01二月2023微型分布式電源工作原理和控制01二月2023微型分布式電源工作原理和控制§3-1微型渦輪發電機的建模和仿真§3-2燃料電池系統的建模§3-3光伏(Photovoltaic，PV)發電系統§3-4小型風力發電系統§3-5微電網中能量存儲設備01二月2023§3-1微型渦輪發電機的建模和仿真一、微型渦輪發電機組的基本工作原理如果不考慮微型渦輪發電機組的容量大小，則它們的基本運行原理相同，即將某種形式的機械能轉換為電能。隨著渦輪發電機組的類型、容量的不同，這一能量轉換的過程將有很大的差異。大容量的蒸汽渦輪發動機和大型的同步發動機基本的運行和控制原理可總結如下：系統穩定運行時，進入渦輪發動機的蒸汽流量所對應的功率等于發電機所輸出的電功率，發電機和渦輪發動機的轉速同步，發電機所輸出的正弦電信號與電網信號相位相同。在負荷的暫態響應期間，負荷所需能量首先來自于大型渦輪發動機和發電機轉子的轉速變化。渦輪發動機的轉速控制系統將檢測出轉速的變化，并調節蒸汽流量，使得其轉速達到設定的數值。01二月2023§3-1微型渦輪發電機的建模和仿真微型渦輪發電機組的基本工作原理穩態工作時，進入渦輪的天然氣和空氣的燃燒所獲得的能量與發電機輸出電能相等，微型渦輪發電機組的轉速不是關鍵的因素，因為發電機輸出的正弦交流信號首先經過整流然后再通過逆變器輸出。直流側電壓必須保證能夠提供逆變器輸出的功率的要求，該運行模式需要對微型渦輪發動機的轉速進行良好的控制。在負荷暫態響應期間，所需的功率也可首先從微型渦輪發動機轉子的轉速變化獲得，但是由于系統的轉動慣量比較小，所存儲的動能也小，因此轉子的轉速將變化迅速。微型渦輪發動機的轉速控制系統將檢測出轉速的變化，并調節輸入到微型渦輪發動機的燃料流量，使發動機的轉速達到設定數值。微型渦輪發動機的轉速需要迅速調節，保證發電機能夠正常運行。在這種運行模式下，渦輪發電機組也能跟隨負荷的變化。01二月2023§3-1微型渦輪發電機的建模和仿真二、微型渦輪發電機系統的結構微型渦輪發電機系統的基本功能方框圖回流換熱器利用燃燒過程產生的排出廢氣，增加了系統的效率。系統中的發電機為永磁發電機。發電機和電力電子接口電路的方框圖逆變器采用電壓源逆變器，可采用PWM控制、矢量控制或其它類型的控制方式。01二月2023§3-1微型渦輪發電機的建模和仿真三、微型渦輪發電機組的數學模型Idc=0，設直流母線電壓為500V，轉子轉速為52000rpm

用Honeywell微型渦輪發電機參數計算Kv、Ke和Kx。當輸出功率60kW時，轉速為60000rpm

，直流側電壓為515V01二月2023§3-1微型渦輪發電機的建模和仿真輸出功率和轉矩：微型渦輪發電機的轉速模型：01二月2023§3-1微型渦輪發電機的建模和仿真為驗證轉速模型，在轉速的輸入端加入了一個二階的控制器，模擬燃料控制和調節器的動態特性。

為了使得模擬結果與Honeywell75kW的發電機的實際響應接近，采用曲線擬合建立轉速和功率給定值之間的關系。01二月2023§3-1微型渦輪發電機的建模和仿真功率給定值如圖所示，時間序列與Honeywell渦輪發電機測試數據有稍許差別，但階躍變化和幅度與實際測試數據相同。輸出功率仿真結果01二月2023§3-1微型渦輪發電機的建模和仿真輸出轉速仿真結果由于采用了曲線擬合，仿真結果與實際測試數據非常接近。曲線擬合轉速模型的直流側電壓仿真結果當負荷階躍變化時，轉速和直流側電壓的調整具有一定的超調量，這樣的響應是由該模型的特性所決定的，若采用理想模型，可控制超調量的大小。01二月2023§3-1微型渦輪發電機的建模和仿真根據上述分析，可對建模所需要的條件總結如下：轉速為測試數據的曲線擬合；暫態脈沖被不實際地放大了，對于不同的運行條件，引入的參數需進行調整；當逆變器的輸出電流隨著負荷變化時，應限制其輸出電流的響應，因此負荷電流必須采用同樣的方式進行限制。模型的主要缺點是沒有考慮微型渦輪發動機的動態特性，渦輪和發電機將影響轉速設定值變化時的轉子響應，這些影響沒有考慮在模型中，但是模型參數可進行正確的調整。四、微型渦輪發電機組的輸入轉矩模型為考慮渦輪發動機的動態特性，采用轉矩作為輸入的模型。01二月2023§3-1微型渦輪發電機的建模和仿真微型渦輪發電機組的輸入轉矩模型01二月2023§3-1微型渦輪發電機的建模和仿真01二月2023§3-1微型渦輪發電機的建模和仿真電流的上升時間與轉速模型相同；輸出轉矩、轉速和直流側電壓的仿真結果與測試數據很接近，與實際系統具有相同的特性；在測試數據和模型中具有相同的電壓和轉速的超調；直流電壓和轉速的峰值與測試數據也基本相同。01二月2023§3-2燃料電池系統的建模燃料電池通過氫和氧的電化學反應將氫或含氫燃料直接轉換成電能，熱能和水。一、自主式燃料電池模型

