【文章內容簡介】 分布式電源具備的功能 [10]：基本功能 —并網電流控制，直流電壓控制，電網同步；輔助功能—無功補償、有源濾波、故障穿越、電網支撐（電壓、頻率） 。在微電網中除了分布式電源具備的基本功能外還要考慮分布式電源在微電網中的信息管理系統(tǒng) [11][12][13][14]。微電網負荷分為常規(guī)負荷和敏感負荷，必要時常規(guī)負荷可被切除。微電網有兩種運行模式，孤島運行和并網運行。在孤島狀態(tài)，微電網所發(fā)電能用來滿足本地負荷需求，達到功率平衡。而在并網情況下，微電網吸收功率或向公共電網注入功率。微電網做為智能電網的一部分，用來平衡公共電網，同時降低成本，提高供電質量如圖 13。微電網中分布式電源常見的控制方式：1．下垂控制若需要通過電網或微電網向負載供電，且需要在不同電源之間實現(xiàn)功率均分，可通過使用“下垂控制”及其派生的控制方法來實現(xiàn)。其基本思路是復現(xiàn)傳統(tǒng)的同步發(fā)電機特性，也被稱為虛擬同步發(fā)電機控制方式 [15]。一般來說，此類發(fā)電機與調速器控制的蒸汽渦輪相連，其控制策略為，輸出有功功率增大時頻率降低，輸出無功功率增大時電壓幅值減小。下垂特性應由有功功率分配及額定功率的大小而定，無功功率也應有類似的下垂特性，以保證無功功率的分配和均衡。模擬同步發(fā)電機第一章 緒論5的外特性，被稱虛擬同步發(fā)電機（VSG） ，具備調壓調頻功能。2．微電網的 PQ 控制中小型分布式電源可以采用恒功率可控負荷外特性方式進行并網，從而有效避免分布式電源直接參與電網饋線的電壓調節(jié)。該控制方法需要系統(tǒng)中有維持電壓和頻率的分布式電源或電網。該系統(tǒng)包括三個控制環(huán)：內環(huán)電流控制環(huán)、外功率控制環(huán)和鎖相環(huán) [11]。鎖相環(huán)有多種控制方式，例如基于正交信號的相角檢測方法；基于自適應濾波器的 PLL；基于 2 階廣義積分器的同步方案等。這種控制方式不參與微電網調頻調壓， PQ 控制方式相比于下垂控制和恒壓恒頻控制較簡單，適用于微電網中小容量的分布式電源，可以達到微電網功率平衡的目的。3．恒壓恒頻控制方法 [16]以恒定的頻率直接控制逆變器，以交流側出口電壓為調節(jié)對象，V/f采用交流電壓閉環(huán)控制，最終使輸出電壓和頻率穩(wěn)定在給定值附近。一般在微電網孤島狀態(tài)下使用這種控制方式，這時分布式電源作為主單元，可視為具有恒定頻率的電壓源，維持了整個系統(tǒng)的電壓、頻率穩(wěn)定。這種控制方式適用于大容量的分布式電源，并且應該具備長時間運行的能力。在微電網中，光伏發(fā)電和風力發(fā)電受環(huán)境因素影響，功率波動大、單個系統(tǒng)容量大。配備儲能裝置時可應用下垂控制、恒壓恒頻、PQ控制，但儲能成本較高；微電網與公共電網并聯(lián)時可以起到調峰作用，但并不是向電網注入功率越多越好，對光伏并網發(fā)電系統(tǒng)來說，PV系統(tǒng)輸出電能的波動能夠影響微電網電壓和微電網運行質量。隨著PV 系統(tǒng)輸出容量的增加，在光照強度變化時，PV并網發(fā)電系統(tǒng)追蹤最大功率點軌跡會產生波峰和波谷，而光伏并網發(fā)電系統(tǒng)采用的是電力電子器件，其運行慣性小，大電網對微電網所需電能的調節(jié)時間比PV系統(tǒng)波動時間長的多，因此依靠公共電網對含有高容量PV系統(tǒng)的微電網電能的波動調節(jié)將十分困難，所以微電網向公共電網滲透的功率過大時會引起公共電網穩(wěn)定性方面的問題。