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分布式发电系统下垂控制策略的研究


本科毕业设计(论文)

分布式发电系统下垂控制策略 的研究
***

燕 山 大 学
2012 年 6 月

本科毕业设计(论文)

分布式发电系统下垂控制策 略的研究

学院(系) :里仁学院 专 业:***

学生 姓名:*** 学

号:***

指导 教师:*** 答辩 日期:2012 年 6 月 17 日

燕山大学毕业设计(论文)任务书
学院: 电气工程学院 学 *** 号 题目名称 题目性质 题目类型 题目来源 主 要 内 容 基 本 要 求 参 考 资 料 周 次 应 完 成 的 内 容 学生 姓名

***

系级教学单位:电气工程及自动化系 专 业 应电 08-2 班 级

分布式发电系统下垂控制策略的研究
1.理工类:工程设计 ( √ ) ;工程技术实验研究型( ) ;综合型( ) ) ;4.艺术类( ) ; ) 理论研究型( 2.管理类( ) ;计算机软件型( ) ;3.外语类(

题 目

1.毕业设计( √ 科研课题( )



2.论文(

) )自选题目( )

生产实际( √

1. 了解微电网运行原理; 2. 了解下垂控制策略的目标; 3. 熟悉 PSCAD 软件的使用; 4. 对分布式发电系统下垂控制策略进行仿真设计。 1.阅读微电网相关文献,熟悉微电网工作原理; 2.对下垂控制策略有较深刻的理解; 3.掌握逆变器建模以及逆变器电压电流功率三环控制的调节器设计; 4.用 PSCAD 软件对系统进行仿真研究; 1.P.Arboleya, D. Diaz, An improved control scheme based in droop characteristic for microgrid converters 2. 张建华, 黄伟,微电网运行控制与保护技术. 3.徐德鸿,电力电子系统建模及控制。 第 1 ~4 周 第 5~ 8 周 第 9 ~ 12 周 第 13~16 周 查 阅 资 料 , 确定方案,设计 进行仿真, 制作样机并 阅读文献 电路 验证可行性 撰写论文 第 17~18 周 准备答辩

指导教师:*** 职称: 教授

系级教学单位审批: 2011 年 12 月 24 日 年 月 日

注:表题黑体小三号字,内容五号字,行距 18 磅。 (此行文字阅后删除)

摘要

摘要
论文分析了传统的下垂控制策略在微电网系统中应用所存在的缺陷,并 提出采用倒下垂控制与下垂控制相结合的综合控制策略。该策略在改善微电 网的稳定性,最大限度地限制过流情况发生等方面都具有显著特点,而且能 实现微电网在网络结构或状态转换过程的无缝切换,同时也为不同响应时间 的储能装置选择合适的控制策略提供了可能。 论文从逆变电源主电路拓扑、电压控制型逆变电源的输出特性与控制稳 定性、电流控制型逆变电源的输出特性与控制稳定性等方面展开研究,详细 全面地阐述了系统综合控制策略的控制思想及其稳定性。具体设计了逆变单 元输出滤波器参数、逆变电压瞬时双闭环调节控制器、调节功率的电流闭环 的控制器。建立了下垂并联控制的数学模型及综合控制微电网系统的数学模 型,分析和讨论并佐以波特图阐述了各控制参数对系统稳定性的影响,为系 统的优化设计提供了参考依据。最后建立基于单相逆变电源的微电网控制系 统PSCAD仿真模型,并通过仿真实验对其进行验证分析,结果表明:论文提 出的综合控制策略在系统的动态性能与稳态特性方面均具有很好的效果。 关键词 分布式发电 微电网 逆变电源 下垂控制 倒下垂控制

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Abstract

Abstract
The defects of conventional droop control strategy are analyzed that applied in microgrid system, the synthetic control strategy composed of droop control and aIld1nverse droop control strategy is proposed.This control strategy perfects well in1mprovmg of stability,restricting the occurrence of over-current,achieving seamless switching during state transferring. addition, inverse droop control In the strategy provides possibility of setting different response time by various energy storage device. The system control strategy’s idea and stability are demonstrated comprehensively,and the main circuit topology,the output characteristics and control stability of voltage control type inverter and voltage control type inverter are also researched as well.The parameter of output filter and the double closed。 loop voltage adjuster of inverter are designed in detail,the same is the closed。 loop current adjuster for power regulation.Moreover the math model of droop parallel control and synthetic control are build, based on the model. references for system design have been analyzed and discussed. the same time. expounded At It the effects 011 system performance of each control variable in power control loop with bode diagrams.With establishing and analyzing the simulation model of microgrid system based on single inverter by MATLAB, both dynamic and steady performances of the system , which controlled by the synthetic control strategy,have been proved well. Keywords DG;micro-grid;inverter power;droop control;inverse droop control;

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目 录
摘要........................................................................................................................ I Abstract ................................................................................................................ III 第 1 章 绪论.......................................................................................................... 1 1.1 课题背景 ................................................................................................ 1 1.2 本文的主要内容安排 ............................................................................ 2 第 2 章 微电网技术.............................................................................................. 3 2.1 微电网基本结构 .................................................................................... 3 2.2 微电网国内外研究现状 ........................................................................ 4 2.3 微电网关键技术 .................................................................................... 5 2.3.1 微电网的控制 ................................................................................ 5 2.3.2 微电网的保护 ................................................................................ 6 2.3.3 微电网的接入标准 ........................................................................ 6 2.3 本章小结 ................................................................................................ 7 第 3 章 微电网运行与控制 .................................................................................. 8 3.1 微电网的运行 ........................................................................................ 8 3.2 微电网基本控制策略 ............................................................................ 9 3.3 微电网下垂控制策略 .......................................................................... 10 3.3.1 概述 .............................................................................................. 10 3.3.2 下垂控制策略 .............................................................................. 11 3.3.3 微电源逆变器改变功率下垂特性的控制 .................................. 14 3.4 本章小结 .............................................................................................. 16 第 4 章 主电路逆变单元模块设计 .................................................................... 17 4.1 并网逆变器主电路拓扑 ...................................................................... 17 4.2 系统主电路参数设计 .......................................................................... 18 4.2.1 直流侧输入电压的选择 .............................................................. 18 4.2.2 直流侧电容的选择 ...................................................................... 18 4.2.3 开关 IGBT 的选择 ...................................................................... 19 4.3 主电路 SPWM 调制方式分析 ................................................................ 19
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4.4 LCL 滤波器的设计 ..............................................................................21 4.4.1 LCL 滤波器数学模型及波特图分析 ...........................................22 4.4.2 LCL 滤波器的参数设计 .............................................................23 4.5 逆变电源瞬时双环跟踪控制 ..............................................................25 4.5.1 电感电流的闭环调节 ..................................................................26 4.5.2 逆变电压的闭环调节 ..................................................................27 4.6 本章小结 ..............................................................................................29 第 5 章 系统仿真及结果分析 ............................................................................30 5.1 单相逆变器开环仿真 ..........................................................................30 5.2 单项逆变器电压电流双闭环仿真 ......................................................31 5.3 单项逆变器下垂控制仿真 ..................................................................32 5.4 单项逆变器下垂控制仿真 ..................................................................33 第 6 章 总结 ......................................................................................................34 参考文献 ..............................................................................................................35 致谢 ......................................................................................................................37 附录 1 ...................................................................................................................38 附录 2 ...................................................................................................................43 附录 3 ...................................................................................................................49

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第 1 章 绪论

第 1 章 绪论
1.1 课题背景
为了充分利用新能源及可再生能源、缓解全球资源和环境问题,依靠现 代信息、通信和控制技术,积极发展智能电网(smart grid) ,适应未来可 持续发展的要求, 已成为国际电力发展的现实选择。我国国家电网公司已提 出立足自主创新,加快建设以特高压电网为骨干网架,各级电网协调发展, 具有信息化、数字化、自动化、互动化特征的统一智能电网的发展目标,并 公布了分三个阶段推进的“坚强智能电网”建设。到2020年全面建成统一的 “坚强智能电网”时,国家电网优化配置资源能力将大幅提升,清洁能源装 机比例达到35%,分布式电源(distributed generation,DG)实现“即插 即用” 。 微电网(microgrid)技术可以有效整合新能源及可再生能源发电—— 分布式发电的优势, 为新能源及可再生能源并网发电规模化应用提供了新的 技术途径, 为智能电网的实现提供了必备的技术基础。微电网不仅能够有效 提高能源的梯级综合利用效率, 而且可作为主电网的有效互补电网,提高供 电可靠性和电能质量,是国内外电气工程研究领域的最新前沿课题之一。 微电网的结构中含有大量的电力电子装置,如:各个微电源的潮流控制 器、各条馈线中的固态开关、主隔离开关等,通过对各电力电子装置的柔性 控制, 使微电网运行更加灵活、 可靠。 根据微电网的控制要求, (droop) 下垂 控制作为微电网功率控制的主要方式之一, 控制方法与传统发电机组的下垂 特性控制相类似, 即: 通过各逆变器的控制对微电网内的不平衡功率进行动 态分配,以实现各逆变器之间无信号线的并联。 本文针对微电网运行中微电源逆变器并联的系统结构, 深入研究其有功 功率—频率的下垂特性与无功功率—电压的下垂特性。 在分析改变微电源功 率下垂特性斜率的基础上, 采用改变微电源逆变器功率下垂特性斜率的控制 方法,通过检测微电网内有功负荷、无功负荷的波动,在逆变器额定值范围 内调节逆变器功率下垂曲线的斜率, 从而有效减小微电网母线频率及电压幅 值的波动。
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1.2 本文的主要内容安排
本文主要针对分布式发电系统中逆变电源的相关控制技术进行了较为 深入的理论分析和研究, 建立了系统运行的PSCAD仿真模型。全文共分五章, 其主要内容总结如下: 第l章:绪论。主要论述了本论文的课题研究背景及分布式发电系统研 究的意义。 第2章:微电网技术。主要论述了当前分布式发电系统的现状和前景, 讲解了微电网的基本结构, 总结了当前逆变技术的研究现状和发展趋势,介 绍了微电网研究的一些关键技术问题。 第3章:微电网运行与控制。主要论述了微电网是如何运行的,介绍了 微电网的基本控制策略,着重讲解了微电网的下垂控制是如何实现的。 第4章:主电路逆变单元模块设计。本章节主要描述了逆变器的工作原 理和设计了主电路的拓扑结构图,并且对主电路中主要参数进行计算选择。 对逆变器的调制方式进行分析,设计了LCL滤波器并进行了参数计算。同时 也对控制方式进行分析,最终选取电压电流双闭环的控制策略。 第5章:系统的仿真及结果分析。本章节对并网逆变器的工作进行了仿 真,根据研究过程的进展做了以下工作。先对逆变器进行开环仿真,对主电 路的工作过程有所了解并验证了前面章节中设计的LCL滤波器的效果,然后 对逆变器并网采取了双环控制, 并进行了仿真, 得到了较为理想的仿真波形, 最后对下垂控制进行了仿真。

