1.1 研究背景
伴随着人类文明的不断进步,煤炭、石油等一系列不可再生能源的消耗量也在不断地增加,这在提高了人们的物质文化水平的同时,也带来了环境污染、全球变暖、能源危机等问题。为了有效的解决这些难题,人们开始将目光转向太阳能、风能、水能等可再生能源,利用这些能源的可再生性、清洁性来实现绿色电力[1]。2016 年,中国全年新增风电装机容量 1930 万千瓦,累计并网装机容量达到1.49 亿千瓦,占全部发电装机容量的 9%,风电发电量 2410 亿千瓦时,占全部发电量的 4%[2]。而在太阳能方面,光伏电站的累计装机容量达 6710 万千瓦,分布式光伏发电系统的累计装机容量为 1032 万千瓦,全年光伏发电量 662 亿千瓦时,占我国全年总发电量的 1%[3]。这表明,近年来新能源开发利用一直呈现强劲的吸引力。我国作为能源消费大国,尤其是在屡次经历了长时间、大范围的雾霾天气之后,在能源结构调整方面有了明显的转变,新能源的发展也得到了更多的重视。新能源的开发利用进入时新的时期。 早期,可再生能源一般以“集中式并网”模式发展,而负荷集中区域与风光等可再生能源富集地区之间常常表现逆向分布的特点。为了能将这些大型风光基地的清洁能源送达负荷末端,建设高压远距离输电走廊成了必然选择[4]。由于风速和光照强度的非线性、随机性和不可控性等不利特征[5, 6],大型风光电站的接入给电力系统的稳定运行带来了较大的冲击。近年来,在我国频繁出现的风电场事故使得大型风电场的并网小时数偏低,且给电网的稳定运行带来了巨大的挑战,同时大量弃风现象不但影响了投资成本的回收,还造成了巨大的资源浪费。仅 2016年,我国弃风电量高达 497 亿千瓦时,占总风力发电量的 20.6%,其中弃风较为严重的几个省份的弃风率和弃风电量统计数据如图 1-1 所示,从图中可以看出弃风较为严重的甘肃、新疆和吉林地区的弃风率分别高达 43%,38%和 30%[2]。 与传统的大型集中式发电系统相比,小型的分布式发电方式具有很多其他特点:能够实现能源的多样化,提高了可再生能源的利用率和供电的可靠性;分布式发电系统一般靠近负荷侧,可以有效减小电能的传输损耗;分布式发电的合理调度有利于改善电力系统的效率[7];单个电源的容量较小,对电网的冲击比大规模集中式的发电系统更小[8]。近年来,分布式发电的装机容量迅速增加,估计将在今后的几十年内达到非常高的水平。到 2020 年左右,中国的可再生能源在电网中的比重将达到 15%,而到 2050 年该比例将超过 30%。美国、欧盟和印度等地区也计划发展更多的分布式发电,电力系统正在从集中式发电向分布式发电转变[9]。
.........
1.2 微网的发展和研究现状
因为不同的国家和地区对微网研究的重点各异,导致到目前为止世界上对微网的概念并没有达成统一。美国电气可靠性技术解决方案联合会(CERTS)首先提出了微网的概念,随后欧盟一些国家及日本也都根据自己国家的研究重点定义了微网;而我国在 2009 年 3 月召开的“微网技术体系研究”工作会议上也给出了微网的概念。虽然各国定义的微网都不完全一样,但它们的核心观点都是相同的,综合不同的微网概念可以得到微网应该具备如下特征[5]: 1)能够和主电网并网运行,并参与主电网的调频调压工作;2)具备孤岛运行能力,当与主电网断开连接时,微网应该能够作为一个完整的小型电力系统继续运行,为微网内部的本地负荷提供合格的电能。 3)配有合适储能系统,能够补偿可再生能源的随机波动; 4)能够通过微网自身的中央控制系统实现能量的优化调度和自治运行。
.......
