1、第1章前 言1.1選題的背景及研究的目的和意義由于煤、石油和天然氣等一次能源的日益枯竭，以及人們對能源的依賴程度日益增大，能源問題越來越制約著我國電力系統(tǒng)的開展。而燃煤為主的火力發(fā)電造成大氣環(huán)境污染、化石燃料大量排放造成的溫室效應導致氣候變暖等問題已經(jīng)成為了全球性的難題。因此如何保證電力能夠平安與穩(wěn)定的供給成為了亟待解決的問題。電力生產(chǎn)在最初階段的方式是集中發(fā)電、遠距離輸電、大電網(wǎng)之間相互聯(lián)系，其過程存在三個特點：即電力生產(chǎn)的整體性、同時性與隨機性。整體性與同時性即發(fā)電、輸電和供配電的過程是不可分割的并且同時進行的，其中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，電力生產(chǎn)都將難以完成。而電力生產(chǎn)的隨機性那么指負荷、

2、設備異常情況以及電能質量等都在隨時變化著，因此在電力生產(chǎn)中需要做到實時調度與平安監(jiān)控，能夠跟蹤隨機事件的動態(tài)情況，以確保電網(wǎng)的平安運行。但是電力建設本錢高，運行難度比擬大，已經(jīng)越來越難以滿足當今社會對電力的可靠性和平安性的需求。近幾年來，我國多個地區(qū)出現(xiàn)罕見的用電頂峰，期間的屢次事故給國家和人民造成了重大的經(jīng)濟損失。美歐地區(qū)也有很多國家發(fā)生過屢次大面積停電事故，致使大電網(wǎng)的脆弱性日益暴漏出來。現(xiàn)如今，一次能源日益枯竭，環(huán)境污染問題也日益嚴重，傳統(tǒng)大電網(wǎng)的脆弱性日益暴漏，致使全球化電力市場改革進程加快，在此背景下有學者提出了分布式發(fā)電系統(tǒng)這個概念。分布式發(fā)電被認為是減少環(huán)境污染、提高能源的利用效

3、率、增強電能供給的可靠性以及可以滿足社會開展對電力日益增長的需求等的一種有效的解決途徑。分布式電源經(jīng)常分散布置在用戶的周圍，其發(fā)出功率為數(shù)千瓦到百兆瓦不等。相比于傳統(tǒng)的集中式供電，分布式電源的安裝位置比擬靈活，并且比擬分散，能更好的利用當?shù)氐馁Y源分布，更能適應電力的需求；并且分布式電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間又可以相互備用，有效地提高了電能的利用率，供電可靠性明顯增強；輸電和變電的過程中又可以減輕故障對其造成的影響，可以有效的提高電能質量；能夠防止各地區(qū)電網(wǎng)之間由于電壓和頻率波動而相互造成的影響，從而可以防止由于局部電力故障而造成電網(wǎng)大面積的停電事故，等等。相較于傳統(tǒng)電網(wǎng)，分布式發(fā)電的這些優(yōu)點更能適應電力

4、的開展，并逐漸成為電力未來開展的趨勢。在國外發(fā)生的一些電力故障中，一些擁有分布式發(fā)電系統(tǒng)的公司和單位在故障中依舊可以正常運營，供電的可靠性得以增強，也減小了不必要的經(jīng)濟損失。分布式發(fā)電系統(tǒng)具有可靠性高、經(jīng)濟性好和污染性少等優(yōu)點，但是有些缺點也制約著它的開展。例如：分布式發(fā)電系統(tǒng)的投入本錢太高，并且其控制也非常復雜；相對于大電網(wǎng)來說是個不可控單元，為減小其對大電網(wǎng)造成沖擊，特殊情況下分布式電源就需要被大電網(wǎng)隔離處理。IEEE 1547標準中，對分布式電源接入大網(wǎng)有明確的規(guī)定：當主網(wǎng)系統(tǒng)運行過程中發(fā)生故障時，分布式電源需要退出運行。這樣就限制了分布式發(fā)電的充分發(fā)揮，新能源也不能得到充分的利用。傳統(tǒng)

5、的配電網(wǎng)中，其任務是將電能分配并輸送給終端用戶群體。假設各個獨立的分布式發(fā)電系統(tǒng)直接連接到主網(wǎng)系統(tǒng)中而不加以區(qū)分，就會改變配電網(wǎng)的輻射狀態(tài)和其單向傳輸電能的狀態(tài)，從而會造成諸如潮流計算、繼電保護的設計以及整定值的設定等新的問題。而現(xiàn)在很多學者提出的微電網(wǎng)技術這個概念，那么能夠克服分布式發(fā)電技術的以上缺點，從而使其能得到大規(guī)模的運用。微電網(wǎng)是分布式發(fā)電技術的一個重要形式，它將分布式發(fā)電裝置、儲能裝置、檢測和控制裝置、保護裝置和負荷等連接在一起，形成一個單一可控的單元，同時提供給系統(tǒng)電能和熱能，提高了能源的利用率。這樣，它可以對用戶同時輸出電能、熱能和冷能，滿足用戶的三聯(lián)供的需求，也能夠與主網(wǎng)系統(tǒng)

6、進行并聯(lián)運行。另外，微電網(wǎng)運行模式非常靈活，在正常情況下可以與主網(wǎng)并網(wǎng)運行，對大電網(wǎng)系統(tǒng)提供有效的支撐；在主網(wǎng)出現(xiàn)故障的情況下，它也可以與大網(wǎng)斷開進入獨立運行模式，從而可以保證重要負荷的持續(xù)不間斷供電，大大提高了供電的可靠性。微電網(wǎng)在獨立運行的過程中，由于分布式電源種類的多樣化，使得其在負荷發(fā)生變化時較難實現(xiàn)快速響應而可能出現(xiàn)短暫的動態(tài)失衡，所以在微網(wǎng)與主網(wǎng)系統(tǒng)并聯(lián)運行的過程中，當微電網(wǎng)的輸出功率不能滿足負荷的功率需求時，那么需要由主網(wǎng)補充電能；而當微電網(wǎng)的功率輸出大于負荷需求時，剩余的電能那么可以流向主網(wǎng)，最終與大電網(wǎng)實現(xiàn)互為備用，相互支撐。當大電網(wǎng)發(fā)生故障或者運行需要時，微電網(wǎng)可以轉入孤島

7、模式，在孤島運行過程中繼續(xù)向重要負荷供電，實現(xiàn)不間斷供電；而當故障取消時，微網(wǎng)那么根據(jù)要求又可以重新并網(wǎng)，繼續(xù)為大網(wǎng)提供支撐，增強了電網(wǎng)的靈活性。以往情況下，當主電網(wǎng)出現(xiàn)故障的時候，都會令分布式電源退出運行，待脫網(wǎng)后再重新啟動微電源；同樣，當需要并網(wǎng)的時候又需要再次切除負荷，并且并網(wǎng)過程十分麻煩。這樣就會引起間斷供電，降低了系統(tǒng)供電的可靠性。而對于一些重要負荷需要保證不間斷供電，這就需要采取控制措施使微電網(wǎng)能夠實現(xiàn)獨立運行與并網(wǎng)運行兩種模式之間的平滑切換。由以上所述可知，對微電網(wǎng)的孤島運行和并網(wǎng)運行，以及兩種模式之間的過渡過程進行控制，使其實現(xiàn)平滑切換的研究對電力系統(tǒng)開展的影響意義深遠。國內外

