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三相交流微电网控制及小信号稳定性研究

刘全伟  
【摘要】:全球性的能源危机与环境危机迫使世界各国寻找传统化石能源发电的替代品。近年来可再生能源发电技术逐渐兴起,其合理利用可以作为现有化石能源发电形式的有益补充,并最终成为解决能源危机的有效途径。微电网可以将各种类型的可再生能源发电单元以及储能元件有机集成为一个系统,为用户提供稳定、可靠、优质的电能。在微电网系统中,稳定运行是首要的,因而微电网的小信号稳定性问题是学术界的研究重点之一。论文在总结现有的交流微电网系统小信号稳定性分析方法的基础上,提出了基于元件等效阻抗模型的系统小信号稳定性分析方法,并将该方法应用于单母线微电网和网状网络拓扑结构微电网的小信号稳定性分析。同时,提出了通过控制输出阻抗的方式抑制孤岛微电网带非线性负载时的电压谐波,并通过电网电压与频率前馈的方式稳定并网潮流。 首先,论文推导了基于下垂控制电压型变流器(Power Conditioning System, PCS)、负载及线路阻抗、电网等在d-q同步旋转坐标系下的等效模型,分别为戴维南等效模型、阻抗模型、电压源模型等。以此为基础,建立了三相交流微电网在d-q坐标系下的网络等效模型,并推导出系统中各元件功率闭环特征方程,根据功率闭环特征方程即可求解出某一特定参数下系统各元件功率闭环特征根,特征根的分布即可用来预测系统的动态特性与小信号稳定性。进一步地,设置某些参数变化,即可求解出系统闭环特征根随该参数变化的根轨迹,从而可以利用这一方法来判断各个控制参数对系统的动态特性与稳定性的影响,并据此设计出恰当的控制参数。基于该思想,论文以单母线微电网为例,推导了并网及孤岛模式下的微电网模型,并求解出功率闭环特征方程随某些控制参数变化的根轨迹。 其次,论文所提出的微电网建模方法是先给出系统的在d-q同步旋转坐标系下的等效电路模型,然后利用基本电路方程导出系统闭环功率特征方程,且系统描述方程的矩阵规模与网络拓扑结构无关,只与组网PCS数量相关,因而特别适用于求解网络结构比较复杂的系统。而在目前的文献检索范围内,并无系统地讨论网状拓扑结构微电网的相关工作。基于此,论文提出了一种交流微电网系统的一般化网状网络拓扑结构,并利用论文提出的建模方法推导出该系统中各元件的功率闭环特征方程以及根轨迹,从而可以预测系统的动态特性及小信号稳定性。此外,论文还给出了该通用微电网拓扑结构演变为其它拓扑结构的一般方法。 再者,论文推导了下垂控制电压型PCs的输出阻抗模型,并分析了逆变器输出阻抗对电压波形的影响。孤岛运行时,若微电网存在非线性负荷,谐波电流会在逆变器的输出阻抗上产生谐波压降,进而导致输出电压波形畸变,从而严重影响微电网的电压波形质量。论文提出通过控制逆变器输出阻抗的方法,改善微电网孤岛运行时的电压波形质量。此外,下垂控制逆变器并网运行时,并网潮流受电网电压与频率随机波动的影响,也会存在随机波动,影响并网潮流控制的精确性。论文提出通过电网电压与频率前馈的方法抑制电网波动对并网潮流影响。 论文所提出的微电网建模方法,能够很好地应用于求解并网运行或孤岛运行的三相交流微电网,且该方法适用于求解网络结构较为复杂的微电网系统。推导系统闭环功率特征方程与求取根轨迹,为微电网中PCS的控制参数设计、微电网小信号稳定性问题的分析提供了新思路。 最后,论文介绍了基于RT-LAB的三相交流微电网实验平台的研发。该系统包含三台电压型逆变器,以RT-LAB作为虚拟控制器,可以用于验证论文所推导的微电网小信号模型,以及微电网电压波形质量问题。同时,由于该实验平台的通用性,也可以用于其它不同网络形态和负载条件的微电网实验研究,加快科研进度。


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