微电网并网系统控制器设计方案与分析.docx

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：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Ｋ v 来使电容电压 {V a， V b,Ｖ c} 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， Sj 代表着每个半导体的开关状态， 当 Sj =1 开关为闭合， Sj =0，开关为断开， Vdc 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 Sj 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， m m cos(wt ) 指的是调制信号，Ｃ代表滤波电容，Ｖ c 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 Ki 来使 I c / I c 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 I c / I c =-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 .Fig ６ .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 I c* Vc* Cs ，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， Pj (t) 是每个分布式电源实际的输出功率，{ Pj , max ,wmin } 分别是有功功率的最大自和最小允许运行的频率{ P *, w* } 分别是给定的有功功率和频率，j 是下垂特性系数，相应j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P* ，的 Wss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， Q j (t) 代表实际的输出的无功功率， { Qj * , E * } 分别是给定的有功功率和电压幅值，j 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Fig10定的无功功率 在这里 PI 调节器的参数设置为 K p0.0003, K i 0.0055 由于参数比较小，所以反。