大多數的燃料電池系統生成電能所直接包含的全部化學反應可以簡化為：

熔融碳酸鹽燃料電池，忽略低溫度動態，物質平衡方程為U為電池電壓；Niin，Nio分別為第i級反應物在電池輸入和輸出端的流速；Ntin是全部反應物在電池輸入端的總流速，Ni=xiNt；Ri為反應物的反應速率，Rt是Ri的總和。

T為電池的華氏溫度，P為電池的壓力，R為氣體常數(8.31焦/摩爾華氏度)。01二月2023§3-2燃料電池系統的建模IFC為電池電流，F為法拉第常數(96500C/摩爾)，n為第一式反應中的電子數。

實際的燃料電池，反應物的摩爾濃度，xH2Oin，xH2in，xO2in是固定的常數。

電池所有反應的動態特性的時間常數相同。u為電池利用率。

電池利用率可由H2定義：當為常數時，利用率u隨著電池電流的增加而增加。01二月2023§3-2燃料電池系統的建模u=0對應于用燃料電池閑置的情況，u=1對應于電池最大輸出。在實際的應用中，u的值約為0.85左右。

電池電動勢的瞬時值E可由納斯特定律得到Er為標準狀態時電池的開路電壓；f=RT/nF。

因為反應物的擴散摩爾濃度可由下式計算：燃料電池的非線性電化學模型反應物的輸入總流速Ntin為模型的獨立輸入信號，決定了電池的穩定狀態功率。

連接到電池的電氣端的外部電流決定了電池電流的大小，這是模型的第二個輸入信號。模型為降階模型，因為忽略了溫度引起的動態特性。適用于描述電池斷續工作情況下溫度在數分鐘內幾乎不變的特性。01二月2023§3-2燃料電池系統的建模H2和H2O在穩定狀態釋放的摩爾濃度，可表示為：E的穩定狀態值Eocv為Eo為利用率為零(電池閑置)時的開路電壓：當u較大時，百分之五十的O2利用率可導出下述近似表達式。01二月2023§3-2燃料電池系統的建模穩定狀態時電池電壓和電池利用率之間的關系曲線(a)電池開路電壓，(b)端電壓

01二月2023§3-2燃料電池系統的建模二、并網運行燃料電池模型1.非線性模型

并網運行燃料電池系統原理圖

采用了兩個控制環控制系統輸出的交流電壓和功率。01二月2023§3-2燃料電池系統的建模電壓控制器通過改變逆變器的調制度來調節系統與電網接口的母線電壓VT，實現無功功率的控制。

通常情況下，燃料電池承擔系統的基本負荷，因此燃料控制器為燃料電池提供恒定的燃料輸入。燃料控制器的響應速度很慢，但是通過調節逆變器的功率角，系統可對較小的瞬時功率調節做出連續的反應。任何穩定狀態功率的改變必將伴隨著燃料流速的相應改變。如果電池輸出功率升高，而燃料流速保持不變，則穩定狀態的電池利用率將會升高而電池電壓將會降低。并網運行燃料電池系統的單相等效電路01二月2023§3-2燃料電池系統的建模m=1，u=0.85，RFC=0.3，E=1.3，XT=0.1，(a)Xs=0.25，(b)Xs=0.2

燃料電池系統的功率特性對電池電阻和交流系統阻抗之間的比值比較敏感。最大功率受燃料電池內部參數限制，與電網的接口無關。01二月2023§3-2燃料電池系統的建模2.線性化動態模型并網運行燃料電池的小信號模型

01二月2023§3-2燃料電池系統的建模(1)燃料電池線性化動態模型

分別為正常運行時電池電流，利用率和輸入流速。U0為電池額定電壓；(2)電網絡電網絡采用靈敏度矩陣J表示，J為雅克比矩陣。01二月2023§3-2燃料電池系統的建模(3)逆變器控制逆變器的兩個控制環均采用PI控制。

當燃料電池承擔基本負荷時，燃料流量調節器的作用可以忽略。可假設所有電池均在恒定燃料流速下運行，即01二月2023§3-2燃料電池系統的建模電池電流和交流電壓如下面兩式所示：上式中，B2=E2-4RFCPFC。由上述動態模型可知，當負荷功率增大時，功率偏差將增大從而使得功率角增加，提高了電池的輸出功率。當電壓發生變化時，逆變器的調制度將隨著變化。功率控制環與電壓控制環通過兩個二階反饋環相互作用，反饋環包含了電網絡和電池的基本參數。電壓控制環的暫態響應只受到電網絡中的短時時間常數的限制。因此，電壓控制器可以采用PI控制，其響應時間為工頻正弦信號的一到兩個周期。功率控制環的比例和積分增益應適當選取，以便得到較慢的響應，從而減少功率控制環和電壓控制環以及其他系統動態特性的相互作用。01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)發電系統一、光伏電池原理

