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1、摘要微电网为新能源并网发电规模化应用提供了有效技术途径，微电 网技术可以对分布式电源进行有效管理，降低分布式电源对大电网安 全运行的影响，有助于实现分布式电源的“即插即用”，同时可以最 大限度地利用可再生能源，符合我国新能源发电和可持续发展战略的 要求。随着微电网技术不断发展的新需求，微电网中微电源的协调控 制、微网运行模式切换等诸多问题亟待解决，因此，本文将从微电网 的控制系统角度进行研究，以实现微网技术的规模化应用。首先，本文系统详细的阐述了微网主要的整体控制策略以及微电 源逆变器接口侧的控制方法，并对各种控制策略的工作原理、适用范 围以及优缺点进行分析；其次，提出了基于P-f /Q-V下
2、垂控制的微 网功率最优分散协调控制方法。针对微电网功率分配因微电源到负荷 线路的影响而分配不合理的问题进行了深入的研究；分析了传统P-f /Q-U下垂控制的缺点，给出了 P-f/Q-V下垂控制方法，建立了微网 的数学模型，通过部分输出量反馈最优分散协调控制方法，使微网在 实现微电源功率合理分配的基础上，保证电压和频率处在正常范围 内，仿真结果表明微电网在输出有功功率分配不受影响的前提下，输 出无功功率的分配情况得到明显的优化，而且微网始终处于稳定运行 状态。最后，提出了将对等控制与主从控制相结合的控制策略。针对 微网运行模式转换时存在的问题，给出了符合我国国情的微电网运行 模式转换的条件，通过
3、分析对等控制以及主从控制在微网运行模式切换时的优缺点，提出了将两者相结合的控制策略，并结合控制器状态跟随的 平滑切换控制方法实现了微网运行模式的平滑、可控切换，减小了切 换过程对微网的冲击，通过仿真实验验证了该控制策略的可行性。关键词:微网;功率分配;协调控制;并网运行模式;孤岛运行模式目录摘要目录第1章绪论1.1课题研究背景1.2微电网的研究现状与前景1.2.1微电网的定义1.2.2国内外微电网的研究现状与概况1.3微电网运行控制研究现状与发展趋势1.3.1系统控制层面1.3.2分布式电源控制层面1.3.3微电网运行层面1.4本文所做的工作第2章 微电网内分布式电源仿真建模与特性分析2.1光
4、伏发电系统建模及仿真2.1.1光伏电池数学模型2.1.2光伏电池建模与特性2.1.3 MPPT最大功率点跟踪原理与建模2.1.4光伏Boost升压控制器2.1.5光伏发电系统特性分析2.2微型燃气轮机发电系统建模及仿真2.2.1微型燃气轮机系统结构2.2.2永磁同步发电机模型2.2.3微型燃气轮机的整流器的控制2.2.4微型燃气轮机特性仿真2.3蓄电池模型2.3. 1蓄电池通用模型2.3.2蓄电池双向DC仍C变换器2.3.3蓄电池系统充放电仿真分析2.4本章小结第1章绪论1.1课题研究背景能源与工业生产、交通运输、国防建设以及人类的日常生活各方 面息息相关，在社会发展的进程中扮演着至关重要的角
5、色。尤其是近 年来，随着全球经济的飞速发展，现代社会的生产方式和生活方式使 人类对能源的需求量越来越大。然而，对能源的过渡依赖导致了传统 化石能源的日益枯竭，经济高速增长的同时带来了日益严重的环境恶 化问题，例如最近对我国北方地区影响很大的“雾霆”现象，以及各 种自然灾害，己经开始威胁人类的生存环境。为应对这一系列的负面效应，世界各国政府都对能源政策做出了 积极调整，要求加快对新能源的开发特别是清洁可再生能源的研究利 用，并提高可再生能源发电所占的比重。在这种背景下，分布式发电 (Distributed Generation, DG)受到了广泛的关注，常见的DG主要 包括光伏发电、风力发电、微
