【正文】 Energy Magazine Nov/Dec 2003。 so that to avoid using this measurement for determining the optimal rotor speed, an indirect approach needs to be implemented. The proposed MPPT strategy is based on directly adjusting the DC/DC converter duty cycle and thus the rotor speed, according to the result of the parison of successive output power measurements. The control algorithm uses a ‘‘Perturbation and Observation’’(Pamp。53(4):1002–16.[7]Molina MG, Pontoriero DH, Mercado PE. An efficient maximumpowerpointtracking controller for gridconnected photovoltaic energy conversion system. Brazilian Journal of Power Electronics July 2007。23(3):834–41.[5] Ansel A, Robyns B. Modelling and simulation of an autonomous variable speed micro hydropower station. Mathematics and Computers in Simulation June 2006。2000.[2] Rahman S. Going green: the growth of renewable energy. IEEE Power amp。無(wú)功功率的產(chǎn)生增加了電壓源型逆變器的損失，導(dǎo)致與先前用DC/DC轉(zhuǎn)換器雙重控制研究的情況（MPPT參與控制與不參與控制）相比，有功功率的交換有輕微的降低。最后，由于電壓控制模式（VCM）沒(méi)有被激活，所以與電網(wǎng)之間沒(méi)有無(wú)功功率交換（圖中紅色實(shí)線所示部分）。O)設(shè)計(jì)的最大功率跟蹤器（MPPT）在跟蹤微型水電站的最大功率點(diǎn)時(shí)是準(zhǔn)確的，設(shè)計(jì)時(shí)的最優(yōu)擾動(dòng)步長(zhǎng)要與斬波器的動(dòng)態(tài)特性相一致。由于該水電站有兩種控制策略，即有功功率控制模式（APCM）和電壓控制模式（VCM）,所以要進(jìn)行兩套模擬仿真。通過(guò)使用一個(gè)能夠消除直流母線上穩(wěn)態(tài)電壓變量的比例—積分（PI）控制器，這一問(wèn)題的解決方法可以得到。為了導(dǎo)出這一模塊的控制法則，需要使用一下由方程（6）所描述的電壓源型逆變器的動(dòng)態(tài)模型。本控制算法采用了擾動(dòng)觀察（Pamp。最大功率點(diǎn)跟蹤意味著微型水電站應(yīng)當(dāng)始終運(yùn)行在最大輸出電壓/電流工況。從而產(chǎn)生一個(gè)偏差信號(hào)，該偏差信號(hào)再輸入到衰減系數(shù)為的比例—積分控制器（PI）。在交直軸坐標(biāo)系下，可以推導(dǎo)出控制電壓源型逆變器交流側(cè)輸出三相電壓瞬時(shí)值和與電網(wǎng)之間交換電流的動(dòng)態(tài)方程，該方程如下[8,9]： 其中：：拉普拉斯變量，定義0 ：工頻電網(wǎng)電壓同步角速度 ：電壓源型逆變器的調(diào)制指數(shù)， = ：變壓器的變比 ：交直軸坐標(biāo)系下，電壓 源型逆變器的 平均轉(zhuǎn)換因素 ：電壓源型逆變器的輸出電壓相對(duì)于參考點(diǎn)的相角 與三相電網(wǎng)相連的MHPP的多級(jí)控制框架 3. 控制測(cè)略 ，本文與三相電網(wǎng)相并列的微型水電站模型的控制由外層，中層，和內(nèi)層共三層構(gòu)成。在逆變器的直流側(cè)，損失源于電阻和直流總線電容器的等值電容。步進(jìn)式轉(zhuǎn)換器在連續(xù)導(dǎo)電模式下的穩(wěn)態(tài)電壓和電流的關(guān)系可以用下面的方程式表示： ； 其中： ：斬波器的輸入電流（電感電流） ：輸出電壓（直流鏈電壓） ：步進(jìn)式轉(zhuǎn)換器的輸入電壓 ：斬波器的輸出電流 ：DC/DC 轉(zhuǎn)換器的占空比. 電壓源型逆變器 本文所使用的三相三電平電壓源型逆變器與采用正弦脈寬調(diào)制（PMW）技術(shù)的DC/AC開(kāi)關(guān)電源逆變器是一致的[8]。與公共電網(wǎng)的連接是通過(guò)一臺(tái)升壓變壓和一臺(tái)低通濾波器，這樣做，可以減少對(duì)分布式電網(wǎng)系統(tǒng)的擾動(dòng)。不可控三相全波整流橋具有簡(jiǎn)單，穩(wěn)固，便宜，不需要控制系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)。本文提出的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)由背靠背式AC/DC/AC轉(zhuǎn)換器組成，它完全可以滿足上述對(duì)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求。書(shū)輪機(jī)的最高效率點(diǎn)設(shè)計(jì)在額定流量與額定水頭工況點(diǎn)，該工況下，水輪機(jī)可以獲得最大的功率。事實(shí)上，與所獲得的機(jī)械能有關(guān)的水輪機(jī)效率在很大程度上依賴轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)與轉(zhuǎn)輪所處的運(yùn)行工況（如Q、H和轉(zhuǎn)輪的角速度）。該水輪機(jī)模型的以上參數(shù)是在其額定工況下求得的，而且假定水是不可壓縮的。