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第 2 章 微电网技术运行

第 2 章 微电网技术
2.1 微电网基本结构
2001 年, 美国著名的威斯康星大学麦迪逊校部的Lasseter 教授首先提 出了微电网的概念, 并在威斯康星大学建立了一个微电网试验系统。在此基 础上, 威斯康星大学继续开展了更大规模的微电网工程项目的研发。微电网 是一种由微电源(micro sources,即:微电网中的分布式电源) 、储能装置 及负荷共同组成的有机系统。 微电源主要通过电力电子技术实现能量的转换 及控制。相对于电力系统(主电网) ,微电网是系统中的一个可控单元,它 可以在短时间内作出响应以满足外部主电网的需要;而对于用户,微电网可 以满足本地负荷一般的和特定的电能质量要求,并可提高供电可靠性、降低 线损等。 微电网的基本结构如图1.1 所示,微电网通过公共连接点(point of common coupling, PCC)与主电网相连。在PCC 处设有主接口(connection interface, CI) ,通常由微电网并网专用控制开关——固态断路器(solid state breaker, SSB)或背靠背式的AC/DC/AC 电力电子换流器构成。图1 中的分布式电源DG 可为各种类型,例如:光伏电源、风力发电、微型燃气 轮机、燃料电池等;储能单元可以是蓄电池、超级电容器、超导储能、飞轮 储能等;负荷也可以是各种类型的,包括阻抗性负荷、电动机负荷及热负荷 等。各单元都通过电力电子接口(Power Electronics Interface, PE)接 入微电网。一般来说,向一个单元增加一个PE意味着增加了一个控制装置, 进而可以提高该单元的响应速度及整个微电网的鲁棒性。

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图2.1 微电网基本结构

2.2 微电网国内外研究现状
美国CERTS最早提出了微电网的概念Hl, 并形成了 “即插即用” (plug and play)与“对等”( peer to peer)的控制思想和设计理念。目前,美国CERTS 微电网的初步理论研究成果已在实验室微电网平台上得到了成功检验。 由美 国北部电力系统承建的Mad River微电网是美国第1个微电网示范工程,并初 步形成关于微电网的管理政策和法规等,为将来的微电网工程建立框架。 日本将传统电源供电的独立电力系统也加入微电网研究范畴. 大大扩展 了美国CERTS对微电网的定义范围。目前日本已在其国内建立了多个微电网 工程。 为此, 日本还专门成立了新能源与工业技术发展组织(NEDO)统一协调 国内高校、 企业与国家重点实验室对新能源及其应用的研究。NEDO在微电网 研究方面已取得了很多成果。 欧洲于2005年提出“智能电网”计划,并在2006年出台该计划的技术实 现方略.作为欧洲2020年及后续的电力发展目标。同前,欧洲已初步形成了 微电网的运行、控制、保护、安全及通信等理论,并在实验室微电网平台上
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第 2 章 微电网技术运行

对这些理论进行了验证。 其后续任务将集中于研究更加先进的控制策略、制 定相应的标准、 建立示范工程等, 为分布式电源与可再生能源的大规模接入 以及传统电网向智能电网的初步过渡做积极准备。 美国近年来发生了几次较大的停电事故, 使美国电力工业十分关注电能 质量和供电可靠性, 因此美国对微电网的研究着重于利用微电网提高电能质 量和供电可靠性。 日本本土资源匮乏,其对可再生能源的重视程度高于其他 国家,但很多新能源具有随机性,穿透功率极限限制了新能源的应用,所以 日本在微电网方面的研究更强调控制与电储能。 欧洲希望通过优化从电源到 用户的价值链来推动和发展DERs,以使用户、电力系统及环境受益。欧洲互 联电网中的电源大体上靠近负荷, 比较容易形成多个微电网,所以欧洲微电 网的研究更多关注于多个微电网的互联问题。 2008年初的冰雪天气导致我国发生大面积停电, 暴露了我国现有的网架 结构在保障用户供电方面所存在的薄弱环节。微电网既可以联网运行,又可 以孤岛运行, 能保证在恶劣天气下对用户供电。微电网在满足多种电能质量 要求和提高供电可靠性等方面有诸多优点, 使它完全可以作为现有骨干电网 的一个有益而又必要的补偿。另一方面,我国“十一五”规划纲要提出了建 成50W风电的发展目标, 在不久的将来将有风电和光伏等DERs不断接入电网。 微电网在协调大电网与DERs间的矛盾, 充分挖掘分布式能源为电网和用户所 带来的价值和效益等方面具有优势, 使其能够在中国未来电网的发展中发挥 很重要的作用。但是,中国微电网的发展尚处在起步阶段。

2.3 微电网关键技术
2.3.1 微电网的控制
由微电网的结构分析可知道, 微电网如此灵活的运行方式与高质量的供 电服务, 离不开完善与稳定的控制系统。控制问题也正是微电网研究中的一 个难点问题。 其中一个基本的技术难点在于微电网中的微电源数目太多,很 难要求一个中心控制点对整个系统做出快速反应并进行相应控制, 往往一旦 系统中某一控制元件故障或软件出错,就可能导致整个系统瘫痪。因此,微 电网控制应该做到能够基于本地信息对电网中的事件做出自主反应,例如,
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对于电压跌落、故障、停电等,发电机应当利用本地信息自动转到独立运行 方式,而不是像传统方式中由电网调度统一协调。具体来讲,微电网控制应 当保证: 1)任一微电源的接入不对系统造成影响; 2)自主选择运行点; 3)平滑地与电网并列、分离; 4)对有功、无功进行独立控制; 5)具有校正电压跌落和系统不平衡的能力。

2.3.2 微电网的保护
微电网的保护问题与传统保护有着极大不同,典型表现有: 1)潮流的双向流通; 2)微电网在并网运行与独立运行种工况下,短路电流大小不同且差异很大。 因此,如何在独立和并网种2运行工况下均能对微电网内部故障做出响 应以及在并网情况下快速感知大电网故障, 同时保证保护的选择性、 快速性、 灵敏性与可靠性,是微电网保护的关键,也是微电网保护的难点。传统的电 流保护显然无法满足微电网保护的特殊要求。目前,针对单相接地故障与线 问故障, 有学者提出了基于对称电流分量检测的保护策略。该方法以超过一 定阈值的零序电流分量和负序电流分量作为主保护的启动值, 将传统的过电 流保护与之结合可取得良好的效果。 虽然国际上已有学者研制出微电网保护 的硬件装置, 但人们仍在对更加完善的保护策略进行积极探索。发电机和负 荷容量对保护的影响、 不同类型发电机如基于变流器和不基于变流器对保护 的影响及微电网不同运行方式和不同设计结构对保护的影响等问题都是微 电网保护策略研究中所关注的重点。

2.3.3 微电网的接入标准
微电网的接人标准也是人们较为普遍关注的问题。 目前已重新修改了分 布式电源的入网标准。 新标准中对分布式独立电力系统的设计、运行及接人 系统进行了详细规定。 除上述提及的几点外,微电源也是微电网技术的研究 重点。虽然燃料电池、光伏发电、储能系统等在发挥微电网节能、降耗及环
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第 2 章 微电网技术运行

保效益方面具有极大潜力, 但目前这些新型电源的成本仍然较高。加快对这 些电源的技术研究、 降低其成本也是增强微电网竞争力、推动其发展的有力 因素。

2.3 本章小结
本章介绍了微电网的基本结构, 总结了当前并网逆变技术的研究现状和 发展趋势, 介绍了微电网研究的一些关键技术问题。对微电网的保护和接入 标准进行了叙述。

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第 3 章 微电网运行与控制
3.1 微电网的运行
在正常情况下, 微电网并网运行, 由大电网提供刚性的电压和频率支撑, 内部MSI作在电压源(Voltage Source,VS)或电流源(Current Source,CS) 状态,在能量管理系统或本地的控制下,调整各自功率输出。当大电网出现 电压骤升、骤降、不平衡和谐波等电能质量问题或有计划检修时,微电网转 入孤岛运行模式, 此时的电压和频率由内部MS负责调节。 当电网故障消失后, 微电网重新并入电网。 微电网除了并网/孤岛两种稳态运行模式外, 还存在着两种模式间的转 换过渡过程。 模式转换的方式不是电源的重新启动,而是在逆变器持续不断 工作的同时, 通过其控制方法和网络结构等方面的调整来保证网内电压的连 续平稳过渡,即实现无缝切换,以确保网内重要敏感负荷的供电不受影响。 过渡过程是两种模式间转换的桥梁和纽带, 过渡过程中电能质量的优劣将直 接影响到网内重要负荷的安全运行, 是微电网系统能否实现灵活运行,提供 定制电力服务的重要标志。 其中重新并网相对容易,而从并网转入孤岛模式 的无缝过渡过程则相对困难。在不同的微电网运行模式和孤岛拓扑结构下, 微源可以采用不同的控制方法和硬件拓扑, 造成在模式转换过程中微源控制 方法的多样性和不确定性, 究竟何种控制方法能保证网内电压的稳定,目前 很少有文献报道。 在进行微电网模式转换时,微源的控制方法受多种因素的 影响,如转换前后的并网/孤岛运行状态、微源硬件配置等,同时储能单元 也会对微源控制方法的选取及其控制效果产生一定的影响,具体包括: 1)微电网孤岛运行拓扑结构对控制方法的影响 在正常情况下, 微电网和大电网共同负担网内负荷,当微电网转入孤岛 运行时,存在功率需求和供给的不平衡,这时除了切除普通负荷外,微电网 的拓扑结构也可能会发生相应的变化。 2)微源配置对控制方法的影响 在不同的微电网拓扑结构下,微源可以采用不同的输出滤波器结构(L、 LC或LCL),不同的滤波器结构也会对微源的控制方法的选取产生影响。
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第 3 章 微电网技术运行

3)微源控制方法的选择 逆变器并网运行时, 可以工作在VS或CS方式,由大电网提供其电压和频 率支撑。当微电网转入孤岛运行后,由于电网电压的缺失,所以这些量必须 由网内的逆变器来调节。有三种不同的情况: 1)一台大容量的微源工作在VS方式,提供电压支撑,剩余的微源工作在CS 方式,这种情况类似于并网运行; 2)多台较大容量的微源并联工作在VS方式,提供电压支撑,剩余的微源工作 在CS方式; 3)所有微源均工作在VS方式,并联运行。当微电网完全解列时,微源和负荷 一对一单独供电,工作在VS方式。
可 再 生 能 源 DC/DC电路 AC/DC电路 直流侧处理 电路 储能装置 (蓄电池组) 控 制 器 滤 波 电 路 公共 电网 交流 负载

逆变器 (DC/AC电路) 直流 负载

图3.1 微网并网结构图

因此, 微电网从并网转入孤岛运行时,逆变器存在着不同的控制方法组 合。总的来说,当微电网模式变化时,微源的控制方式有VS—VS、VS—CS、 CS-VS和CS—CS四种情况。因此,要根据不同的微电网孤岛拓扑和微源配置 情况来选取合适的微源控制方法或组合。