用適當波長的光照射到半導體系統上時，系統吸收光能后兩瑞產生電動勢，這種現象稱為光生伏特效應。p-n結的光生伏特效應光照產生的非平衡載流子各向相反方向漂移，在內部構成自n區流向p區的光生電流，在p-n結短路情況下構成短路電流密度。在p-n結開路情況下，p-n結兩端建立起光生電勢差，即開路電壓。將p-n結與外電路接通，只要光照不停止，就會不斷地有電流流過電路，p-n結起了電源的作用。01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)發電系統太陽能電池的電流和功率特性為使太陽能電池的輸出功率達到最大，不論外界環境如何變化，必須使其運行在這一最大功率點。可采用電子控制器實時地調節PV電池運行電壓等于最大功率點的電壓來實現最大功率點跟蹤。01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)發電系統受太陽輻射和負載大小影響的PV電池的電壓-電流特性電池的溫度影響太陽能電池的性能，隨著溫度的增高，其輸出電壓和功率將線性減小，因此PV電池最好運行在太陽輻照度高，氣溫較低的時候。不同太陽輻射情況下，最大功率點的電壓基本上相同，與電池受到的輻照度無關。01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)發電系統二、PV電池等效電路IL

：光能產生的電流；Id

：二極管電流；Ish：旁路漏電流；串聯等效電阻Rs表示電池中對電流的阻礙作用，其數值取決于p-n結深度、半導體材料的純度和接觸電阻；

旁路電阻Rsh與電池對地的泄漏電流成反比。常規的高質量的PV電池，一平方英寸的硅電池其Rs在0.05到0.10Ω之間，Rsh在200到300Ω之間。PV電池轉換效率對Rs的變化非常靈敏，而對Rsh的變化不靈敏，當Rs的值少量增加時，PV電池的輸出電能將顯著減小。二極管電流可采用常規的二極管電流計算公式計算：ID為二極管飽和電流；Uoc為開路電壓；Q為電子電量；A為曲線擬合常數；K為波爾茲曼常數；T為絕對溫度。

01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)發電系統負載電流：實際的PV電池，Ish與IL和ID相比非常小，可以忽略。在黑暗條件下，將電壓Uoc加到電池兩端，并測量流入電池的電流即可求得二極管飽和電流，因此該電流常稱為黑暗電流或反向二極管電流。描述PV電池性能的兩個最重要和最常用的參數是開路電壓Uoc和短路電流ISC。在滿照度的條件下，將PV電池的輸出端短路測量得到的電流即為短路電流。在PV電池開路的情況下，得到的最大光電壓即為開路電壓。忽略旁路電流。開路電壓具有負的溫度系數。01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)發電系統PV電池的電氣特性一般采用電流-電壓(i-v)曲線表示。左邊陰影區，電池工作于理想電流源工作狀態，其輸出電壓取決于負載電阻；右邊工作區，當電壓少量增加時，將引起輸出電流急劇增加。在此區域，電池相當于具有內阻的電壓源。在兩個陰影區域的中間部分，i-v曲線有一個轉折點。PV電池的輸出功率為其輸出電壓和電流的乘積。當輸出電壓處于i-v曲線的轉折點時，輸出功率達到最大。PV電池的電路應工作于靠近i-v曲線的轉折點的左邊。在分析系統的電氣特性時，可將PV電池等效為近似理想電流源的模型。01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)發電系統光照為2流明，空氣質量為2.5時，22瓦的PV電池的i-v特性：定義外太空的空氣質量為0，太陽輻射可達1350瓦/平方米。當空氣質量為1時為純凈的空氣且在中午的時候，可將其定義為地面的理想條件，太陽光經很小的阻擋達到地面。一般的白天，空氣質量為1.5，可定義為空氣質量的參考值。01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)發電系統PV電池的光電轉換效率：三、PV系統組成PV電池必須工作于一定的電壓，從而保證在一定的條件下工作于最大功率點。設PV電池的輸出電壓為U，輸出電流為I，則P=U×I。忽略上式中的高次方項：在最大功率點，ΔP應為零，因此在最大功率點：動態阻抗靜態阻抗01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)發電系統實現PV電池工作于最大功率點的方法：第一種方法：將一個很小的電流信號按一定的周期注入到PV電池陣列的母線上，然后測量母線上的動態電阻Zd=dU/dI和靜態電阻Zs=U/I，調整電池的工作電壓直到Zd=Zs，當電池運行在這一點時，其輸出功率可達最大值；第二種方法：根據dP/dU的正負調節工作電壓，當dP/dU為正時增加PV電池工作電壓，為負時減小工作電壓。如果dP/dU在一定的死區范圍內接近于零則保持其工作電壓不變；大多數PV電池，最大功率點的電壓與開路電壓的比值(Ump/Uoc)近似為常數K。第三種方法：將一個不帶負載的光電池安裝在PV電池板上，使其與輸出電功率的PV電池處于同一環境，并不斷測量其開路電壓，如果將輸出電功率的PV電池的工作電壓設定為KUoc，則其輸出功率將達到最大值。01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)發電系統獨立運行的PV系統組成：01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)發電系統并網運行的PV系統組成：光伏發電系統的并網電路兩級拓撲結構