8、的研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀微電網(wǎng)是近幾年才提出來的一個概念，在全球電力工業(yè)面臨嚴峻挑戰(zhàn)的情況下，微電網(wǎng)對能源利用的高效性、控制和運行的靈活性和智能型，展現(xiàn)出了很大的優(yōu)勢，由于微電網(wǎng)技術潛力巨大，很多國家已經(jīng)將其作為電力行業(yè)中解決能源與環(huán)境問題最主要的戰(zhàn)略之一。一些興旺國家從不同的方面對微電網(wǎng)展開了研究，其中美國、歐洲和日本等國已經(jīng)在不同領域取得了突出的成果，對微電網(wǎng)的根底理論的研究已經(jīng)完成，微網(wǎng)在運行控制、保護控制以及經(jīng)濟性分析等方面的根底問題也已經(jīng)得到解決，現(xiàn)已進入了用系統(tǒng)實際運行驗證的研究階段。最早提出微電網(wǎng)概念的是美國可靠性技術解決方案協(xié)會，簡稱CERTS。他們對微電網(wǎng)的研究重點集

9、中在提高電網(wǎng)供電的可靠性、投入以及運行的經(jīng)濟性、滿足電能質量多樣性的要求和最終實現(xiàn)電網(wǎng)的智能化等方面。現(xiàn)在，CERTS提出的微電網(wǎng)的初步理論和控制方法已經(jīng)在在美國電力公司沃納特/Walnut微電網(wǎng)測試基地驗證成功。由美國北部電力系統(tǒng)承建的Mad River微電網(wǎng)，是美國微電網(wǎng)建立成功的第一個例子，關于微電網(wǎng)的管理條令和運行法規(guī)也已初步形成。歐洲一些興旺國家對微電網(wǎng)的研究方向偏向于環(huán)境保護、保證歐洲各大電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，和保證電能質量能夠滿足用戶需求等方面。它的開展歷程主要包括兩個階段：歐盟的第五框方案以及第六框方案，其研究內容主要側重于供電的可靠性、對大網(wǎng)的可接入性以及運行的靈活性等方面。繼歐盟

10、2005年提出“智能電網(wǎng)這個概念之后，歐洲已經(jīng)將“智能電網(wǎng)作為未來電力的開展方向，并在此根底上制定了一系列相應的開展戰(zhàn)略。而日本由于外鄉(xiāng)資源比擬匱乏，故其對可再生能源的充分利用比擬看重，在微電網(wǎng)的示范性工程建設方面在全世界處于領先地位，現(xiàn)在在微電網(wǎng)方面已經(jīng)開展了三個試點研究工程。第一個示范性工程是由日本新能源產(chǎn)業(yè)技術綜合開發(fā)機構所建立的位于中部機場的愛知微電網(wǎng)，其最大的特點在于它的很多分布式電源都是燃料電池。而日本青森縣在2005年十月份投入運行的微電網(wǎng)最明顯的特色是所有的供電能源全部是可再生能源。日本現(xiàn)在的分布式發(fā)電技術以及微電網(wǎng)技術全部是在當?shù)氐呐潆娋W(wǎng)與可再生分布式能源互聯(lián)的根底上進行研究

11、的。日本現(xiàn)在所建立的微電網(wǎng)的最主要的任務和目標就是滿足用戶的用電需求，其控制目標主要是電量的供電與用電差額余量的標準。在微電網(wǎng)的網(wǎng)架拓撲結構和集成控制方面，以及關于熱電冷綜合利用等方面也都有相應的研究，為微電網(wǎng)技術的開展和利用翻開了一片廣闊的天地?，F(xiàn)在關于微電網(wǎng)的研究除了美國、歐洲和日本以外，其他地區(qū)的很多國家也紛紛開展起了相關的研究工程。從各個國家和地區(qū)對微電網(wǎng)技術的重視程度和研究力度以及各國未來的電力開展規(guī)劃上面可以看出，微電網(wǎng)是大電網(wǎng)未來的一個重要的開展方向，它能綜合利用各種分布式能源，提高能源的利用效率，以及在環(huán)境保護方面可以發(fā)揮不可替代的作用，同時又可以提高大電網(wǎng)的供電靈活性和可靠性

12、，為大網(wǎng)提供有效的支撐作用。1.2.2國內的研究現(xiàn)狀我國近幾年也致力于分布式發(fā)電技術和儲能技術方面的研究，其中對微電網(wǎng)技術的研究與開展也引起了高度的重視。國家科技部的863方案已經(jīng)明確指出要大力開展微電網(wǎng)技術。如今清華大學和天津大學，以及中科院電工研究所等科研單位已經(jīng)建立了許多關于分布式發(fā)電的三聯(lián)供工程，微電網(wǎng)技術的研究已經(jīng)進入實質階段。但是由于起步比擬晚，以及技術與研究力量等與一些興旺國家尚有著較大的差距，相比之下我們國家所取得的成果也不如美國、歐洲和日本等國家豐厚。但是由于微電網(wǎng)技術的優(yōu)點完全適合我國的國情，與我國的電力開展規(guī)劃與開展方向完全相適應，將來國家對微網(wǎng)研究的扶持力度會繼續(xù)加大。

13、因此微電網(wǎng)在我國有著巨大的開展?jié)摿蛷V闊的前景。微電網(wǎng)在運行過程中有并網(wǎng)運行和獨立運行兩種方式。當大電網(wǎng)出現(xiàn)故障時微電網(wǎng)可以脫網(wǎng)獨立帶負荷繼續(xù)運行，保證了供電的可靠性。由于微電網(wǎng)在供電方面的靈活性和可靠性較強，能夠提高能源的利用效率，減小環(huán)境污染，以及能滿足用戶對電能質量的需求等優(yōu)點，使得它成為了大電網(wǎng)一個極其重要的補充，關鍵時刻可以對大網(wǎng)提供強有力的支撐作用。“十一五規(guī)劃中，已經(jīng)將可再生能源的研究與開展作為我國的重點開展戰(zhàn)略之一列入其中。在微電網(wǎng)的技術研究中，要確保其中的控制系統(tǒng)比擬完善并且能夠穩(wěn)定運行，這樣才能使微電網(wǎng)能靈活可靠地運行，使電網(wǎng)中的電能質量得到提高。經(jīng)過深入的研究得出，如確保

14、微電網(wǎng)能夠平安穩(wěn)定的運行，其控制技術需要滿足下面幾個要求：對微電網(wǎng)的控制要保證電壓和頻率等電能質量；在分布式電源接入電網(wǎng)的過程中其暫態(tài)震蕩不能影響電網(wǎng)的正常運行；其控制策略能夠根據(jù)本地信息的實際情況自主做出相應的反映；要具備調節(jié)電壓和調節(jié)系統(tǒng)平衡的能力，防止出現(xiàn)電壓跌落的現(xiàn)象；在電力系統(tǒng)實際運行需要或者系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，能夠快速響應，自主平滑地實現(xiàn)與大電網(wǎng)脫網(wǎng)、并網(wǎng)操作，并且暫態(tài)過程能夠實現(xiàn)平穩(wěn)過渡，不能對大網(wǎng)造成太大沖擊。所謂的平穩(wěn)過渡并不是指分布式電源的重新啟動，而是通過相應的控制策略能夠使電網(wǎng)的電壓和頻率等電氣量實現(xiàn)平滑的過渡，而保證重要負荷不間斷供電，即實現(xiàn)微電網(wǎng)兩種運行方式的無縫切換。