3.2 微电网基本控制策略
目前已有三类经典的微电网控制方法 1)基于电力电子技术的“即插即用”与“对等’ ’的控制思想 该方法根据微电网控制要求, 灵活选择与传统发电机相类似的下垂特性 曲线进行控制,将系统的不平衡功率动态分配给各机组承担,具有简单、可 靠、易于实现的特点。但该方法没有考虑系统电压与频率的恢复问题,也就 是类似传统发电机中的二次调整问题,因此,在微电网遭受严重扰动时,系
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统的频率质量可能无法保证。 此外, 该方法没有讨论在微电网运行模式切换 时的过渡过程。 2)基于功率管理系统的控制 该方法采用不同控制模块对有功、无功分别进行控制,很好地满足了微 电网多种控制的要求,尤其在调节功率平衡时,加人了频率恢复算法,能够 很好地满足频率质量要求。另外,针对微电网中对无功的不同需求,功率管 理系统采用了多种控制方法, 从而大大增加了控制的灵活性并提高了控制性 能。但与第1种方法类似,这种方法未考虑在微电网运行模式切换时的过渡 过程。 3)基于多代理技术的微电网控制方法 该方法将传统电力系统中的多代理技术应用于微电网控制系统。 代理的 自治性、反应能力、自发行为等特点,正好满足微电网分散控制的需要,提 供了一个能够嵌入各种控制性能但又无需管理者经常出现的系统。 但目前多 代理技术在微电网中的应用多集中于协调市场交易、对能量进行管理方面, 还未深入到对微电网中的频率、 电压等进行控制的层面。要使多代理技术在 微电网控制系统中发挥更大作用,仍有大量研究工作需要进行。

3.3 微电网下垂控制策略
3.3.1 概述
由于微电网的提出是基于UPS并联的思想,所以模拟传统发电机系统下 垂特性的逆变器并联技术在微电网中得到了深入的研究和广泛的应用, 近年 来, 逆变电源并联技术在诸多工业领域中发展迅速,国内外的许多专家学者 对此提出了各种各样的控制策略, 其中大部分控制策略可以归类为有联络线 的并联模式。这种有联络线模式的并联理论相对简单,实现容易,因而在逆 变电源技术发展早期得到了普遍认同。 但是有联络线并联模式也存在着非常 明显的缺点,比如并联单元的地理位置受到限制,电磁干扰严重,冗余性不 佳等等, 这些都不适合应用在分布式发电系统中。正是因为有联络线控制技 术这些无法克服的先天性缺点,从而催生了逆变电源的无联络线并联模式, 并促进着无联络线并联控制技术的快速发展。 。
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第 3 章 微电网技术运行

3.3.2 下垂控制策略
根据逆变电源并联系统的功率特性, 一些学者提出了可以将逆变电源无 线并联的控制技术——电压频率下垂法。 其实质为: 在逆变电源并联系统中, 各逆变单元检测自身输出功率, 通过下垂控制得到输出电压频率和幅值的指 令值, 然后各自反相微调其输出电压幅值和频率达到系统有功和无功功率的 合理分配。 输出有功功率大的逆变电源, 通过频率下垂特性减小其输出频率, 从而减少其有功功率输出; 输出有功功率小的逆变电源,通过频率下垂特性 增大其输出频率,从而增加其有功功率输出。输出无功功率大的逆变电源, 通过幅值下垂特性降低其电压幅值,从而减小其输出无功功率;输出无功功 率小的逆变电源, 通过幅值下垂特性抬高其电压幅值,从而增大其输出无功 功率。 即输出功率较少的单元会根据电压一频率下垂特性增加其输出,而输 出功率相对较多的单元则相应的减少其输出, 并且这种自我调节过程将一直 持续下去,直到并联系统达到最小环流点。 取2台逆变器并联为例,简化原理图如图3.2所示。逆变器1输出阻抗与 连线阻抗之和为 Z1 ? r1 ? jX 1 ? RZ 1??1 ;逆变器2输出阻抗与连线阻抗之和为
Z 2 ? r2 ? jX 2 ? RZ 2?? 2 ;r1 ,r2 为等效电阻; X 1 , X 2 为等效感抗;E1 和 E2 分

别为逆变器1、2的空载输出电压;U为并联交流母线电压, ? 为各个逆变器模 块的输出电压与母线电压的相角差。

图3.2 逆变器并联简化原理图

逆变器的输出电流为:

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In ?

E n ? ? n ? U? 0 (n=1,2) RZn ?? n

(3-1)

输出功率为:
? S n ? En ??n ? I n ? Pn ? Qn

(3-2)

其中: Pn 为逆变器n的输出有功功率; Qn 为逆变器n的输出无功功率。 1 ?EnU cos?n ? U 2 ?cos? n ? EnU sin ?n sin? n (3-3) Pn ? RZn 1 ?EnU cos?n ? U 2 ?sin? n ? EnU sin ?n cos? n Qn ? (3-4) RZn

?

?

?

?

由式(3-3)(3-4)可知,当输出阻抗与连线阻抗之和为纯感性时,有 , EU Pn ? n sin ?n (3-5) Xn
En cos?n ? U 2 Qn ? Xn

(3-6)

由式(3-5)和(3-6)可知,如果 ? 足够小,有功功率的流动主要由功率角

? 决定,而无功功率的流动则主要由逆变器输出电压决定,所以在一定程度
上有功功率和无功功率的流动能得到独立控制。 控制频率能动态的控制功率 角, 因此控制有功功率的流动能通过控制逆变器的输出电压频率而实现,同 理控制无功功率的流动能通过控制逆变器的输出电压幅值而实现。 因此大部 分逆变器无连线并联控制采用传统的下垂法。 由式(3-5)和(3-6)可知, 微电源输出的有功功率主要取决于电压矢量间 功角差 ? ,微电源输出的无功功率主要取决于微电源逆变器电压的幅值U。 因此, 针对微电源输出的功率控制, 逆变器可采用模拟传统同步发电机控制 特性的有功功率—频率下垂特性与无功功率—电压下垂特性的控制方法, 对 微电源逆变器的输出功率进行灵活控制。

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第 3 章 微电网技术运行

图3.3 有功功率-频率的下垂特性

仿照传统发电机组的静态频率特性, 可画出微电源逆变器的有功功率— 频率下垂特性曲线如图3.3所示。 图中f、P 分别为微电网母线频率与微电源 f P 逆变器输出的有功功率。 N 、 N 分别为微电网稳定运行时,微电网母线 额定频率与微电源逆变器输出的有功功率; 微电源逆变器输出有功功率的最 pmax 大值为 ,相应的频率限值为 f min 。 由图3.3可得出反应有功功率-频率下垂特性的公式如下: f ? m( p ? pN ) ? f N f ? f min m? N p N ? pmax (3-7) (3-8)

式(3-2) (3-3)中,m为微电源逆变器有功功率-频率下垂曲线的斜率。

图3.4 无功功率—电压的下垂特性

图3.4为微电源逆变器的无功功率—电压下垂特性曲线,U、Q 分别为微
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电网母线的电压幅值与微电源输出的无功功率。

UN



QN

分别为微电网稳

定运行时, 微电网母线的额定电压幅值与微电源输出的无功功率;微电网母 U 线电压幅值波动的限值分别为 U min 与 max ,与之相对应的微电源输出无功 Q Q 功率分别为 max 与- max 。可以得出反映无功功率—电压下垂特性的公式 如下:
U ? n(Q ? QN ) ? U N U ? U min n? N QN ? Qmax

(3-9) (3-10)

式(3-4)、(3-5)中,n为微电源逆变器无功功率—电压下垂曲线的斜率。

3.3.3 微电源逆变器改变功率下垂特性的控制
以微电网中某一个微电源为例 (如图3.2所示) ,设微电源逆变器的额定 S 容量为S。当微电网稳定运行时,微电源逆变器输出的视在功率为 N ,有功 p p Q 功率为 N ,有功功率的最大值为 max, N ,无功功率为 N ,无功功率的最大值 Q ? 为 max, N ,功率因数角为 N ,微电源逆变器的有功功率—频率下垂特性为: f ? m( p ? pN ) ? f N (3-11) f ? f min mN ? N (3-12) p N ? pmax, N

图3.5 改变有功功率—频率下垂特性斜率的分析

假设微电网中无功负荷不变、 有功负荷波动时,为了减少微电网母线频 Q 率的偏移,需要微电源逆变器在保证输出无功功率 N 不变的前提下,提高 p 其输出有功功率的最大值 max ,以减小有功功率—频率下垂曲线的斜率m。
14

第 3 章 微电网技术运行

f 如图3.5所示,在微电网内有功负荷波动之前,微电网运行在额定频率 N , p 微电源逆变器输出的有功功率为 N ,此时的有功功率—频率的下垂特性如 p L m 曲线 PN 所示,输出有功功率的最大值为 max, N ,下垂曲线的斜率为 N 。设

微电网内有功负荷波动后, 微电源逆变器的有功功率—频率的下垂特性如曲 p 线 LPR 所示,输出有功功率的最大值变为 max, R ,下垂曲线的斜率变为 mR 。 不难看出 mR <
mN

,使得微电网内变化相同量的有功负荷时,微电网母线频

率偏移量减小。 因此, 微电网内有功负荷波动时,减小微电源逆变器有功功率—频率下 垂曲线的斜率m,可以有效减小微电网内由于有功功率不平衡引起的频率偏 移量。 微电源逆变器的无功功率—电压下垂特性为: U ? n(Q ? QN ) ? U N U ? U min nN ? N QN ? Qmax, N (3-13) (3-14)

图3.6 改变无功功率—电压下垂特性斜率的分析

假设微电网中有功负荷不变, 无功负荷波动时,为了减少微电网母线电压的 p 偏移,需要微电源逆变器在保证输出有功功率 N 的前提下,提高其输出无 Q 功功率的最大值 max ,以减小无功功率—电压下垂曲线的斜率n。如图3.6 U 所示,在微电网内无功负荷波动之前,微电网母线的额定电压为 N ,微电 Q 源逆变器输出的无功功率为 N ,逆变器无功功率—电压的下垂特性如曲线 LQN Q n 所示,输出无功功率的最大值为 max, N ,下垂曲线的斜率为 N 。设微电 网内无功负荷波动后,微电源逆变器的无功功率—电压的下垂特性如曲线
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Q 所示,输出无功功率的最大值变为 max, R ,下垂曲线的斜率变为 nR 。不 n 难看出 nR < N , 使得微电网内变化相同量的无功负荷时,微电网母线电压的