集成控制器首先在DC/DC環節中實現MPPT控制，再在一個DC/AC環節中實現正弦電流輸出與相位控制。

集成控制器檢測太陽能板的輸出電壓、電流，中間環節的電壓Ud，以及交流側電壓和輸出電流等信號，輸出DC-AC逆變器的調制信號，同時還要向DC-DC換流器發出最大功率點電壓指令U*pv和啟動停止信號。01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)發電系統四、逆變器電流跟蹤控制通過基于PWM調制的電壓源型逆變器(IGBT、MOSFET等)與電網互聯，以輸出電流作為控制對象。

外部電壓控制環產生內部電流跟蹤控制環的參考電流，而電流環主要負責補償誤差電流，產生PWM調制信號，要求具有快速的動態響應速度和諧波補償能力。電流跟蹤型PWM的控制方法很多，根據使用的坐標系不同主要有兩種類型：基于三相瞬時坐標系下的非線性控制器、基于同步旋轉坐標系的線性控制器。01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)發電系統非線性控制器采用瞬時比較的方式，將有功電流指令和無功電流指令經過Park反變換得到交變的輸出電流指令ia*、ib*、ic*，分別與實際三相電流相比較，偏差通過電流環調節器輸出的Ua*、Ub*、Uc*為按正弦規律變化的一系列調制脈沖，經電壓放大到驅動主電路功率開關管，輸出三相橋逆變電壓。為了確保輸出有功電流與電網電壓同相位，電網電壓的相位和頻率信號可以經過鎖相環節(Phase-lockedloop)得到。1.基于三相瞬時坐標系下的非線性控制器01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)發電系統采用上述PLL可以較好的得到正序相角，抑制諧波分量和其它擾動信號的影響。但在不對稱電壓故障下，負序分量通過PLL環節會產生諧波分量，因此需要結合濾波技術，過濾負序分量。01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)發電系統2.基于同步旋轉坐標系的線性控制器三相并網系統中，常采用把三相變量變換為兩相，將交流變量轉換為直流變量，在d-q同步參考坐標系下設計基于空間矢量PWM(SVPWM)的線性電流控制器。功率控制器產生有功和無功電流指令id*、iq*，分別與實際的id、iq相比較，差值通過電流控制環輸出空間矢量調制的電壓指令Ud*和Uq*。電流控制環采用PI控制，使用交叉耦合方法并增加電壓前饋環節提高控制器的動態響應特性。01二月2023§3-4小型風力發電系統風力發電是利用風能來發電，而風力發電機組(簡稱風電機組)是將風能轉化為電能的機械。一、風機的特性

風輪是風電機組最主要的部件，由槳葉和輪轂組成。槳葉具有良好的空氣動力外形，在氣流作用下能產生空氣動力使風輪旋轉，將風能轉換成機械能，再通過齒輪箱增速驅動發電機，將機械能轉變成電能。理論上最好的風輪只能將約60％的風能轉換為機械能。現代風電機組風輪的效率可達到40％。風機的能量轉換公式可以寫成：