15、現(xiàn)如今，微電網(wǎng)的出現(xiàn)，使得傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)平安控制、電力調度與保護策略以及能量管理系統(tǒng)等各方面產(chǎn)生了重大的影響。而關于微電網(wǎng)的操作章程與其運行的控制方法等并沒有得到徹底理解，其中一些關鍵的技術問題尚未得到解決。現(xiàn)在很多國家關于微電網(wǎng)研究的單位與專家都致力于微電網(wǎng)的建模、運行控制和保護策略等方面的研究，并在理論上取得了一定的成果。文獻23用PSCAD仿真軟件建立了微電網(wǎng)模型，通過仿真分析研究了微電網(wǎng)由并網(wǎng)運行切換至獨立運行過程中的暫態(tài)震蕩情況以及暫態(tài)穩(wěn)定后的微電網(wǎng)的功率輸出調節(jié)特性。文獻24在建立仿真模型的根底上建立了微電網(wǎng)的小信號模型，其微電源主要包括傳統(tǒng)旋轉電機和由電力電子裝置接入微網(wǎng)的其它類

16、型的分布式電源。其方法指出，在整體的電網(wǎng)系統(tǒng)中會出現(xiàn)頻率偏移現(xiàn)象，而文中所提供的自治微電網(wǎng)的分析方法相對于傳統(tǒng)的主網(wǎng)系統(tǒng)，其頻率偏移現(xiàn)象更容易出現(xiàn)。文獻25列舉了多種不同的分布式電源的模型，其中包括風力發(fā)電機、微型燃氣輪機和感應電動機模型。相比擬而言文獻26中所介紹的分布式電源模型種類更多且更為詳細，其中包括感應電動機、燃料電池和光伏電池等多種形式。文獻27中指出一種建模方法，可以使微電網(wǎng)的運行本錢以及有效性得到最優(yōu)化，這種微電網(wǎng)的建模是基于動態(tài)程序建立的，其中對分布式電源和電力負荷之間的最正確連接點和安裝位置進行了詳細介紹與分析。對微電網(wǎng)最常用的控制方法是其控制系統(tǒng)模擬傳統(tǒng)電機，使微電源按照

17、下垂特性曲線輸出功率，具體有以下三種控制方法：1即插即用與對等的控制思想28這種控制方法與傳統(tǒng)發(fā)電機利用下垂特性曲線進行控制相類似，所有的分布式電源共同承當系統(tǒng)的動態(tài)功率輸出，接線簡單、運行可靠，并且相較于其他控制方式比擬容易實現(xiàn)。但是這種控制方式有一個缺點就是當系統(tǒng)電壓和頻率偏離正常值時不能使其恢復，即沒有傳統(tǒng)電機中的二次調頻的功能。而當微電網(wǎng)系統(tǒng)受到比擬大的沖擊或擾動時，其輸出的電能質量不能得到保證。2基于功率管理系統(tǒng)的控制29采用這種控制方法可以使微電網(wǎng)能夠在不同情況下滿足不同的控制需求，對有功功率和無功功率分別采取不同的模塊分開控制，并且在控制過程中還參加了頻率恢復環(huán)節(jié)，使其能夠較好的

18、保證頻率和電壓的質量。在功率管理系統(tǒng)中，為滿足微電網(wǎng)系統(tǒng)在不同情況下的功率需求，還采用了很多種不同的控制方法，從而增強了控制系統(tǒng)的可靠性和靈活性。但由于傳統(tǒng)發(fā)電機中自身帶有調速器，使其與分布式電源之間的協(xié)調問題還有待進一步解決。3基于多代理技術的微電網(wǎng)控制30這種控制方法是把傳統(tǒng)電網(wǎng)控制中的多代理技術應用到微網(wǎng)控制中，屬于智能電網(wǎng)控制范疇。多代理技術最大的特點是響應速度比擬快、能夠根據(jù)實際情況進行自發(fā)的控制、以及具有代理的自治性等。這種控制系統(tǒng)能夠提供各種不同的控制方法與性能，并且又不需要過多的人為操作，非常符合微電網(wǎng)分散的管理與控制的特點和需求。但是多代理技術還不太完善，還不能對微電網(wǎng)系統(tǒng)中

19、的電壓和頻率等進行調節(jié)控制，目前大多應用在能量管理以及對電力市場交易的協(xié)調上。近年來微電網(wǎng)技術在我國開展比擬迅速，但是微電網(wǎng)所涉及的學科廣泛，需要應用到電力系統(tǒng)分析、電力電子技術以及發(fā)電機與自動控制等多個學科的知識，工程比擬復雜，還有很多的研究課題及重要的技術難題有待進一步的解決。微電網(wǎng)控制技術的未來開展方向主要表現(xiàn)在以下幾點31-35：1對含有不同分布式電源的微電網(wǎng)進行協(xié)調的控制和運行；2在孤島和并網(wǎng)兩種運行方式下，對微電網(wǎng)的電壓和頻率進行智能型控制策略的研究；3電力電子技術在微電網(wǎng)系統(tǒng)中的進一步的開展與應用；4微電網(wǎng)系統(tǒng)中智能發(fā)電技術與控制技術的進一步開展與應用。本文研究的主要內容隨著各國

20、相繼對微電網(wǎng)進行展開研究，現(xiàn)在已經(jīng)在微電網(wǎng)的能量管理方面以及采用電力電子技術對其運行進行控制等方面取得了一些階段性的成果。但關于微電網(wǎng)獨立運行與并網(wǎng)運行兩種運行模式之間的切換穩(wěn)定性的研究還不夠深入。由于微電網(wǎng)的運行模式不同，以及系統(tǒng)運行狀態(tài)不穩(wěn)定，所以對分布式電源在切換過程時沒有一種明確的控制方法。而采用什么樣的控制策略，使微電網(wǎng)能在兩種不同的運行模式之間實現(xiàn)平滑切換，并保證切換期間所出現(xiàn)的震蕩情況在系統(tǒng)允許范圍之內，以及在切換之后系統(tǒng)的電壓和頻率仍然能夠保持穩(wěn)定，現(xiàn)在還沒有人對其進行深入研究，這也是本文研究的重點。本文研究的主要內容分為以下幾個局部：1建立微電網(wǎng)模型 其中采用逆變器作為系統(tǒng)的

21、微電源。文中針對微電網(wǎng)并網(wǎng)與孤島兩種運行模式采用了不同的控制策略，對各種不同的控制策略的效果進行了比擬，并且在仿真模型中實現(xiàn)了微電網(wǎng)的孤島檢測。2建立了微電網(wǎng)孤島模式下的小信號模型通過建立微電網(wǎng)的V/f控制方式下的孤島小信號模型，分析控制器參數(shù)、負荷和線路阻抗的變化對系統(tǒng)特征值和參數(shù)靈敏度的影響規(guī)律，對系統(tǒng)不同工況對主導特征值的參數(shù)靈敏度的影響規(guī)律進行分析，最終獲得保證微電網(wǎng)平穩(wěn)切換至孤島運行模式的主導影響參數(shù)和影響因素。3利用MATLAB軟件對微電網(wǎng)進行建模仿真實現(xiàn)了微電網(wǎng)孤島與并網(wǎng)兩種運行模式下的控制方法，并對兩種模式進行切換時提出了相應的控制策略，使其能夠實現(xiàn)平滑過渡。通過分析找出微電網(wǎng)

22、的并網(wǎng)所需滿足的最正確并網(wǎng)條件，提出相應的控制方法和策略，實現(xiàn)了微電網(wǎng)自動根據(jù)大電網(wǎng)的條件調節(jié)微電網(wǎng)內部的電壓和頻率，并在適宜的相位下進行并網(wǎng)。本文對以上所述的研究內容做了如下安排：第一章論述了微電網(wǎng)研究的背景以及國內外的開展現(xiàn)狀，說明了微電網(wǎng)研究的意義，以及對本文的研究內容進行了概述。第二章對微電網(wǎng)建立了數(shù)學模型，其中用逆變器作為分布式電源進行研究。并且根據(jù)傳統(tǒng)的控制理論，針對微電網(wǎng)的獨立運行和并網(wǎng)運行兩種模式分別進行了控制器設計。在并網(wǎng)運行時采用PQ控制方式；獨立運行時，如是單臺機那么采用V/f控制方式，如果是多臺機那么采用下垂控制方式。同時文中還給出了孤島檢測的控制方法。對這幾種控制方式