LQR

偏移量减小。 因此, 微电网内无功负荷波动时, 减小微电源逆变器无功功率—电压下 垂曲线的斜率n,可以有效减小微电网内由于无功功率不平衡引起的电压偏 移量。

3.4 本章小结
本章主要论述了微电网是如何运行的,介绍了微电网的基本控制策略, 着重讲解了微电网的下垂控制是如何实现的, 在介绍控制原理的基础上对下 垂控制中的有功-频率和无功-电压幅值的控制做了充分的分析, 使系统实现 了对输出有功功率和无功功率的良好控制。

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第 4 章 主电路逆变单元模块设计

第 4 章 主电路逆变单元模块设计
逆变单元模块是分布式电源的最基本构成部分, 各模块的特性应尽量保 持一致,其性能直接影响着整个分布式发电系统的供电质量和系统可靠性。 高性能的逆变电源不但要求良好的稳态特性,更要有好的动态特性,而这些 好的动态和稳态性能的实现,都需要先进的控制策略来保证。

4.1 并网逆变器主电路拓扑
本文单相逆变器的逆变电路采用的是单相全桥式逆变电路。 其拓扑结构 图见图4.1所示。

图4.1 全桥逆变器主电路拓扑图

全桥式逆变器工作原理:图4中所示的为逆变器通常使用的单相输出全 桥式逆变电路,图中,功率开关元件采用四只IGBT管Q1、Q2、Q3、Q4, 由DSP输出的SPWM脉宽调制信号控制驱动IGBT管的导通或截止]。当逆变 器电路接上直流电源后,先由Q1、Q4导通,Q2、Q3截止,则电流由直流电 源正极输出,经Ql、滤波器、变压器初级线圈、Q4后,再回到电源负极。 当Q1、Q4截止后,Q2、Q3导通,电流从电源正极经Q3、滤波器、变压器 初级线圈、Q2后,再回到电源负极。此时,逆变器输出端已形成正负交变 的方波。利用高频SPWM控制,使得两对IGBT管交替重复开关动作,输出 等效交流电压, 再经过滤波器的作用, 使输出端形成正弦波交流信号。 同时, 为了给交流侧向直流侧反馈无功能量提供通道, 逆交桥各臂都并联了反馈二
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极管,在两对IGBT管交替重复的过程中,这些二极管还起到了续流的作用。

4.2 系统主电路参数设计
4.2.1 直流侧输入电压的选择
由系统逆变主体电路拓扑结构图可知: 并网装置实际上可以看作是一个 能量能双向流动的变换器, 如果从直流侧流向交流侧看时, 它是一个Buck(降 压)变换器;当从交流侧流向直流侧看时;它是一个Boost(升压)变换器。由 此可以得出这样一个结论: 并网系统直流侧的电压必须大于交流侧的峰值电 压,否则系统不能正常工作。考虑到工频隔离变压器1:2的变比因数和开关 管IGBT的耐压值,选取直流侧输入电压Ud的范围为200~450Vdc。本系统选 取 U d ? 400V 。

4.2.2 直流侧电容的选择
直流侧电容主要作用是缓冲交流侧电感在开关过程中的瞬时能量交换 和平稳直流侧输入电压, 通常是选用大容量的电解电容器。设直流侧输入开 路电压为Ud,直流侧滤波电容的耐压通常应留有1.15倍裕量,即: U c ? 1.15U d (4-1)

为简化计算,这里仅立足于工程方法对电容值进行估算,其条件是:在 直流母线充放电周期内, 电容以最大负载电流放电时,其压降还能保持在要 求的范围内, 即电容值的选择应以直流母线电压的波动限幅为依据。考虑极 端情况, 在开关管IOBT导通的时间段内并网电流值完全由电容放电提供,且 该时刻并网电流的大小为其峰值,电容C上的电压和电流的关系满足:
?Uc ? 2ic ?t C

(4-2)

其中 ic 为并网电流有效值。? t 为开关管导通时间。当要求直流输入电压脉动 的幅值小于3%时,电路中平波的选择应按如下方程: ?Uc ? 3 0 0 U d 将式(2-3)代入式(2-2),可得: (4-3)

18

第 4 章 主电路逆变单元模块设计

C?

2ic ?t ic ? 3 0 U d 0.0212U d f
0

(4-4)

并网功率调节系统输出的额定电流为 ic ? 12.86 A ,直流侧输入工作电压
U d ? 400V ,开关管IGBT导通频率(也即SPWM载波频率)为f=10kHz,可得C在

理论上取值应大于785uf, 在本设计中结合实验效果,直流侧电容选取500V、 1000uf的电解电容。

4.2.3 开关 IGBT 的选择
当并网逆变器电路正常工作时, 流经功率开关管IGBT的电流峰值与滤波 电感电流峰值一致, 同时考虑到余量,则要求开关管的电流额定值必须略大 于电感电流峰值的最大值。本课题设计的并网逆变器输出功率为2kW,输出 电流峰值约为12.86A。同时考虑到系统余量和隔离变压器1:2的变比因数, 选择功率开关管的耐流值应该在50A以上。 在全桥并网逆变电路中, 主功率开关管承受的最大电压应超过直流输入 侧的最大电压(400V), 同时从余量和线路寄生参数影响等方面考虑,选取的 IGBT耐压值应大于500V。本设计选择日本富士公司的型号2MBIl50NC.060 的IGBT作为主功率开关管,它的耐流值和耐压值分别为150A和600V。

4.3 主电路 SPWM 调制方式分析
SPWM(正弦脉宽调制)是调制波为正弦波, 载波为三角波的一种脉宽调制 法,这项技术的特点是原理简单,通用性强,控制和调节性能好,具有消除 谐波、调节和稳定输出电压的多种作用,是一种比较好的波形改善法。它的 出现为中小型逆变器的发展起了重要的推动作用。SPWM可分为双极性SPWM 调制, 单极性SPWM调制和单极性SPWM倍频调制三种,半桥逆变电路只能使用 双极性SPWM调制而全桥逆变电路则三种调制方式均用。 双极性SPWM调制方式的原理如图4.2所示,图中调制波 us ? U sm sin ?t , 幅值为 U sm ,频率 f ? ? 2? 。载波 u c 为全波三角波,频率为 f c ,幅值为 U cm 。 同时定义调制比 m ? U sm U cm 为正弦调制波的辅助与三角载波的幅值之比, 频率比 K ? f c f 为三角载波与正弦调制波的频率之比。

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图4.2 双极性SPWM调制原理

由上图可见,当 us ? uc 时,开关管T1、T4 导通而T2、T3截至,桥臂中 点间电压 uab ? U in ;当 us ? uc 时,开关管T1、T4截止而T2、T3导通,桥臂中 点间电压 u ab ? ?U in 。通过上述过程,就将输入的直流电压转变为脉宽按正 弦规律变化的正弦脉冲序列。 单极性SPWM调制方式的原理如图4.3所示,这种调制方式使用半波三角 波作为载波,当 u s 大于零时,载波为正的半波;当 u s 小于零时,载波为负 的半波。在双极性调制中,四个开关管都工作在高频状态,而在单极性调制 中,一对开关管工作在高频状态,而另一对开关管工作在低频状态
[11]

。当

us ? 0 时,T3一直截止而T4一直导通,此时当 us ? uc 时,开关管T1导通而T2
截至,桥臂中点间电压 uab ? U in ;当 us ? uc 时,开关管T1截止而T2导通,桥 臂中点间电压 uab ? 0 。 us ? 0 时, 当 T3一直导通而T4 一直截止, 此时当 us ? uc 时,开关管T1导通而T2截至,桥臂中点间电压 uab ? 0 ;当 us ? uc 时,开关管 T1截止而T2导通,桥臂中点间电压 u ab ? ?U in 。从上述过程中看出,在输出 波形 uab 中包含有 U in ,0和- U in 三个状态,因此这种调制方式也被称为三态 调制(对应得,双极性调制也被称为两态调制)。
20

第 4 章 主电路逆变单元模块设计

图4.3 单极性SPWM调制原理

在小功率逆变电路中, 从降低电路成本考虑,一般采用半桥逆变主电路 和双极性SPWM调制的方式。 而在大功率逆变器中,从减小输出滤波器体积和 提高输出波形质量方面考虑, 一般采用全桥逆变主电路和单极性倍频的SPWM 调制。通过综合选择,确定单极性倍频SPWM调制为本文所采取的调制方式。

4.4 LCL 滤波器的设计
逆变电源并网运行时本质上为电流源, 高开关频率会造成对电网产生污 染的高次谐波, 其输出电流会对电网产生严重的谐波污染。传统的网侧滤波 器为L滤波器,由电感L将高频电流谐波限制在一定范围之内,减小对电网 的谐波污染。 但随着功率等级的提高, 特别是在中高功率的应用场合,开关频率相 对较低, 要使网侧电流满足相应的谐波标准所需的电感值太大[12]。这不仅使 网侧电流变化率下降, 系统动态响应性能降低,还会带来体积过大成本过高 等一系列问题。一般的LC滤波器,虽然其结构和参数选取简单,但无法平抑 输出电流的高频纹波, 容易因电网阻抗的不确定性而影响滤波效果。 采用LCL

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的结构比LC结构有更好的衰减特性,对高频分量呈高阻态,抑制电流谐波, 并且同电网串联的电感L 还可以起到抑制冲击电流的作用。 要达到相同的滤 波效果, LCL滤波器的总电感量比L和LC滤波器小得多,有利于提高电流动态 性能,同时能降低成本,减小装置的体积重量。在中大功率应用场合,LCL 滤波器的优势更为明显。本章设计一种利用隔离变压器漏感的LCL滤波器, 其结构如图4.4。本文对传统的LCL滤波器加以改进,利用隔离变压器漏感, 减少了一个电感, 在降低成本的同时显著减少并网电流的直流分量,有效抑 制谐波污染,提高并网电流质量。
L FB inverter

Vi

C

V0
TR

Vg

Grid

图 4.4 单相并网逆变器的 LCL 滤波器

4.4.1 LCL 滤波器数学模型及波特图分析
本文设计LCL滤波器的并网逆变器等效原理图如图4.5所示。 根据等效原 理图可得:
U i (t ) = R1i 1(t ) + L
i1 (t ) = i2 (t ) + ic (t )
1

di1 (t ) +U c (t ) dt

(4-5) (4-6)

U c (t )= R2i 2 t( + L )

2

di 2 ( ) t +U g t ( ) dt

(4-7)

其中,U i ,U c ,U g 分别为输入电压,电容电压和输出电压;i1 ,i2 ,ic 分别为电感 L1 电流,电感 L2 电流和电容电流。

R1

L1

L2

R2

C20uf

图 4.5 LCL 滤波器的等效原理图

22

第 4 章 主电路逆变单元模块设计

由于LCL型滤波器在低频(约低于在滤波器谐振频率下的一半)时的表现 性能和纯电感L型滤波器相近,其中电感L=L1+L2,容易得到LCL型滤波器 输出电流 i2 和输入电压 U i 之间的传递函数为(电阻 R1 和 R2 比较小可近似为0) i (s) 1 G ( s) = 2 = 3 (4-8) U i ( s) s L1L2 + s ( L1 + L2 ) 针对LCL型滤波器是三阶环节,有可能产生震荡,为了提高系统的可靠 性,避免高频谐振,在滤波电容上串联一个电阻 R ,经推导可得该情况下逆 变器输入电压 U i 与输出电流 i2 在静止坐标系下的函数关系式 i ( s) RCs +1 Gc ( s) = 2 = 3 U i ( s) L1L2Cs + R( L1 + L2 )Cs 2 + ( L1 + L2 ) s

