的集合；具有灵活的可调度性能和运行方式，能在并网和孤岛两种运行模式之间切换；通过相关控制装置间的协调配合，可同时向用户提供电能和热能；根据实际情况，系统容量一般为数千瓦至数兆瓦，通常接在配电网中 5。 对大电网来说，微电网可作为一个可控的 细胞 ，是一个简单的可调度负荷；对用户来
20、说，微电网可作为一个可定制的电网。 6 微电网的构成可以很简单，但也可能比较复杂。例如：光伏发电系统和储能系统可以组成简单的用户级光 /储微电网，风力发电系统、光伏发电系统、储能系统、冷 /热 /电联供微型燃气轮机发电系统可组成满足用户冷 /热 /电综合能源需求的复杂微电网。一个微电网内还可以含有若干个规模相 对小的微电网，微电网内分布式电源的接入电压等级也可能不同 。 图 1.1 阿肯色大学 MVA级微电网 3 如图 1.1 所示，为阿肯色大学的 MVA 级分级式交流微电网，该微电网中包含低压母线、中压母线和高压母线三种电压等级的交流母线，可以接入光伏、风力等 DG 端口。 目前微电网可以主
21、要分为直流微电网和交流微电网两类。 交流微电是采用交流电作为主要方式的微电网，有着诸多优势：由于交流电网已经有了一百多年历史，而交流大电网技术可以很容易引入交流微电网中 7。在保护措施上，交流 电网中的保护设备技术较为成熟，价格相对直流保护较低，同时因为交流断路器主要依靠电压过零点进行灭弧，所以，交流断路器无法应用在直流电网中 8。目前ABB、 GE 等公司已经有直流断路器，但是相比于交流断路器，直流断路器造价更高，而且电压等级较低 9。 但是交流微电网也存在着无功补偿、谐波污染、频率偏差等问题，而采用直流输电技术，可以避免这些问题 10。 同时，伴 随着电力电子技术的发展，大功率电力电子器件
22、使直流输电成为可能。因此， 将 直流输电技术和分布式发电相结合 的 直流微电网成为了新的研究热点。 作为一种新型的供能系统， 相比于交流微电网， 直流微电网的 可靠性更好 ，并且效率更高，能为用户提供高质量的电能，同时其控制策略相对简单，能有效地提高供电可靠性和稳定性。 其 主要优点可以概括如下 11： (1)高可靠性 。 可以为对电能质量有较高要求的用户提供可靠的电能。例如，经试验显示当负载端出现短时的接地短路，直流微电网仍然可以为电网中其他的负载提供电能。 (2)高灵活性 。 直流微电网的引入可以大大提 高电网功能的多样性和灵活性。分布式电源可以通过多种电力电子电路与主体电网相连接。然后根
23、据各个用户对电能的要求利用电力电子电路将的直流电转换成用户所需的电能。在电能的多次转换过程中无需体型庞大、维护复杂的变压器 ，仅采用电力电子变流器即可 ，能够有效的减小微电网的规模，达到便于维护和改建的目的。 (3)便于新能源的接入 。 许多新能源发电系统都具有直流特性，例如光伏电池板、燃料电池以及蓄电池。利用直流微电网可以便于这些分布式电源的接入，从而大大简化结构，减少投资。 (4)孤岛运行能力 。 在大电网出现明显波动的情况下，直 流微电网可以通过控制逆变器实现与大电网的解裂，从而利用其自身的分布式电源为负载供电。这种能力可以使直流微电网避免由大电网波动所带来的恶劣影响，从而大大提高电网的
24、可靠性和稳定性。 (5)便于能量交换 。 当出现微网中某一电源供电不足的情况，直流微电网可以成为各个分布式电源之间能量交换的通道，从而有效地弥补由某一分布式电源供能不足所带来的潮流分布不均衡的问题，达到电能分布的最优化。 4 直流 微电网具有如上优势，因此 目前已经有很多国内外学者对 其 展开 了深入 研究 。 1.2 直流微电网 电压控制策略 研究现状 目前对于交流微电网的能量管理研究 较多，其应用也较为成熟。能量管理系统的最终目的是为了保证电能质量，为负载提供稳定，高质量的电能。然而，由于交流微电网中存在着 无功补偿问题，因此，交流微电网的经验很难直接应用在直流微电网上 12。直流微电网中
