【正文】 同時(shí)由于在設(shè)計(jì)時(shí)近似忽略了外環(huán)輸出電壓對內(nèi)環(huán)的影響，所以過高的比例凋節(jié)系數(shù)可能會導(dǎo)致系統(tǒng)的相角裕度變小，使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，實(shí)際系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器的增益取值可能要比設(shè)計(jì)值低得多。 早期逆變電源單機(jī)的數(shù)字控制，由于受微處理器的速度限制，大多采用輸出電壓的有效值反饋。一般的 LC濾波器，雖然其結(jié)構(gòu)和參數(shù)選取簡單，但無法平抑輸出電流的高頻紋波，容易因電 網(wǎng)阻抗的不確定性而影響濾波效果。載波 cu 為全波三角波，頻率為 cf ,幅值為 cmU 。考慮到工頻隔離變壓器 1： 2的變比因數(shù)和開關(guān)管 IGBT的耐壓值，選取直流側(cè)輸入電壓 Ud的范圍為 200～ 450Vdc。設(shè)微電網(wǎng)內(nèi)無功負(fù)荷波動后，微電源逆變器的無功功率 — 電壓的下垂特性如曲線燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 QRL 所示，輸出無功功率的最大值變?yōu)?RQmax, ，下垂曲線的斜率變?yōu)?Rn 。因此，針對微電源輸出的功率控制，逆變器可采用模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)控制特性的有功功率 — 頻率下垂特性與無功功率 — 電壓下垂特性的控制方法，對微電源逆變器的輸出功率進(jìn)行靈活控制。 微電網(wǎng)下垂控制策略 概述 由于微電網(wǎng)的提出是基于 UPS并聯(lián)的思想，所以模擬傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)下垂特性的逆變器并聯(lián)技術(shù)在微電網(wǎng)中得到了深入的研究和廣泛的應(yīng)用，近年來，逆變電源并聯(lián)技術(shù)在諸多工業(yè)領(lǐng)域中發(fā)展迅速，國內(nèi)外的許多專家學(xué)者對此提出了各種各樣的控制策略，其中大部分控制策略可以歸類為有聯(lián)絡(luò)線的并聯(lián)模式。當(dāng)微電網(wǎng)轉(zhuǎn)入孤島運(yùn)行后，由于電網(wǎng)電壓的缺失，所以這些量必須由網(wǎng)內(nèi)的逆變器來調(diào)節(jié)。除上述提及的幾點(diǎn)外，微電源也是微電網(wǎng)技術(shù)的研究重點(diǎn)。但是，中國微電網(wǎng)的發(fā)展尚處在起步階段。 日本將傳統(tǒng)電源供電的獨(dú)立電力系統(tǒng)也加入微電網(wǎng)研究范疇．大大擴(kuò)展了美國 CERTS對微電網(wǎng)的定義范圍。 第 5章：系統(tǒng)的仿真及結(jié)果分析。微電網(wǎng)不僅能夠有效提高能源的梯級綜合利用效率，而且可作為主電網(wǎng)的有效互補(bǔ)電網(wǎng)，提高供電可靠性和電能質(zhì)量，是國內(nèi)外電氣工程研究領(lǐng)域的最新前沿課題之一。該策略在改善微電網(wǎng)的穩(wěn)定性，最大限度地限制過流情況發(fā)生等方面都具有顯著特點(diǎn)，而且能實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程的無縫切換，同時(shí)也為不同響應(yīng)時(shí)間的儲能裝置選擇合適的控制策略提供了可能。我國國家電網(wǎng)公司已提出立足自主創(chuàng)新，加快建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，具有信息化、數(shù)字化、自動化、互動化特征的統(tǒng)一智能電網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)，并公布了分三個(gè)階段推進(jìn)的“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”建設(shè)。本章節(jié)主要描述了逆變器的工作原理和設(shè)計(jì)了主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，并且對主電路中主要參數(shù)進(jìn)行計(jì)算選擇。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 圖 微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu) 微電網(wǎng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 美國 CERTS最早提出了微電網(wǎng)的概念 Hl，并形成了“即插即用” (plug and play)與“對等” ( peer to peer)的控制思想和設(shè)計(jì)理念。