6、燃机、燃料电池等。分布式发电与传统 发电方式相比，具有污染小、成本低、安装运行方便等优点，而且分 布式发电系统可以就近供电，减少线路损耗;还可以降低温室气体排 放，减少环境污染，为社会提供清洁能源，实现低碳经济。尽管分布 式发电优势很明显，但是分布式发电输出功率的波动性、随机性、间 歇性等特点，也给大电网带来许多问题，例如大规模的分布式电源并 网时，会对大电网的电能质量以及电网安全可靠性造成很大的影响。 为了解决上述问题，充分发挥分布式发电的优势，克服分布式发电对 大电网造成的不良影响，提高电力系统运行的灵活可控性，微网 （Microgrid）的概念应运而生。微网是一种由微电源（Microso
7、urces， 即:微网中的分布式电源）、储能装置、能量装换装置、负荷、监控和 保护装置等汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、 保护和管理的自治系统微网作为一个子系统与大电网相连，通过灵活 的控制方式内部解决分布式电源直接并网产生的负面问题，相对于主 电网来说，该子系统是可控的。微网技术提高了电力系统运行的安全 性、可靠性，为分布式电源发电规模化应用提供了新的有效技术途径。 微网已经成为电气工程研究领域的最新的热门课题之一，受到了世界 各国越来越多的关注。但是微网技术仍然存在许多问题亟待解决。在微网中，微电源主 要通过电力电子接口并入微网系统，这导致微电源的输出特性与传统 发电机有
8、很多的迥异，为保证微电源与微网之间，以及微网与主电网 之间功率传输的稳定、可控，对微网协调控制策略进行深入研究具有 重要的意义。而如何控制微网中的各个微电源在线路阻抗的影响下对 功率进行合理分配且使微网的电压和频率运行在正常范围内；如何实 现微网运行模式的平滑、可控的切换是保证微网能够安全、稳定运行 的重要条件。1.2微电网的研究现状与前景1.2.1微电网的定义为了更充分地发挥DG的价值与效益，国内外学者在广泛研究DG运行 控制的基础上提出了一个新的概念微电网（Micro. Grid，MG）。美国方案联合会(CERTS)对微电网的定义为：微电网是一种由负荷和 分布式电源共同组成的系统，它可以向
9、用户提供电能和热能；微电网 内的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必要的控制； 微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并可以满足用户对 电能质量和供电安全等方面的要求。欧盟对微电网的定义是：微电网 是一种连接到低压配电网的小型电力系统，可以充分利用一次能源， 将模块化的小型分布式电源互联，提供冷、热、电联供，并配有储能 装置，使用电力电子装置进行能量调节。日本则在发电容量等级上对 微电网进行分类，将微电网分为大规模(1000MW等级)、中规模(1OOMW 等级)、和小规模(1OMW等级)三类，其分别应用于工业区，可再生能 源工业区以及住宅楼、岛屿和偏远地区等小型区域电网。1.2
10、.2国内外徼电网的研究现状与概况国外发达国家和地区对微网率先进行了研究，提出了一种含多个 分布式电源(DG)的微网能量管理系统，通过建立一个多DG的微网系 统的小信号动态模型，系统地评价了微网的稳定性。针对微网的动态 稳定性问题提出了评价指标和基于神经网络的评价方法，并针对微网 的不安全运行状态提出了治理措施。对不同运行方式下的微网控制进 行了研究，提出了保持微网运行稳定性的方法。目前美国通用电气(General Electric Company, GE全球研究 (Global Research ) 计划旨在研发出一种全新的微电网能量管理 系统(Microgrid Energy Managem
