孤岛模式下微网的性能优化控制策略研究

摘要：微网是由分布式电源、负荷、储能、监控和保护装置共同组成的小型发配电系统,它具有并网和孤岛两种运行模式,可提高负荷供电可靠性。微网中的分布式电源通常采用电力电子装置接入电网,电力电子装置惯性小且过载能力差,增加了微网系统的控制难度；而电力电子装置的灵活、可控特性则为微网系统电能质量改善提供了便利条件。基于电力电子装置的运行特性,本文对微网在孤岛模式下的稳定性提高和电能质量改善展开研究,主要工作如下： (1)围绕孤岛模式微网的小信号稳定性分析展开研究。基于李雅普诺夫第一法思想,对微网系统小信号模型计算及稳定性判定方法进行了描述。根据微源的控制特性,建立了单台下垂控制支撑微源(Droop-cntrol surpporting micro source, DSMS)状态方程,并对其小信号模型进行了计算。从多DSMS、供电微源(Feeding micro source, FMS)组网系统的拓扑结构出发,以特定系统为例,阐述了多DSMS、FMS组网系统的小信号模型计算方法。计算了负荷阻抗、下垂增益变化时特定多DSMS、FMS组网系统的特征值,确定了影响系统稳定性的关键参数,并采用时域仿真对关键参数计算结果的正确性进行了验证。 (2)围绕虚拟阻抗对DSMS控制性能的影响展开研究。从等效电路出发,分析不同线路阻抗对DSMS输出功率解耦控制性能的影响,确定了导致DSMS输出功率耦合的原因。给出基于虚拟阻抗实现DSMS功率解耦的控制方法,通过对DSMS实际输出功率的计算,阐述了虚拟阻抗实现DSMS输出功率解耦控制的机理,明确了不同功率耦合程度下虚拟阻抗选取的原则。根据虚拟阻抗的实现方法和线性化模型,分析了虚拟阻抗控制对DSMS输出电压和稳定性的影响。 (3)围绕多DSMS、FMS组网系统的电能质量改善策略展开研究。基于FMS系统的等效电路计算,确定了影响FMS系统谐振频率等效阻抗的关键参数,并对FMS系统的有源阻尼实现方法进行了讨论。从DSMS的谐波等效电路出发,推导了DSMS系统输出电压的谐波分量表示,提出了降低DSMS输出电压谐波分量的控制方法。对DSMS与公共耦合点(Point of common coupling, PCC)电压的基波负序矢量关系进行了分析,确定了导致PCC与DSMS的输出电压基波负序分量差异的原因,提出了基于二次控制降低PCC不平衡电压的控制策略,并分析了二次控制延时对系统稳定性的影响。 (4)围绕含多DSMS微网系统的负荷合理分担问题展开研究。给出了集中式负荷工况下的多DSMS微网系统等效电路,对线性不平衡负荷、非线性负荷工况下DSMS的负荷分担原理进行了分析,确定了线路阻抗对DSMS负荷分担性能的影响。对基于虚拟负序导纳实现负荷合理分担的控制原理进行了分析,提出了采用虚拟阻抗实现多DSMS系统负荷分担性能改善的控制策略。从DSMS基波负序、谐波分量等效电路出发,对DSMS输出电压的基波负序、谐波分量表达式进行了推导,分析了DSMS负荷分担性能改善控制策略对输出电压基波负序、谐波分量的影响。