【正文】 nnected MHPP is to transfer the maximum hydro power into the electric system. In this way, the APCM aims at matching the active power to be injected into the electric grid with the maximum instant power generated by the hydraulic turbine generator. The generated output power signal 1rP is then converted to a direct current reference ( 1dri ) for the middle level control. Maximum power point tracking means that the MHPP is always supposed to be operated at maximum output voltage/ current rating. From Eqs. (3) and (4), the optimal rotational speed u opt of the hydraulic turbine rotor for a given water flow rate Q can be used to obtain the maximum turbine efficiency maxh? and then the maximum mechanical output power of the turbine. Unfortunately, measuring the water flowing per second in the rotor of the hydraulic turbine is difficult。nPrats MA, et al. Power electronic systems for the grid integration of renewable energy sources: a survey. IEEE Transactions on Industrial Electronics June 2021。34(2):409– 15. [4] Fang H, Chen L, Dlakavu N, Shen Z. Basic modeling and simulation tool for analysis of hydraulic transients in hydroelectric power plants. IEEE Transactions on Energy Conversion Sept 2021。 13 參考文獻 [1] Willis HL, Scott WG. Distributed power generation – planning and evaluation. 1st ed. Marcel Dekker, ISBN 0824703367。當 VCM 被激活時，有一股 300 var 的無功功率被迅速的注入到了電網中去 ，它旨在調節(jié)公共耦合點（ PCC）處的電壓。在這種情況下，與有最大功率跟蹤器參與控制的情況相比較，輸入到電網中的有功功率要平均少 30%左右。正如觀察到的那樣，采用擾動觀察法 (Pamp。 4. 計算機數字模擬仿真 為了研究所提出微型水電站模型和控制算法的效果，需要利用MATLAB/ Simulink 中 SimPowerSystems（ 電力系統(tǒng)仿真工具 ）進行計算機數字模擬仿真 [10]。這個問題要求盡可能的保持直流母線電壓恒定，以減少動態(tài)直流電容電壓 dV 的影響。 中間層控制級 中間層控制級使得預期輸出動態(tài)的跟隨由外層控制級整定參考值（圖片 .5 的中間部分）。本文中微型水電站的控制策略是依據持續(xù)輸出功率測量值的比較結果來直接調整 DC/DC 轉換器的占空比，進而調整水輪機的轉速。有功功率控制模式所輸出的功率信號 1rP 被轉換成直流信號 1dri ，作為中間控制級的基準電流信號。為了達到這個目的，公共耦合點 10 處電壓向量（ 1dv ）要與參考電壓進行比較。可以看出，直軸電流分量與瞬時有功功率相關，而交軸電流分量與瞬時無功功率有關。升壓變壓器的激磁電感也可以通過一個共同的等值電感 M 考慮進去。 