工程碩士學(xué)位論文直流微電網(wǎng)孤島運(yùn)行模式小干擾穩(wěn)定性分析STABILITYANALYSISOFDCMICROGRIDUNDERTHEISLANDOPERATINGMODE電氣工程專業(yè)名稱直流微電網(wǎng)穩(wěn)定研究方向二一五年五月摘要化石能源的短缺、電能需求的速增和用戶對電能質(zhì)量要求的提高促進(jìn)了微電網(wǎng)的發(fā)展。微電網(wǎng)既能高效利用清潔能源，又具有較高的可靠性和可控性。依據(jù)電流性質(zhì)劃分，微電網(wǎng)可以分為直流微電網(wǎng)和交流微電網(wǎng)。直流微電網(wǎng)相對交流微電網(wǎng)效率高、可控性強(qiáng)、損耗低、更有利于光伏等分布式電源的接入。對于并網(wǎng)運(yùn)行的直流微電網(wǎng)，其電壓穩(wěn)定可由大電網(wǎng)支撐；孤島運(yùn)行模式下，系統(tǒng)直流電壓的穩(wěn)定完全依賴內(nèi)部電源的控制，因此分析其小干擾穩(wěn)定性具有理論和實(shí)際意義。本文首先介紹了總線式直流微電網(wǎng)和互聯(lián)式直流微電網(wǎng)兩種常用拓?fù)?，針對智能住宅和商業(yè)中心等直流微電網(wǎng)應(yīng)用場合，分析了采用直流配電方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)點(diǎn)；其次，分析直流微電網(wǎng)中最基本的變換器單元的阻抗特性，揭示恒功率負(fù)載呈現(xiàn)負(fù)阻抗特性的原因；第三，將孤島運(yùn)行模式下總線式直流微電網(wǎng)利用戴維南定理等效成級聯(lián)系統(tǒng)，基于阻抗比判據(jù)分析其母線電壓的穩(wěn)定性；最后，針對多個總線式直流微電網(wǎng)通過線路互聯(lián)的系統(tǒng)，在孤島運(yùn)行模式下，建立互聯(lián)直流微電網(wǎng)的降階模型，利用小擾動特征分析法分析系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性。本文給出了總線式直流微電網(wǎng)的阻抗模型和互聯(lián)式直流微電網(wǎng)的降階模型，這兩種模型可以適用于源和負(fù)荷采用各種聯(lián)接方式的直流微電網(wǎng)的分析；采用下垂控制的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行的充分條件是下垂參數(shù)小于負(fù)荷的等效最小電阻值，該結(jié)論可用于設(shè)計(jì)直流微電網(wǎng)的控制參數(shù)；另外，本文分析了線路參數(shù)變化對系統(tǒng)特征值的影響，增大線路電阻或者減小線路電感有助于改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞直流微電網(wǎng)；孤島運(yùn)行模式；小干擾穩(wěn)定；穩(wěn)定性分析ABSTRACTDEPLETINGFOSSILFUELS,INCREASINGENERGYDEMAND,ANDNEEDFORHIGHRELIABILITYPOWERSUPPLYMOTIVATETHEUSEOFMICROGRIDMICROGRIDSAREIDENTIFIEDASANEFFECTIVEMETHODFORPOWERGENERATIONANDDISTRIBUTION,ALSOCANIMPROVETHEDEPENDABILITYANDCONTROLLABILITYACCORDINGTOTHECURRENTPROPERTY,MICROGRIDSCANBEDIVIDEDINTODCMICROGRIDANDACMICROGRIDCOMPAREDTOTHEACMICROGRID,DCMICROGRIDWITHHIGHEREFFICIENCY,LOWERENERGYCONSUMPTION,LIGHTERPOLLUTIONANDMORECONVENIENTTOACCESSINGFORTHEDISTRIBUTEDGENERATIONUNDERTHEGRIDCONNECTEDMODE,THEVOLTAGELEVELDEPENDONTHEGREATGRIDBUTITSCONTROLLEDBYPOWERELECTRONICCONVERTERSUNDERISLANDOPERATINGMODETHEREFORE,SMALLSIGNALSTABILITYANALYSISISVERYIMPORTANTFORTHEISLANDOPERATIONMODEOFTHEDCMICROGRIDFIRSTLY,THISPAPERFOCUSONTHESITUATIONSWHEREDCMICROGRIDAPPLYINGIN,SUCHASSMARTHOUSEANDBUSINESSCENTERSTHENANALYSETHETECHNICALANDECONOMICADVANTAGESOFDCMICROGRIDSECONDLY,ANALYSISTHEIMPEDANCECHARACTERISTICOFCONVERTERUNITINDCMICROGRID,REVEALTHENATUREOFCONSTANTPOWERLOADSWHICHHASNEGATIVEIMPEDANCECHARACTERISTICSTHIRDLY,ANALYSISTHESMALLSIGNALSTABILITYOFDCMICROGRIDBASEDONDCBUSBYIMPEDANCECRITERIONATTHELAST,UNDERTHEISLANDOPERATINGMODE,ANALYSISTHESMALLSIGNALSTABILITYOFINTERCONNECTEDDCMICROGRIDBYTHESMALLDISTURBANCECHARACTERISTICSANALYSISMETHODTHISPAPERSETUPTHEIMPEDANCEMODELOFDCMICROGRIDBASEDONDCBUSANDTHEREDUCEDMODELOFINTERCONNECTEDDCMICROGRIDTHEMETHODSPROPOSEDINTHISPAPERISAPPLICABLETOANYINTERCONNECTINGSTRUCTUREOFSOURCESANDLOADSTHESUFFICIENCYCONDITIONFORSTABLEOPERATIONOFTHESYSTEMISDERIVEDITPROVIDESUPPERBOUNDONDROOPCONSTANTSANDISUSEFULDURINGPLANNINGANDDESIGNINGOFDCMICROGRIDSFURTHERMORE,THESENSITIVITYOFSYSTEMPOLESTOVARIATIONINCABLERESISTANCEANDINDUCTANCEISIDENTIFIEDITISPROVEDTHATTHEPOLESMOVEFURTHERINSIDETHENEGATIVEREALPLANEWITHADECREASEININDUCTANCEORANINCREASEINRESISTANCEKEYWORDSDCMICROGRIDISLANDOPERATINGMODESMALLSIGNALSTABILITYSTABILITYANALYSIS目錄摘要IABSTRACTIII1引言111研究背景與意義1111研究背景1112選題意義212研究現(xiàn)狀3121微電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀3122直流微電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀4123微電網(wǎng)穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀713本文主要內(nèi)容92直流微電網(wǎng)拓?fù)浼白儞Q器建模1121直流微電網(wǎng)拓?fù)?1211總線式直流微電網(wǎng)12212互聯(lián)式直流微電網(wǎng)13213直流微電網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較1522直流微電網(wǎng)變換器19221變換器數(shù)學(xué)模型19222變換器控制策略21223變換器阻抗特性2423直流微電網(wǎng)控制方式273總線式直流微電網(wǎng)穩(wěn)定性分析3131基于阻抗比的穩(wěn)定判據(jù)3132總線式直流微電網(wǎng)數(shù)學(xué)建模34321系統(tǒng)組成34322系統(tǒng)等效模型3533總線式直流微電網(wǎng)穩(wěn)定性分析37331穩(wěn)定性分析37332仿真分析4034實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證4235本章小結(jié)444互聯(lián)式直流微電網(wǎng)穩(wěn)定性分析4541小擾動特征分析法4542互聯(lián)式直流微電網(wǎng)數(shù)學(xué)建模47421源線性化方程48422負(fù)荷線性化方程48423線路線性化方程48424系統(tǒng)等效模型49425降階模型驗(yàn)證5043互聯(lián)式直流微電網(wǎng)穩(wěn)定性分析53431特征值分析53432靈敏度分析53433仿真分析5544本章小結(jié)595結(jié)論與展望6151結(jié)論6152展望61參考文獻(xiàn)63致謝671引言11研究背景與意義111研究背景隨著人類社會的進(jìn)步與發(fā)展，電能作為二次能源，需求迅速增長，近代經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展離不開電力的發(fā)展，電力工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中的地位越來越重要，國民經(jīng)濟(jì)每增長1，電力工業(yè)要相應(yīng)增長13151。目前，我國電力投資大多集中在火電、水電以及核電等大型集中電源和超高壓遠(yuǎn)距離輸電網(wǎng)的建設(shè)上。我國能源主體是火電、水電和核電等，其中火電占70以上，而火電主要來源于不可再生的化石能源，如煤、天然氣。一方面，石油、煤炭、天然氣等不可再生能源儲量日益減少以致將來必然會枯竭；另一方面，中國的PM25，60的來源與燃煤和燃油有關(guān)，由化石燃料引發(fā)的環(huán)境問題日益受到關(guān)注。