ρ為空氣密度；R為葉片旋轉半徑；u為風速；θ為槳距角；λ為葉尖速度比ωrot為風機的旋轉速度，Cp為風機的轉換效率。

01二月2023§3-4小型風力發電系統理想風機的功率特性曲線：當風速檢測系統在持續10分鐘內測得風速平均值達到切入風速，系統自檢無故障時，控制系統發出釋放制動器令，機組由待風狀態進入低風速起動。當機組轉速接近同步轉速時，執行并網操作。輸出功率隨著風速的的增大而增加，當風速超過額定風速的時候，由于風機失速效應的影響，風機的輸出功率恒定。01二月2023§3-4小型風力發電系統當轉速超越上限發生飛車時，必須進行限速及剎車操作，以強制停機。二、風機的葉片控制風力發電機按照槳距是否控制可分為定槳距風力發電機和變槳距風力發電機。若風機的功率調節完全依靠葉片的空氣動力學特性，則稱為定槳距風力發電機組。風電機組的設計一般在小于額定風速時風輪具有最佳轉換效率，發電機工作于同步轉速附近。當風速超過額定風速時，由于葉片存在著失速效應，降低了Cp，維持發電及輸出功率恒定。實際中風速的變化范圍很大，特別在強風速下，風速的變化非常快，使得風機的輸出功率波動要比正常風速時大，因此很難維持發電機輸出功率的恒定。另外失速控制方式主要依賴于葉片獨特的結構，隨著葉片加長，成型工業難度加大，且失速動態特性也不好控制。01二月2023§3-4小型風力發電系統為了盡可能提高風力機風能轉換效率和保證風力機輸出功率更為平穩，風力機需要加裝槳距調整環節進行槳距調整，這種風機稱為變槳距風力發電機。變槳距風力發電機功率調節不完全依靠葉片的空氣動力學特性，主要依靠與葉片相匹配的葉片攻角改變來實現。在額定風速以下時，葉片攻角處于零度附近，此時葉片角度受控制環節精度的影響，變化范圍很小，等同于定槳距風機。在額定風速以上時，變槳距機構發生作用，調整葉片攻角，保證發電機的輸出功率在允許范圍內變動。定槳距和變槳距風機的功率特性曲線01二月2023§3-4小型風力發電系統三、風力發電系統的控制1.獨立運行的風力發電系統早期10kW以下的小型風力發電系統采用直流發電系統。采用直流發電機與蓄電池儲能配合向直流負載供電，直流發電機的結構復雜、維護量大，目前多采用交流發電機經整流器后輸出直流電。交流發電機包括永磁式發電機、無刷自勵發電機、硅整流自勵交流發電機和電容自勵異步電機。永磁發電機自身不能調節，為了調節輸出功率，必須另加輸出控制電路，與小型風電裝置和經濟性需求相矛盾。無刷罩極自勵發電機所有的勵磁都來自一套勵磁繞組，具有較好的調節性能，通過調節勵磁可以方便的控制輸出特性，并有可能使風機實現最佳葉尖速比，得到最好的運行效率。非常適合千瓦級的微、小型風力發電裝置。在整流器后接逆變器則可以向交流負載供電。01二月2023§3-4小型風力發電系統獨立運行的異步發電機帶負載運行時，發電機電壓和頻率都隨負載的變化及負載的性質有較大的變化。為了維持頻率不變，必須相應地增加發電機轉子的轉速。當負載增加時，異步發電機的滑差絕對值增大，在異步電機作為發電機運行時，轉子轉速大于定子電機旋轉磁場的轉速，異步電機的頻率下降，如果維持異步發電機頻率不變，必須增加轉子的轉速。01二月2023§3-4小型風力發電系統為了維持發電機的電壓不變，當發電機負載增加時，必須相應地增加發電機端并接電容的數值。多數情況下，負載為電感性，感性電流將抵消一部分容性電流，這樣將導致勵磁電流減小，發電機端電壓下降，所以必須增加并接電容的數值，以補償負載增加時感性電流增加而導致容性勵磁電流的減小。異步電機的功率因數由輸出功率決定，不能調節，電網供給勵磁的無功電流會導致功率因數下降，同步電機則可以使用勵磁調節系統調整功率因數。因此單獨運行時，異步電機的電壓調節比同步電機困難很多。為了保證對負載的不間斷供電，獨立運行的風力發電系統由風力機驅動發電機，經蓄電池蓄能裝置向電阻性負載供電。當風力減小時，風力機轉速降低，致使直流電壓低于蓄電池組電壓時，則發電機不能對蓄電池充電，而蓄電池卻要向發電機反向送電。01二月2023§3-4小型風力發電系統為了防止這種情況，在發電機電樞電路與蓄電池組之間裝有逆流繼電器控制的動觸點，當直流發電機電壓低于蓄電池組電壓時，逆流繼電器動作，斷開動觸點J，使蓄電池不能向發電機反向供電。為保證風機對負載持續供電，蓄電池的容量非常關鍵。容量選擇與選定的風力發電機的額定數值，日負載狀況，以及該風力發電機安裝地區風力(無風持續時間)等有關系，同時還需要計算蓄電池的充電和放電電流值，保證合理的使用蓄電池，延長蓄電池使用壽命。2.恒頻/恒速風力發電系統并網運行的風力發電機要求其輸出頻率與電網保持一致。根據風機的轉速特性風力發電系統可以分為恒頻/恒速和恒頻/變速系統。早期風力發電系統的運行方式多為恒頻/恒速，風機采用失速調節或者變槳距調節，風輪轉速不隨風速的改變而改變，發電機主要采用異步感應電機。01二月2023§3-4小型風力發電系統異步電動機組成的恒頻/恒速風力發電系統控制策略：低風速下追求Cp最優，進入高風速時限制輸出功率。01二月2023§3-4小型風力發電系統當風速在啟動風速和正常風速之間時，風機的輸出功率小于額定功率，此時模式切換開關調整到優化控制模式，調整槳距角獲得最佳的風能轉換效率Cp

。當風速在正常風速和關停風速之間時，風機的輸出功率超過額定功率，模式切換開關切換到功率控制模式，調整槳距角以增強失速效應，維持輸出功率在額定功率。功率控制器采用帶有反纏繞設計的PI控制器，可以有效減少控制模式切換時控制器輸出與實際槳距角θ不等引起的系統閉環響應變差現象。邏輯控制的主要功能是比較新的指令信號θsp與和槳距角θ的采樣信號，只有θsp與采樣信號不同，并持續一段時間后，新的指令信號θsp才能夠傳遞給伺服系統。控制模式之間的切換取決于風機的運行狀態，為避免槳距角出現較大偏差，控制模式切換時應同時滿足兩個條件：風機的輸出功率是否大于額定功率；風速是否大于額定風速。01二月2023§3-4小型風力發電系統3.恒頻/變速風力發電系統由于風機轉速對于風機轉換效率Cp影響很大，恒頻/恒速的風機可調整的范圍和靈敏度都是有限的。應用交流電動機的調速技術，通過調節發電機轉子電流的大小和相位實現轉速調節，追求Cp最優和無功功率的平衡，將這種調速系統與變槳距控制環節結合，就構了恒頻/變速變槳距風力發電機的主要技術特點。實現風力發電機恒頻/變速運行主要有兩種方式：有限變速運行方式和全變速運行方式。(1)有限變速運行方式系統中換流器的額定容量不超過風機的容量。發電機采用高滑差繞線式轉子的異步發電機，如雙饋異步發電機和滑差可調的繞線式異步發電機。異步電機采用交流勵磁，與電力系統之間構成一種柔性連接，根據電網電壓和發電機轉速通過電力電子變換裝置調節勵磁電流，實現變速條件下的并網運行。01二月2023§3-4小型風力發電系統雙饋異步電機定子繞組直接接入電網，轉子繞組由一臺頻率、電壓可調的低頻電源(一般采用交－交循環變流器)供給三相低頻勵磁電流。當轉子繞組通過三相低頻電流時，在轉子中形成一個低速旋轉磁場，這個磁場的旋轉速度(n2)與轉子機械轉速(nr)相疊加，使其等于定子的同步轉速n1

