微電網建模與控制基礎L1.微電網概述及變流器基礎

內容微電網概述變流器建模原理三相變流器簡介三相坐標變換內容微電網概述變流器建模原理三相變流器簡介三相坐標變換電力系統：集中式與分布式分布式的優點：冗余度高模塊化容錯性好效率高可靠性高集中式電力系統vs.分布式電力系統微電網的出現背景日益豐富的新能源形式光伏（Photovoltaic）風能（Wind）小型風機（Micro-turbine）小型儲能系統不間斷電源（UPS）飛輪儲能（Flywheel）電池（Battery）超級電容（Super-capacitor）基于分布式發電優勢以及日益豐富的新能源和儲能形式，研究人員提出了“微電網“概念，以實現對分布式發電和負荷單元的小規模集成及分散控制。微電網的概念與特點微電網是什么？一種區域小型電網生態系統，內部各個子系統交互運行，包括：多個分布式電源多個分布式負荷一定形式的儲能裝置微電網具有哪些特點？發電單元接近負荷易集成清潔及高效能源較多的電力電子變流器裝置可以與大電網并網運行，或獨立運行具有較復雜的控制，不僅僅是簡單源-荷連接一個典型的微電網系統微網分布式電力系統結構微電網面臨的新挑戰微電網的保護能量雙向流動微電網單元進行電壓與頻率支撐傳統電力系統保護難以完全適用微電網的控制可再生能源的多變性、低過載承受能力和低短路容量有源負載、諧波干擾設備之間協同和通信需要較多的監測設備微電網能量的分配負載+發電管理及協同、微電網聚合、源-荷平衡商業、法規、政策等多方面因素微電網的功率等級單元微電網（<2MW）具有多個負載的小型個人微電網，如醫院、學校多單元微電網（2~5MW）由中小規模發電設備及少數臨近負載構成電網支線（5~20MW）由中大規模熱電聯產設備及中大功率臨近負載構成

通常涉及商業和工業微電網變電站（>20MW）傳統熱電聯產設備及大功率臨近負載構成

包含城區商業和工業、住宅等村鎮及島嶼多種發電設備，多見于中國、印度、巴西、歐洲和北美微電網的主要兩種類型微電網關注的問題交流微電網存在的問題：電壓、電流、頻率、相位多自由度控制浪涌電流（變壓器、感應電動機、感應發電機）三相不平衡（單相負載、單相發電機等，如光伏發電）近年來微電網的發展趨勢：基于電力電子變流器的源-負載（AC/DC和DC/AC變換）小容量分布式發電（光伏、燃料電池、風電、燃氣發電機組）直流型源和負載（通過電力電子變流器實現）電能質量控制（諧波，電壓，頻率等）電力電子變流器的控制及協調是微電網核心技術微電網中的電力電子變流器電網側變流器

用于交流電網和微電網之間能量互聯，能量雙向流動。可以是單相或三相的DC-AC變流器（直流微網），也可是AC-DC-AC背靠背型變流器（交流微網）負載側變流器

用于微網和終端負載之間能量互聯，通常能量單相流動。可以是DC-AC逆變器（交流負載），或DC-DC變流器（直流負載）源側變流器

將可再生能源與微網進行能量互聯，通常能量單相流動。如光伏發電、風力發電、燃料電池供電等儲能變流器

將儲能設備連入微電網，隨儲能設備和微網的不同（如電池、飛輪、超級電容）而具有不同的拓撲，能量雙向流動直流型微網通常能減少所需變流器的數量及控制復雜度=~=~=~=~=~AClineDistributedloadsH2Windturbine~=~~UtilityPCCStaticbypassswitchMicrogridCAES~~微電網結構交流微網系統多個變流器在AC端并聯作為母線DC-AC變流器、AC-AC變流器微電網結構直流微網系統多個變流器在DC端并聯作為母線DC-DC變流器、AC-DC變流器微電網結構交直流混聯型微電網多端口電力電子變流器：交直流混合一些國內微電網項目一些微電網的實例多個微電網組成的分布式電力系統未來的電網的一種可能形態以微電網為單元組成的大電力系統能量和信息交流同等重要內容微電網概述變流器建模原理三相變流器簡介三相坐標變換典型的變流器結構功率輸入：變流器的輸入電壓/電流功率輸出：變流器的輸出電壓/電流采樣環節：采樣電壓/電流信號控制器：以給定信號和反饋信號作為輸入，輸出連續調制信號調制環節：以調制信號作為輸入，產生功率開關的脈沖通斷信號一個典型的電力電子變流器包括以下幾個部分：調制環節和脈沖驅動是電力電子變流器與其他電能控制系統最大的差別DC-AC變流器的基本單元橋臂功率輸入：DC電壓源