PV光伏并網發(fā)電系統(tǒng)應該降低自身波動性，以減少微電網與公共電網并聯(lián)時的最大電能交換。具有限功率控制方式的光伏并網發(fā)電系統(tǒng)具有削峰作用 [17] [18]，可減少微電網與公共電網的互相依賴程度，提高系統(tǒng)的可靠性。這比只用儲能裝置調峰降低了成本，限功率控制的局限是只能向最大功率以下調節(jié)。對于波動性較大的光伏發(fā)電和風力發(fā)電而言，為了限制波動，風機可按恒功率和直流斬波限制功率；光伏可按調節(jié)PV組件輸入阻抗限制功率。限功率控制方式不參與調壓、調頻，只是滿足功率平衡要求發(fā)電。內蒙古工業(yè)大學碩士學位論文6 兩種限功率調節(jié)方式 風力發(fā)電系統(tǒng)調節(jié)方式風力發(fā)電具有波動性，機側即可以調節(jié)風機的最佳葉尖速比和調節(jié)槳矩角使風機保持最大風能利用率，也可以使風力發(fā)電機保持在恒功率運行狀態(tài)。風力發(fā)電系統(tǒng)網側采用背靠背變換器如圖 14，網側控制策略采用離網運行模式，也可采用并網運行模式。變換器的輸出電壓是直接控制的，沒用電流控制，需限流器防止電流過高。恒功率運行狀態(tài)，在風速波動時，由于風力發(fā)電機械轉矩慣性大，調節(jié)功率響應慢，變換器部分功率可能產生較大的波動，控制圖 18 背靠背變換器中間直流電壓可以調節(jié)輸出到電網的功率，當直流母線電壓低于額定直流母線電壓時，直流電壓控制器才作用。如果直流母線電壓高于額定直流電壓，直流斬波器將消耗過剩的功率。消耗的功率由負載決定。調速可在一定程度平衡功率。最終多余的功率將通過啟動斬波器使其在阻尼電阻上迅速消耗 [19]。G~模式切換S V M斬波器控制齒輪箱風力機~_~_變壓器并網控制離網控制U T I L I T Y G R I D*,DCVDC*,PQ*dq*dVP W MR圖 14 風力發(fā)電功率控制結構圖 Wind power control structure 光伏發(fā)電系統(tǒng)調節(jié)方式光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的基本結構如圖 15，前級電路可通過控制 Boost 斬波電路，調節(jié) PV 系統(tǒng)的輸入電阻，使 PV 組件輸出不同的功率，Pconstrained 為限功率給定與 Ppv 功率比較使 PV 組件以 MPPT 或限功率運行。可調度式并網光伏發(fā)電系統(tǒng) [20]通常配備鉛酸蓄電池，鉛酸電池的儲能容量一般較小，在較大容量光伏并網逆變器并網時，使其工作在限功率控制模式時，可降低蓄電池的選用容量。逆變系統(tǒng)并網時可控制注入電網功率，孤島時可有效控制蓄電池不被過沖損壞。這種功率控制需要良好的能量管理系統(tǒng)。第一章 緒論7P W MpvPM P P Tamp。C O N SG R I DD C L O A DS O CP VB o o s t 斬波電路constraied圖 15 光伏并網系統(tǒng)結構框圖 Photovoltaic grid system structure diagram 課題主要研究內容由于我國的電網結構還不具備廣泛接入分布式光伏電站向電網饋能 [21][22][23]，在配電網升級之前，分布式光伏電站還是主要是以“自發(fā)自用，不向電網反送電力”為主。在金太陽光伏電站項目中都加裝了逆功率保護系統(tǒng)。同時，在微電網中需要靈活的功率控制方式，使光伏并網逆變器在（0~MPP）任意一個功率等級工作，減少光伏發(fā)電系統(tǒng)的波動性，以盡量避免微電網與公共電網交換峰值功率。