，即：當轉速nr變化時，相應改變轉子電流的頻率和旋轉磁場的速度n2，以補償電機轉速的變化，保持輸出頻率恒定不變。發電機可以超同步運行(轉子旋轉磁場方向與機械旋轉方向相反，n2為負)，也可以次同步速運行(轉子旋轉磁場方向與機械旋轉方向相同，n2為正)。超同步運行時，除定子向電網饋送電力外，轉子也向電網饋送一部分電力。次同步運行時，定子向電網饋送電力的同時，需要向轉子饋入部分電力。01二月2023§3-4小型風力發電系統雙饋異步電動機的運行模式同步運行時：n=n1，滑差頻率s=(n1-n)/n1，此時通入轉子繞組的電流頻率為0，亦即直流電流，與普通同步發電機一樣01二月2023§3-4小型風力發電系統使用雙饋異步電機的風機控制系統

功率控制器速度控制器

電網側整流器控制

轉子側逆變器控制整個控制系統包含有風機控制和雙饋感應電機控制。

01二月2023§3-4小型風力發電系統將發電機定子繞組接同等容量換流器并網運行的。(2)全變速運行方式主要缺點是電力電子變換器安裝于系統的主回路，容量大，成本和維護費用高，但是在中、大型風力發電系統中所占風力發電系統的總成本比例并不大。主要的風機類型和控制結構帶有變速齒輪的異步電動機交-直-交系統以漿距控制作為主要調節手段維持異步電機轉速恒定，電力電子換流器作為輔助控制手段，輸出恒定功率。01二月2023§3-4小型風力發電系統帶有變速齒輪的同步發電機交-直-交系統利用小容量硅整流器提供勵磁電流，同步發電機隨風輪變轉速旋轉，產生頻率變化的電功率，勵磁調節與漿距控制相結合實現恒頻變速。發電機發出頻率變化的交流電通過交－直－交變換電路接入電網。采用多極同步發電機，同時引入小容量的AC/DC整流器提供勵磁電流優點是不需要機械變速齒輪。01二月2023§3-4小型風力發電系統采用多極永磁同步發電機的交-直-交系統永磁同步發電機不存在勵磁繞組銅損耗，發電效率比同容量的電勵磁發電機高；轉子上沒有滑環，維護簡單；重量輕，制造工藝相對簡便，廣泛應用于小型風力發電機。缺點是電壓調節能力差。以漿距控制作為主要調節手段維持異步電機轉速恒定，電力電子換流器作為輔助控制手段，輸出恒定功率。01二月2023§3-5微電網中能量存儲設備光伏發電系統和風力發電系統的輸出功率隨著氣象條件的變化而變化，并且為間歇性的，為保證對負荷的連續供電，必須在微電網中安裝電能存貯系統。大型電力系統中，同步發電機組的旋轉動能在維持負荷的動態平衡、減小系統頻率的瞬時變化起著重要的作用，但是在微電網中，由于發電機容量較小，因而其旋轉動能也小，另外光伏發電系統和燃料電池系統根本沒有旋轉動能，因此如果微電網獨立運行，則很難保證系統頻率的動態穩定。電力負荷從微電網中吸收有功功率和無功功率，微電網與負荷/電網之間的接口通常為三相dc/ac逆變器，采用三相逆變器可實時控制提供給負荷的電壓、有功功率和無功功率。三相逆變器能夠給交流系統提供無功功率的需求，不需要能量存儲系統，只需在其直流母線上加入電容器組，因為無功電流只在逆變器的三相交流側循環，不會對直流側起作用，因此負荷的無功功率的變化不會影響微電網中能量存儲設備的容量。01二月2023§3-5微電網中能量存儲設備一、蓄電池無控制直流母線結構可控直流母線結構