11、ent MEM)，该系统不仅能够为微电 网中各种装置提供完整的保护和控制，而且可以对内部能量进行统一 管理和调度。这项计划解决了微电网中多个分布式电源之间以及分布 式电源与互联元件之间的协调控制矛盾，最终满足用户负荷提出的各 种需求。美国更重视配电侧和用电侧，重点发展具有商业前景的模式， 进一步研究和实现分布式发电与电力储能技术，并最终发展为高温超 导电网欧盟分别通过了第五框架、第六框架和第七框架研究计划，并 投资了 Microgrids 项目和 More Microgrids项目。Microgrids 项目 主要研究对象是微电网中央控制器、黑启动控制和继电保护方案，以 及如何对分布式电源建模
12、怎样实现并 /离网的无缝切换等。More Microgrids0项目研究集中体现在如下几个方面：1）多个微电网与配电网相连时需要采用的控制策略，以及各微电 网间能量协调管理方案；2）系统继电保护方案和经济调度解决方案以及协调控制方案；3）微电网对配电网内部用电负荷的影响等内容。4）微网在孤岛模式下运行下电压和频率会随着功率的波动而改 变近年来，可再生能源和新能源一直备受口本电力行业的关注，其 被重视程度要超过其他国家。为此，新能源与工业技术发展组织伽 ew Energy and Industrial Technology Development Organization NEDO）开发重点放在
13、了可再生能源的发电出力预测、储能元件技术以 及传统发电系统与储能装置配合工作的控制系统研究。同时因为属于 岛国，日本格外重视微电网孤岛自治运行技术研究和示范工程建设。 通过总结可以看出，因各国自身能源构造、经济模式和电力发展方向 的不同，其微电网研发重点和发展目标也略有不同。虽然我国微电网项目的研究相比西方国家来说较晚，但国家863 项目、973项目、国家自然基金项目等大型科学科研政策的导向性支 持，目前，国内电力企业、众多高校和科研机构逐步投入大量人力、 物力和财力来资助微电网相关技术的研究，主要是在示范项目和实验 室层面上对微电网的控制、运行及稳定性进行了研究。1）国家风光储输示范工程。该
14、工程整合了风电、光伏发电、储能 及输电工程四位于一体，并首创了世界第一套风光储输技术，并实现 了对新能源的可预测、可控制和可调度。2）国家进一步研究微电网通过公共耦合点与大电网相连接，在公 共耦合点处设一个主接口，通常由微电网并网控制开关一一固态断路 器或背靠背式的AC/DC/AC电力电子换流器构成3）在实际工程方面，国家电网公司建设的河南财专微电网示范 工程，作为国内第一个正式投入运行的微电网试点项目，取得了良好 的运行业绩和社会效益；4）浙江省电力试验研究院设计的浙江东福山岛风光柴海水淡 化综合系统，安装7台单机容量30kW的风力发电机组、100kWp的光 伏发电系统及一套50t/d海水淡
15、化系统，总装机容量300kW，并装 设有蓄电池组进行调节，是目前国内最大的离网型综合微电网系统。1.3微电网运行控制研究现状与发展趋势1.3.1系统控制层面目前针对微电网的运行控制，国内外研究人员主要提出了三种控 制方式：主从控制、基于多代理系统的分布式控制和对等控制。i) 主从控制，首先通过中央控制器(Micro Grid Central Controller，MGCC)对布式电源的发电功率和负荷需求进行预测，制 定相应的运行计划；然后检测系统中各种电气量对运行计划进行实时 调整，借助通信统一控制“从属”DG和可控负荷的启停和输出来维 持系统的功率平衡，使电压频率稳定在额定值。主从控制是一种