本課題就光伏并網逆變器功率控制方式展開研究，具體研究其限功率控制方式。第一章 首先介紹了太陽能光伏發(fā)電國內外應用現(xiàn)狀，包括集中式電站、分布式電站和微電網中分布式電源的應用。其次介紹了光伏分布式電源在配電網中的限功率方式；分布式電源限功率調節(jié)在微電網中的重要意義。最后闡述了微電網中具有功率波動性的風力發(fā)電和光伏發(fā)電限功率控制方式。第二章 在光伏電池 PV 特性曲線的基礎上闡述了 MPPT 和限功率控制原理，總結了 DC/DC 變換器分類，選取 Boost 電路作為 DC/DC 變換環(huán)節(jié)，闡述了 Boost 電路的工作原理和參數(shù)計算方法，以 Boost 電路為基礎設計 MPPT 和限功率控制系統(tǒng)。第三章 針對雙級式光伏并網逆變器的限功率控制結構，設計它的逆變部分，主要包括逆變電路的分類和矢量控制原理、交流側濾波電路和中間直流電容的選取原則，再以主電路參數(shù)為基礎設計逆變部分的控制系統(tǒng)，包括調制方式、坐標變換和系統(tǒng)模型，最后計算電壓環(huán)和電流環(huán)的 PI 控制參數(shù)。第四章 在 MATLAB 中搭建限功率并網逆變器系統(tǒng)模型，比較了 LC 濾波和 L內蒙古工業(yè)大學碩士學位論文8濾波的電流波形，驗證了光伏并網逆變器 MPPT 和限制功率兩種工作模式輸出，及在光照強度變化時抑制輸出功率的波動性。第二章 光伏并網限功率系統(tǒng) DC/DC 側設計9第二章 光伏并網限功率系統(tǒng) DC/DC 側設計 光伏電池輸出特性及限功率控制原理依據(jù)物理電子學理論分析可獲得光伏電池的單二極管等效電路及其數(shù)學模型，其中含有 5 個未知參數(shù)， 、 、 、 和 ，這 5 個參數(shù)與光伏電池溫度和光phIosRhn照強度有關，但光伏電池廠商并不提供這 5 個未知參數(shù)，確定比較困難，不適合于工程應用。廠商一般提供標準測試條件 下 5 個參數(shù) 、 、 、 和 ，STC（ ） ocVsImVmP工程上利用這些參數(shù)建立了適合于光伏系統(tǒng)設計的工程用數(shù)學模型 [24]。(31)????1VSIe????????:(32)ocmscI???(33)1lnocV???????????(34)refT?:(35)S(36)??39。=1screfIa?(37)39。ln()()oVbcT??::(38)39。mrefSI(39)??39。l1?上式，自然對數(shù)底數(shù) 約為 ；補償系數(shù) ， ， ， ， 。???????????根據(jù)光伏電池的通用工程模型及其數(shù)學公式在 MATLAB 中仿真，設定開路電壓為 360V，短路電流 ，最大功率點電壓 280V，最大功率點電流 ，輻照度在 、 、 時，組件溫度 時的 PV 特性曲線如圖210/m290/280/m25?21內蒙古工業(yè)大學碩士學位論文100 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 001 0 0 02 0 0 03 0 0 04 0 0 05 0 0 0 210/Wm98P c o n s t r a i n e d電壓 / V功率/W圖 21 光 伏 陣 列 PV 輸 出 特 性 曲Fig. 21 Curve of PV array poweroutput針對光伏組件的 PV 特性曲線，有 MPPT 控制和限功率控制兩種控制方式。