【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(xiàn) [1] Willis HL, Scott WG. Distributed power generation – planning and evaluation. 1st ed. Marcel Dekker, ISBN 0824703367。當(dāng) VCM 被激活時(shí)，有一股 300 var 的無(wú)功功率被迅速的注入到了電網(wǎng)中去 ，它旨在調(diào)節(jié)公共耦合點(diǎn)（ 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(wǎng)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(dòng)觀察法 (Pamp。 4. 計(jì)算機(jī)數(shù)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(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬仿真 [10]。這個(gè)問(wèn)題要求盡可能的保持直流母線電壓恒定，以減少動(dòng)態(tài)直流電容電壓 dV 的影響。 中間層控制級(jí) 中間層控制級(jí)使得預(yù)期輸出動(dòng)態(tài)的跟隨由外層控制級(jí)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(jù)持續(xù)輸出功率測(cè)量值的比較結(jié)果來(lái)直接調(diào)整 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的占空比，進(jìn)而調(diào)整水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速。有功功率控制模式所輸出的功率信號(hào) 1rP 被轉(zhuǎn)換成直流信號(hào) 1dri ，作為中間控制級(jí)的基準(zhǔn)電流信號(hào)。為了達(dá)到這個(gè)目的，公共耦合點(diǎn) 10 處電壓向量（ 1dv ）要與參考電壓進(jìn)行比較。可以看出，直軸電流分量與瞬時(shí)有功功率相關(guān)，而交軸電流分量與瞬時(shí)無(wú)功功率有關(guān)。升壓變壓器的激磁電感也可以通過(guò)一個(gè)共同的等值電感 M 考慮進(jìn)去。 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 步進(jìn)式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器（又稱作升壓轉(zhuǎn)換器）或稱作斬波器的單向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由模式切換設(shè)備構(gòu)成，該模式切換設(shè)備基本上要包含兩個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)（一個(gè)整流二極管和自帶反并聯(lián)二極管的晶閘管）和兩個(gè)蓄能裝置（一個(gè)電感器和一個(gè)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(gè)等級(jí) [7]。采用這種方式，逆變器的諧波性能得到提升，同時(shí)，與傳統(tǒng)的二電平逆變技術(shù)還可以獲得更高的效率，和更好的可靠性。此處設(shè)置了一個(gè)不可控三相全波整流橋來(lái)完成交流 直流（ AC/DC）的轉(zhuǎn)換任務(wù)。 圖片 .4 微型水電站的詳細(xì)模型 7 功率調(diào)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(wǎng)的功率調(diào)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(gè)水輪機(jī)效率的表達(dá)，該表達(dá)式是一個(gè)與流量 Q和轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速 u 有關(guān)的函數(shù)，然后，該表達(dá)式在實(shí)驗(yàn)室中通過(guò)試驗(yàn)得到了驗(yàn)證，該表達(dá)式如下： )) ] (50ex p ()(21[),( Qiih ???????? )3( 1]00 )08 ( 1[ ???? ??i ； )( QRA?? ? )4( 6 其中： R: 水輪機(jī)葉片的半徑（ m） A: 水輪機(jī)葉片所覆蓋的面積（㎡） 圖片 .3 試驗(yàn)水輪機(jī)在不同流量下對(duì)應(yīng)測(cè)量的仿真 機(jī)械功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線水輪機(jī)轉(zhuǎn)速特性曲線 圖片 .3 展示了：在 m 固定水頭時(shí)，試驗(yàn)水輪機(jī)對(duì)應(yīng)不同恒定過(guò)流量在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)的機(jī)械功率（軸功率）與水輪機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。