(4-9)

LCL型滤波器在低频以20dB/十倍频程进行衰减,在高频则是以60dB/十 倍频程进行衰减, 可知该滤波器在滤出高次谐波方面效果比较好。电容器串 联阻尼电阻后, 系统在谐振频率处谐振幅值非常小, 谐振得到了很好的抑制。 LCL滤波环节的波特图如图4.6所示:

图4.6

Gc (s) 的波特图

4.4.2 LCL 滤波器的参数设计
根 据 电 流 纹 波 计 算 L1 + L2 , 在 低 频 LCL 滤 波 器 可 简 化 成 电 感 值 为 L = L1 + L2 的单电感滤波器,故可以用单电感L滤波器结构计算 L1 + L2 的近似 值。 输出滤波电感的最小值由设定的电感电流纹波决定,本文取20%的额定
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电流作为设计,在220V/2kVA下设计得到: 2000 ?I max ? 20% ? 220 VDC ? U 0 ?t ? D?t ? ?I L ? ? L fc

(4-10) (4-11)

f = 20kHz 开关频率 s ,由于采用单极性倍频SPWM调制,故输出电压的实 2 f s = f c = 40kHz 际载波频率 。开关频率远大于工频频率,可以得到: U 0?t ? ? D?t ?VDC ? ?1 ? D?t ?? (4-12)

D(t ) =
?I L ?
U 0 (t ) = VDC 2 时有最大值

U 0 (t ) VDC
? U 0 ?t ? f c ? VDC

(4-13) (4-14)

VDC ? U 0?t ? L



DI m ax =

VDC 8Lf s

(4-15) 得

代入

VDC = 400V

f s = 20kHz D max = 1.818 A I

L ? 1.375 mH
L = 0.5 L1 不 同 的 文 献 对 L2 值 的 选 择 不 同 , 一 般 取 L2 = L1 或 2 ,本文取 L1 = 1 m H L2 = 0.5mH

在电容和电感的选择上必须达到一定的平衡。电容越大则流入电容的无功 电流越大,致使电感上的电流和开关管电流也越大,从而降低效率。电容 越小,则电感需要增大,使得电感上的压降增大。根据电容无功设计 C 的 大小,取 15%的额定功率作为设计,
P 2?fV 2 代入数据 P = 1000VA , V = 220V , f = 50 HZ ,得 C = 19.74uF C ? 0.15 ?

(4-16)

取实际值 C = 20uF
24

第 4 章 主电路逆变单元模块设计

根据 LCL 滤波器谐振频率设计小于 0.1 倍的开关频率
f res =
f res ?

1 2p

L1 + L2 1 < fc L1 L2C 10

(4-17)



1 1.5 ?10 ?3 ? 1.95 KHZ ? 4 KHZ 2 p 0.5 ? 20 ?10 ?12 满足要求

所以设定 L1 = 1mH C = 20uF 隔离变压器漏感 L2 = 0.5mH 电容支路串联电阻 R ?
1 ? 1.36? 3 ? 2?f res

(4-18)

4.5 逆变电源瞬时双环跟踪控制
对一个控制系统尤其是闭环控制系统而言, 控制电路的设计和主电路的 设计同样重要, 合理设计控制回路才能保证系统正常、可靠地工作并达到预 期的性能指标。 早期逆变电源单机的数字控制,由于受微处理器的速度限制,大多采用 输出电压的有效值反馈。 但这种控制策略难以消除死区以及非线性负载等因 素引起的低次谐波,从而带来严重的输出电压波形畸变。另外,系统若仅采 用输山电压的有效值反馈控制, 对各种扰动的调节还会有周期延时,而这些 对于动态性能要求非常高的逆变电源来说,都是非常不利的,因此,本文系 统采用输出电压,电流瞬时双闭环控制策略,内环是电感电流瞬时凋节环, 用以提高系统的动态性能: 外环是瞬时电压控制环,用于改善系统输山电压 的波形,使其具有较高的输出精度。同时,由于电感电流是电流调节器输出 与电感作用的积分结果,因而采用电感电流反馈不仅具有很好的跟踪性能, 而且还有内在的限流保护功能。 忽略输出滤波器电感L、 电容C的等效串联电阻,系统瞬时双闭环控制简 化框图如图4.7所示,其中电流内环采用比例调节,电压外环则采用带有前 馈校正的复合控制结构。图中的Kl、K2为输出电压和电流反馈系数,R为负 v 载。 电压外环调节器的输入为系统逆变输出电压 0 的瞬时采样反馈信号与给 定正弦电压参考信号v相比较得到的误差信号,其输出则作为电流内环调节

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燕山大学本科生毕业设计(论文)

器的给定信号i。 i与电感电流 iL 的瞬时反馈信号相比较得到的误差信号经电 流内环调节器运算后. 输出的信号与电压指令前馈信号相加即为SPWM控制器 的输入信号,用以控制SPWM驱动脉冲的产生。

图4.7 逆变电源瞬时双闭环控制等效图

4.5.1 电感电流的闭环调节
依照双环控制系统先内环后外环的设计原则, 应先对逆变单元电感电流 内环进行设计。 电流内环的控制需保证电流闭环具有较好的稳定性,同时具 有较快的动态响应和抗噪声干扰能力。由于电流内环设计的响应速度很快, 而输出电压在滤波电容的作用下需要经过延迟后才能做出响应, 因此可以近 似认为在一个开关周期内,系统逆变输出电压不变。由图4.7可得如图4.8 所示的瞬时内环简化等效图。
K2

i + K Kpwm 1/Ls il

图4.8 电感电流瞬时闭环控制简化图

电流内环校正前的开环传递函数为: K K G1 (s) ? PWM 2 Ls

(4-19)

可见电流内环为一阶系统, 为了利于电压外环设计,电流闭环后系统阶 次应不变,且不增加相角延迟,因而其校正环节采用比例调节器进行补偿。 在串联校正中,加大控制器增益,可以提高系统的开环增益,减小系统稳态 误差,从而提高系统的控制精度,则校正后系统的开环传递函数为: KKPWM K 2 G2 ( s) ? Ls (4-20)
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第 4 章 主电路逆变单元模块设计

K 其中,电感输出电流反馈系数 K 2 =0.016, PWM =122.2,如将内环截止 K ? KKPWM 频率设计为开关频率的二分之一,且令 i ,则把参数代入式 K K (4-18),可求出 i 的取值为 i =1963.5

由此可得电流内环矫正后的闭环传递函数为: Ki G lc ?s ? ? K i K 2 ? Ls

(4-21)

图4.9是电流内环对应的闭环传递函数波特图,其中图4.9(a)为校正前 传递函数波特图;图4.9(b)为校正后传递函数波特图。
Bode Diagram 20 0

Magnitude (dB) Phase (deg)

-20 -40 -60 -80 -100 0 -45 -90 -135 -180 10
2

10

3

10

4

10 (rad/s)

5

10

6

Frequency

图4.9 电流内环的闭环传递函数波特图

从上述波特图可以清晰看到, 电感电流瞬时闭环经过比例调节之后,系 统的动态性能得到很大提高。 原则上虽可以通过增大前向通道的调节器增益 来扩大带宽范围. 但会导致系统的抗噪声干扰能力下降。同时由于在设计时 近似忽略了外环输出电压对内环的影响, 所以过高的比例凋节系数可能会导 致系统的相角裕度变小, 使系统变得不稳定,实际系统中调节器的增益取值 可能要比设计值低得多。

4.5.2 逆变电压的闭环调节
逆变电压的跟踪控制是并联系统的关键点, 不同的算法会导致不同的输 出电压响应速度与控制精度。 电压控制外环的设计希望校正后系统的低频增 益尽可能高, 以尽量减小输出电压的稳态误差:同时也希望其高频衰减比较 快,以尽可能地消除高频分量的影响。 在进行电压外环设计时, 通常选择外环的截止频率为电流内环截止频率 的1/5甚至更下,这样就可以在设计时认为此时的电流已跟踪参考指令电流 变化,将电流内环等效为放大增益约为1的比例环节,简化后的电压外环控
27

燕山大学本科生毕业设计(论文)

制框图如图4.10所示。
v

+ -

PI

+

+

i

1

R/(RCs+1)

V0

K1

图4.10

逆变电压瞬时闭环控制简化图

由图4.10可以知道, 电压外环校正前是一个一阶系统,其开环传递函数 为:
G v ?s ? ? K1R RCs ? 1

(4-22)

为了减小或消除系统在特定输入作用下的稳态误差, 可以增大比例控制 系数, 但比例系数的增大又受到系统稳定性的限制,为了提高系统输出电压 的精度, 本系统采用了按照输入补偿的前馈控制和输出电压的反馈控制的复 合校正思想对电压外环进行设计,则校正后整个系统的闭环传递传递函数 为:
Gcv ?s ? ? ( K F ? K P ) Rs ? K1R RCs ? ( K1K P R ? 1) s ? RK1Ki

(4-23)

式中各个调节器的参数定义如下: K P ——电压环PI调节比例系数
K I ——电压环PI调节积分系数 K F ——电压环前馈调节系数

本系统中,前馈系数的选取依据是在系统直流输入电压一定的前提下, 即使输出电压没有闭环反馈, 也就是在系统完全开环控制的情况下,其交流 输出电压也能达到设计指标的80%左右。 这样设计的好处就在于前馈控制响 应速度快, 可以避免系统产生较大的超调, 同时减小了输出电压的稳态误差, 减轻了系统电压反馈调节器的负担。 在设计中,电压反馈系数 K1 =0.005,电压前馈系数 K F =0.285,R=12 ? , C=30 ?F 。补偿前系统的转折频率

? c =1/Rc ,取PI补偿网络的转折频率为

500Hz,即3140rad/s,系统的截止频率为l000Hz,即6280rad/s,则根据:
28

第 4 章 主电路逆变单元模块设计

KI ? 3140 (4-24) KP KI R K s ? KI (4-25) ? P ?1 RCs ? 1 s 解上式得: K P ? 9.27 , K I =28344,则串联的PI校正补偿器的传递函数

为:
GcPI ?s ? ? 9.27 s ? 28344 s

(4-26)

图4.11是系统电压外环的闭环传递函数波特图,其中(a)是校正前电压外环 传递函数波特图,(b)是校正后电压外环传递函数波特图。
100

Bode Diagram

Bode Diagram

20
Magnitude (dB) Phase (deg)
50

0
0 -50

Magnitude (dB)