23、的原理及設計方法進行了詳細論述，并由此建立了微網(wǎng)控制模型。第三章針對微電網(wǎng)V/f控制方式的孤島運行模式進行小信號穩(wěn)定分析，通過建立微電網(wǎng)的V/f控制方式的孤島小信號模型，分析控制器參數(shù)、負荷和線路阻抗的變化對系統(tǒng)特征值和參數(shù)靈敏度的影響規(guī)律，討論了系統(tǒng)不同工況對主導特征值的參數(shù)靈敏度的影響規(guī)律，最終獲得了保證微電網(wǎng)平穩(wěn)切換至孤島運行模式的主導影響參數(shù)和影響因素。第四章以微電網(wǎng)孤島運行時采用v/f控制為研究對象，建立仿真模型，通過仿真分別驗證了微電網(wǎng)的并網(wǎng)所需滿足的最正確并網(wǎng)條件，繼而提出相應的控制方法和策略，實現(xiàn)了微電網(wǎng)自動根據(jù)大電網(wǎng)的條件調節(jié)微電網(wǎng)內部的電壓和頻率，并在適宜的相位下進行并網(wǎng)。

24、最后通過仿真驗證了所提出的平滑切換控制方法和策略的有效性。第五章對全文所做的工作進行了總結，并指出需要進一步研究的內容。第2章微電網(wǎng)的建模與控制2.1微電源的種類與微電網(wǎng)的結構2.1.1微電源的種類微電源種類繁多，其能量主要來源于風能、光能、太陽能和生物質能等多種形式，是微電網(wǎng)中不可或缺的局部。微電源的發(fā)電系統(tǒng)也有多種類型，包括各種類型的風力發(fā)電機、太陽能電池板、利用天然氣和酒精制造的燃料電池、微型燃氣輪機以及利用生物質能而建造的沼氣池等等，裝機容量不等，大約在20kW10MW之間。下面對這幾種發(fā)電類型進行詳細介紹。風力發(fā)電機的發(fā)電過程是首先將風能轉變成機械能，然后再通過相應的措施把機械能轉變

25、為電能。由于風能分布廣泛，屬于取之不盡用之不竭的清潔能源，對環(huán)境不造成破壞，因此可以根據(jù)實際的地理情況大力開展風力發(fā)電。而太陽能那么是利用光的伏特效應原理，通過相應的設施將太陽能量直接轉變成電能。太陽能發(fā)電一般有光伏發(fā)電和光熱發(fā)電兩種形式，由于太陽能是一種清潔、無噪聲的能源，并且利用也比擬平安，發(fā)電過程中不會消耗其它物資，也不會產(chǎn)生各種有害物質，因此在我國開展速度非常迅速。太陽光能資源豐富，分布廣泛，并且也比擬容易獲取。利用太陽能設計的電池重量輕體積小，攜帶非常方便，結構也比擬簡易，使用和維護也比擬簡單，并且供電可靠性很高，是非常有潛力的一種新能源。微電源還有一種發(fā)電形式就是微型燃氣輪機，容量

26、大約是25kW300kW，是一種新型的熱力發(fā)電機。其特點是噪音低、排放量比擬低、運行時振動比擬小、出現(xiàn)問題的幾率比擬小，并且對燃料的消耗率也比擬低。這些優(yōu)點非常適用于微電網(wǎng)建設，在21世紀微型燃氣輪機已經(jīng)在新能源技術應用中占據(jù)了主流位置，下面介紹一下它的工作原理。微型燃氣輪機的內部結構主要包括向心式透平和離心式壓氣機等徑流式葉輪機和回熱循環(huán)系統(tǒng)，其發(fā)出的功率經(jīng)過交-直-交逆變器把高頻電流電變?yōu)榈皖l交流電以供用戶使用。微電源的發(fā)電機類型種類比擬多，容量大小不等，并且所用的一次能源的類型也各不相同，表2-1把一些常見的微電源的根本情況總結了一下。表2-1 常見的微電源分類機組技術單機容量/MW一次

27、能源輸出能量形式并網(wǎng)接口燃氣輪機0.510天然氣工頻交流同步發(fā)電機燃氣內燃機小于1天然氣、柴油工頻交流同步發(fā)電機微型燃氣輪機天然氣高頻交流逆變器燃料電池小于1天然氣、酒精直流逆變器太陽能光伏太陽能直流逆變器風力發(fā)電小于2風能工頻交流異步發(fā)電機、逆變器生物質能小于1秸稈、沼氣工頻交流同步發(fā)電機由上表可以得出，關于微電源的種類大致可以分為兩種類型，一種是傳統(tǒng)的旋轉電機，另外一種那么是通過電力電子技術設計的接口與大電網(wǎng)相連接的那些分布式電源。而后一種微電源又可以細化分為兩種類型：第一種類型是直流電源，需通過逆變轉化為工頻交流電；第二種類型是非工頻的交流電源，這種電源輸出的功率必須經(jīng)過整流裝置將其輸出

28、轉換成直流電，然后通過逆變技術轉變?yōu)榻涣麟?。相比于傳統(tǒng)的分布式發(fā)電技術，微電網(wǎng)在功能上和結構上都已經(jīng)有了很大的不同，因此原有的控制策略已經(jīng)不能完全適用于這種新型的微電源，而電力電子技術在微電網(wǎng)控制系統(tǒng)中那么會發(fā)揮非常重要的作用。由于以傳統(tǒng)的旋轉電機作為微電源控制方法與傳統(tǒng)電機的控制相似，不做詳細贅述，本文研究的重點主要是對通過電力電子接口的微電源的控制方法與策略進行探討與分析。2.1.2微電網(wǎng)的結構微電網(wǎng)相對于大電網(wǎng)是一個規(guī)模較小的、獨立運行的系統(tǒng)，其分布比擬分散，通過現(xiàn)代先進的電力電子技術，將各種類型的微型電源、儲能裝置、檢測裝置和保護裝置聯(lián)系在一起，向本地負荷進行供電。對大電網(wǎng)而言，微電網(wǎng)

29、是一個單一的、可控制的系統(tǒng)，能根據(jù)電網(wǎng)的需要在短時間內迅速動作，為大電網(wǎng)提供強有力的支撐作用；而微電網(wǎng)對用戶而言，可以提供電能、熱能以及其他的一些特殊需求，同時又可以降低電力線路的損耗，對電壓和頻率的穩(wěn)定起到支撐的作用，更提高供電的可靠性。微電網(wǎng)的結構模型如圖2-1所示36。由圖2-1的結構圖中我們可以看出，該微電網(wǎng)包括三條饋線，是一個呈放射狀的網(wǎng)絡結構。而A、B、C三條饋線通過并網(wǎng)開關PCC和大電網(wǎng)相連接，與其進行必要的能量交換。通過PCC接口可以使微電網(wǎng)實現(xiàn)并網(wǎng)運行與獨立運行兩種模式之間的平滑過渡，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。圖2-1 微電網(wǎng)的結構圖與大電網(wǎng)相似，其中的負荷也可以分為重要負荷和

