1.1 研究的背景及意义
清洁能源的开发利用，逐渐成为人们寻求解决资源和环境问题的共识[1]。基于清洁能源的分布式发电（ Distributed Generation ，DG ）具有能源利用率高、经济环保、损耗低、灵活机动安全可靠等优点，可与现有集中发电形成能源利用互补[2]。作为大电网的补充，能够大大提高电力系统的供电可靠性、灵活性[3]。实际应用过程中发现，DG 存在一些问题。由于太阳能、风能等可再生能源间歇性、随机性、多样性的特点[5]，在 DG 与系统直接并网运行时，改变大电网潮流分布，对电网电压调节、保护整定、能量管理等诸多方面带来新的问题。当分布式电源出现故障或控制不当“随意”退出电网时[6]，则会导致系统暂态不平衡和电能质量恶化，破坏系统的安全性和稳定性[7]。为协调解决大电网与分布式发电间的矛盾，充分发挥其固有优势，人们提出了微电网的概念[8-9]。微电网（ Microgrid ）是由 DG 、储能、负荷组成的供电子系统。对于电网系统来说，每个微电网被视为一个可调度负荷，保证了 DG 的接入和退出不会直接影响大电网系统的安全运行，从而实现 DG 的“即插即用”；对于用户而言，作为一种可定制的电源，微电网可为用户提供多样化的供电类型[10]。由于微电网中的分布式发电使用大量电力电子装置作为接口，导致其电压调节能力较差。DG 容量较小，储能设备容量有限，加上可再生能源固有的间歇性和波动性，诸多因素的相互作用将大大影响微电网的稳定运行。微电网自身的特点决定其稳定性问题不容忽视，深入研究微电网动态稳定性十分必要。微电网与大电网的运行有 2 种方式，即并网模式和孤岛模式。孤岛运行时，微电网失去了电网系统对其电压和频率的支撑与钳制，如何克服运行惯性小的缺点继续保持稳定运行更加值得去深入研究。与此同时，作为智能电网的一个重要组成部分，随着清洁能源发电领域的快速发展，微电网技术也倍受关注[11]。动态负荷对微电网孤岛运行时的稳定性影响研究，将进一步完善微电网技术，并为工程实践提供理论支持[12]。
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1.2 微电网基本概念
美国电气可靠性技术解决方案协会（CERTS ）提出微电网的概念是一个集成了负载和微电源的系统，运行时可同时提供电能和热能；该系统中大多数微电源必须基于电力电子技术灵活供电；对于大容量的电力系统，微电网相当于一个可控单元，控制的灵活性是为了满足当地用电的可靠性和安全性 [13]。欧盟（ EU ）给出的微电网的定义是[9]：利用一次能源（包括可再生能源和不可再生能源），将模块化的微电源配备储能装置连接成网，通过变换器进行调控，实现冷热电三联供（CCHP ）。日本新能源产业技术开发机构（ NEDO ）作出的定义是[9]：在一定区域内（工业区、工业园、住宅区、岛屿和偏远区域）利用可控分布式电源和 FACTS 控制器快速、灵活的为用户供电的小型系统。此外，加拿大、新加坡、韩国等国家也对微电网给出了相关定义，就微电网的概念和结构而言，美国CERTS 是最早提出并且最经典、最具代表性。关于微电网的定义，世界各国目前尚未给出一个统一的标准，结合国内实际情况及发展现状，可将微电网的定义归纳为：由分布式电源、储能系统、用户负荷以及能量转换、监控保护装置组成的小型发配电系统[14]。
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第 2 章 微电网的建模
2.1 风力发电
永磁直驱风力发电机组（ Direct Driven Permanent Magnet SychronousGenerator ， D ?PMSG ）由风轮直接驱动发电机，省去了齿轮箱，采用电力电子控制的全功率变流技术，输出固定频率的电能，其主要优点是：寿命长、风能利用率高、故障率低和维护成本少。永磁直驱发电机组属于变速恒频发电机组，风轮转速随风速变化，特点是瞬时功率可控、能够最大限度的利用风能。本文主要研究永磁直驱风力发电机组的数学模型、控制方法及仿真计算，其系统结构如图 2-1 所示。如图 2-1 所示的 D ?PMSG 系统采用了背靠背双 PWM 变流器拓扑结构的全功率变流器，其中包括机侧整流器和网侧逆变器。通过控制机侧整流器，达到控制机组整流输出、转速调节的目的。采用磁场定向矢量控制技术（ FieldOrientation Control ，FOC ），通过分别控制 dq 坐标系中的 d 轴激磁电流和 q 轴转矩电流，来控制电磁转矩和转速，使发电机跟踪最佳转速，运行在变速恒频状态。