因此，不能采用典型的做法，把轉(zhuǎn)輪的機(jī)械能特性簡(jiǎn)單的考慮成拋物線 [4,5]。 圖片 .2 選用軸流式水輪機(jī)的 CAD設(shè)計(jì)圖 該水輪機(jī)在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的參數(shù)為：出力 — 350W，設(shè)計(jì)平均水頭 — ， 5 額定流量 — 35 L/s, 這些都已經(jīng)注示在 圖 .1 的右側(cè)了。該水輪機(jī)是一種由軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)改進(jìn)而來(lái)的軸流定槳式水輪機(jī)，他沒(méi)有槳葉操作機(jī)構(gòu)，也沒(méi)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_(kāi)發(fā)利用河流的一部分只是在特定的時(shí)間段內(nèi)被利用了，這與環(huán)境是很和諧的，而且可以開(kāi) 發(fā)低水頭的水利資源，這很符合國(guó)家發(fā)展方針。這 種控制由多分層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，除了有無(wú)功補(bǔ)償功能外，還在其 3 中設(shè)置了最大功率跟蹤器（ MPPT），以達(dá)到更充分的利用水能的目的。 本文針對(duì)基于更加小型化，輕便化，魯棒性更高，有效性更好的高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)輪的微型水電站（ MHPP）提出了一種先進(jìn)的結(jié)構(gòu)。 近年來(lái)，人們對(duì)微型水電站并入電網(wǎng)的興趣日益增長(zhǎng)，主要是因?yàn)槲⑿退娬?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(shù)，甚至與風(fēng)力發(fā)電相比較，這種基于可再生能源的技術(shù)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(zhǎng)的路要走），上述的困境將會(huì)繼續(xù)持續(xù)增長(zhǎng)，這暗示著需要用技術(shù)替代來(lái)確保這些問(wèn)題能得到解決。通過(guò)這種方法，可以獲得更高的可靠性，而且可以降低整個(gè)電廠的投入消耗。 1 一種先進(jìn)的應(yīng)用于分布式發(fā)電中的微型水電站 的動(dòng)態(tài)模型仿真和控制設(shè)計(jì) 摘 要 小型水電站通常是徑流式電站，它通過(guò)機(jī)械調(diào)速器來(lái)調(diào)節(jié)通過(guò)水輪機(jī)的流量以維持機(jī)組轉(zhuǎn)速恒定，從而控制有功功率的輸出。文中推薦的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)便，它通過(guò)一種與電網(wǎng)連接的新穎的電子功率調(diào)節(jié)系 統(tǒng)可以省去所有的機(jī)械調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。 關(guān)鍵詞 分布式發(fā)電，微型水電站，動(dòng)態(tài)模型，交流 /直流 /交流功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，控制技術(shù) 1. 引言 在過(guò)去的十年里，與能源因素（石油危機(jī)），生態(tài)方面（氣候變化）， 2 電力需求（日益增長(zhǎng)）和批發(fā)市場(chǎng)的金融與監(jiān)管限制等相關(guān)的的問(wèn)題已經(jīng)在全球范圍內(nèi)出 現(xiàn)了?，F(xiàn)在，這種技術(shù)包含了使用不產(chǎn)生環(huán)境污染的可再生能源（ RESs）來(lái)發(fā)電的內(nèi)容，如風(fēng)能發(fā)電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電、水能發(fā)電等等 [2]。這種設(shè)計(jì)通過(guò)較大范圍的調(diào) 節(jié)水流可以實(shí)現(xiàn)高效率，但是使用了復(fù)雜的操作機(jī)構(gòu)，結(jié)果是，這樣做價(jià)格昂貴，對(duì)于大容量系統(tǒng)，更顯得難以負(fù)擔(dān)的起。一種完整且詳實(shí)的微型水電站的模型就這樣問(wèn)世了，一種新的三級(jí)控制方案就這樣被設(shè)計(jì)出來(lái)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(méi)有任何大型的蓄水設(shè)施，如大壩等。更重要的是，通過(guò)用電力電子設(shè)備領(lǐng)域中先進(jìn)的技術(shù)替代傳統(tǒng)的機(jī)械控制機(jī)構(gòu)，可以使整個(gè)電站的可靠性和效率更高。 