第二章 微网逆变器阻抗建模与分析
下垂控制逆变器具有电压源的输出特性,而 PQ 控制逆变器具有电流源的输出特性,二者不同的输出特性将导致其输出阻抗模型的不同。本章分别建立下垂控制逆变器和 PQ 控制逆变器的输出阻抗模型,并分析各环节参数对其输出阻抗的影响情况。
2.1 下垂控制逆变器输出阻抗模型
为了避免繁琐的坐标变换和同步旋转(dq)坐标系下的耦合,控制算法也在 αβ静止坐标系下实现[60]。下垂控制中的功率环采用 P/f 和 Q/V 下垂控制方式。内环采用典型的电压电流双环控制结构,电压环采用 PR 控制器,以实现稳态时候的零静差控制,而电流环主要是为了抑制 LC 滤波器的谐振和改善系统的动态性能,因此采用简单的 PI 控制器[41, 61, 62]。此外,为了提高输出电压的动态响应速度,引入输出电压前馈控制环节。基于 αβ 静止坐标系的下垂控制逆变器控制框图如图 2-3所示,其中,LPF 表示功率计算环节的低通滤波器,Gu(s)表示电压环的 PR 控制器,Gi(s)表示电流环的 PI 控制器。有功和无功的计算公式如式(2.4)所示,功率环的下垂控制方程如式(2.5)所示。当下垂逆变器单独带载运行时,负载对输出电压的影响可以看成是负载电流的扰动,该扰动在逆变器的输出阻抗 Zo和联络线阻抗 Zline上产生一定的压降,导致逆变器在母线点的实际电压低于电压环的参考值。对比式(2.9)和式(2.11)可以看出,当考虑联络线的影响并从母线点观测时,微网中下垂控制逆变器总的输出阻抗有两部分组成,分别为逆变器自身的输出阻抗 Zo和联络线阻抗 Zline。但是在实际的微网中,联络线阻抗 Zline通常是难以改变的,而逆变器自身的输出阻抗Zo主要受控制器参数的影响,且对系统的稳定性有较大的影响[63]。在下一小节中,将对下垂控制逆变器的输出阻抗模型进行详细的分析,从而为设计合适的输出阻抗提供理论依据。
...........
2.2 下垂控制逆变器输出阻抗分析
在本文中,下垂控制逆变器的主电路参数如表 2.1 所示,控制器参数如表 2.2所示。此时电压环开环传递函数 Kopen,闭环传递函数 Ku的波特图分别如图 2-6 和图 2-7 所示,从图 2-6 可以看出电压环开环截止频率约为 440Hz,对应的相位裕度约为 65°,而幅值裕度为无穷大,表明系统具有充分的稳定性。在该参数下电压内环的阶跃响应曲线如图 2-8 所示,系统的超调量约为 8%,且具有很好的跟随性能,设计结果满足要求。 结合表 2.1 和表 2.2 中的参数,可得式(2.11)中逆变器自身输出阻抗,联络线阻抗以及二者之和的波特图如图 2-9 所示,从图中的幅频曲线可以看出,下垂控制逆变器的自身输出阻抗仅在 PR 控制器的谐振频率附近很小,几乎为 0,该频率处总的输出阻抗 Ztol主要由联络线阻抗决定,当需要下垂控制逆变器多机并联运行时,虚拟阻抗应该设计的较大以便于更好的实现功率均分,同时减少联络线阻抗对功率分配精度的影响[64];而在低于 1000Hz 的其他频段却很大且远大于联络线阻抗,此时逆变器总的输出阻抗 Ztol主要由逆变器自身输出阻抗 Zo决定,联络线阻抗的影响可以忽略不计。图中的相频曲线则表明,在低于 1.5k Hz 时逆变器总的输出阻抗 Ztol的相角主要由逆变器自身输出阻抗 Zo决定,且低频段呈纯阻性,在PR 控制器谐振频率附近,由容阻特性转变为阻感特性,而在高频段主要成容性,这是由于 LC 滤波器中的电容在高频段起主要作用导致的。根据式(2.9)中 Zo的表达式可知,逆变器自身的输出阻抗除了与主电路中 LC 滤波器的参数有关外,还与电压电流环的控制器参数有关,本节重点分析电压电流环控制器参数对其自身输出阻抗的影响情况。
第三章 孤岛微网的建模与稳定性分析 ............ 35
3.1 孤岛微网阻抗模型的建立 ......... 35
3.2 基于阻抗模型的微电网稳定性判据 ............. 39
3.3 孤岛模式下微电网稳定性分析 ........... 39
3.4 仿真验证 ....... 43
3.4.1 线路电感对系统稳定性的影响 .......... 43
3.4.2 PQ 控制逆变器数量对系统稳定性的影响 ............. 44
3.5 本章小结 ....... 45
第四章 微网逆变器输出阻抗设计 .......... 47
4.1 下垂控制逆变器虚拟阻抗设计 ........... 47
4.2 PQ 控制逆变器虚拟阻抗设计 .... 52
4.3 稳定性验证 ............. 54
4.4 仿真验证 ....... 57
4.5 本章小结 ....... 60
第五章 总结与展望 .... 62
5.1 本文内容总结 ......... 62
5.2 工作展望 ....... 63
第四章 微网逆变器输出阻抗设计
上一章分析了含有下垂控制和 PQ 控制逆变器的孤岛微网谐振稳定性问题,本章将在此基础上重点研究提高孤岛微网谐振稳定性的方法。根据上一章中从阻抗匹配的角度提出的稳定判据可知,包含有 PQ 控制和下垂控制逆变器的微网稳定性主要受