微電網(wǎng)在滿足多種電能質(zhì)量要求和提高供電可靠性等方面有諸多優(yōu)點(diǎn)，使它完全可以作為現(xiàn)有骨干電網(wǎng)的一個(gè)有益而又必要的補(bǔ) 償。 微電網(wǎng)的接入標(biāo)準(zhǔn) 微電網(wǎng)的接人標(biāo)準(zhǔn)也是人們較為普遍關(guān)注的問題。在進(jìn)行微電網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換時(shí)，微源的控制方法受多種因素的影響，如轉(zhuǎn)換前后的并網(wǎng)／孤島運(yùn)行狀態(tài)、微源硬件配置等，同時(shí)儲能單元也會對微源控制方法的選取及其控制效果產(chǎn)生一定的影響，具體包括： 1)微電網(wǎng)孤島運(yùn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對控制方法的影響 在正常情況下，微電網(wǎng)和大電網(wǎng)共同負(fù)擔(dān)網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷，當(dāng)微電網(wǎng)轉(zhuǎn)入孤島運(yùn)行時(shí)，存在功率需求和供給的不平衡，這時(shí)除了切除普通負(fù)荷外，微電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也可能會發(fā)生相應(yīng)的變化 。代理的自治性、反應(yīng)能力、自發(fā)行為等特點(diǎn)，正好滿足微電網(wǎng)分散控制的需要，提供了一個(gè)能夠嵌入各種控制性能但又無需管理者經(jīng)常出現(xiàn)的系統(tǒng)?？刂祁l率能動態(tài)的控制功率角，因此控制有功功率的流動能通過控制逆變器的輸出電壓頻率而實(shí)現(xiàn)，同理控制無功功率的流動能通過控制逆變器的輸出電壓幅值而實(shí)現(xiàn)。 因此，微電網(wǎng)內(nèi)有功負(fù)荷波動時(shí)，減小微電源逆變器有功功率 — 頻率下垂曲線的斜率 m，可以有效減小微電網(wǎng)內(nèi)由于有功功率不平衡引起的頻率偏移量。同時(shí)，為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋無功能量提供通道，逆交橋各臂都并聯(lián)了反饋二燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 極管，在兩對 IGBT管交替重復(fù)的過程中，這些二極管還起到了續(xù)流的作用。它的出現(xiàn)為中小型逆變器的發(fā)展起了重要的推動作用。傳統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)濾波器為 L濾波器，由電感 L將高頻電流諧波限制在一定范圍之內(nèi)，減小對電網(wǎng)的諧波污染。電容越大則流入電容的無功電流越大，致使電感上的電流和開關(guān)管電流也越大，從而降低效率。在串聯(lián)校正中，加大控制器增益，可以提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高系統(tǒng)的控制精度，則校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 ： Ls KKKsG P W M 22 )( ? (420) 第 4章 主電路逆變單元模塊設(shè)計(jì) 27 其中，電感輸出電流反饋系數(shù) 2K =， PWMK =，如將內(nèi)環(huán)截止頻率設(shè)計(jì)為開關(guān)頻率的二分之一，且令 PWMi KKK ? ，則把參數(shù)代入式(418)，可求出 iK 的取值為 iK = 由此可得電流內(nèi)環(huán)矯正后的閉環(huán)傳遞函數(shù)為： ? ? LsK ?? 2i ilc KKsG (421) 圖 ，其中圖 (a)為校正前傳遞函數(shù)波特圖；圖 (b)為校正后傳遞函數(shù)波特圖 。 在進(jìn)行電壓外環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)，通常選擇外環(huán)的截止頻率為電流內(nèi)環(huán)截止頻率的 1/5甚至更下，這樣就可以在設(shè)計(jì)時(shí)認(rèn)為此時(shí)的電流已跟蹤參考指令電流變化，將電流內(nèi)環(huán)等效為放大增益約為 1的比例環(huán)節(jié)，簡化后的電壓外環(huán)控燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 制框圖如圖 。同時(shí)，由于電感電流是電流調(diào)節(jié)器輸出與電感作用的積分結(jié)果，因而采用電感電流反饋不僅具有很好的跟蹤性能，而且還有內(nèi)在的限流保護(hù)功能。在中大功率應(yīng)用場合， LCL濾波器的優(yōu)勢更為明顯。