4 圖片 .1 實(shí)驗(yàn)用微型水電站的布置圖 . 水輪機(jī)特征 所提出的電站所使用的水輪機(jī)是一種基本的反擊式水輪機(jī)，它非常適用于低水頭，低流速的水力開(kāi)發(fā)。該水輪機(jī)時(shí)一種立式機(jī)組，它具有螺旋形蝸殼和徑向布置的導(dǎo)結(jié)構(gòu)。所 轉(zhuǎn)換得到的機(jī)械能與水本身所具有的能量可以通過(guò)水輪機(jī)的效率 h? 聯(lián)系起來(lái)，用方程表示如下： .hmP ?? hydP )2( 由于所選用的進(jìn)行試驗(yàn)的水輪機(jī)幾乎要在轉(zhuǎn)輪允許轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)各個(gè)數(shù)值進(jìn)行試驗(yàn)，所以像通常文獻(xiàn)中那樣，假定轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速之間為線性關(guān)系，是不可取的。所以，作者在文章進(jìn)行了一些近似計(jì)算以變計(jì)算出所選用 進(jìn)行試驗(yàn)的水輪機(jī)的功率特性。因此，水輪機(jī)的控制關(guān)鍵在于可變轉(zhuǎn)速的操作機(jī)構(gòu)以便可以在某個(gè)特定的工況下實(shí)時(shí)跟蹤最大功率點(diǎn)，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(gè)額外的調(diào)節(jié)器來(lái)來(lái)滿足所并電網(wǎng)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?yàn)槿娖诫妷涸葱湍孀兤鞅葌鹘y(tǒng)的不帶頻率切換功能的逆變器結(jié)構(gòu)的輸出電壓波形具有更好的正弦特性。為了達(dá)到此目的，設(shè)置了一個(gè)中間 級(jí) DC/DC 轉(zhuǎn)換器，用來(lái)連接三相全波整流橋的輸出端到逆變器的直流側(cè)總線。這一完美的逆變器通過(guò)一個(gè)等價(jià)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(dǎo)體導(dǎo)電損失的串聯(lián)電阻 sR 在公共耦合 點(diǎn)（ PCC）并入電網(wǎng) [9]。從而，在新的坐標(biāo)系中，瞬時(shí)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(lái)通過(guò)調(diào)整電壓源型逆變器輸出的無(wú)功電流（即交軸分量 1qri ）控制逆變器公共耦合點(diǎn)的電壓。為了達(dá)到這個(gè)目的，有功功 率控制模式的作用在于使得輸入到電網(wǎng)中的有功功率與水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)出的最大功率相一致。不幸的是，測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)著的水輪機(jī)中每時(shí)刻的水流速度是非常困難的；因此，為了避免使用測(cè)量的辦法來(lái)獲得水輪機(jī)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速，有必要才用一種間接的方法。這種被廣泛應(yīng)用在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的 具有良好結(jié)果的算法 [7]結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且需要測(cè)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(xiàng)。這一級(jí)主要由一個(gè)同步組件，一個(gè)三相三電平正弦脈寬調(diào)制（ SPWM）觸發(fā)脈沖發(fā)生器和一個(gè)作用于斬波器的脈寬調(diào)制脈沖發(fā)生器組成。流過(guò)水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的流量按照?qǐng)D片總給定的方式被強(qiáng)制改變（步長(zhǎng)為 1s），從而發(fā)電機(jī)的最大發(fā)出功率也相應(yīng)的改變。還可以觀察到 DC/DC轉(zhuǎn)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(jī) 12 在幾乎恒定的轉(zhuǎn)速下運(yùn)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(shí)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(wǎng)中去了。模擬仿真研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所提出的在同步旋轉(zhuǎn)的交 — 直軸坐標(biāo)系下的多級(jí)控制方法的有效性，并展現(xiàn)了詳細(xì)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