30、次要負荷兩種類型。在微電網(wǎng)的實際運行中一般把次要負荷作為可調節(jié)負荷，通過對這種負荷進行調節(jié)而實現(xiàn)削峰以及使波形變平滑等操作。當出現(xiàn)特殊情況需要切除一些負荷時，次要負荷也是首選的被切除對象。當大電網(wǎng)中出現(xiàn)故障需要檢修，或者出現(xiàn)其他問題需要使微電網(wǎng)脫離主網(wǎng)運行時，PCC就會自動斷開，使微電網(wǎng)過渡到獨立運行模式。微電網(wǎng)系統(tǒng)內的負荷所需的功率完全由微電網(wǎng)本身承當，同時微電源的輸出功率也能保證在A和C饋線處所接的重要負荷繼續(xù)正常運行，微電網(wǎng)可以通過母線將電能傳送給饋線B，使其所帶負荷也能正常運行。如果在獨立運行過程中，微電源所提供的功率不能滿足負荷的需求，那么需要斷開饋線B，使次要負荷退出運行，從而保證

31、重要負荷的正常運行。待大電網(wǎng)的故障解除或者在大電網(wǎng)需要的情況下，PCC又可以重新合閘，微電網(wǎng)又重新回到并網(wǎng)運行模式。微點網(wǎng)的這種放射狀結構可以根據(jù)當?shù)刎摵傻男枨?，采取就近原那么使各分布式電源直接向距離較近的負荷輸送功率，提供電壓和頻率支持。這種靈活性強的供電方式在大大減輕了主網(wǎng)的供電負擔，提高了電能的質量以及供電可靠性。在微電網(wǎng)輸出的電能質量不符合要求或者大電網(wǎng)出現(xiàn)故障需要檢修等的情況下，微電網(wǎng)又可以脫離主網(wǎng)獨立運行，繼續(xù)對重要負荷進行供電，供電的平安性和可靠性明顯增強。因此，并網(wǎng)運行和獨立運行都是微電網(wǎng)自身的優(yōu)點和重要的運行能力，而保證兩種運行模式之間能夠實現(xiàn)平滑切換是微電網(wǎng)實現(xiàn)這兩種能力的

32、關鍵。2.2 逆變器型微電源的建模與分析對微電網(wǎng)進行研究分析首先需要對其建立模型。而建立微電網(wǎng)模型的第一步，那么需要建立微電源的模型。這一節(jié)中研究的主要內容就是對逆變器型微電源進行建模分析。在分布式電源中，最常用的兩種逆變器是電流源型逆變器CSI和電壓源型逆變器VSI。兩種逆變器的最主要的區(qū)別是在直流環(huán)節(jié)階段的濾波方式不同。電壓源型逆變器采用的濾波方式是大電容濾波，經(jīng)過濾波后在理想情況下，相對于負載而言類似于一個恒壓源，輸出直流電壓的波形非常平直；而電流源型逆變器中間環(huán)節(jié)采用的濾波方式為大電感濾波，此時對于負載類似于一個恒流源，輸出的直流電流的波形非常平直。兩種逆變器的濾波方式不同，輸出的電氣

33、量的性質也不相同，但是它們采用的逆變電路是相同的，對輸出波形的控制都是通過PWM調制方式所實現(xiàn)的。由于VSI更容易滿足微電網(wǎng)的并網(wǎng)要求，因此隨著分布式發(fā)電技術以及微電網(wǎng)技術的日益開展，VSI的應用比CSI應用更為廣泛，優(yōu)勢也更為明顯。本文中的微電源所采用的均是電壓源型逆變器。2.2.1三相VSI的數(shù)學模型分析圖2-2中所展示的是一個典型的并網(wǎng)運行微電網(wǎng)的拓撲結構模型。其中的三相VSI型微電源采用的模型為開關函數(shù)型。圖2-2 三相并網(wǎng)VSI拓撲結構圖2-3中的模型是逆變器平均模型。與開關函數(shù)模型相比，這種模型更有利于進行解析分析。圖2-3 三相VSI平均模型上圖中所示的三相逆變器平均模型中，為了

34、更有利于分析，我們對模型進行了簡化，用理想電壓源Vsa,Vsb,Vsc代替了傳統(tǒng)逆變器電源中的PWM調制器、IGBT等電力電子器件以及直流電源。對理想電源的控制通過逆變器的控制器圖2-3中所示的Inverter Controller來實現(xiàn)。用電感Ls來表示與微電源串聯(lián)的電網(wǎng)側的濾波器。VSI在正常工作的時候，逆變橋和交流側能夠實現(xiàn)電能的交互流動，直流電通過逆變橋轉換成交流電，而大網(wǎng)側的濾波器的作用那么是為了保證三相電壓源型逆變器能夠正常運行。濾波器電感值的選取對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行會產(chǎn)生很大的影響，適當增加電感的數(shù)值可以對電流輸出的諧波起到抑制作用，但是其數(shù)值設置過大將帶來不良后果，會降卑微電網(wǎng)的動

35、態(tài)響應速度，并且系統(tǒng)的過載能力也會受到很大影響，因此對電感數(shù)值的選取要采取適中原那么。首先對微電網(wǎng)的電壓進行分析。易知，理想電壓源的電壓Vsa,Vsb,Vsc是濾波器上的電壓降和逆變電器的端電壓Va,Vb,Vc之和?，F(xiàn)令逆變器的各相端電壓為如下形式：2-1式2-1中，V表示電壓的幅值，表示電壓的角頻率，0表示相角的初始值，其大小由微電網(wǎng)系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)運行點所決定。由圖2-3，我們可以得出電路的狀態(tài)方程，將電感的電流作為狀態(tài)量，所得方程組如式2-2所示：2-2式中：vsa，vsb，vsc是經(jīng)過逆變后的電壓輸出向量，va，vb，vc是逆變器的各相端的電壓輸出向量；Ls那么是電網(wǎng)側濾波器的電感值。逆變

36、器在靜止坐標系下的數(shù)學模型特點鮮明，意義清晰，且直觀明朗。但這種模型交流側的電氣量均隨時間變化而改變，彼此之間會有不同程度的耦合，不利于進行控制。因此我們需要將abc三相靜止坐標系通過park變換轉變?yōu)閮上嗟膁q坐標系，其旋轉頻率與電網(wǎng)的基波頻率同步。變換公式如下：2-32-4圖2-4中明確顯示了abc坐標系和dq坐標系之間的變換關系。圖2-4 abc坐標系和dq軸坐標系圖中，DG端電壓相角t+0用表示，通過鎖相環(huán)得到，從鎖相環(huán)中還可以同時得到電壓和頻率幅值，分別記為PLL和PLL。下面將式2-2中所列方程通過式2-4變換，得到dq坐標系下的狀態(tài)方程如式2-5所示： 2-5上式中，我們把abc

37、三相靜止坐標系中的正弦交流量通過park變換轉變成為了dq旋轉坐標系中的直流變化量，物理意義清晰并且很有條理，通過式2-5可以對微電源的控制系統(tǒng)的設計進行適當?shù)暮喕?.2.2PLL鎖相技術鎖相環(huán)(PLL，Phase Locked Loop)是逆變器電源設計中的一個重要局部，它主要用于測量系統(tǒng)中電壓的頻率和相角，將實時數(shù)據(jù)輸送給坐標變換控制和防孤島控制器。圖2-5中所展示的是PLL的工作原理：圖2-5 鎖相環(huán)(PLL)逆變器機端電壓的相角隨時間變化的方程式如下所示：2-6式中，相角是一個未知變量，其倒數(shù)是逆變器變壓的一個偏差量，用下式來表示：2-7由上述可知，逆變器端電壓的相角PLL是由鎖相環(huán)