16、常规的控制方式，研究和应用的比较多。如文献 介绍了一种典型的微电网主从控制方案，该方案通过MGCC优化各DG 的发电量以及与配电网的交换功率，并考虑到市场政策以实现微电网 的经济运行；又如文献介绍了一种采用TB. MG伽G结构的含多种能源 发电的微电网实验平台，包括发电单元物理系统的电气集成、基于 IEC61970的能量管理系统信息集成，以及能量控制与管理策略等。ii) 分布式控制，即采用基于多代理系统(Multi. Agent System， MAS)的思想，将微电网及所属配电网划分为不同层次，在每层设置相 应的代理(Agent)，利用多个分布代理之间的协作，解决微电网运行 控制和能量优化等
17、多方面的问题。分布式控制要求DG及可控负荷在 搜集本地信息并与同层、上层代理交互信息的基础上进行就地决策， 实现相对复杂。文献提出了一种基于多代理系统的微电网框架，建立 了由微电网控制代理、局部控制代理、分布式能源代理及负荷代理组 成的多代理控制系统。iii) 对等控制，微电网中各分布式电源具有相等的地位，即没有 一个单元像 MGCC 或中央代理(Micro Grid Central Agent， MGCA) 那 样对微电网有着特别重要的作用，各DG按照预先设定的功率调节方 案根据本地信息自主控制。相关研究表明这三种控制方式都存在一定弊端：主从和分布式控 制对MGCC和通信网络的依赖较大，一旦
18、上述设备出现故障，系统很 难维持正常运行；由于实时性的原因，基于多代理系统的分布式控制 目前只适用于能量管理和协调市场交易，对电压和频率进行实时调节 还比较困难；此外，当设备数目较多或位置分散时，主从和分布式控 制的投资大，强耦合的控制方式还可能带来设备的兼容性问题。对等 控制对通信要求不高，理论上可以提高微电网的可靠性，同时降低系 统成本并实现即插即用，但该方法仅采用本地电量进行控制，当系统 运行模式切换、或发生功率突变、故障等大扰动时，对等控制很难在 第一时间做出统筹全局的响应，导致暂态过渡时间长、系统运行的稳 定性、合理性和经济性下降等。因此，主从、分布式和对等控制在实 际应用中都存在若
19、干问题亟待攻克和进一步优化的空间。此外，目前研究还存在如下局限：1、主从控制虽然可以实现电压频率的无差控制，但对主控单元 有很强的依赖性，且目前对主控单元的选择并未达成共识。2、分层分布式的控制方式给系统安全运行带来了一定隐患，主 要是因其需要充分依赖通信网络而引起的，例如：若通信过程中产生 错误的传输数据，将可能影响各层控制器做出错误的决策结果；若通 信网络发生断路等故障，将会很大程度地影响微电网的正常运行，使 其面临能否可靠供电的危机；此外，高性能的通信网络成本较高，会 增加微电网的建设和运行成本，限制了微电网的应用范围。3、对等控制具有冗余性、即插即用等优点，但未考虑如何将电 压频率恢复
20、到额定，属于有差控制，且存在鲁棒性差等问题。4、如何选择合适的控制方式，即在综合分析微电网结构、经济 性、安全性、稳定性及对电能质量要求的前提下选择合适的控制方式， 如有些微电网要求电压和频率保持在额定值，则适宜选择主从控制； 以及在一个复杂微电网中，可能存在两种或三种控制方式并存的情 况，如何协调不同的控制方式?相关研究尚未开展。1.3.2分布式电源控制层根据并网接口方式，微电网中的分布式电源可分为逆变型、小 型同步发电机和异步发电机等，其中逆变型是最主要的接口方式，包 括小型风机、光伏、燃料电池和微型燃气轮机等。目前，逆变型电源 的并网控制方法主要有PQ控制、v/f控制和下垂(反下垂)控制
