微电网并网系统的控制器的设计与分析.doc

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题目：微电网并网系统的控制器的设计与分析

学院：电气工程学院

专业:电力电子与电力传动

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题目：微电网并网系统的控制器的设计与分析

学院：电气工程学院

专业:电力电子与电力传动

学号：S13080804004

姓名：唐福顺

摘要
——这篇文章主要讲述了微电网并网控制器的设计与分析。控制器包括对于每个分布式电源的内部电压和电流环控制环和外部控制功率均分以及控制由并网转为孤岛运行模式下的功率分配问题的外部有功无功控制环。控制器还包括同步算法来确保当故障清除后平滑的自动并网。通过控制器的合理搭建，可以实现系统可以在并网和孤岛模式转换过程中并不影响外界的负荷。并且通过仿真和实验验证了这一结论。
引言
近年来，越来越多的新能源或者是微能源例如光伏，小型风机，燃料电池开始以分布式电源的形式并入大电网。随着分布式电源的发展，包含着许多系统化的分布式电源的微电网这个概念随之产生。与传统的集中式电源相比，微电网可以在并网和孤岛两种模式下运行，因而提高了系统的稳定性和电源质量。额外它还包含了所有单个微电网系统的优点。为了更好地控制微电网，在并网和孤岛运行模式下我们采用外部了功率环和内部电压环双重控制。这些控制算法应该在各个并联的分布式电源之间没有信息连接，可以分开单独控制。因此，每一个分布式电源的控制算法应该只使用自己当地能测量到的变量进行反馈。还有，我们还期望当大电网出现故障离网时，各个分布式电源之间能够迅速反应来合理的分配自己的输出功率来保证功率平衡以及当故障清除后微电网和大电网的再次同步运行然后平滑并网。
为了实现上述性能，本文对各个分布式电源采用一种统一的控制器设计方法。即，在控制输出电压的前提下，设计控制器控制功率环，它能够控制并网模式下的功率流动，能够保证在孤岛模式下使各个分布式电源有功和无功的合理分配，以及在再次并网之前实现微电网和大电网的再同步。这种控制器响应迅速，并且保证微电网能够在并网和孤岛两种模式下平滑转换并且不影响与其相连接的负载。通过仿真和实验验证了这种控制器设计具有良好的效果。
系统配置
Fig1展示了本文的微电网配置图，这里采用了两个并联的分布式电源DG1和DG2.每个分布式电源由直流源、ＰＷＭ控制的电压源型逆变器以及LC滤波器。在正常的运行模式下，微电网通过STS（静态转换开关）在PCC点处与大电网相连接。在这种模式下，两个分布式电源来提供对负载123的功率和电压支持，这种配置减少了大电网的负担和大电网的功率传送并且提高了负荷的对大电网扰动的抗干扰能力。

Fig 1 微电网的配置
当大电网出现故障时，在半个周期内STS打开来断开微电网和大电网之间的连接，那么这这时候两个分布式电源成为了独立的电源通过能量分配策略来供应给负荷不间断的能量。
随后，当故障清除后，在STS再次闭合来平滑的返回并网模式下之前微电网需要与大电网的再同步。
控制器设计
这部分展示了控制器设计方法来使fig 1中的微电网按照fig2所示的一样运行（本文的方法也适合于更复杂的多个分布式电源的微电网，本文只是针对双分布式电源作为说明。）

Fig2 包含控制策略和ＬＣ滤波器的三相并网逆变电路图
Ａ　内部电压和电流控制环
控制三相电压型逆变器的内部的电流环和电压环控制策略见上图所示，通过设置外部电容电压反馈系统Ｋv来使电容电压{V a，V b,Ｖc}追踪上给定的正弦信号，并且在一定的可以接受范围内的THD情况下。电压补偿器的输出信号作为电流环的给定信号通过与反馈信号比较后通过电流系数Ki产生调制信号。内部电流环的作用主要是稳定系统并且提高系统的动态响应（因为电流信号被测量出来的速度要快于电压信号）。最后输出的调制信号反馈到SPWM来产生高频的驱动信号来驱动三相电压型逆变器。
首先，针对fig2模型，我们可以得出如下：