本課題考慮了并網逆變器直流電壓利用率和 PV 組件直流電壓等級，選用雙級式光伏并網逆變器。雙級式光伏并網逆變器，最大功率跟蹤和限功率控制在接 DC/DC 電路中實現(xiàn)，逆變并網控制在逆變回路完成。 DC/DC 變換器分類與選取 DC/DC 變換器分類1．直接變換電路直接 DCDC 變換電路又稱為直流斬波電路。單象限直流斬波電路 [25]，有六種基本類型，分別是降壓斬波器（Buck 電路） ，升壓斬波電路（ Boost 電路） ，升降壓斬波電路（BuckBoost 電路） ，Cuk 電路，Sepic 電路和 Zeta 電路。此外還有雙象限電路（如圖 22d） 、四象限斬波電路如單相全橋拓撲電路。Boost 電路稱為升壓型斬波電路，平均直流輸出電壓高于直流輸入電壓。升壓型電路輸入端串聯(lián)電感 ，可視為電感輸入電路或近似于電流源電路，而出端并聯(lián)濾L波電容以構成電壓型負載 [26]。Buck 型電路是降壓型電路，與 Boost 電路在拓撲上是對偶關系， Buck 電路輸入端并聯(lián)電容 可視為電壓源電路，輸出串聯(lián)電感以構成dC電流型負載。直接變換電路常見拓撲如圖 22。第二章 光伏并網限功率系統(tǒng) DC/DC 側設計11 CVDLsiUoURoCVDLsi URdCa. Boost 電路 b. Buck 電路 CVDLiUoURs CVDi oUs+c. BuckBoost 電路 d. 雙象限電壓源電路圖 22 直接變換電路常見拓撲Fig. 22 Direct conversion circuit topology2．間接變換電路間接 DCDC 變換電路也稱隔離型 DCDC 變換電路。隔離型 DCDC 變換電路的拓撲結構主要有反激電路、正激電路、半橋電路和全橋電路。隔離型 DCDC 變換器的功率等級與電路拓撲相關。反激電路、正激電路、半橋電路的功率等級在數(shù)百瓦到數(shù)千瓦之間。全橋電路功率等級在數(shù)百瓦到數(shù)百千瓦。典型應用為高頻諧振變換器利用軟開關技術，這提高了電力電子變換器的效率，降低了散熱要求，減小了散熱器的尺寸和重量。常見的實現(xiàn)功率開關管的諧振軟開關技術 [27]有準諧振電路（ZVS 或 ZCS） 、零開關 PWM 電路（ZVSPWM 或 ZCSPWM） 、零轉換 PWM 電路（ZVT 或 ZCT） 。其中準諧振電路電壓或電流波形為正弦波且幅值很大，需要采用脈沖頻率調制控制方式（PFM） ，通過改變輸出阻抗以達到調節(jié)輸出功率的目的。而零轉換 PWM電路，需要輔助功率器件，軟開關也僅用于主功率器件的零電壓轉換或零電流轉換。移相控制全橋軟開關變換器 [28][29]在不增加或很少增加元器件的前提下，實現(xiàn)了零開關 PWM 控制，零開關 PWM 電路中電壓和電流基本為方波，開關管承壓明顯降低，采用開關頻率固定的 PWM 控制方式，可以輸出大功率、高頻化，在通信電源領域應用較廣泛。在移相控制全橋軟開關變換器中通過引入超前橋臂和滯后橋臂概念，超前橋臂只能實現(xiàn) ZVS，滯后橋臂可以實現(xiàn) ZVS 或 ZCS。在 0 狀態(tài)恒流模式原邊電流為恒流內蒙古工業(yè)大學碩士學位論文12源情況下，重載時，前后橋臂都可以實現(xiàn) ZVS，輕載滯后橋臂難以實現(xiàn) ZVS，但是在低壓重載情況下，副邊占空比丟失尤為明顯，不能滿足額定電壓輸出，因此重載時存在滯后橋臂實現(xiàn) ZVS 和副邊占空比丟失的矛盾；而采用輔助諧振網絡的全橋拓撲可以實現(xiàn)超前橋臂和滯后橋臂在較寬的負載條件下的 ZVS，同時降低變壓器副邊占空比丟失，提高了變換器的效