無控制直流母線結構：蓄電池直接與直流母線連接，蓄電池的充、放電狀態決定了直流母線電壓的大小，由于電池充、放電功率持續時間很短，因此需要電池能夠放電到最終電壓和在短時間內充滿。可控直流母線結構：直流母線連接了電容器組，其電壓可以調整，與蓄電池的充、放電過程無關。電池組由多個電池串聯，提高輸出電壓，降低輸出電流，但串聯電池過多，可能導致各電池的充電平衡問題。01二月2023§3-5微電網中能量存儲設備常用的蓄電池有鉛酸蓄電池、鎳鎘(NiCd)蓄電池、鎳氫(NiMH)蓄電池和鋰離子(Li-ion)蓄電池。鎳鎘蓄電池和鎳氫蓄電池自放電率非常高，不適合于應用在微電網中。鋰電池雖然具有最高的能量密度，但是非常昂貴。鉛酸蓄電池的每kWh的費用最低，可滿足微電網系統的能量密度的要求。1.蓄電池組的設計設計應用于微電網的蓄電池首先應考慮單體電池的特征。若要單體蓄電池充分放電電壓Ufvc保持大于或等于1.5V，則應在23℃時使電池工作在瞬時功率曲線的線性段。當Ufvc較低時，電池損耗很高，因此Ufvc應盡可能高，可選擇在額定電壓Ucn的80%至90%之間。01二月2023§3-5微電網中能量存儲設備對于高速率放電的蓄電池，典型的Ufvc為1.75V、1.78V和1.81V。設Ubatf為由Nc個單體電池串聯組成的蓄電池組的端電壓，則單個電池的數量為對于無控制的dc母線結構，Ubatf為逆變器的最小母線電壓，而逆變器的dc母線電壓取決于ac電壓。在可控dc母線結構，Ubatf決定于dc/dc轉換器的開關器件的占空比。蓄電池必須在負荷變化的很短時間內提供足夠的功率，如果負荷的最大功率變化已知，則可根據該功率選擇電池。負荷最大功率的變化可假設為從微電源開路到滿負荷所需的功率變化。01二月2023§3-5微電網中能量存儲設備設Pbmax為在Trmax時間內電池所提供的最大功率，則它與滿負荷功率Pfl的關系為g(t)為Trmax時間內從零上升到最大值的遞增函數，g(t)取決于微電源的響應曲線。一般情況下，g(t)可描述為冪函數或線性函數。蓄電池的最大存儲電能可表示為當g(t)為線性函數和冪函數時，k可分別近似取0.5和0.2。滿負荷功率可表示為Pifl為逆變器的滿負荷功率，cosφ為逆變器所接負荷的功率因數，η為逆變器效率。01二月2023§3-5微電網中能量存儲設備單體蓄電池的放電量可用Ih(Ah)表示，則電池的充、放電速率用C率表示，數值上等于上述表達式獲得的Ah數。蓄電池的放電速率可用C率的倍數表示，如果d為蓄電池的放電速率因子，則蓄電池的放電速率為d×C。設每個單電池放電時的平均電流為IpC，則時間Trmax時間內如果要求蓄電池的放電與微型渦輪發動機的冷起動配合，微型渦輪發動機從冷起動開始達到滿負荷運行需要一定的起動時間，例如，28kW的Capstone微型渦輪發動機的起動時間大約為2分鐘。01二月2023§3-5微電網中能量存儲設備Pcs為微型渦輪發動機冷起動時在Tcs時間內從蓄電池所吸收的電能。2.蓄電池的等效電路模型鉛酸蓄電池的簡化模型該模型較好地表示了蓄電池的自放電、存儲容量和內阻等特性關系。Pb、Ub和Ib分別表示蓄電池的功率、電壓和電流，電池的開路電壓Uoc為電池內硫酸電解質的平均重力和溫度的函數，電池的等效電容根據其所提供的最大功率來估計。蓄電池的能量(單位為J)定義為蓄電池的等效電容為01二月2023§3-5微電網中能量存儲設備串聯充放電電阻Rc為蓄電池的有效內阻，可從蓄電池的產品技術手冊得到，Rc包括蓄電池的柵網、鉛電極等效阻值以及各部分之間的接觸電阻。自放電電阻Rs為蓄電池自放電特性的函數，可從產生技術手冊獲得。二、超導電磁儲能系統超導儲能技術的原理是將電能存儲于線圈的磁場中，存儲的能量為B為線圈產生的磁感應強度；μ為空氣的磁導率；L為線圈的電感量。線圈上電壓與電流的關系為若線圈的儲能處于穩定狀態，則上式中第二項為零，因此為產生足夠的電流，線圈兩端的電壓可簡化為U=RI。01二月2023§3-5微電網中能量存儲設備線圈的電阻與溫度有關，對于大多數導體，溫度越高電阻越大，如果線圈的溫度降低，電阻也將下降。某些材料當溫度降低到某一臨界值TC時，其電阻急劇下降為零。當溫度低于TC時，線圈兩端不需電壓也可產生電流，線圈可視為短路，線圈的電流將達到無窮大，相應地線圈中存儲的能量也為無窮大。超導儲能系統組成原理圖線圈由AC-DC轉換器充電，將電能轉換為磁能，當線圈

充滿電后，轉換器繼續向線圈提供很小的電壓，補償線路中室溫部分元件的能量損耗，保持線圈中固定的直流電流。

01二月2023§3-5微電網中能量存儲設備系統控制器具有三個主要功能：實現電力電子開關器件的控制；監視負荷電壓和電流；電壓調節器接口，控制直流功率流入和流出線圈。如果系統控制器檢測到線路電壓下降，則意味著電網不能滿足負荷的需要，電壓調節器的開關斷開，線圈的電流流向電容，直到系統電壓恢復到額定水平。電容上的電能逆變為50Hz的交流送到負荷，隨著電容上電能的消耗，母線電壓下降，開關再一次斷開，通過上述過程繼續向負荷供電。01二月2023§3-5微電網中能量存儲設備與其它能量存儲系統相比，超導能量存儲系統具有下述幾個優點：充放電循環效率可達95％，比任何其他系統都高。