除此之外，該水輪機(jī)沒(méi)有配置與發(fā)電機(jī)相連的齒輪箱，這使得其設(shè)計(jì)起來(lái)比較簡(jiǎn)單明了。該微型水電站由一臺(tái)可變轉(zhuǎn)速的微型水輪機(jī)組成，該水輪機(jī)直接與一臺(tái)同步永磁發(fā)電機(jī)(PMSG)固連，而該同步永磁發(fā)電機(jī)又通過(guò)先進(jìn)的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)（PCS）與電力網(wǎng)相連接。考慮到，當(dāng)微型水電站并入電力網(wǎng)可以允許擴(kuò)展控制特性，以及當(dāng)應(yīng)用于低流速河流等特殊條件下時(shí)，能夠提供足夠的靈活性，在此項(xiàng)目中，作者采用了可變轉(zhuǎn)速的水輪機(jī)。通過(guò)利用MATLAB ，所提出的微型水電站的動(dòng)態(tài)特性得到了確定。本文推薦的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)便，正如在 中描述的那樣，它通過(guò)一種與分布式電網(wǎng)連接的新穎的電子功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以清除所有的機(jī)械調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。由于微型水電站應(yīng)用在國(guó)家發(fā)展方針中的巨大潛能和使用可再生能源的大量?jī)?yōu)點(diǎn)，還有許多國(guó)家的優(yōu)惠激勵(lì)機(jī)制及碳排放量指標(biāo)交易所需支付的不菲報(bào)酬等種種原因，人們對(duì)微型水電站并入電網(wǎng)的濃厚興趣有望被進(jìn)一步的提升。在所有的可替代的技術(shù)中，有一種被稱作分布式發(fā)電技術(shù)，它要求盡可能在靠近消費(fèi)居民區(qū)的地方生產(chǎn)電力。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。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。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)。所提出的微型水電站的動(dòng)態(tài)特性通過(guò)數(shù)字模擬和一個(gè)小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)裝置得到了驗(yàn)證。事實(shí)上，這種技術(shù)在電力工業(yè)的初期就已經(jīng)有所應(yīng)用，只是現(xiàn)在它融合了現(xiàn)代技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)[1]。小型水電站（從微型到迷你型）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)導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪的槳葉開(kāi)度進(jìn)而調(diào)節(jié)水輪機(jī)的過(guò)水流量以維持機(jī)組轉(zhuǎn)速恒定，從而控制有功功率的輸出。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。而且，通過(guò)建在德國(guó)錫根大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院的一臺(tái)350W的微型水電站實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)，所提出模型的準(zhǔn)確性得到也驗(yàn)證。進(jìn)而，通過(guò)優(yōu)化水輪機(jī)的工況點(diǎn)，可以從單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)水輪機(jī)的水流中提取更多的能量，即在傳統(tǒng)水輪機(jī)的基礎(chǔ)上，獲得更優(yōu)越的效率。所提出的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)有一組三相整流橋，一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器和一個(gè)DC/AC逆變器組成。 展示的是利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）做好的軸流式水輪機(jī)。該水輪機(jī)的可達(dá)到出力可以由給定的公式算出[4]： = 其中： ：水的密度（4 ℃時(shí) 為1000） ：重力加速度（ ） Q ：流量（） H ：水頭（m） 水流在通過(guò)反擊式水輪機(jī)時(shí)，其壓力作用在轉(zhuǎn)輪葉片上，而且隨著水的流動(dòng)，該壓力逐漸降低，最終導(dǎo)致水流的勢(shì)能通過(guò)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)換成了機(jī)械能?？梢?jiàn)，水輪機(jī)的效率同過(guò)采用解析法獲得是非常復(fù)雜的。通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)不同的過(guò)流量，在水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速特性曲線上都有固定的一點(diǎn)，該點(diǎn)處的水輪機(jī)出力最大，對(duì)應(yīng)的該點(diǎn)有時(shí)也被稱作為最大工率點(diǎn)（MPP）。由于可變轉(zhuǎn)速的水輪機(jī)直接與同步發(fā)電機(jī)固連，所以同步發(fā)電機(jī)輸出電壓幅值和頻率是變化的。另一方面，一組采用絕緣柵門極晶體管（IGBT）構(gòu)成的三相三電平電壓源型逆變器（VSI）用于與電網(wǎng)進(jìn)行連接。