另外，由于我國水資源分布不均勻，能源利用和水資源地域性很明顯，耗資巨大的三峽大壩工程，至今仍在爭議其對于環(huán)境和生態(tài)是否有不可逆轉(zhuǎn)的影響。日本福島核電站事件后，雖然是受自然災(zāi)害影響，但是對于核泄漏的風(fēng)險(xiǎn)和核廢料處理問題導(dǎo)致清潔優(yōu)質(zhì)的核電的發(fā)展明顯減緩。在我國，能源中心和負(fù)荷中心地區(qū)一般都相距甚遠(yuǎn)。一次能源中，煤炭資源主要集中在山西、內(nèi)蒙古等地區(qū)，水利資源集中在四川、云南等有水位落差的山區(qū)，而負(fù)荷中心主要集中在珠三角和長三角等大城市、大工業(yè)區(qū)。因此，目前我國電力系統(tǒng)內(nèi)電能生產(chǎn)、輸送和分配方式是集中發(fā)電、高壓遠(yuǎn)距離輸電和大電網(wǎng)互聯(lián)。這種運(yùn)行方式能減少電能在由能源中心向負(fù)荷中心地區(qū)傳輸過程中的損耗，改善能源使用效率，提高電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和可靠性。隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，超大規(guī)模電力系統(tǒng)的弊端也日益凸現(xiàn)，成本高、運(yùn)行難度大、難以適應(yīng)用戶越來越高的安全和可靠性要求以及多樣化的供電需求。尤其在近年來世界范圍內(nèi)接連發(fā)生幾次大面積停電事故后，大電網(wǎng)的脆弱性充分暴露出來。當(dāng)前，人類面臨資源可持續(xù)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的雙重挑戰(zhàn)，一味地?cái)U(kuò)大電網(wǎng)規(guī)模顯然不能滿足要求，必須優(yōu)化電力系統(tǒng)能源的結(jié)構(gòu)，開發(fā)多樣化、清潔環(huán)保的光伏和風(fēng)電等清潔可再生能源。分布式發(fā)電指的是電能在距離負(fù)荷較近的地方生產(chǎn)并直接供電給用戶的方式，具有可靠性高、污染少、能源利用率高和安裝地點(diǎn)靈活等特點(diǎn)2，有效解決了大型集中電網(wǎng)的許多潛在問題。目前，歐美等發(fā)達(dá)國家開始廣泛研究能源多樣化的、高效和經(jīng)濟(jì)的分布式發(fā)電系統(tǒng)，并取得突破性進(jìn)展。無疑，分布式發(fā)電將成為未來大型電網(wǎng)的有力補(bǔ)充和有效支撐，是未來電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢之一。盡管分布式電源優(yōu)點(diǎn)突出，但本身存在諸多問題3，例如，分布式電源單機(jī)接入成本高、控制困難等。另外，分布式電源相對大電網(wǎng)來說是一個不可控源，因此大系統(tǒng)往往采取限制、隔離的方式來處置分布式電源，以期減小其對大電網(wǎng)的沖擊。IEEEP1547對分布式能源的入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)做了規(guī)定當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，分布式電源必須馬上退出運(yùn)行4。這就大大限制了分布式能源效能的充分發(fā)揮。為協(xié)調(diào)大電網(wǎng)與分布式電源間的矛盾，充分挖掘分布式能源為電網(wǎng)和用戶所帶來的價(jià)值和效益，美國電氣可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會（CERTS）提出了微電網(wǎng)的概念。112選題意義微電網(wǎng)從系統(tǒng)觀點(diǎn)看問題，將發(fā)電機(jī)、負(fù)荷、儲能裝置及控制裝置等結(jié)合，形成一個單一可控的單元，同時(shí)能向用戶供給電能和熱能5。微電網(wǎng)中的電源多為微電源，包括微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、光伏電池以及超級電容、飛輪、蓄電池等儲能裝置。它們接在用戶側(cè)，具有低成本、低電壓、低污染等特點(diǎn)6。微電網(wǎng)既可與大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，也可在電網(wǎng)故障或需要時(shí)與主網(wǎng)斷開單獨(dú)運(yùn)行。它還具有雙重角色對于公用電力企業(yè)，微電網(wǎng)可視為電力系統(tǒng)可控的單元，例如，這個單元可以被控制為一個簡單的可調(diào)度負(fù)荷，可以在數(shù)秒內(nèi)做出響應(yīng)以滿足傳輸系統(tǒng)的需要；對于用戶，微電網(wǎng)可以作為一個可定制的電源，以滿足用戶多樣化的需求7，例如，增強(qiáng)局部供電可靠性，降低饋電損耗，支撐當(dāng)?shù)仉妷?