/信號輸入：PWM脈沖驅動輸出：AC負載上的電壓及電流前級：開關電路

—直流供電至開關橋輸出后級：LC濾波器

—開關橋輸出至負載電壓以輸出端接LC濾波器的電壓源型DC-AC變流器為例：DC-AC變流器單相橋臂的工作原理DC-AC變流器單相橋臂：正半周：Buck電路負半周：反向的Boost電路開關過程及調制的建模——開關狀態當VD1開通，VD2關斷時（狀態1）：當VD2開通，VD1關斷時（狀態2）：VD1VD2StateOnOn短路!OnOff輸出狀態1OffOn輸出狀態2OffOff無輸出開關過程及調制的建模——開關狀態函數引入一個開關狀態函數S(t)：逆變器端口輸出脈沖電壓vi(t)可以寫成：開關過程及調制的建模——開關周期平均對脈沖電壓vi(t)在一個開關周期內求平均值：假設VD1的開關占空比為D(t)，VD2的開關占空比為

D’(t)=1–D(t)，則可以得到：脈沖離散電壓變為連續線性電壓開關過程及調制的建模——雙極性PWM調制對于雙極性PWM，定義輸入交流調制波的幅值為Vm，三角載波的幅值為Vtri

假設開關頻率fsw

遠大于輸入交流調制波vm(t)頻率，則一個開關周期內vm(t)可視為恒定的常數，那么如圖根據幾何關系，占空比D(t)可以寫成：開關過程及調制的建模——KPWM的推導將D(t)代入開關周期求平均后的電路關系：則有DC-AC變流器橋臂的開環控制如果開關頻率fsw

足夠大，則對于低頻分量（遠低于開關頻率fsw），PWM調制過程在頻域下可以用一個簡單增益

KPWM

來表示：當對單相DC-AC變流器輸入幅值為Vm

的正弦調制信號，變流器輸出電壓也為正弦波；若要使輸出正弦波電壓幅值為Vm

，三角載波幅值Vtri

應設為VDC/2。內容微電網概述變流器建模原理三相變流器簡介三相坐標變換單相和三相系統中的瞬時功率單相變流器的瞬時功率為

三相變流器的瞬時輸出功率為由此可見，單相變流器輸出功率中含有二倍頻波動，而三相變流器輸出功率穩定，不含二倍頻波動。直流分量二倍頻分量微電網中的三相DC-AC變流器相比單相變流器，在交流微電網

中更為常見的是三相變流器。三相變流器廣泛應用于中大功率

場合，如風力發電。三相變流器可看做3個相位依次相差120°的單相DC-AC變流器構成微電網中的三相DC-AC變流器L/LCL濾波器

（控制AC電流）（接有源電網）LC濾波器

（控制AC電壓）

（接無源負載）微電網中的三相DC-AC變流器三相三線制：三相電流之和恒為0三相四線制：三相電流之和可以不為0內容微電網概述變流器建模原理三相變流器簡介三相坐標變換三相電壓/電流矢量以電壓為例，三相電壓間，相鄰兩相依次滯后120°相位，可以使用以下的矢量表示：空間結構中，靜止abc坐標系中abc為3個相互垂直的坐標軸如果給定靜止abc坐標系，三相電壓的瞬時值所代表的矢量可以合成一個電壓矢量Clark變換（abc到αβ）引入一個新的坐標系—靜止αβ0坐標系。靜止αβ0坐標系中0軸與abc坐標系中三個坐標軸上的單位矢量相加得到的矢量方向相同。a軸在αβ平面上的投影與α軸重合。三相電壓矢量v在αβ平面上的分量vαβ逆時針旋轉，角頻率為ω。一個理想的三相對稱電壓矢量的0軸分量v0為零，則三維矢量降解為二維矢量。Clark變換（abc到αβ）如果使變換前后參量的幅值保持一致，從abc坐標系至αβ0的坐標變換關系是：相應的坐標變換矩陣是：這一坐標變換關系也稱為Clark變換若v0在三相對稱系統中為0，變換將3個自由度減少為2個自由度。Clark變換的另一種變換矩陣如果使矢量和的幅值保持不變，Clark變換關系將有所不同：這一變換關系本質上反映的是變換前后的總功率不變：在本課程中，我們均采用幅值不變的變換（系數為2/3）。Clark變換矩陣全為常數，僅需要三相電壓作為輸入量。dq同步旋轉坐標系在三相系統的相關分析中，dq同步旋轉坐標系也是常用的坐標系dq坐標平面與αβ坐標平面是同一平面。d軸與q軸之間呈90°夾角，相對于αβ坐標系以角頻率ω逆時針旋轉。當t=0，以下三個坐標軸彼此重合：a軸在αβ平面上的投影、α軸、d軸。如果dq坐標初相位為零，旋轉速度ω，則d軸可以與三相電壓矢量同步旋轉并保持重合。αβ/dq變換令變換前后參量的幅值保持不變，那么從αβ0到dq0坐標系的坐標變換關系是：αβ到dq坐標系變換需要一個額外輸入量θ，其為dq坐標系相對于靜止αβ坐標系的相位差。通常d軸與電壓矢量在αβ平面上的投影方向保持一致。Park變換(abc直接到dq)類似地，abc坐標系下的電壓參量也可以直接變換至dq0坐標系下，坐標變換關系為：因此坐標變換矩陣為：從abc坐標系直接變換至dq0坐標系的變換關系也稱為Park變換