38、PLL對實際的電壓相角進行跟蹤測了所得到的，在穩(wěn)態(tài)運行過程中兩者數(shù)值相等；當系統(tǒng)出現(xiàn)擾動而發(fā)生暫態(tài)震蕩時，兩個數(shù)值之間將會出現(xiàn)偏差，其差值可以由q軸的電壓vq來表示。vq通過park變換得到，變化方程如下式：2-8式中PLL是由PLL鎖相環(huán)測量到的電壓的相角，其定義式如式2-9所示：2-9PLL和的偏差通過PI調節(jié)器的調節(jié)與控制，就可以得到頻率的偏差值。然后將得到的頻率偏差值加上PLL，就可以得出PLL所跟蹤的電壓頻率PLL，通過對PLL積分變換可以得到坐標系的變換角度。式2-10所展示的是鎖相環(huán)模型的方程：2-102.3對三相VSI控制器的設計圖2-6所顯示的是一個三相電壓源型逆變器的拓撲結

39、構，其中以逆變器作為系統(tǒng)的微電源，即圖中的虛線方框所示，假定為直流源，或者是電源經(jīng)過整流控制以后便成為直流電源。三相VSI有很多種控制方法，但是雙環(huán)控制是其中應用最多也是最廣的一種。雙環(huán)控制由電流內環(huán)控制和電壓外環(huán)控制兩局部組成。電流內環(huán)控制負責精細調節(jié)，其特點是響應速度快，可以提高電能輸出質量。外環(huán)控制器可實現(xiàn)各種不同的控制方法，將控制信號傳給內環(huán)，作為其調節(jié)的參考量，特點是動態(tài)響應慢。圖2-6 三相VSI控制器典型結構2.3.1內環(huán)控制器的設計內環(huán)控制器的作用主要是對系統(tǒng)中的電流進行精細調節(jié)，從而提高微電源的電能輸出質量，使系統(tǒng)的運行更加穩(wěn)定。經(jīng)過abc-dq變換以后，電流環(huán)可以得到如式2

40、-11所示的時域控制方程：2-11上式中，電壓源d軸和q軸的輸出電壓分別用vsd和vsq表示。系統(tǒng)電路中的濾波器方程如式2-12所示：2-12將式2-11和2-12進行一下等效變換，可以得到如下所示的形式：2-13從式子2-5還可以得出，dq軸中輸出的電流量id和iq，不僅要受到受控電壓vd、vq變化的影響，還要受到受控電壓源的輸出電壓vsd和vsq的擾動以及兩個電壓耦合量iqPLLLs和idPLLLs的擾動所產(chǎn)生的影響。如果要消除這些干擾量對系統(tǒng)運行造成的影響，就需要通過相應的設計，把這些干擾量也包含到控制環(huán)節(jié)中。圖2-7就是文中所設計的電流內環(huán)控制器結構圖。圖中將系統(tǒng)中的三相輸出電流iab

41、c通過abc-dq變換，分別得到dq軸的電流分量id和iq，然后通過與電壓外環(huán)控制器所提供的電流參考量idref與iqref進行比擬分析，所得結果通過PI調節(jié)器進行控制，再對其進行交叉耦合補償和電壓前饋補償，最終得到vsd與vsq這兩個控制信號。內環(huán)控制器首先對電流比擬值通過PI控制器進行調節(jié)，然后將控制信號由電流控制量通過相應的控制方法轉變?yōu)殡妷嚎刂屏?。電流環(huán)控制實現(xiàn)了對VSI中電流的精細調節(jié)，是逆變器中相應最快的控制環(huán)節(jié)。圖2-7 內環(huán)控制器結構2.3.2外環(huán)控制器設計1并網(wǎng)恒功率控制器的設計 微網(wǎng)并網(wǎng)運行時的電壓和頻率均由大網(wǎng)提供支持，微電源采用PQ控制方式，輸出額定功率。這種控制器的設

42、計原理是對有功功率和無功功率進行解耦并分別進行控制分析，在并網(wǎng)運行時采用恒定值或者采用功率對電流內環(huán)的兩個參考值idref和iqref進行控制。本文采用的恒功率控制方程式如下：2-14式中定義Pref和Qref分別是逆變器中有功功率和無功功率的參考值。P和Q分別是通過測量得到的有功功率和無功功率實際值，其計算方法下式所示：2-15以上的幾個式子均采用標幺值形式，文中所選取標幺值的基值如式2-16。式中，Sbase表示系統(tǒng)的額定容量，Vbase那么表示額定電壓的最高值。2-16通過以上所得的方程式，可以得出如下列圖所示的外環(huán)恒功率控制器。圖2-8 外環(huán)PQ控制器結構2孤島V/f控制器的設計 微電

43、網(wǎng)在獨立運行狀態(tài)下，不能再得到主網(wǎng)的電壓和頻率的支持。如果在孤島運行模式下微電源仍然保持恒功率控制不變，那么微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓和頻率將會隨微電源的輸出功率的變化而變化，當其功率輸出超過或者不能滿足負荷需求的時候，電壓和頻率會隨之增大或者減小。假設超出系統(tǒng)允許范圍，就會使系統(tǒng)失穩(wěn)。即使在剛切換時微源輸出的功率正好能夠滿足負荷需求，但是在獨立運行過程中負荷發(fā)生變化時，同樣會造成系統(tǒng)的電壓和頻率的變化。因此孤島狀態(tài)下，逆變器要自身承當起微網(wǎng)電壓和頻率的調節(jié)40-41，同時能夠調節(jié)微電源的功率輸出，使其能夠滿足負荷的需求。這就是本文所要介紹的V/f控制器，其控制框圖如下列圖所示：圖2-9 V/f控制器結

44、構3孤島下垂控制器的設計 在孤島狀態(tài)下，一個微電網(wǎng)中如果有多個微電源并聯(lián)運行時，每個微電源都相當于一個可控的電壓源，此時各微電源之間的電壓、頻率和相位必須能夠協(xié)調一致，才能保證系統(tǒng)正常運行。這就需要采取相應的控制策略，協(xié)調各微電源的出力，根據(jù)負荷需求實現(xiàn)合理的功率分配。下面所要介紹的下垂控制方法就能很好的解決各電源之間的協(xié)調問題。下垂控制的控制原理類似于傳統(tǒng)電機控制中的“功頻靜特性控制理論：當微電網(wǎng)中負荷增加，微電源提供的有功功率不能滿足負荷的需求時，將會導致系統(tǒng)頻率降低；而當微電源所提供的無功功率不能滿足負荷需求時，將會導致系統(tǒng)電壓降低。同理，微網(wǎng)提供的有功功率和無功功率過剩時，將會分別導致

45、系統(tǒng)的頻率和電壓升高。其實質原因是：含有多個并聯(lián)電源的微電網(wǎng)在孤島運行模式下，系統(tǒng)通過下垂控制下達給各微電源輸出電壓、頻率和相位的指令值，使其檢測各自的功率輸出情況，并根據(jù)指令反相微調各自的電壓、頻率和相位的輸出，從而使系統(tǒng)的有功功率和無功功率能夠得到合理分配。在微電網(wǎng)獨立運行過程中，下垂控制也能對電壓和頻率進行調節(jié)控制，使微網(wǎng)自身承當起電壓和頻率的支撐，并且能夠根據(jù)負荷的需求情況自動調節(jié)微電源的功率輸出。下垂控制結構圖如下所示：圖2-10 下垂控制器結構從圖中可以看出，下垂控制器分為兩局部：下垂控制和電壓控制。其中下垂控制根據(jù)微電網(wǎng)的情況預先設好下垂系數(shù)，進而合理分配各微電源的功率輸出，并且