，通過利用廢熱提高效率，提供電壓下陷的校正，或作為不間斷電源。此外，緊緊圍繞全系統(tǒng)能量需求的設(shè)計(jì)理念和向用戶提供多樣化電能質(zhì)量的供電理念是微電網(wǎng)的兩個重要特征。在接入問題上，微電網(wǎng)的入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)只針對微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)，而不針對各個具體的微電源。微電網(wǎng)不僅解決了分布式電源的大規(guī)模接入問題，充分發(fā)揮了分布式電源的各項(xiàng)優(yōu)勢，還為用戶帶來了其他多方面的效益8。微電網(wǎng)作為一個獨(dú)立的整體，可以并網(wǎng)運(yùn)行，也可以在孤島模式運(yùn)行9。按照微電網(wǎng)中電流運(yùn)行方式，微電網(wǎng)可以分為交流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)，與交流微電網(wǎng)相比，直流微電網(wǎng)不需要對電壓的相位和頻率進(jìn)行跟蹤，可控性和可靠性進(jìn)一步提高，因而更加適合分布式電源和負(fù)載的接入10。理論上，直流微電網(wǎng)僅需一級變換器就能方便實(shí)現(xiàn)與分布式電源和負(fù)載的連接，具有更高轉(zhuǎn)化效率；同時(shí)，直流電在傳輸過程中不需要考慮配電線路的渦流損耗和線路吸收的無功功率，線路損耗得到降低；碳排放方面，直流微電網(wǎng)相對交流微電網(wǎng)碳排放更少，更環(huán)保。直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中，分布式電源通過電力電子變換器與負(fù)荷相連。電源子系統(tǒng)和負(fù)荷子系統(tǒng)在獨(dú)立運(yùn)行時(shí)是穩(wěn)定的，但是子系統(tǒng)的相互作用可能導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性的降低。一般典型的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)荷中，7580為恒功率負(fù)荷，只有20的阻性負(fù)荷11，阻性負(fù)荷提供正阻尼，而恒功率負(fù)荷對外呈現(xiàn)負(fù)阻抗特性。恒功率負(fù)荷所呈現(xiàn)的負(fù)阻抗特性是影響直流微電網(wǎng)穩(wěn)定性的重要原因。在直流微電網(wǎng)中，系統(tǒng)中不考慮無功功率的流動，電壓成為了反映系統(tǒng)功率平衡的唯一指標(biāo)，控制直流微電網(wǎng)中的電壓穩(wěn)定，就可以控制微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行12。孤島運(yùn)行模式時(shí)，直流微電網(wǎng)可以作為一個可定制的電源，可以滿足用戶多樣化的需求。如果發(fā)生電壓失穩(wěn)，就可能導(dǎo)致直流微電網(wǎng)不能穩(wěn)定運(yùn)行，電能質(zhì)量下降，影響供電可靠性。因此，研究孤島運(yùn)行模式下直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定性問題對未來直流微電網(wǎng)運(yùn)用到配電系統(tǒng)中有重要意義。12研究現(xiàn)狀121微電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀負(fù)荷的持續(xù)增長、電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不斷老化、環(huán)保問題、能源利用效率瓶頸以及用戶對電能質(zhì)量的高標(biāo)準(zhǔn)要求，已成為世界各國電力工業(yè)所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。微電網(wǎng)對分布式電源的有效利用及靈活、智能的控制特點(diǎn)，使其在解決上述問題方面表現(xiàn)出極大潛能，是許多國家未來電力發(fā)展戰(zhàn)略的重點(diǎn)之一。目前，一些國家已紛紛開展微電網(wǎng)研究，立足于本國電力系統(tǒng)的實(shí)際問題與國家的可持續(xù)發(fā)展能源目標(biāo)，提出了各自的微電網(wǎng)概念和發(fā)展目標(biāo)。作為一個新的技術(shù)領(lǐng)域，微電網(wǎng)在各國的發(fā)展呈現(xiàn)不同特色。美國最早提出微電網(wǎng)的概念。早在1999年，美國已成立電氣可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會CERTS，它對微電網(wǎng)的定義、保護(hù)、結(jié)構(gòu)、控制等一系列問題做了概括，并對微電網(wǎng)的主要思想和關(guān)鍵問題進(jìn)行了描繪和概括。