DC/DC 轉換器 步進式 DC/DC 轉換器（又稱作升壓轉換器）或稱作斬波器的單向拓撲結構由模式切換設備構成，該模式切換設備基本上要包含兩個半導體開關（一個整流二極管和自帶反并聯(lián)二極管的晶閘管）和兩個蓄能裝置（一個電感器和一個濾波電容器），這樣就可以使得輸出的直流電壓比輸入的直流電壓高一個等級 [7]。采用這種方式，逆變器的諧波性能得到提升，同時，與傳統(tǒng)的二電平逆變技術還可以獲得更高的效率，和更好的可靠性。此處設置了一個不可控三相全波整流橋來完成交流 直流（ AC/DC）的轉換任務。 圖片 .4 微型水電站的詳細模型 7 功率調節(jié)系統(tǒng) 用于連接可再生能源發(fā)電系統(tǒng)到分布式電網的功率調節(jié)系統(tǒng)所需要電功率具有較高的靈活性，有效性和可靠性 [6]。作者先假定了一個水輪機效率的表達，該表達式是一個與流量 Q和轉輪轉速 u 有關的函數，然后，該表達式在實驗室中通過試驗得到了驗證，該表達式如下： )) ] (50ex p ()(21[),( Qiih ???????? )3( 1]00 )08 ( 1[ ???? ??i ； )( QRA?? ? )4( 6 其中： R: 水輪機葉片的半徑（ m） A: 水輪機葉片所覆蓋的面積（㎡） 圖片 .3 試驗水輪機在不同流量下對應測量的仿真 機械功率與轉速關系曲線水輪機轉速特性曲線 圖片 .3 展示了：在 m 固定水頭時，試驗水輪機對應不同恒定過流量在穩(wěn)定運轉狀態(tài)時的機械功率（軸功率）與水輪機轉速的關系曲線。因此，不能采用典型的做法，把轉輪的機械能特性簡單的考慮成拋物線 [4,5]。 圖片 .2 選用軸流式水輪機的 CAD設計圖 該水輪機在實驗室測得的參數為：出力 — 350W，設計平均水頭 — ， 5 額定流量 — 35 L/s, 這些都已經注示在 圖 .1 的右側了。該水輪機是一種由軸流轉槳式水輪機改進而來的軸流定槳式水輪機，他沒有槳葉操作機構，也沒有上部受油器。本文所提出的微型水電站的建模方法基于 圖片 .1 所示的框架?？砷_發(fā)利用河流的一部分只是在特定的時間段內被利用了，這與環(huán)境是很和諧的，而且可以開 發(fā)低水頭的水利資源，這很符合國家發(fā)展方針。這 種控制由多分層結構構成，除了有無功補償功能外，還在其 3 中設置了最大功率跟蹤器（ MPPT），以達到更充分的利用水能的目的。 本文針對基于更加小型化，輕便化，魯棒性更高，有效性更好的高轉速轉輪的微型水電站（ MHPP）提出了一種先進的結構。 近年來，人們對微型水電站并入電網的興趣日益增長，主要是因為微型水電站 被證明是一種具有優(yōu)良的性能與可行性，而且投資消耗低的技術，甚至與風力發(fā)電相比較，這種基于可再生能源的技術需要更小的投資消耗[3]。在找到有效的解決方案以前（還有很長的路要走），上述的困境將會繼續(xù)持續(xù)增長，這暗示著需要用技術替代來確保這些問題能得到解決。通過這種方法，可以獲得更高的可靠性，而且可以降低整個電廠的投入消耗。 1 一種先進的應用于分布式發(fā)電中的微型水電站 的動態(tài)模型仿真和控制設計 摘 要 小型水電站通常是徑流式電站，它通過機械調速器來調節(jié)通過水輪機的流量以維持機組轉速恒定，從而控制有功功率的輸出。文中推薦的設計更加簡便，它通過一種與電網連接的新穎的電子功率調節(jié)系 統(tǒng)可以省去所有的機械調節(jié)機構。 關鍵詞 分布式發(fā)電，微型水電站，動態(tài)模型，交流 /直流 /交流功率調節(jié)系統(tǒng)，控制技術 1. 引言 在過去的十年里，與能源因素（石油危機），生態(tài)方面（氣候變化）， 2 電力需求（日益增長）和批發(fā)市場的金融與監(jiān)管限制等相關的的問題已經在全球范圍內出 現(xiàn)了。現(xiàn)在，這種技術包含了使用不產生環(huán)境污染的可再生能源（ RESs）來發(fā)電的內容，如風能發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電、水能發(fā)電等等 [2]。這種設計通過較大范圍的調 節(jié)水流可以實現(xiàn)高效率，但是使用了復雜的操作機構，結果是，這樣做價格昂貴，對于大容量系統(tǒng)，更顯得難以負擔的起。一種完整且詳實的微型水電站的模型就這樣問世了，一種新的三級控制方案就這樣被設計出來了。 