-20

-40 -100
-90

-60
-135 -80

-100 0 -180
10
1

10

2

10

3

10

4

10

5

10

6

Frequency (rad/s)

-45
Phase (deg)

图4.11 电压外环瞬时闭环函数波特图
-90 -135 -180 10
2

从波特图中可以看出, 经过校正后,系统输出电压的低频段增益明显增 大,相角裕度也有很大提高,系统不仅具有很好的动态性能,同时也满足稳 定性要求。
10
3

10

4

10

5

10

6

Frequency (rad/s)

4.6 本章小结
本章着重介绍了分布式发电系统中并联型逆变电源的单机设计与实现。论文首先 从逆变单元主电路拓扑结构的选择入手,建立单相逆变电源数学模型。分析了逆变器 SPWM的几种调制方式,选取了单极性倍频调制,在此基础上,又通过对系统开环以 及闭环特性的分析.具体设计了适合工程应用的逆变电压瞬时双闭环调节器,井提出 并联型逆变单元输出滤波电容电感参数选择的工程设计方法和原则。

29

燕山大学本科生毕业设计(论文)

第 5 章 系统仿真及结果分析
5.1 单相逆变器开环仿真

图 5.1 单项逆变器开环仿真模型

逆变器侧电感电流 iL1 和负载侧电流 i1 波形如图5-2所示

(a) 逆变器侧电感电流

(b) 负载侧电感电流 图5.2 滤波前后电流波形
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第 5 章 系统仿真及结果分析

从图 5.2 所示仿真波形可以看出, 主电路的工作过程正常并且通过滤波 器滤波的电流谐波含量显著减小,LCL 滤波器的效果很好。

5.2 单项逆变器电压电流双闭环仿真
单相逆变器闭环仿真模型如图5.3所示

图5.3 单项逆变器双闭环仿真模型

系统采用PSCAD进行仿真,在仿真中给定的直流电压为311V,电网电压 有效值220V,电网频率50HZ。 图5.4为电压电流双闭环控制下电网电压仿真波形:

图5.4 电压电流双闭环控制下逆变电压仿真波形

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5.3 单项逆变器下垂控制仿真
微电网单项逆变器下垂控制仿真模型如图5.5所示:

图5.5 微电网单项逆变器下垂控制仿真模型

图5.6为微电网运行时负荷变化时的仿真波形,系统负荷的增加,DG能 够通过增加有功和无功功率的输出从而使系统达到功率平衡。 有功的变化引 起频率的变化,无功的变化引起幅值的变化。

(a) 系统无功功率仿真波形图

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第 5 章 系统仿真及结果分析

(b) 系统有功功率仿真波形图

(c) 系统负载变化时电压幅值仿真波形图

(d) 系统负载变化时电压频率仿真波形图 图5.6 微电网运行负荷变化时的仿真波形图

当功率变化时, 各DG能自动调节功率输出达到功率平衡,而且电压幅值 和频率的变化范围很小, 能够满足电能质量要求, 满足控制策略的下垂特性。

5.4 单项逆变器下垂控制仿真
本章利用PSCAD仿真工具对微电网系统的主电路和控制电路分别进行了 建模和功能仿真。 分别对主电路进行了开环仿真和电压电流双闭环仿真,最 后对整个电路系统进行了基于下垂特性的建模仿真,验证了系统的可靠性。

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燕山大学本科生毕业设计(论文)

第6章

总结

本文对微电网中的关键单元--并网逆变器的控制进行了深入的研究, 并 对并网逆变器分别进行了电压电流和功率的三环仿真, 采用的设计思路和控 制方法通过建模仿真进行了验证。具体结论如下: 1)对分布式发电中的微电网技术进行了综述性介绍, 分析了微电网系统 的结构、 工作原理以及微电网技术研究的关键技术并介绍了国内外微电网技 术研究的现状。 2)根据单相逆变电源主电路模型, 对单相逆变系统开环以及闭环特性进 行分析, 具体设计了逆变电压电流瞬时双闭环调节控制器;并依据工程设计 方法和原则设计出逆变单元输出滤波电感电容参数。 3)分析了传统下垂控制的特性,提出基于单相功率控制的下垂控制策 略。 该方案通过检测本地电网信息发出功率给定,由逆变器通过对输出电流 的有功和无功分量直接进行调节, 从而使系统能够实现对输出有功功率、无 功功率的实时控制,较好的跟踪倒下垂控制器的功率给定。 4)依据下垂控制的数学模型, 对微电网系统的功率下垂特性进行了的分 析和讨论, 同时建立了微电网综合控制系统的数学模型,阐述了功率控制环 中各控制变量对于系统性能的影响,为系统的优化设计提供参考依据。 5)建立了单相逆变电源微电网系统的PSCAD仿真模型,并通过仿真实验 对其进行了验证分析, 结果表明: 论文提出基于下垂控制策略的微电网系统 在动态性能与稳态特性方面及抗扰动方面均有良好的性能。

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参考文献

参考文献
1.P.Arboleya, D. Diaz, An improved control scheme based in droop characteristic for microgrid converters 2.A Novel Power Distribution Strategy for Parallel Inverters in Islanded Mode Microgrid Xian ZHANG, Jin jun LIU, Ting LIU 3. improved control scheme based in droop characteristic control An for microgrid converters David Reigosa,Pablo Arbole ya,Cristina 4.Decentralized Control for Parallel Operation of Distributed Generation Inverters in Microgrids Using Resistive Output Impedance 5.张尧 马皓 雷彪 何湘宁,基于下垂特性控制的无互联线逆变器并联 动态性能分析[期刊论文] 6.张建华, 黄伟,微电网运行控制与保护技术. 7.徐德鸿,电力电子系统建模及控制。 8.纪明伟,分布式发电中微电网技术控制策略研究 9.鞠洪新,分布式微网电力系统中多逆变电源的并网控制研究 10.李明娟,微电网中并网逆变器控制研究 11.刘志军,微网并网逆变器控制技术研究 12.王成山 肖朝霞 王守相,微网中分布式电源逆变器的多环反馈控制 策略[期刊论文] 电工技术学报 2009 年 2 月电工技术学报 第 24 卷第 2 期 13. 王成山 肖朝霞 王守相, 微网综合控制与分析[期刊论文] 电力系统 自动化 第 32 卷第 7 期 2008 年 4 月 10 日 14.吕世家,罗耀华,无互联线逆变器并联控制技术[期刊论文] 应用科 技报 第 37 卷第 5 期 2010 年 5 月 15. 单峡, 一种新型逆变电源并联下垂控制方法[期刊论文] 金陵科技学 院学报 第 22 卷第 3 期 2006 年 9 月 16.邱关源. 《电路》(第三版)。高等教育出版社,1989.10. 17.姜桂宾,裴云庆等。 “SPWM逆变电源的自动主从并联控制技术” ,电工 电能新技术,v01.22,no.3,July.2003 PP:16-20.

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燕山大学本科生毕业设计(论文)

18.汪海宁.光伏并网功率调节系统及其控制的研究,合肥工业大学博士 学位论文,2005.6 19.张崇巍,张兴. 《PWM整流器及其控制》 。机械工业出版社,2003年10 月第1版. 20.段善旭,林新春等.‘UPS无互联线并联控制系统的稳定性分析” ‘ ,第 15届全国电源技术年会论文集.

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致谢

致谢
一转眼, 在大学里渡过了四年的时间,其间点点滴滴的努力化做这份毕 业论文,这离不开大学里老师的教导、同学的帮助及家人朋友的关心,谨此 向关心和帮助过我的人们表达最衷心的感谢! 首先感谢我的毕设导师***教授悉心的教导,孙老师渊博的知识、严谨 的敬业态度、务实的工作作风,不仅在我大学期间给了我关键的指导,而且 还将影响和指导我的一生。 在孙老师的谆谆教导下,不仅学到了丰富的专业 知识, 而且获得了人生最宝贵的财富-待人处世之道,我为能有这样一位好 导师而感到庆幸和自豪。 在本论文完成之际,谨向孙老师致以最衷心的感谢 和最崇高的敬意! 本论文得以完成还要特别感谢***师兄,他给予了我很大的帮助。同时 感谢我的同班同学们在课题上对我的帮助。 在我即将毕业之际, 我感谢我的父母,感谢他们多年来对我的支持和鼓 励,感谢他们对我生活上无微不至的照顾。 最后向评审本文的专家教授致敬, 感谢你们百忙之中抽出时间为我评审 论文。

*** 2012 年 6 月

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燕山大学本科生毕业设计(论文)

附录 1

燕 山 大 学
本科毕业设计(论文)开题报告

课题名称:分布式发电系统下垂控制策略的研究 学院(系) :**** 年级专业:*** 学生姓名:**** 指导教师:*** 完成日期:2012.03.19

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附录 1

一、综述本课题国内外研究动态,说明选题的依据和意义 (一)国内外研究动态 美国最早提出了微电网概念, 近年来,其微电网研究一直在有条不紊地 进行着。 美国的微电网研究项目主要受到了美国能源部的电力提供和能源可 靠性办公室、 加州能源委员会的资助,其研究的重点主要集中在满足多种电 能质量的要求、提高供电的可靠性、降低成本和实现智能化等方面。 欧洲 DERs 的研究和发展主要考虑的是有利于满足能源用户对电能质 量的多种要求以及欧洲电网的稳定和环保要求等。欧盟微电网项目 (European Commission Project Microgrids)给出的定义是利用一次能源;使用 微型电源,分为不可控、部分可控和全控三种,并可冷、热、电三联供;配 有储能装置; 使用电力电子装置进行能量调节。欧洲所有的微电网研究计划 都围绕着可靠性、可接入性、灵活性 3 个方面来考虑。电网的智能化、能量 利用的多元化等将是欧洲未来电网的重要特点。 目前日本在微电网示范工程的建设方面处于世界领先地位。 日本本土资 源匮乏, 其对可再生能源的重视程度高于其他国家,但很多新能源具有随机 性, 穿透功率极限限制了新能源的应用,所以日本在微电网方面的研究更强 调控制与电储能。 2008 年初的冰雪天气导致我国发生大面积停电,暴露了我国现有的网 架结构在保障用户供电方面所存在的薄弱环节。微电网既可以联网运行,又 可以孤岛运行, 能保证在恶劣天气下对用户供电。微电网在满足多种电能质 量要求和提高供电可靠性等方面有诸多优点, 使它完全可以作为现有骨干电 网的一个有益而又必要的补偿。但是,中国微电网的发展尚处在起步阶段。 (二)选题的依据和意义 目前广泛采用的常规供电方式,由于电力负荷的迅速增长,必须建设一 个以大容量发电机组为主要电源的超高压特大电力系统来保证供电的可靠 性和稳定性。这种供电模式的固有缺点日趋明显。08 年春季发生在我国南 方雪灾对常规电网的打击就有力的说明了这一点。 因此需要建设一批分散布 置的微型电站和小型分布源机组作为大电网的辅助和补充, 一般称为分布式
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燕山大学本科生毕业设计(论文)