使用壽命長，可達30年以上。充放電時間非常短，可在很短的時間內提供大量的電能。除了冷卻系統外，沒有運動部件。三、超級電容器儲能系統常規電容將電能以靜電的形式存儲于由電介質隔離的兩個極板之間，其電容值為超級電容通常指電容值為數法拉到數千法拉的電容。為提高電容單位體積的電容值，超級電容通常為電化學電容，也即它不僅具有電容的性質，還具有蓄電池的性質。電容充電時，和蓄電池一樣，電荷以離子的形式存儲，因此單個電容電壓只有幾伏。01二月2023§3-5微電網中能量存儲設備超級電化學電容由兩個極板、隔離物、電解質和電流采集器組成。1.超級電化學電容原理(1)赫爾姆霍茨模型最基本的雙層電容效應由赫爾姆霍茨于1853年發現，假設在電極的表面形成了單個離子層，其電容值為δ為單離子層中心與電極表面之間的距離。該模型預示電容值為常數，沒有說明電壓和離子濃度之間的關系。01二月2023§3-5微電網中能量存儲設備(2)查普曼模型查普曼模型考慮了擴散層電荷，電容值將增大。z為離子的化合價；k為德拜長度的倒數。(3)斯特恩模型斯特恩改進了查普曼模型，在查普曼模型上包含了一個緊密的類似于赫爾姆霍茨模型的離子層，因此雙層電容由緊密層和擴散層組成。01二月2023§3-5微電網中能量存儲設備2.超級電化學電容儲能系統設計時考慮的因素能量存儲系統中超級電容的實際電壓比單個電容的電壓高，因此必須將多個電容串聯，獲得所需的電壓，但將增加總的串聯等效電阻。如果需減小串聯等效電阻，需要額外增加串聯電阻與之并聯。并聯電阻的數量取決于串聯等效電阻、存儲的能量和放電時間等。串聯電容中電容和電阻的分散性將使串聯電容中電壓的分布不相等，由于局部電壓有可能高于電解質的擊穿電壓，從而導致電容的損壞。因此設計時應增加電壓平衡電路。設d為C1和C2的相對差值的百分比值，則C1和C2可表示為設單個電容的電壓為2.5V，則當電容充滿電后串聯電容的總電壓為5V，如果初始電壓為零，則有：01二月2023§3-5微電網中能量存儲設備設參考電容C=1000F，根據上述關系可考慮兩個極端情況，第一種情況為C1和C2均為參考值，即d=0%；第二種情況為d=-20%的情況，即C1=1000F，C2=800F。表電壓平衡和存儲能量電壓和能量d=0d=-20%無平衡電路d=-20%有平衡電路U/V54.55/V2.522.5/V2.52.52.5E/J625045005625電壓平衡電路的主要優點是使得串聯回路中每個電容上的電壓都可達到額定值，這樣使每個電容上所存儲的能量達到了最大可能的數值。3.電壓平衡電路平衡串聯電容上電壓的常用方法是電容充電時在每個電容上并聯一個電阻。01二月2023§3-5微電網中能量存儲設備電阻的阻值可采用不同的準則來選取，主要準則是使得充電過程中電容上的動態電壓保持平衡，避免單個電容過充電。采用并聯電阻來平衡串聯電容電壓將引起較大的能量損耗。為減小平衡電路的損耗，可在每個超級電容上并聯一個穩壓管，穩壓管擊穿電壓為電容額定電壓，充電時只要每個電容電壓不超過穩壓管的穩定電壓，就沒有能量損耗，但當許多電容的電壓超過穩壓管的擊穿電壓時，能量損耗也非常大。為了在每個電容上獲得相等的電壓，并得到最高的效率，可以采用有源平衡電壓拓撲結構，其原理是在每個電容上加入一個輔助電流源，輔助電流源的電流取決于電容充放電過程中每個電容上電壓的動態平衡。01二月2023§3-5微電網中能量存儲設備由V1和V2組成的轉換器的借助于有源開關器件產生的偏移電流來平衡電壓。與穩壓管型電壓平衡電路比較，有源電壓平衡電路原理不是基于功率損耗，因此其效率較高。有源電壓平衡電路是一個可逆電流Buck-Boost轉換器，這種結構使得

從C1到C2(或從C2到C1)的能量轉換與電容電壓無關。為使器件效率達到最優狀態，有源電壓平衡電路應工作于斷續導通狀態，當需要正的電流2Ieq(即Uc1大于Uc2)時，V2截止，V1按一定的頻率導通和截止；反之，當需要負向電流2Ieq(即Uc1小于Uc2)時，V1截止，V2按相同頻率導通和截止。只要C1和C2上電壓差達到一定數值，即開始上述開關過程，當兩個電容上的電壓相等時，V1或V2的開關過程即停止。01二月2023§3-5微電網中能量存儲設備Buck-Boost轉換器工作于斷續導通狀態，當V1和V2工作于50％的占空比時，平衡電流與充電電流的關系為f為開關頻率；Leq為電感值；Ud為二極管的正向導通電壓。當充電電流I已知，且C1和C2的差值已知時，即可由上式確定電感和開關頻率。當電感值確定后，開關頻率f可采用下述兩種方法確定：f固定不變。為了限定平衡電流的大小，必須考慮Uc1和Uc2的最大值。在電容的充放電過程中，平衡電流為Uc1和Uc2的函數，當Uc1和Uc2達到最大值時，電壓的平衡將最有效。