46、可以將其中所得到的參考信號直接用于逆變器的控制環(huán)節(jié)中。由于下垂控制是一個單環(huán)控制，如果微電網(wǎng)的負荷是不對稱或非線性負荷時，將會對微電源輸出的電壓質量造成很大影響。因此為防止輸出的電壓產(chǎn)生波動，在其后參加了一個電壓控制環(huán)節(jié)，將此時輸出的電流作為電流內環(huán)控制器的參考信號值。2.3.3并網(wǎng)控制器與孤島控制器之間的切換策略圖2-1中的并網(wǎng)開關PCC用于控制主網(wǎng)和微電網(wǎng)之間的并網(wǎng)運行與孤島運行。但是如果要使兩種模式之間能夠實現(xiàn)平滑切換，還需要對控制局部也參加邏輯開關，使其能夠實現(xiàn)并網(wǎng)控制器和孤島控制器之間的轉換。其結構圖如下所示：圖2-11 控制器切換結構圖2.3.4微電網(wǎng)的孤島檢測1、孤島的概念與孤島

47、運行 對于微電網(wǎng)的研究開展到現(xiàn)在，仍然不能完全解決現(xiàn)代電力系統(tǒng)中所出現(xiàn)的關于孤島的問題。而微網(wǎng)系統(tǒng)的孤島運行，指的是微電源帶有負荷整體從大網(wǎng)中脫離出來獨立運行，在一個局部范圍內能保證對重要負荷提供不間斷供電，提高了系統(tǒng)供電的可靠性。傳統(tǒng)意義上的孤島運行主要分為兩種方式：方案孤島和非方案孤島。1方案孤島 根據(jù)主網(wǎng)實際運行需要，在微網(wǎng)與主網(wǎng)斷開之前已經(jīng)有明確的孤島范圍，而在微網(wǎng)與主網(wǎng)斷開后，又能保證微網(wǎng)的繼續(xù)帶負荷運行。從而可以很合理的利用當?shù)氐姆植际侥茉?，更有利于提高供電的可靠性，也能給主網(wǎng)提供有力的支撐?，F(xiàn)在，世界上有些國家的供電系統(tǒng)已經(jīng)采用了方案孤島這種運行方案，加拿大的尼托巴省的一個水電系

48、統(tǒng)就是其中之一。2非方案孤島 非方案孤島是指由某些突發(fā)事件或者不確定因素而導致微電網(wǎng)系統(tǒng)需要獨立帶負荷運行。這種運行狀態(tài)不能實現(xiàn)預測，并且孤島的范圍也不能事先確定，因此對設備的使用和運行以及檢修人員的人身平安造成很大的威脅。并且對兩種運行模式以及相應的控制策略在何時進行切換也不能確定，這樣就會降低系統(tǒng)的電能質量。在運行中也容易引起系統(tǒng)繼電保護裝置的誤動，從而使供電的可靠性有所降低。由于非方案孤島給電力系統(tǒng)造成的危害太大，所以在運行過程中要盡量防止這種運行狀態(tài)的發(fā)生，這就需要采取相應的孤島檢測技術來對微網(wǎng)運行過程進行跟蹤與測量，以保證微電網(wǎng)在獨立運行的過程中仍然能對重要負荷進行不間斷供電。2、孤

49、島檢測方法的分類與檢測的盲區(qū) 微電網(wǎng)的孤島檢測一般分為被動式和主動式兩類檢測43，這是微電源運行所需要具備的一個最根本的功能。被動式的孤島檢測最主要的依據(jù)是通過對并網(wǎng)系統(tǒng)公共點PCC的電壓、頻率和相位進行跟蹤檢測，觀測其是否偏出系統(tǒng)正常的允許范圍。這種方法有一種局限性，因為當微電源的輸出功率正好能夠滿足負荷的功率需求時，這種方法就會失效，即會出現(xiàn)檢測盲區(qū)。但是主動檢測方法那么能夠很好的解決這種問題，其根本原理是：在微電源的輸出中增加一些電流、相位或者頻率等小擾動信號。當微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，主網(wǎng)相當于一個無窮大系統(tǒng)，可以等效為一個電壓源。由于PCC點的頻率和電壓信號被鉗位，從而無法測量出所加的擾動

50、信號；微電網(wǎng)與主網(wǎng)斷開而進入獨立運行模式時，所參加的小擾動信號就會向相同的方向不停擾動，當其輸出信號的變化超出所規(guī)定的范圍時，孤島發(fā)生的情況就可以被檢測出來。按照檢測的電氣量的不同，被動孤島檢測可以分為相位突變法、高頻/低頻法、過電壓/欠電壓法和電壓諧波法等多種檢測方法44-48。被動檢測法的優(yōu)點是設計比擬簡單，并且不會影響到電力系統(tǒng)的電壓質量。缺點是在檢測過程中會存在盲區(qū)。主動孤島檢測方法那么“是在微源的控制局部參加比擬小的擾動量，然后對其輸出進行檢測，在并網(wǎng)中由于小擾動對大電網(wǎng)的影響比擬小，致使并網(wǎng)運行過程中檢測不出來。當孤島事件發(fā)生后，小擾動就會被迅速放大49，當擾動信號超過設定的數(shù)值后

51、就能夠判斷出孤島的發(fā)生。一般所用的主動孤島檢測方法有轉差頻率偏移法、輸出電壓擾動法、輸出功率擾動法和有源頻率偏移法等。當微電網(wǎng)運行在孤島狀態(tài)時，如果PCC點的電壓和頻率數(shù)值超出正常工作時所允許的范圍，微電網(wǎng)那么進入到保護狀態(tài)。而當微電源輸出的有功功率和無功功率正好滿足負荷需求時，公共點的電壓和頻率的數(shù)值就會繼續(xù)工作在允許范圍之內，從而會存在檢測盲區(qū)。下列圖中，微電網(wǎng)輸出的有功和無功分別用P和Q表示，Pload和Qload分別表示負荷吸收的有功功率和無功功率。微電網(wǎng)的輸出功率與負荷所需的功率之間會存在一定的偏差，分別用P和Q表示，在并網(wǎng)運行過程中大電網(wǎng)向負荷提供這局部功率。圖2-12 孤島檢測原

52、理圖當微電網(wǎng)進入孤島運行狀態(tài)時，偏差功率P和Q可以由式2-17得出50：(2-17)其中，U表示主網(wǎng)電壓，其上限為Umax=110%U；下限Umin=88%U；電網(wǎng)的頻率用f表示，其上限為fmax；系統(tǒng)的品質因數(shù)用Qf表示。針對分布式發(fā)電系統(tǒng)，有相應部門制定了并網(wǎng)技術要求，主要包括：電網(wǎng)質量標準、當微網(wǎng)孤島發(fā)生時檢測出來所需要的時間等。文獻51對孤島檢測的時間進行了限制，如表2-2所示，其中電壓幅值311V，頻率50Hz，電壓等級是中國標準。從上表我們可以得出，PCC處的電壓和頻率數(shù)值在區(qū)域D1和D2內時，孤島檢測所需要的時間分別需要0.12s和2s，當其數(shù)值在區(qū)域D3內時，系統(tǒng)處在正常運行狀

53、態(tài)。D3中，又會出現(xiàn)兩種不同的情況：一種是在并網(wǎng)狀態(tài)下系統(tǒng)確實是正常運行；另一種是孤島發(fā)生，并且微電網(wǎng)系統(tǒng)與負荷需求功率的差值正好滿足式2-17。第二種情況發(fā)生時，通常所用的檢測方法就會失去作用。3、本文采用的孤島檢測法 文獻49中提出對逆變器輸出參加持續(xù)的擾動，從而使系統(tǒng)在發(fā)生孤島后其工作點不在正常運行范圍，即偏離D3區(qū)域，通過這種方法實現(xiàn)對孤島發(fā)生的檢測。但是如果持續(xù)參加頻率擾動將會使輸出的電能質量不能得到保證。因此，文中采用的孤島檢測方法是對微電源參加間歇性的頻率擾動從而對孤島進行檢測。參加間歇性擾動后，將會使系統(tǒng)發(fā)生孤島后打破其可能出現(xiàn)的功率平衡的現(xiàn)象。而當功率的輸出與吸收不平衡之后，