这里，代表着每个半导体的开关状态，当=1开关为闭合，=0，开关为断开，是直流电压值。
假设三相对称负载和三相对称电压。即

把（4）（5）式带入（1）——（3）中，得到

对于高频调制信号，那么可以写成

这里，σ代表相角偏移，m代表调制深度，通过变换后得到，

然后最后的方程可以写成

这里，指的是调制信号，Ｃ代表滤波电容，Ｖc代表电容电压，相应的电流环方框图如fig3，在这里，负载电流看成一个扰动输入信号。

Fig3 电流内环方框图
那么，相应的传递函数为：

根据传递函数并且令Ki=1，我们画出伯德图如下，

Fig４ 伯德图
理想状态，通过增大来使的带宽应该无穷大，来更好的追踪所有的输入信号，但更好的动态响应以及更好的抑制干扰信号，但是更大的Ｋｉ会导致系统的不稳定性，一个很好地折中就是在基频附近提供一个比较好的带宽即可，那么我们设定Ｋｉ＝１，这样我们可以得到=-0.00348dB=0.9996并且在基频附近有一个比较小Ic/Iload。
一旦电流环设计好以后，下一步我们就开始设计电压增益，它的开环传递函数可以写成

Fig5 闭环电压传递函数
类似于电流环，我们只需要设计一个简单的电压系数来消除相角偏差，这个Kv应该在系统稳定性和高带宽之间取一个折中。本文中，Kv取值需要满足在基频下电压稳态误差低于2%。 因此，Ｋｖ＝４的仿真伯德图如，可见，稳态电压误差在１.９６％相角偏差１.１２４度。
性能能够可以通过一个电压前馈来更好的得到提升，相应的方框图如Ｆｉｇ６.

Fig６.包含电压前馈的电压电流双环控制方框图
这个传递函数的前馈通道可以写成，考虑前馈通道后，那么，闭环传递函数可以写成

相应的伯德图如Fig7，观察图形，我们可以清晰地看出，前馈通道可以增加带宽因此有一个更好的动态响应，并且电流负载几乎不影响电压闭环性能。

Fig 7 相应伯德图
Ｂ 外部有功无功率环
从概念上讲，两个节点间的P由频率控制，与之相对应的是Q由电压幅值控制，那么根据这个概念，外部的有功无功环可以提出无论是在并网还是孤岛运行模式下。
1） 从并网到孤岛模式下的转换，当ＳＴＳ断开时，那么分布式电源必须迅速的承担起增加的功率来维持功率平衡。这种功率分配的施行不需要相互之间的通信只需要在控制器之间的Ｗ－Ｐ　Ｅ－Ｑ　控制特性即可完成。Ｆｉｇ８所示的Ｗ－ｐ下垂特性应用于Ｆｉｇ１中的分布式电源中，这些下垂特性曲线应该相互协调来使每个分布式电源根据他们的容量来供应武功和有功大小。相应的数学表达式如下：

Fig8. P-w下垂曲线

这里，是每个分布式电源实际的输出功率，分别是有功功率的最大自和最小允许运行的频率。分别是给定的有功功率和频率，是下垂特性系数，相应的方框图见Fig9.至于同步控制器下本在介绍。

Fig9包含同步算法的有功控制环
根据Fig8，每一个分布式电源开始并网运行在基频W*（50Hz）和额定输出有功频率P*，一旦孤岛后，每个分布式电源必须根据下垂特性调整他们的输出有功功率来在一个稍微降低的频率上满足有功功率平衡。这就要求每个分布式电源根据自身的容量来来调整自己的输出下垂曲线以达到功率平衡。这里，说明一下，孤岛模式下降低的频率对微电网再同步和在并网都是非常有利的，并且它还能作为系统是在并网状态还是孤岛状态的一种指示器。
类似，通过改变每个分布式电源的电压幅值来调整无功功率也有相应的下垂曲线，其Ｑ－Ｅ下垂特性用表达式写成：