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2.2 光伏发电
光伏（ Photovoltaic ， PV ）发电是根据光伏效应，将太阳福射能直接转换成电能的发电系统，是由光伏电池阵列、储能组件、控制器和逆变器组成。光伏发电系统结构图如图 2-4 所示。PV 发电系统中需在光伏电池阵列与逆变器之间加入 DC/ DC 升压斩波电路，对光伏电池阵列进行最大功率点跟踪控制。对于容量较小的光伏电池阵列，需要将电池阵列输出电压升高以达到并网要求，其结构框图如图 2-4 所示。Boost升压电路的原理是：当 IGBT 导通时，输入电压对 L 充电；当 IGBT 关断时，L 放电，与输入电源电压叠加，完成升压过程。
第 3 章 微电网的控制策略.....24
3.1 逆变器控制策略....... 24
3.1.1 恒功率控制...........24
3.1.2 恒压恒频控制.......26
3.1.3 下垂控制.......28
3.2 综合控制策略........... 30
3.2.1 主从控制.......31
3.2.2 对等控制.......31
3.2.3 分层控制.......32
3.3 本章小结.......... 32
第 4 章 微电网孤岛运行稳定性分析.....34
4.1 微电网仿真系统....... 34
4.2 动态负荷对微电网稳定性的影响........... 36
4.3 微电网稳定性改善措施........... 42
4.4 本章小结.......... 46
第 5 章 结论与展望.........47
第 4 章 微电网孤岛运行稳定性分析
本章采用 PSCAD/ EMTDC 软件对上述各分布式电源、储能系统以及动态负荷进行模型搭建，并构建含动态负荷的微电网孤岛运行拓扑图，拟定不同运行情况，对微电网稳定性进行分析，并提出改善微电网稳定性的措施。
4.1 微电网仿真系统
微电网孤岛模式运行仿真系统拓扑如图 4-1 所示，包含 D ?PMSG、 PV 发电系统、SSMT 发电机组、SC 储能系统以及两台感应电动机（ Induction Motor ，IM ）动态负荷。微电网总体采用以 SSMT 发电机组为主控单元的主从控制方式。感应电动机负荷为 LOAD 1 和 LOAD 2，其中 LOAD 1 的额定功率为 10 k W ，LOAD 2 的额定功率为 20 k W ， IM 动态负荷为 PSCAD/ EMTDC 自带模型。系统电压稳定性是指，系统在满足负荷功率需求的前提下，在受到各种扰动后，能够抑制扰动恢复到原始稳定状态或者过渡到新的稳定状态，维持负荷电压低于其允许范围内的能力。负荷特性是影响电压稳定性的诸多因素中最关键和直接的因素，一般情况下负荷失稳伴随系统电压失稳同时存在。
..........结论
微电网包含大量分布式电源，间歇性随机性强，功率经由不同控制策略的逆变器输出，输出阻抗小，响应快，电压等级低、容量小、对过载时间敏感，在孤岛模式下运行，微电网稳定性易受负荷影响。当含有多个感应电动机动态负荷运行时，除了有类似于恒功率负荷的效应外，还受 s 的影响，由于mT 与21U 成正比，当端电压下降，IM 会增大 s 来满足机械负荷需求，当超过临界 s 时，1I 随着emT 的减小而增大，导致失稳崩溃。本文通过 PSCAD/ EMTDC 软件平台建立了永磁直驱风力发电机组、光伏发电系统、微型燃气轮机发电机组、超级电容储能的仿真模型，并搭建了孤岛运行的微电网模型，其中包含两台感应电动机作为动态负荷。在给定工况仿真模拟感应电动机负荷对微电网造成的影响，然后针对影响进行分析比较，提出采取间隔起动、降低起动负载转矩、增加转子绕组电阻提高起动电磁转矩和失稳切除不重要负荷等四种措施来改善失稳情况，并通过仿真验证了这四种措施的正确性，可以有效提高微电网稳定性。
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参考文献（略）