54、系統(tǒng)的頻率就會出現(xiàn)波動，然后會導致發(fā)生正反應，這樣就會使系統(tǒng)的工作點偏離正常運行范圍D3區(qū)域，如此即可成功實現(xiàn)孤島檢測，并且這種方法對電能質量不會造成太大的影響。圖2-13是本文為孤島檢測所設計的流程圖，圖中PCC的電壓幅值用Um表示，頻率的擾動值用fx 表示。圖2-14是對孤島檢測設計的控制器框圖。從控制框圖中可以看出，將鎖相環(huán)得出的頻率值PLL發(fā)送給孤島檢測控制裝置，然后通過相應的計算得到電壓的相角，記為f。而電流d、q軸的參考值idref 和iqref也通過變換得到新的參考值i*dref和i*qref。變換方程如式2-18所示。圖2-13 孤島檢測流程圖圖2-14 孤島檢測控制器框圖2-

55、182.4本章小結文章首先對微電網(wǎng)中分布式電源的種類以及微電網(wǎng)的結構特征進行了簡單的介紹，并且針對本章所要研究的內容建立了微電網(wǎng)模型，然后在傳統(tǒng)理論的根底上，分別設計了微電網(wǎng)的并網(wǎng)運行和孤島運行兩種狀態(tài)下的控制器。其中針對并網(wǎng)運行狀態(tài)設計了恒功率控制器，針對孤島運行狀態(tài)設計了V/f控制器和下垂控制器，并且為保證系統(tǒng)能夠在兩種模式轉換過程中實現(xiàn)平滑切換，還設計了并網(wǎng)/孤島切換控制器。繼而分析了非方案孤島給系統(tǒng)及人生平安所帶來的危害，列舉了孤島檢測所常用的集中方法，并針對各自的特點進行了比擬，最終文章采用了參加間隙性擾動信號的孤島檢測法，并且對孤島控制器進行了設計。第3章微電網(wǎng)切換至孤島時的幅頻特

56、性與小信號穩(wěn)定性分析微電網(wǎng)平穩(wěn)切換至孤島運行模式是保證微電網(wǎng)內重要負荷持續(xù)可靠供電的重要手段之一。含有分布式發(fā)電單元、儲能單元和負載的獨立或并網(wǎng)運行的微型電網(wǎng)，是解決供電平安可靠性、利用和開展新能源的一種有效模式。微電網(wǎng)有并網(wǎng)和孤島兩種運行模式。在大系統(tǒng)故障時，微電網(wǎng)由并網(wǎng)模式平穩(wěn)過渡到孤島模式，以保證微電網(wǎng)區(qū)域內重要負荷持續(xù)可靠供電。這一切換過程中，即使微電網(wǎng)中的微電源容量足以支撐網(wǎng)內的負荷，微電網(wǎng)也會承受一定程度的小擾動，因此微電網(wǎng)切換過程的小信號穩(wěn)定問題就成為一個重要的研究內容。目前，關于微電網(wǎng)小信號穩(wěn)定性的研究主要是用特征根分析法51-54分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，大體上分為兩類：一類研究微電

57、網(wǎng)在下垂控制方式的孤島運行模式下的小信號穩(wěn)定問題；另一類研究微電網(wǎng)并網(wǎng)模式下的小信號穩(wěn)定問題。然而，微電網(wǎng)由并網(wǎng)切換至孤島運行模式時，切換后是否能穩(wěn)定是由孤島模式的微電網(wǎng)系統(tǒng)特性和切換擾動大小決定的，而與并網(wǎng)時的微電網(wǎng)特性無關。當考慮切換擾動較小的情形時，與之對應的系統(tǒng)穩(wěn)定分析內容就是孤島模式下的微電網(wǎng)小信號穩(wěn)定分析。然而，微電網(wǎng)的孤島控制方式有下垂控制和V/f控制兩種方式。其中，對下垂控制方式的微電網(wǎng)孤島運行小信號穩(wěn)定分析已經(jīng)獲得一些規(guī)律，例如下垂增益過大會導致系統(tǒng)失穩(wěn)55、微電源之間線路阻抗非常小時會導致系統(tǒng)失穩(wěn)、不同微型電源的有功控制器下垂增益差值越大，系統(tǒng)頻率震蕩到達穩(wěn)態(tài)的時間越長56

58、57。但對V/f控制的微電網(wǎng)孤島運行小信號穩(wěn)定分析還非常少。本章以V/f孤島控制方式的微電網(wǎng)為研究對象，在推導控制器系統(tǒng)傳遞函數(shù)的根底上，分析了控制參數(shù)對系統(tǒng)頻譜特性的影響，并通過時域仿真研究了控制參數(shù)對微電網(wǎng)運行模式切換暫態(tài)過程的影響規(guī)律。其后建立了孤島模式下的微電網(wǎng)小信號模型，利用特征根分析法分析了V/f控制器參數(shù)變化、負荷阻抗及線路阻抗變化對切換過程中系統(tǒng)小信號穩(wěn)定性的影響規(guī)律，并用時域仿真進行了驗證。最終獲得了保證微電網(wǎng)平穩(wěn)切換至孤島運行模式的主導影響參數(shù)和影響因素，其結論可為微電網(wǎng)平滑切換控制方法和策略提供參考。微電網(wǎng)系統(tǒng)介紹微電網(wǎng)的控制器的分析與設計微電網(wǎng)的示意圖見圖3-1。微電源

59、是三相電壓源型逆變器逆變，所帶負荷是RLC并聯(lián)負荷。并網(wǎng)運行時，微電網(wǎng)采用PQ控制方式，切換至孤島運行狀態(tài)時采用V/f 控制方式，自身承當起電壓頻率的調節(jié)作用。圖3-1 微電網(wǎng)結構圖微電源控制器結構當開關S3翻開時，微電網(wǎng)進入孤島運行狀態(tài)，逆變器切換至V/f控制。V/f控制器如圖3-2所示，其中：是頻率輸入信號；udref和uqref是電壓參考值，ud和uq分別是電網(wǎng)電壓信號的dq軸分量；idref和iqref是內環(huán)電流的參考值；vsd和vsq是電壓控制信號的dq軸分量。圖3-2 孤島控制V/f器結構控制參數(shù)對微電網(wǎng)切換的影響微電網(wǎng)由并網(wǎng)運行向獨立運行的切換過程與獨立運行時的控制器參數(shù)有很大關

60、系，本節(jié)重點對V/f控制器進行研究，其構成主要由電流內環(huán)和電壓外環(huán)兩個控制環(huán)節(jié)，控制參數(shù)主要有：電流環(huán)比例系數(shù)kpi和積分系數(shù)kii、電壓環(huán)比例系數(shù)kpv和積分系數(shù)kiv。電壓外環(huán)用于保證電壓和頻率的正常運行，并為電流環(huán)產(chǎn)生參考信號，其動態(tài)響應慢；電流內環(huán)進行精細調節(jié)，可提高電能輸出質量，動態(tài)響應較快。孤島控制器系統(tǒng)函數(shù)動態(tài)響應分析由上面介紹可知，孤島控制器主要分為電流環(huán)和電壓環(huán)兩局部。現(xiàn)令udref和uqref分別為電壓環(huán)的d軸和q軸的輸入值， vd、vq那么為逆變器端電壓的實際測量值。設ud、uq是電流環(huán)的輸出值，那么： 3-1濾波回路中的dq方程如下式所示： 3-2其中，Ls為濾波電感，