这里，代表实际的输出的无功功率，分别是给定的有功功率和电压幅值，代表下垂斜率，那么这个相应的方框图如Ｆｉｇ１０，其中同步算法下文再详细介绍。

Fig10 包含同步算法的无功控制环
但是Q-E下垂特性有个复杂之处，那就是分布式电源的输出电压必须不同于并网的大电网电压，这样才能保证保证在并网模式下正常的无功功率控制。因此，Q-E特性不能直接用于并网模式下的无功功率控制。这一点不同于P-w控制因为每一个分布式电源和大电网在并网模式下具有相同的频率，因此允许在并网和孤岛模式下采用相同的Ｐ－Ｗ下垂特性控制算法。
一个良好的解决这个问题的办法就是在并网模式下加一个额外的ＰＩ调节器如图Fig10 　所示，当并网时，选择PI调节器来控制无功功率，保证输出的无功功率无偏差的跟踪上给定的无功功率。在这里PI调节器的参数设置为由于参数比较小，所以反应时间比较长，这样就可以实现内部电压电流环和外部有功功率环的解耦。当大电网出现故障孤岛运行时，控制器选择到Q-E下垂特性上去，这样可以确保微电网能够平滑的从并网过渡到孤岛运行模式下。
2）从孤岛模式转换为并网模式：当大电网恢复正常运行后，那么微电网必须实现再同步然后才可以在并网。同步算法可以通过控制微电网和电网电压的电压差和相角差来控制，然后把这种想法付诸于实际见图Fig9 和Fig10.这两个控制器的输入信号就是STS开关两端的电压幅值差和相角差，输出信号反馈到有功和无功环来使微电网电压幅值和相角完全跟踪上大电网的幅值和相角。一旦在同步并且闭合STS后，马上解除同步控制器并且设定他们的输出为0以便不影响并网模式下的正常运行。
在本文中，每个同步控制器的反应时间设为在0.5s左右，来确保电压幅值和频率在负荷允许的承受范围能力内。基于这个目标，那么相应的频率同步PI调节器参数为并且对于频率控制器而言饱和限幅为。幅值同步控制器参数为
并且饱和限幅为.
当多个分布式电源并网时存在一个问题，那就是个各分布式电源必须有着相同的电压幅值和频率变化特性来避免分布式电源内部之间的环流。由于每个同步控制器都采用相同的输入信号，因此只要对每个分布式电源使用相同的控制器参数就可以解决这一问题。
总结，最终的控制方框图如Fig11

Fig11 总体控制器结构图
通过实验搭建电路图来进行仿真如图Fig12

Fig12. 实施数字仿真的实验设备
A 并网到孤岛模式
Fig13和Fig14展示了从t=6s开始为微电网从并网模式转换为孤岛模式的有功和无功功率变化图。Fig13清晰地展示了两个分布式电源有功功率呈现比例性的增加。而Fig14展示了无功功率略微不成比例的增加。这是因为下垂特性的准确性被两个分布式电源的线阻抗所干扰。

Fig13 由并网到孤岛模式下有功功率变化曲线
Fig14从并网到孤岛运行下的无功功率变化曲线
B从孤岛到并网模式
Fig15展示了在t=6s时进行再同步算法，很明显，控制器成功的实现了微电网电压完全无偏差的跟踪上了大电网电压并且分布式电源内部之间没有环流。

Fig15 微电网和电网的再同步
Fig16和Fig17展示了在再同步过程中有功功率和无功功率的变化，

Fig16 再同步过程分布式电源有功功率变化曲线

Fig17 再同步过程中无功功率的变化曲线
这些数据显示再同步过程中有功功率无功功率都在增加，这是为了输出更高的输出电压。Fig18和19展示了在t=13s在次并网过程中有功和无功功率的变化。

Fig18 再次并网过程中有功功率变化曲线

Fig19 在并网过程中无功功率的变化曲线
总结
本文讲述了一种微电网统一的控制器的设计方法。控制器包括内部电压电流环来控制并网逆变器，和外部的有功无功环来控制功率的流动，特别是控制电网故障时，微电网孤岛运行模式下的功率分配问题。提出的控制器还包括同步算法，它用于当故障清除后，微电网处于孤岛和并网的边缘时使微电网和电网同步。仿真和实验证实了这种控制器无论在并网还是孤岛模式还是在转换模式下都具有良好的性能和鲁棒性。

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题目：微电网并网系统的控制器的设计与分析

学院：电气工程学院

专业:电力电子与电力传动

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