在CERTS推動下，美國電力公司、TECOGEN公司、STIANJINWUYANXINGKAISUNGURRERO,JMPOWERCONTROLOFDCMICROGRIDUSINGDCBUSSIGNALINGC2011TWENTYSIXTHANNUALIEEEAPPLIEDPOWERELECTRONICSCONFERENCEANDEXPOSITIONAPEC,20111926193244XIAOFENGSUNZHIZHENLIANBAOCHENGWANGXINLIAHYBRIDRENEWABLEDCMICROGRIDVOLTAGECONTROLCIEEE6THINTERNATIONALPOWERELECTRONICSANDMOTIONCONTROLCONFERENCE,2009IPEMC0972572945BOROYEVICH,DCVETKOVIC,IDONGDONGBURGOS,RFEIWANGLEE,FFUTUREELECTRONICPOWERDISTRIBUTIONSYSTEMS一ACONTEMPLATIVEVIEWC,12THINTERNATIONALCONFERENCEONOPTIMIZATIONOFELECTRICALANDELECTRONICEQUIPMENTOPTIM,20101369138046SALOMONSSON,DSODER,LSANNINO,AANADAPTIVECONTROLSYSTEMFORADCMICROGRIDFORDATACENTERSCCONFERENCERECORDOFTHE2007IEEEINDUSTRYAPPLICATIONSCONFERENCE,200742NDIASANNUALMEETING2714272147薛貴挺,張焰,祝達(dá)康孤立直流微電網(wǎng)運(yùn)行控制策略J電力自動化設(shè)備,2013,333465348張犁,孫凱,吳田進(jìn),邢巖基于光伏發(fā)電的直流微電網(wǎng)能量變換與管理J電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28224825549陸曉楠,孫凱等適用于交直流混合微屯網(wǎng)的直流分層控制系統(tǒng)J電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,284354350XIAONANLU,JOSEPMGUERRERO,HIERARCHICALCONTROLOFPARALLELACDCCONVERTERLNTERFACESFORHYBRIDMICROGRIDSJ,IEEETRANSACTIONSONSMARTGRID2014,3,5268370251MAGNE,PNAHIDMOBARAKEH,BPIERFEDERICI,SADESIGNMETHODFORAFAULTTOLERANTMULTIAGENTSTABILIZINGSYSTEMFORDCMICROGRIDSWITHCONSTANTPOWERLOADSCTRANSPORTATIONELECTRIFICATIONCONFERENCEANDEXPOITEC2012IEEE,1752CHEOLHEEYOOWONJUNCHOIILYOPCHUNGDONGJUNWONSUNGSOOHONGBYUNGJUNJANGHARDWAREINTHELOOPSIMULATIONOFDCMICROGRIDWITHMULTIAGENTSYSTEMFOREMERGENCYDEMANDRESPONSEC,POWERANDENERGYSOCIETYGENERALMEETING,2012IEEE,16,53郝雨辰,吳在軍等多代理系統(tǒng)在直流微網(wǎng)穩(wěn)定控制中的應(yīng)用J中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,9,3225273654KAKIGANO,HMIURA,YISE,TDISTRIBUTIONVOLTAGECONTROLFORDCMICROGRIDSUSINGFUZZYCONTROLANDGAINSCHEDULINGTECHNIQUEJIEEETRANSACTIONSONPOWERELECTRONICS,2013,285,2246225655KAKIGANO,HNISHINO,AMIURA,YISE,TDISTRIBUTIONVOLTAGECONTROLFORDCMICROGRIDBYCONVERTERSOFENERGYSTORAGESCONSIDERINGTHESTOREDENERGYC2010IEEEENERGYCONVERSIONCONGRESSANDEXPOSITIONECCE,20102851285656KAKIGANO,HMIURA,YISE,TLOWVOLTAGEBIPOLARTYPEDCMICROGRIDFORSUPERHIGHQUALITYDISTRIBUTIONJIEEETRANSACTIONSONPOWERELECTRONICS,20102512,3066307657MOHANN,ROBBINSWP,IMBERTSONP,ETALRESTRUCTURINGOFFIRSTCOURSESINPOWERELECTRONICSANDELECTRICDRIVESTHATINTEGRATESDIGITALCONTROLJPOWERELECTRONICS,IEEETRANSACTIONSON,2003,181429