微网环境下多源并网运行及复合控制研究

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微电网是分布式新能源发电主要方式之一,它是将分散的微电源(DG)联合起来构成一个小型的供电网络来为本地负荷供电或通过PCC连接点接入大电网,可在并网模式和孤岛模式下运行。微电网中的DG一般采用逆变器型接口,这不仅增加微网控制的灵活性,也增加系统稳定性维持的难度。分布式DG受外界干扰作用明显,其电能质量和发电量不能够得到可靠保证,这就要求有效的控制策略来确保用户对供电质量的要求。同时,多个分布式DG并联运行有利于扩大微网容量,但各DG间存在电压幅值和频率的变化以及功率分配不合理的问题不利于系统的稳定。因此,本文总结国内外微电网控制技术与多微源并联运行控制方面的研究动态,分析几种常用的控制方法,并在此基础上提出了改进策略来改善微电网环境下多DG并联运行时功率分配不合理的问题。此外,论文还详述了多微电源环境下微网动态运行仿真及特性分析、微电网电能质量等方面的特殊问题与复合控制。基于平衡假设的解耦前馈定功率控制是微网常用的控制策略,通过对该控制策略的功率分析,并采取开关函数法来分析微源逆变器的输出性能。针对电网电压在不平衡情况下的3次谐波和负序现象,在原来恒功率控制策略基础上增加一个负序电压抑制环,使微源逆变器产生一个和PCC点不平衡电压里的负序分量相位相同、大小相等的电压,实现微网在并网点的三相对称控制并抑制3次谐波输出。仿真和实验结果表明,改进的微网不平衡定功率控制提高了其在电网电压非对称工况下的生存能力。介绍了微电源下垂控制(Droop control)、恒压恒频控制(V/f control)和恒功率控制(PQ control)三种控制策略基本原理并进行仿真研究,结果表明:下垂控制能够使得微电源沿着下垂曲线进行自主地调节,恒压恒频控制能够实现频率和电压恒定,定功率控制能够实现输出功率恒定。建立了单微源逆变器实验样机,验证了在并网模式、离网模式、控制算法转换与离网模式下增/切负荷控制策略的正确性。设计了一种负荷-储能混合系统(LSHS),介绍了其组成结构、控制流程与控制策略。分析了混合系统参考功率指令来源,探索了其在紧急控制中的应用。仿真结果表明,负荷-储能混合系统可抑制间歇性微电源的功率波动、改善电网有功平衡水平及调频调压,从而提高微网控制建设的经济性及柔性。介绍了微电网多逆变电源并联运行时的功率分配机理及其相互间的无功和有功环流变化规律,具体地分析了线路等效输出阻抗对功率流动的影响机制与传统下垂控制策略的局限性。为此提出了一种改进的Q-En下垂控制和En电压恢复机制法来改善无功功率的分配,分析了其控制原理,并将此改进法运用到含多微电源并联运行的系统中。对不同的运行工况进行了仿真和实验分析,结果表明此方法能较好地改善功率分配不合理问题,设计的控制器具有很强的鲁棒性。介绍了风力发电机、太阳能电池、微燃机等微电源的数学模型并搭建了相应的仿真模型,对其动态特性进行了仿真研究,验证了不同运行模式下控制策略的有效性。建立了包含四个微电源的微网仿真模型,分析其在联网时环境改变、微源切除、运行模式转换与离网时负荷变化等不同情况下的动态运行特性。仿真结果表明了控制策略的恰当选取能够使得微网相对于传统电网可控且动态性能良好,联网时对大电网不会产生大的冲击、而离网时运行平稳。提出一种能补偿不平衡、谐波和无功电流的多功能逆变器拓扑结构,同时研究了其在微网中应用。对此拓扑进行了数学建模,通过加权电流反馈思想给出了其并网电流跟踪控制方法,设计了P1控制参数。给出了简洁有效的电能质量补偿和并网功率跟踪两部分指令电流生成算法。最后,通过PSCAD/EMTDC验证了该方法的正确性和有效性。仿真实验表明,此多功能逆变器能同时改善微电网电能质量及控制配电网与微网之间的潮流,在必要情况下可为电网提供一定的无功和有功。为使微电网融入配电网并担当更多责任,将现有的电能质量控制器与微电网协同使用是种新思想。提出了一种由微电网和静止无功发生器(Static Var Generator, SVG).组成的无功电压协同混杂控制系统。将容量更小的SVG作连续子系统来连续快速地调节无功;将微电网作离散子系统来供给分级的大容量无功功率,两者的协同运行来实现无功电压的快速调整。仿真表明,此协同控制系统能够很好地抑制电压波动,提高了供电电压质量,减少了原来电力装备的容量,同时微电网无功功率可实时调度,SVG则提高了微电网生存能力,使微源逆变器在供能同时发挥电能质量调节作用。
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