通過上述過程，就將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槊}寬按正弦規(guī)律變化的正弦脈沖序列。設(shè)直流側(cè)輸入開路電壓為 Ud,直流側(cè)濾波電容的耐壓通常應(yīng)留有 ，即： ? 為簡化計(jì)算，這里僅立足于工程 方法對電容值進(jìn)行估算，其條件是：在直流母線充放電周期內(nèi)，電容以最大負(fù)載電流放電時(shí)，其壓降還能保持在要求的范圍內(nèi)，即電容值的選擇應(yīng)以直流母線電壓的波動限幅為依據(jù)。 本章小結(jié) 本章主要論述了微電網(wǎng)是如何運(yùn)行的，介紹了微電網(wǎng)的基本控制策略，著重講解了微電網(wǎng)的下垂控制是如何實(shí)現(xiàn)的，在介紹控制原理的基礎(chǔ)上對下垂控制中的有功 頻率和無功 電壓幅值的控制做了充分的分析，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對輸出有功功率和無功功率的良好控制。 Nf 、 NP 分別為微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)母線額定頻率與微電源逆變器輸出的有功功率；微電源逆變器輸出有功功率的最大值為 maxp ，相應(yīng)的頻率限值為 minf 。正是因?yàn)橛新?lián)絡(luò)線控制技術(shù)這些無法克服的先天性缺點(diǎn)，從而催生了逆變電源的無聯(lián)絡(luò)線并聯(lián)模式，并促進(jìn)著無聯(lián)絡(luò)線并聯(lián)控制技術(shù)的快速發(fā)展。 可再生能源DC / DC 電路AC / DC 電路控制器逆變器（ DC / AC 電路 ）濾波電路公共電網(wǎng)交流負(fù)載直流負(fù)載儲能裝置（ 蓄電池組 ）直流側(cè)處理電路 圖 微網(wǎng)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖 因此，微電網(wǎng)從并網(wǎng)轉(zhuǎn)入孤島運(yùn)行時(shí)，逆變器存在著不同的控制方法組合。 本章小結(jié) 本章介紹了微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)，總結(jié)了當(dāng)前并網(wǎng)逆變技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，介紹了微電網(wǎng)研究的一些關(guān)鍵技術(shù)問題。其中一 個(gè)基本的技術(shù)難點(diǎn)在于微電網(wǎng)中的微電源數(shù)目太多，很難要求一個(gè)中心控制點(diǎn)對整個(gè)系統(tǒng)做出快速反應(yīng)并進(jìn)行相應(yīng)控制，往往一旦系統(tǒng)中某一控制元件故障或軟件出錯(cuò)，就可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。 NEDO在微電網(wǎng)研究方面已取得了很多成果。 第 2章 微電網(wǎng)技術(shù)運(yùn)行 3 第 2 章 微電網(wǎng)技術(shù) 微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu) 2020 年，美國著名的威斯康星大學(xué)麥迪遜校部的 Lasseter 教授首先提出了微電網(wǎng)的概念，并在威斯康星大學(xué)建立了一個(gè)微電網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)。 本文針對微電網(wǎng)運(yùn)行中微電源逆變器并聯(lián)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，深入研究其有功功率 — 頻率的下垂特性與無功功率 — 電壓的下垂特性。建立了下垂并聯(lián)控制的數(shù)學(xué)模型及綜合控制微電網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分析和討論并佐以波特圖闡述了各控制參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。droop control。 第 3章：微電網(wǎng)運(yùn)行與控制。圖 1中的分布式電源 DG 可為各種類型，例如：光伏電源、風(fēng)力發(fā)電、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池等；儲能單元可以是蓄電池、超級電容器、超導(dǎo)儲能、飛輪儲能等；負(fù)荷也可以是各種類型的，包括阻抗性負(fù)荷、電動機(jī)負(fù)荷及熱負(fù)荷等。歐洲互聯(lián)電網(wǎng)中的電源大體上靠近負(fù)荷，比較容易形成多個(gè)微電網(wǎng)，所以歐洲微電網(wǎng)的研究更多關(guān)注于多個(gè)微電網(wǎng)的互聯(lián)問題。