25、，由于 不存在无功补偿问题， 母线功率和电压直接相关，因此，保证 母线 电压稳定 即可保证 微电网中功率平衡 。 1.2.1 运行模式研究现状 通常， 微电网 控制系统会采集电网中的各种运行信息，根据运行状况，制定微电网的运行优化策略。该优化控制策略的 目的是 根据微电网中各个发电端口的输出功率，以及预测负荷的输出功率，以及大电网运行状况等情况，并且考虑到微电网运行的各种约束条件和运行准则和目标等实时条件，制定微电网的调度方案。而这种运行调度方案，是通过调整各个端口的控制策略、 出力，以及投切端口，改变负荷来实现微电网的运行策略 13-14 。 在直流微电网中，母线电压不仅关系到供电质量，也关
26、系到微电网的经济运行，因此，母线电压控制策略是一项系统工程。 目前，按照控制结构的不同，可以将直流 微电网 控制策略分为对等 式 、主从式和分层式三 种模式。 1.2.1.1 对等 式 控制策略 电 网光 伏风 力 发 电+蓄 电 池 组D r o o p控 制 器U , I 测 量U0D r o o p控 制 器U , I 测 量U0电 压控 制U , I 测 量U0D r o o p控 制 器U0图 1.2 分布式的能量管理系统 5 对等 式的 控制策略 (peer-to-peer mode)也称为 分布式 控制模式，是指由各个端口根据本地系统运行状况，自动调节改变控制策略，进行能量分配，
27、从而使系统稳定工作在额定工况下。 对等式控制策略 的好处是：因为各个端口的运行相对独立 ，根据接口母线电压等信息进行判别，决定端口工作在什么模式下。各控制器间不存在主和从的关系， 因此不需要远距离的实时通讯线路，因此相较于 主从 式能量管理，经 济性更好1516。 这种控制模式下，各端口通常采用下垂控制（ Droop Control）方法 17。 对等式控制目前是微电网控制策略中，应用最广泛的。 如图 1.2 所示，为一种典型的 基于对等式控制的直流微电网 。 下面介绍几种典型的直流微电网的对等控制策略。 （ 1） 文献 18中提出了一种 基于对等控制策略的 直流微电网。 该种控制策略针 对一
28、个由 并网变流 器、光伏 变流器 、负载和储能 系统变流 器组成的微电网系统 进行控制，并取得了较好的控制效果 。 1 . 0 5 Vd cVd c0 . 9 5 Vd c0 . 9 Vd c模 态 1 模 态 2 模 态 3 模 态 4 运 行 模 态直 流 母 线 电 压图 1.3 一种对等式的微电网控制策略 如图 1.3 所示，直流 微电网有 四种工作模态 ，四种模态下，微电网的直流母线电压不一样，分别为 0.9、 0.95、 1、 1.05 倍母线电压基准值，各端口根据母线电压的不同，决定本端口变流器的控制策略。如表 1.1 所示，为各个端口在四种工作模态下的控制策略。 表 1.1 一种对等式直流微电网控制策略端口工作模式 工作模态 1 工作模态 2 工作模态 3 工作模态 4 并网变流器 整流 逆变 恒电压控制 光伏变流器 MPPT MPPT MPPT MPPT 储能变流器 放电 充电 充电 充电 该种控制的优点是各个端口可以根据母线电压值决定自身的控制策略，因此不需要建立额外的通讯系统，上传信息量，因此经济性较高。其缺点是，并没有充分考虑微电网的实际工作状况，因此模态设计考虑不够周全；另外由于需要母线电压在一定