发电装置或简称分布式电在一些发达国家,电网已接近饱和,新增电源较多 采用新能源或分布式能源, 未来这类新型电源也将会成为电力系统的主要发 展方式之一。 二、研究的基本内容,拟解决的主要问题 1.了解微电网运行原理; 2.了解下垂控制策略的目标; 3.熟悉 PSCAD 软件的使用; 4.对分布式发电系统 P-V 下垂控制策略进行仿真设计。 三、研究步骤、方法及措施 研究安排具体如下: ? 第 1-4 周——查阅资料,阅读文献 根据毕业设计的题目要求, 查阅微电网下垂控制方面的文献,对其 拓扑结构特点、 控制方法、 应用领域等有一个大体了解。 完成开题报告。 ? ? ? ? 第 5-8 周——确定方案,设计电路 确定具体方案,完成主电路图设计和控制电路图设计 第 9-12 周——系统参数优化设计 计算各个器件参数 第 13-16 周——仿真验证 用 PSCAD 软件仿真的电力电子模型,验证方案是否可行 第 17-18 周——撰写论文,准备答辩 总结前十六周所做的工作, 按照规范要求撰写毕业设计论文,为答 辩做准备。 四、研究工作进度 第一周:确定毕业设计题目,查找相关资料 第二周:阅读相关资料,了解微电网供电的理论意义。 第三周:了解微点网供电的关键技术手段 第四周:完成开题报告和文件综述 五、主要参考文献 1.P.Arboleya, D. Diaz, An improved control scheme based in droop
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附录 1

characteristic for microgrid converters 2.A Novel Power Distribution Strategy for ParallelInverters in Islanded Mode Microgrid Xu an ZHANG, Jin jun LIU, Ting LIU, Lin yuan ZHOU School of Electrical 3.An improved control scheme based in droop characteristic control for microgrid converters 4.Decentralized Control for Parallel Operation of Distributed Generation Inverters in Microgrids Using Resistive Output Impedance 5.张尧 马皓 雷彪 何湘宁,基于下垂特性控制的无互联线逆变器并联 动态性能分析[期刊论文] 6.张建华, 黄伟,微电网运行控制与保护技术. 7.徐德鸿,电力电子系统建模及控制。 8.纪明伟,分布式发电中微电网技术控制策略研究[期刊论文] 9.鞠洪新,分布式微网电力系统中多逆变电源的并网控制研究[期刊论 文] 10.李明娟,微电网中并网逆变器控制研究[期刊论文] 11.刘志军,微网并网逆变器控制技术研究[期刊论文] 12.王成山 肖朝霞 王守相,微网中分布式电源逆变器的多环反馈控制 策略[期刊论文] 电工技术学报 2009 年 2 月电工技术学报 第 24 卷第 2 期 13.王成山 肖朝霞 王守相,微网综合控制与分析[期刊论文] 电力系统 自动化 第 32 卷第 7 期 2008 年 4 月 10 日 14.吕世家,罗耀华,无互联线逆变器并联控制技术[期刊论文] 应用科 技报 第 37 卷第 5 期 2010 年 5 月 15.单峡,一种新型逆变电源并联下垂控制方法[期刊论文] 金陵科技学 院学报 第 22 卷第 3 期 2006 年 9 月

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燕山大学本科生毕业设计(论文)

六、指导教师意见

指导教师签字: 年 七、系级教学单位审核意见: 审查结果: □ 通过 □ 完善后通过 □ 未通过 月 日

负责人签字: 年 月 日

说明: 1.开题报告版面设置为:B5 纸,上下页边距分别为 2.5cm 和 2cm,左 右页边距分别为 2.4cm 和 2cm。 2.开题报告正文标题及内容,宋体,小四号,行间距为固定值 20 磅。 3.本科毕业设计(论文)开题报告一般不少于 1000 字。 4.页面不够可加页

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附录 2

附录 2

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本科毕业设计(论文)中期报告

课题名称:分布式发电系统下垂控制策略的研究 学院(系) :*** 年级专业:**** 学生姓名:*** 指导教师:*** 完成日期:2012.05.01

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进展情况说明 毕业设计进行到现在, 主电路大部分已经完成,已经完成逆变电路的选

择,PWM 调制器的选择,已经做出开环仿真和通过 PI 调节器调制的电流电 压双闭环仿真。 未完成的部分有: 整体系统图的搭建及仿真以及参数的设定。 我拟定主电路采用电压电流双闭环控制的电路结构, 通过下垂控制让微电网 安全稳定并网。 目前,已经搭建出主电路和部分控制电路,并进行了 PI 控制的电压电 流双闭环仿真,仿真结果基本正确,只是有些波动,正使波形变得完善。而 电压合成和下垂控制部分现在正在做。 二 1 具体实施方案 设计思路: ①、查阅相关资料,研究逆变电源并网工作的价值与意义,以及并网技 术国内外的发展现状、研究前景。 ②、 研究目前国内外进行逆变并网的主电路结构的优缺点,最终确定主 电路的最终拓扑结构为电压源型逆变模型。闭环采用 PI 控制的电压电流双 闭环控制。其结构图如下

主电路拓扑

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附录 2

PWM 控制器

电压电流双闭环控制

③、在仿真过程中,当需要用到某些模块部件时,因为对于 PSCAD 这个 仿真软件还不是很熟悉,当时没有找到这个模块。然后去问师兄,师兄说可 以用 PSCAD 中现有的一些模块自己搭建模块,搭建数学模型。自己回去按照 仿真要求, 搭出了所需要的模型, 用所搭建的模型进行仿真也得到了所需要 的波形。随着对这个软件的不断熟悉,在 PSCAD 中找到了软件自带的模型。 ④、对并网控制方法进行了研究,若逆变器输出采用电流控制,则只需 控制逆变器的输出电流以跟踪市电电压,既可以达到并联运行的目的。对电 网来说,并网逆变器呈现出高阻抗特性,采用这种模式,可以减少电网电压 的扰动对输出电流的影响, 改善输出电压的质量。电流控制方式并网相对简 单, 因此使用比较广泛。 并网逆变器控制通常采用电压源输入电流源输出的 控制方式。 对于并网电流控制方式有以下几种滞环控制方式: 重复控制 跟
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踪实时电流的三角波比较方式(PI 控制) 数字 PID 控制方式 无差拍控制, 智能控制。 分别对以上几种方式进行比较后, 经过自己与师兄研究决定做双闭环控 制方式,外环取并网电压,内环取并网电压,然后通过 PI 调节,最后与给 定波形比较生成 PWM 波形, 来控制逆变桥的开关动作,来最终实现并网电流 对电压的追踪,实现并网功能。 ⑤、通过搭建系统独立运行时的仿真模型,然后进行开环仿真。 (单相 逆变器独立运行)其并网电流仿真波形如下:

并网电流仿真波形

输出电压仿真波形

2

毕业设计的下一步安排 下一步就是集中精力对功率控制部分进行研究, 对选取什么型号及实现

什么功能进行掌握, 对于并网系统肯定不可避免孤岛效应进行考虑,还要对

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附录 2

孤岛的检测与抑制做出必要的措施,后续考虑到更深入的方面,我会尽自己 努力逐渐完善自己的系统,争取可以在样机上试验通过。 三 过程中的问题及及解决方法,实践能力方面的提高 从一开始到现在课设进展程度我还是比较满意, 其中必不可少的遇到一 些问题,开始时我对问题认识比较肤浅,考虑问题不切实际,在进行开环仿 真时,的到的波形就很不理想,滤波效果也不行,最后再老师与自己的努力 下问题得到解决。我现在从基本做起 ,以前做的课程设计多少会给我一些 经验,不过当时是多人共同做一个系统,拿出一个共同的方案,所有人一块 解决问题,导师个人的独立思考,解决问题的能力有所欠缺,这次毕设使这 方面能力得到加强。 四 下一步工作安排和时间进度表: 10-11 周继续完善 PI 参数,使最终的闭环仿真波形达到预期 12-13 周对下垂控制进行更深入的研究,让下垂控制再论文中有较好的 展现 14-15 周进行最后的论文以及毕设大图,准备好最终答辩 五 撰写毕业论文工作的具体安排进度 1、 13 周:主要完成毕业论文主电路原理及主电路参数等内容的撰写。 第 2、 14 周:主要完成闭环部分内容的撰写并对仿真波形结果进行分析。 第 六 对指导教师及学院管理的意见及建议 我对于学院在大学最后的毕业设计安排还是比较满意的, 老师对于学生 所提出的问题都认真解答,在此非常感谢孙孝峰老师和郝琪伟师兄的帮助, 使我对电力电子产生了的浓厚兴趣,让自己对未来的生活充满了期待。

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燕山大学本科生毕业设计(论文)

参考文献: [1] 陈伯时 电力拖动白动控制系统一运动控制系统.北京:机械工业出 版社,2003:7 157-213 [2] 王兆安,黄俊 电力电子技术 北京:机械工业出版社,2001:51-59 [3] 孙鹤旭, 董砚, 郑易 电气传动与变频技术 北京: 化学工业出版社, 2010.10 [4] 李德华 电力拖动控制系统 (运动控制系统) 北京电子工业出版社, 2006.12 [5] 马小亮 高性能变频调速及其典型控制系统 北京:机械工业出版 社,2010.4 [6] 杜飞,杜欣 电力电子应用技术的 MATLAB 仿真 中国电力出版社, 2009.1 [7] 邱关源. 《电路》(第三版)。高等教育出版社,1989.10. [8] 姜桂宾,裴云庆等。 “SPWM 逆变电源的自动主从并联控制技术” , 电工电能新技术 3,July.2003 [9] 陈道炼.{DC.AC 逆变技术及其应用》 。北京:机械工业出版社, 2003.1 1 [10] 胡成志.分布式电源接入系统的研究.重庆:重庆大学,2005.