微型水電站模型 所提及的水電站是一種徑流式電站，因此沒有任何大型的蓄水設施，如大壩等。更重要的是，通過用電力電子設備領域中先進的技術替代傳統(tǒng)的機械控制機構，可以使整個電站的可靠性和效率更高。 4 圖片 .1 實驗用微型水電站的布置圖 . 水輪機特征 所提出的電站所使用的水輪機是一種基本的反擊式水輪機，它非常適用于低水頭，低流速的水力開發(fā)。該水輪機時一種立式機組，它具有螺旋形蝸殼和徑向布置的導結構。所 轉換得到的機械能與水本身所具有的能量可以通過水輪機的效率 h? 聯(lián)系起來，用方程表示如下： .hmP ?? hydP )2( 由于所選用的進行試驗的水輪機幾乎要在轉輪允許轉速范圍內各個數值進行試驗，所以像通常文獻中那樣，假定轉矩和轉輪轉速之間為線性關系，是不可取的。所以，作者在文章進行了一些近似計算以變計算出所選用 進行試驗的水輪機的功率特性。因此，水輪機的控制關鍵在于可變轉速的操作機構以便可以在某個特定的工況下實時跟蹤最大功率點，這樣就可以源源不斷的從水流中提取最大的功率。這種情況就需要一個額外的調節(jié)器來來滿足所并電網的幅值和頻率要求。首選三電平電壓源型逆變器而非其他類型逆變器，是因為三電平電壓源型逆變器比傳統(tǒng)的不帶頻率切換功能的逆變器結構的輸出電壓波形具有更好的正弦特性。為了達到此目的，設置了一個中間 級 DC/DC 轉換器，用來連接三相全波整流橋的輸出端到逆變器的直流側總線。這一完美的逆變器通過一個等價于升壓變壓器漏抗的電感 sL 和一組代表變壓器繞組電阻及電壓源型逆變器半導體導電損失的串聯(lián)電阻 sR 在公共耦合 點（ PCC）并入電網 [9]。從而，在新的坐標系中，瞬時電壓向量始終與直軸保持一致（即 dv = ||v ， 0?qv ）。 電壓控制模式用來通過調整電壓源型逆變器輸出的無功電流（即交軸分量 1qri ）控制逆變器公共耦合點的電壓。為了達到這個目的，有功功 率控制模式的作用在于使得輸入到電網中的有功功率與水輪發(fā)電機組發(fā)出的最大功率相一致。不幸的是，測量轉動著的水輪機中每時刻的水流速度是非常困難的；因此，為了避免使用測量的辦法來獲得水輪機的最優(yōu)轉速，有必要才用一種間接的方法。這種被廣泛應用在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的 具有良好結果的算法 [7]結構簡單，而且需要測量的變量較少。從方程（ 6）還可以看出，其中包含了直流電容電壓 dV 這一附加項。這一級主要由一個同步組件，一個三相三電平正弦脈寬調制（ SPWM）觸發(fā)脈沖發(fā)生器和一個作用于斬波器的脈寬調制脈沖發(fā)生器組成。流過水輪機轉子的流量按照圖片總給定的方式被強制改變（步長為 1s），從而發(fā)電機的最大發(fā)出功率也相應的改變。還可以觀察到 DC/DC轉換器固定電壓控制的情況，即最大功率跟蹤器不參與控制，而且水輪機 12 在幾乎恒定的轉速下運作（圖中綠色虛線所示部分）。正如看到的那樣，與僅有 APCM 被激活時的情況相同，微型水電站發(fā)出的有功功率除去部分損失外全部注入到電網中去了。模擬仿真研究和實驗結果證明了所提出的在同步旋轉的交 — 直軸坐標系下的多級控制方法的有效性，并展現(xiàn)了詳細的模型。1(6):16– 8. [3] Date A, Akbarzadeh A. Design and cost analysis of low head simple reaction hydro turbine for remote area power supply. Renewable Energy 2021。 n E, PortilloGuisado RC, Mart?180。 August 2021. p. 1– 8. [9] OlsenBerenguer FA, Molina MG. Design of improved fuel cell controller for distributed generation systems. International Journal of Hydrogen Energy, in press, doi:[10] The MathWorks Inc.. SimPowerSystems for use with Simulink: user’ s guide, updated for Simulink (Release 2021a). Available a