由于電壓源型逆變器需要一個(gè)固定的直流鏈接來(lái)對(duì)與電網(wǎng)進(jìn)行交換的有功和無(wú)功功率進(jìn)行雙重控制，所以需要在電壓型逆變器的直流側(cè)設(shè)置一個(gè)專用的接口。由于采用脈寬調(diào)制技術(shù)的逆變器所產(chǎn)生的高次諧波幾乎全部被正弦線濾波器消除了，電壓源型逆變器可被視為完美的正弦電壓源。 在假設(shè)系統(tǒng)中沒(méi)有零序分量的情況下，利用Park變換，所有的電壓和電流可以被分別變換到同步旋轉(zhuǎn)的交直軸坐標(biāo)系中。 外層控制級(jí)外層控制級(jí)（）分別通過(guò)有功功率控制模式（APCM）和電壓控制模式（VCM）負(fù)責(zé)微型水電站與公共電網(wǎng)的有功功率交換和無(wú)功功率交換。與電網(wǎng)相連的微型水電站的主要目的在于輸送最大的水電到電力系統(tǒng)中去。從方程（3）和方程（4）可以看出，在給定流量條件下，通過(guò)所選擇的水輪機(jī)最優(yōu)轉(zhuǎn)速，可以得到水輪機(jī)的最優(yōu)效率，進(jìn)而得到水輪機(jī)的最大機(jī)械功率輸出。O）迭代算法，該算法對(duì)于跟蹤水流速度寬泛的微型水電站的最大功率點(diǎn)式非常有效的。通過(guò)使用兩個(gè)帶有由電壓源型逆變器輸出電流分量和提供適當(dāng)反饋的傳統(tǒng)比例—積分（PI）控制器，作者做出了一個(gè)沒(méi)有交叉耦合的合成模型。 內(nèi)層控制級(jí)內(nèi)層控制級(jí)（）負(fù)責(zé)向三電平電壓源型逆變器的12個(gè)絕緣柵門極晶閘管（IGBT）和步進(jìn)式DC/DC 轉(zhuǎn)換器的IGBT提供觸發(fā)信號(hào)。 與公共電網(wǎng)交換有功功率（APCM）的仿真結(jié)果 ，即有功功率控制模式的模擬仿真。正如圖片中注示的那樣，微型水電站發(fā)出的全部有功供率（藍(lán)色點(diǎn)劃線所示部分）被注入到電力網(wǎng)中，去除部分損失，在動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面存在微小的延遲。 有功和無(wú)功交換的模擬仿真結(jié)果（APCM 和VCM），即有功功率控制模式（APCM）在整個(gè)過(guò)程中都處于激活狀態(tài)，而電壓控制模式（VCM）則在t= 時(shí)才被激活。5. 結(jié)論本文提出了一種新穎并入電網(wǎng)的微型水電站的控制方法，它融入了最大功率跟蹤器以滿足分布式電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)有功功率和無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)囊蟆?Energy Magazine Nov/Dec 2003。71(4): 320–32.[6] Carrasco JM, GarciaFranquelo L, Bialasiewicz JT, Galva180。12(2):147–54.[8] Molina MG, Mercado PE. Control design and simulation of DSTATCOM with energy storage for power quality improvements. In: IEEE/PES 2006 Records, transmission and distribution conference and exposition: Latin America。O) iterative method that proves to be efficient in tracking the MPP of the MHPP for a wide range of water flow rates. The algorithm, which was widely used for photovoltaic solar systems with good results [7], has a simple structure and requires few measured variables.. Middle level control The middle level control makes the expected output to dynamically track the reference values set by the external level (middle side of Fig. 5). In order to derive the control laws for this block, the dynamic model of the VSI described by Eq. (6) is employed. By using two conventional PI controllers with proper feedback of VSI output current ponentsand , yields a resultant model with no crosscoupling. It can be also seen from Eq. (6) the additional coupling from the DC capacitors voltage. This problem demands to maintain the DC bus voltage as constant as possible, in order to decrease the influence of the dynamics of. The solution to this problem is obtained by using a PI controller which eliminates the steadystate voltage variations at the DC bus.. Internal level control The internal level (right side of Fig. 5) is responsible for generating the switching signals for the twelve IGBTs of the th