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附录 3

附录 3

英文文献翻译及原文
基于微电网下垂控制特性的改善控制方案 摘要
本文分析了 PI 调节器用于下垂控制时所产生的交叉耦合影响。PI 调节 器可以实现对电压电流的同步控制,分析不同工作模式下的转换,对常规下 垂控制,电能质量控制和同步模式进行了分析。 关键字:常规下垂控制 一 引言 由于最近几年科技的大步进步分布式发电系统技术有了飞速发展。 但分 布式发电系统对分布网络的稳定性的影响可以是消极的也可以是积极的, 这 取决于分配制度和总电网系统的稳定性。 没有正确处理协调的分布式发电系统在电力网络中使用的增加会对电 力网络导致严重的危害, 包括电压问题。分布式发电系统电能质量的突变会 引起大电网中的电压闪烁, 增加谐波进而影响整个电网系统的可靠性和配电 系统的安全性。 微电网概念被界定为单一的经营系统并提供本地和大电网的电力供应。 微电网控制转换器普遍使用所谓的下垂特性控制实现。 不同的微网结构可以 通过不同的谐振逆变器输出实施:LC 逆变器,LCL 逆变器。在下垂控制的 微网转换中逆变器的输出电流和输出电压通过 PI 调节器成为标准的电流和 电压,微网转换器中电流和电压的交叉耦合通过 LC 和 LCL 逆变器提高控 制精度。 本文提供了一种基于下垂控制特性的改进的控制方案,其中包括去 耦电流和电压交叉耦合,同时实施 PI 同步监管。 二 控制策略的提出 当微电网连接到主电网时有不同的连接方式, 微电网可呈现孤岛和并网 两种模式。孤岛和并网主要控制模式图:
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PI 调节器

交叉耦合

燕山大学本科生毕业设计(论文)

图 1 主电路回路

A:孤岛模式
U 当变频器为孤岛模式,当 d _ ref 和弧度角根据经典的下垂控制特性计算 U 时, d _ ref , I d _ bias 和 I q _ bias 是不能被计算出来的。 U d _ ref ? U 0 ? K q ?Q ? Q0 ? (1)
Fd _ r e f? F0 ? K p ( p ? p0 )
K p 和 Kq

(2)

下垂特征常数 无功功率 用功功率 额定无功功率 额定有功功率 给定电压

Q

P
Q0 P0 U0

F0 给定频率 微网在孤岛模式运行是对三种模式的评估:

1 2 3

传统下垂控制: 允许变频器使用固定的电压和频率值来作为经典的 电能质量模式:允许下垂特性斜率的改变,以便在负载发生改变时 同步模式:此方法用于同步控制主电网和微电网,微电网频率和电压

下垂控制模式来工作。 恢复额定电压和频率。 与主电网相同。
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附录 3

B:并网模式 在这种模式下变频器电压幅值和频率参考 和电压幅值不断更新。 并网模式:变频器作为一个独立源,根据主电网电压标准和频率变 化向主电网注入有功和无功功率。 电流 I q 和 I p 的计算公式为 (3) (4) 和 。 此模式允许连接在主电网存在稳定问题的模式下, 因为它有助于解决这 类问题,它可以通过(3)和(4)观察到主电网的频率和电压变化,可 以跟踪到有功和无功功率的变化,如果不是在额定值的话,变频器注入 的有功和无功功率会有所不同。 这个模式有助于主电网在损失功率不稳 定的情况下保持电网稳定。 ? ? 1 ?U d ? U 0 ?? ? ?PI ? I d _ bias ? ??Q ? Q0 ? ? Kp ? ? ? ? ? ? 1 ? f ? f 0 ?? ? ?PI ? I q _ bias ? ?? p ? p0 ? ? Kp ? ? ? ? 三,实验装置 在电路实现所提出的控制方案。实验装置计划介绍图如 2。DSP 的输 入为逆变器的输出电压, 逆变器的电流和电网电压。同时电压和电流的测量 采用提供电隔离和出色精度的霍尔传感器测量。
U d _ ref

和 Fd _ ref ,根据主频率

(3) (4)

图 2 实验装置计划

逆变器的输出电压和电流用于测量有功功率,无功功率和微网频率,主 电网的电压作为微电网和主电网的同步电压。 在本论文中给出了可实现的算
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燕山大学本科生毕业设计(论文)

法来检测孤岛运行状态,一般由 DSP 来输出数字信号来连接和断开信号的 产生,数字信号一般作为 PLC 的输入来激活和解除与微网的连接。 微网中的负载为感性和阻性负载, 这些感性和阻性负载能够随时连接和 断开以便保护可变负载。逆变器的额定电流值为 75A,额定电压值为 400V。 逆变器的电源使用了柴油发电机(图 3),发电机的额定值列于表(4)。

图 3 柴油发动机

图 4 柴油机参数

四,实验结果 通过对上一节提出的电流电压下垂控制的的逆变器对解耦的交叉耦合 的影响评估,提出一系列的实验结果。 图 5 为第一个实验结果,微电网工作在孤岛模式,由图 5a 和 5b 可以看 到再给定 q 轴电流的一开始, 交叉耦合电感由于没有得到补偿所以响应电流 是不理想的。当 q 轴电流调节改善时,交叉耦合补偿 d 轴电流为零。

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附录 3

图 5 实验结果波形图

五,结论 本文提出了一种该进的下垂控制策略, 通过电压和电流的控制环路在交 叉耦合的解耦基础上与参照系同步。 这种解耦形式可避免在并网运行或孤岛 运行时逆变器的稳定性问题。 实验结果已经给出了根据不同的控制方法而提 出的改善策略。

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燕山大学本科生毕业设计(论文)

英文翻译原文
An improved control scheme based in droop characteristic control for microgrid converters
Abstract
This paper analyzes the effects of the decoupling of the cross-coupling terms when PIsynchronous regulators are used in droop character is tic converter. The PI synchronous regulators are implemented for both voltage and current control. An analysis of the different working modes of the converter are presented.Three sub-modes for the island model, Conventional droop mode, power quality mode and Sync mode are analyzed.One mode for grid connected mode, Grid supporting modes analyzed. I. INTRODUCTION Distributed generation (DG) technologies have achieved adrastic increase during the last years derived from recent technological developments. The influence of this type of generation on the distribution network stability can be positive or negative depending on the distribution system and the DG system operating characteristics.An increased use of DG systems in electrical network swith out correct addressing coordination issues can result in a harmful influence in the electrical network, including problem sin voltage regulation, voltage flicker generation due to sudden changes in generation levels of DG, increase of harmonics, and variations in short circuits levels, affecting the reliability and safety of the distribution system Control of local state variables is commonly implemented in microgrid converters. The concept of microgrid was defined asa cluster of loads and micro sources operating as a single controllable system providing both power and heat to its local area [2]. Control of microgrids converters is comm only implemented using a so called droop characteristic control.This type of control was first introduced for parallel connected inverters in a standalone system [1]. Recently, droop control has been extended to microgrid distributed control The output of the microgrid converter is commonly filtered with a resonant filter [7-9]. Different topologies can be implemented; LC filters [8,9] or LCL filters [7]. The droop control of the microgrid converter implies the control of the This work has been supported by the Regional Ministry of Education and Science of the Principality of Asturias (PCTI 2006-2009) under graBP06-output
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附录 3 current of the inverter and the output voltage of the filter for current, voltage and power control. PI regulators have become the standard for both current and voltage regulation in microgrid converters [1-10]. The use of PI for both current and voltage control implies that the cross-coupling terms due to the output filter (LC or LCL)should be decoupled to improve the control accuracy II. PROPOSED CONTROL STRATEGIES Different strategies both when the microgrid is working inisland mode and when it is connected to the main grid are evaluated. The main control loop for both island and grid connected mode is presented in Fig. 1, where Ud_ref, Uq_ref ,Id_bias, Iq_bias and _ref are calculated in each model. The measured and commanded currents (Id_bias, Iq_bias) are in a synchronous , therefore the PI regulators are synchronous regulators.

A. ISLAND MODE When the inverter is in island mode, Uq_ref, Id_bias and Iq_bias are disabled while Ud_ref and _ref are calculate a classical droop characteristic (1) and (2). Ud_ref =U*o -Kp (Q -Qo ) (1) fd_ref =f*o -Kq (P -Po ) (2) Kp and Kq Are the droop characteristic constants Q is the measured reactive power P is the measured active power Qo is the rated reactive power Po is the rated active power U*o Is the corresponding voltage depending on the sub-model which the inverter is working Is the corresponding frequency depend in the sub-model which the inverter is working Three sub-modes are evaluated when the microgrid is working in island mode Conventional droop mode: allows the inverter to work
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燕山大学本科生毕业设计(论文) as a classical droop mode where the values of voltage and frequency are fixed according to the rated values (U*o =Urated and f*o =frated ) Power quality mode: allows the change of the position of the droop characteristic in order to recover the rated frequency and voltage when a change in the load occurs. In this mode, the voltage and frequency are calculated as . Sync-mode: This method is used to synchronize the main grid and the microgrid. The magnitude and phase of the microgrid voltages are equal to the main grid ones , being the microgrid and the main grid synchronized. B. GRID CONNECTED MODE In this mode the voltage amplitude and frequency references of the inverter, Ud_ref and _ref, are continuously updated depending on the frequency and voltage amplitude of the main grid. In this mode Id_bias and Iq_bias are enable. One mode is evaluated when the microgrid is grid connected: Grid supporting mode: the inverter works as a grid supporting source. It varies the injected active and reactive power depending on the main frequency variation from the nominal values.The currents Id_bias and Iq_bias are calculated as(3) and (4). This mode allows the connection with the main grid in case of stability problems of the main grid, contributing to eliminate these problems.As it can be observed from (3) and (4) when the grid voltage or frequency changes, the active or reactive power of the inverter changes. It should that if the gird values are not in their rated values (i.e. 400V, 50Hz), the active and injected by the inverter will be different from the inverter rated values. If this control is not implemented, the inverter will contribute to the loss of stability of the main grid in case of stability problems. Id_bias=[(Q– Qo ) –1/Kq( Ud -Uo )]*(PI) (3) Iq_bias=[(P–Po)–1/Kp( f -fo )]*(PI) (4)

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附录 3

III. EXPERIMENTAL SETUP The proposed control scheme is implemented in an eZdspTexasDSPF28335. The experimental setup scheme is presented in Fig. 5. The inputs to the DSP are the output filter voltages, the inverter currents and the grid voltages. Both the voltages and currents are measured using hall-effect sensors that provide galvanic isolation and excellent accuracy. The output filter voltages and currents are used to measure the active and reactive power as well as the micro grid. The main grid voltage is used as an input for the synchronization of the microgrid and the main grid.In the present paper there are not implemented detect the island situation, thus the connection signal is generated by the DSP with a genera digital output. This digital signal is used as an input to a PLC that activates or deactivates a contactor that connect and disconnects the microgrid.The loads in the microgrid are induction machines and resistive loads. These loads can be connected and disconnected to provide a variable load. The inverter rated values are 75A(rms) and 400V(rm

IV. EXPERIMENTAL RESULTS
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燕山大学本科生毕业设计(论文) To evaluate the influence of the decoupling of the cross in the voltage and current control in the droop characteristic inverter presented in the previous section, of experimental results are presented The first experiments are presented in Fig. 7. The inverter is working in island mode and a current step in the q-axis is injected. As it can be observed from Fig. 7a and 7b, when the cross-coupling due to the inductance is not compensated, a t is induced and the q-axis current response is noisy.When the cross-coupling terms are compensated the is zero while the q-axis current regulation improved V. CONCLUSIONS In this paper, an improved voltage and current control loop based on the decoupling of the cross-coupling terms in asynchronous reference frame is presented. This decoupling can avoid stability problems during transient when the grid connected or is in island mode. Experimental results have been provided to demonstrate the improvement of the proposed method under the different proposed control strategies.

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燕山大学毕业设计(论文)评审意见表
指导教师评语:

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成绩:

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燕山大学毕业设计(论文)答辩委员会评语表
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