該方法以超過一定閾值的零序電流分量和負(fù)序電流分量作為主保護(hù)的啟動值，將傳統(tǒng)的過電流保護(hù)與之結(jié)合可取得良好的效果。過渡過程是兩種模式間轉(zhuǎn)換的橋梁和紐帶，過渡過程中電能質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響到網(wǎng)內(nèi)重要負(fù)荷的安全運(yùn)行，是微電網(wǎng)系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)靈活運(yùn)行，提供定制電力服務(wù)的重要標(biāo)志。另外，針對微電網(wǎng)中對無功的不同需求，功率管理系統(tǒng)采用了多種控制方法，從而大大增加了控制的靈活性并提高了控制性能。逆變器 1輸出阻抗與連線阻抗之和為 11111 ????? ZRjXrZ ；逆變器 2輸出阻抗與連線阻抗之和為22222 ????? ZRjXrZ ； 1r ， 2r 為等效電阻； 1X ， 2X 為等效感抗； 1E 和 2E 分別為逆變器 2的空載輸出電壓； U為并聯(lián)交流母線電壓 ,? 為各個(gè)逆變器模塊的輸出電壓與母線電壓的相角差。第 3章 微電網(wǎng)技術(shù)運(yùn)行 15 如圖 ，在微電網(wǎng)內(nèi)有功負(fù)荷波動之前，微電網(wǎng)運(yùn)行在額定頻 率 Nf ，微電源逆變器輸出的有功功率為 Np ，此時(shí)的有功功率 — 頻率的下垂特性如曲線 PNL 所示，輸出有功功率的最大值為 Npmax, ，下垂曲線的斜率為 Nm 。當(dāng) Q Q4截止后， Q Q3導(dǎo)通，電流從電源正極經(jīng) Q濾波器、變壓器初級線圈、 Q2后，再回到電源負(fù)極。 在全橋并網(wǎng)逆變電路中，主功率開關(guān)管承受的最大電壓應(yīng)超過直流輸入側(cè)的最大電壓 (400V)，同時(shí)從余量和線路寄生參數(shù)影響等 方面考慮，選取的IGBT耐壓值應(yīng)大于 500V。而在大功率逆變器中，從減小輸出濾波器體積和提高輸出波形質(zhì)量方面考慮，一般采用全橋逆變主電路和單極性倍頻的 SPWM調(diào)制。 LCL濾波環(huán)節(jié)的波特圖如圖 ： 圖 ()cGs的波特圖 LCL 濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì) 根據(jù)電流紋波計(jì)算 12LL+ ，在低頻 LCL濾波器可簡化 成電感值為12L L L=+的單電感濾波器，故可以用單電感 L濾波器結(jié)構(gòu)計(jì)算 12LL+ 的近似值。由于電流內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)的響應(yīng)速度很快，而輸出電壓在濾波電容的作用下需要經(jīng)過延遲后才能做出響應(yīng)，因此可以近似認(rèn)為在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，系統(tǒng)逆變輸出電壓不變。 在設(shè)計(jì)中，電壓反饋系數(shù) 1K =，電壓前饋系數(shù) FK =， R=12? ，C=30 F? 。電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸入為系統(tǒng)逆變輸出電壓 0v 的瞬時(shí)采樣反饋信號與給定正弦電壓參考信號 v相比較得到的誤差信號，其輸出則作為電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)(417) (418) 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 器的給定信號 i。 G r i dF Bi n v e r t e riV gVT RLC0V 圖 單相并網(wǎng)逆變器的 LCL濾波器 LCL 濾波器數(shù)學(xué)模型及波特圖分析 本文設(shè)計(jì) LCL濾波器的并網(wǎng)逆變器等效原理圖如圖 。當(dāng)0su? 時(shí)， T3一直截止而 T4一直導(dǎo)通，此時(shí)當(dāng) scuu? 時(shí)，開關(guān)管 T1導(dǎo)通而 T2截至，橋臂中點(diǎn)間電壓 ab inuU? ；當(dāng) scuu? 時(shí)，開關(guān)管 T1截止而 T2導(dǎo)通，橋臂中點(diǎn)間電壓 0abu ? 。當(dāng)要求 直流輸入電壓脈動的幅值小于 3％時(shí)，電路中平波的選擇應(yīng)按如下方程： 003 dUc U?? 將式 (23)代入式 (22)，可得： (41) (42) (43) 第 4章 主電路逆變單元模塊設(shè)計(jì) 19 0 023 0 .0 2 1 2ccddi t iC U U f??? 并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出的額定電流為 ? ，直流側(cè)輸入工作電壓400dUV? ，開關(guān)管 IGBT導(dǎo)通頻率 (也即 SPWM載波頻率 )為