基于逆变器下垂控制的微电网运行特性及其控制系统研究

能源是社会经济发展的动力,随着常规能源的逐渐衰竭和生态环境问题的日益突出,电力工业需要寻找一条可持续发展的道路。微电网是未来智能化和可持续化电力系统的重要组成部分。微电网有并网和孤岛两种运行模式,在孤岛运行模式下,微电网控制系统应能够进行各分布式电源的功率分配,确保微电网电能质量。采用下垂控制的微电网具有对通信系统的依赖小,可靠性高,运行方式灵活等特点。本文以下垂控制的微电网为研究对象,研究了微电网孤岛模式的运行特性和微电网电压、频率的调节措施,提出了下垂控制的改进方案,最后分析说明了微电网能量管理系统应当实现的功能和完成的任务。具体研究内容如下： (1)论文首先研究了微电网的基本概念、组成元件和中国发展微电网的重要意义,分析了国内外的研究现状和研究热点,指出下垂控制的微电网具有良好的应用前景,本课题的选择具有良好的理论意义和现实意义。 (2)逆变器的端阻抗呈感性,逆变器端电压的幅值与其输出的无功功率正相关且相关性强；端电压与节点母线电压的相角差与有功出力具有较强的正相关性,为此引入Q-V, P-w下垂关系实现解耦控制,即Q-V, P-w下垂控制。论文理论分析了下垂控制微电网的电压和频率的调节特性,得出下垂控制的微电网具有自动调节微电网电压和频率的能力,适当减小P-ω下垂系数可以提高微电网的一次调频能力。 (3)简要介绍了分布式电源的接口逆变器采用下垂控制的控制框图,分析了各控制部分的基本功能,建立了微电网孤岛运行的数学模型,该模型整体考虑了逆变器、网络和负荷的动态特性以及它们之间的相互影响。以一孤岛运行的微电网为例,进行了特征值计算分析和Matlab/Simulink仿真分析,分析结果表明：下垂系数对微电网的稳定性影响大；通过自动调节分布式电源的输出功率,实现分布式电源和负荷的即插即用；与扰动点近的分布式电源在暂态过程中承担较多的不平衡功率；扰动会引起微电网电压和频率的偏移,可以通过调节逆变器有功、无功设置参数调节负荷功率的分配,实现无差调整。 (4)针对传统下垂控制存在环流、响应慢等动态性能问题,论文提出了下垂控制的一种改进方法,其中每一个表达式都考虑了有功功率、无功功率的影响,对相关性大的元素增加下垂因子,并引入其微分项。建立了基于改进下垂控制的逆变器的小信号模型,经过计算分析得出,逆变器相角、阻抗角及各下垂系数都会不同程度的影响稳定性。运用Matlab/Simulink仿真,对比分析了微电网传统下垂控制和改进下垂控制,证明本文提出的改进下垂控制可以改善微电网的动态性能。 (5)论文最后理论分析了微电网能量管理系统的工作任务,分析了可能的实现方式,介绍了相关文献提出的微电网的经济调度和优化运行的策略,和一种性能良好、被广泛研究的优化算法-粒子群算法。