21、三种。i) PQ控制，依照功率指令或执行最大功率跟踪，输出给定的有 功和无功。ii) v/f控制，即恒压恒频控制，根据负载功率的变化调节输出 功率，将电压频率稳定在额定值。iii) 下垂(Droop)控制，依照特定的下垂曲线，根据负载功率的 变化调节输出频率和电压，实现负载功率的分配;反下垂(Anti-Droop) 控制，依照特定的反下垂曲线，根据系统频率和电压的偏差调节输出 有功和无功，将频率电压稳定在额定值并实现负载功率的分配，反下 垂控制实际上是一种特殊的PQ控制。目前对于PQ与v/f控制机理研究较为成熟，对于下垂控制，国内外研究的较为深入：1）文献对下垂控制在中低压电网和高压电网中的差
22、异性进行了 提出了改进方法，如文献综合考虑了 R/X的差异以及不同下垂斜率 对系统稳定性的影响。针对传统下垂曲线只在线路呈感性时实现 p-f/Q-y解耦控制，若线路呈阻性或者阻感性时，需要对下垂曲线进 行重新设计：设计了新的下垂曲线，如P-V/Q-6、G-H.AP-AV/ AQ-Af, FL-f/Q-V、P-6/Q-V、I-V 等。2）逆变器并联时，最主要的问题是解决由于逆变器输出阻抗以及 与公共连接点的线路阻抗存在差异所造成的环流问题。文献在功率下 垂解耦控制的方法中引入下垂系数修正环节，减弱了线路阻抗差异对 并联均流的影响；文献则通过在下垂控制中引入虚拟阻抗环，抑制了 多台DG并联所造成的
23、环流。虽然国内外已经开展了较多研究，但仔细分析，微电网中逆变型 电源的并网控制方法目前仍存在以下问题：1、下垂（反下垂）控制的机理仍有待于进一步深入研究目前的研 究重点关注了低压线路参数对传统下垂控制的影响及改进方法，包括 设计新的下垂关系（如PV/Q-f）、在下垂控制中加入微分项、为逆 变器设计辅助控制器以及调整逆变器参考电压的d轴分量等，但关于 不同DG特性和可控程度的差异性对下垂（反下垂）控制的影响及改进 方法的研究不足。有些文献提出了在线修正逆变器控制参数（如下垂曲线）的设想， 但要真正实现还需要解决很多具体问题。如在对等控制方式下何时、 如何调整需要由DG自己来决定，DG不仅要能感知
24、系统运行状态的变 化，当有多台DG参与下垂(反下垂)控制时还要能预测其它DG同时控 制可能带来的影响。2、一些特定用途或特定场景的并网控制方法还需要进一步研究， 例如能够实现微电网运行模式(并网-孤岛)无缝切换的DG控制方法， DG自身不同控制方法、参数的平滑过渡，以及将DG与可控负荷纳入 统一控制等。3、发电控制的约束条件和目标较为单一。微电网除了需要有功、 无功、频率、电压、电能质量等满足要求外，还需要计及更多的约束 条件和控制目标，例如机组的爬坡速率、发电成本、电池的充放电寿 命等。这些约束条件和控制目标可以由微电网的能量管理系统进行统 一的全局优化，DG也应该能够根据自身运行状况进行一
25、些本地决策， 后者对于能量管理系统或通信系统发生故障后，微电网保持合理运行 具有现实意义，但相关研究尚未开展。1.3.3微电网运行层面(a) 微电网并网运行并网运行控制是微电网在并网运行状态下对整个系统的综合 控制和协调，如：自动频率控制、自动电压控制、自动稳定控制、黑 启动等。并网运行时，微电网内的功率缺额由主配电网进行平衡，频 率的控制和电压的调整也由主配电网完成，DG逆变器一般采用PQ控 制或者执行MPPT功能，输出中央控制器指定的有功功率和无功。(b) 微电网孤岛运行孤岛运行控制是微电网在孤岛运行状态下，为了维持系统自身 稳定运行对分布式电源的控制，如根据指令调节潮流和接口电压、快 速
26、分担各自的负荷等，主要由各分布式电源的控制器负责完成。孤岛 运行时，为保证对重要负荷的可靠供电，微电网内必须有一台或数台 DG作为主控单元，为微电网提供有力的电压和频率支撑，并能跟踪 负荷的变化。目前，可以选择储能或者旋转电机(微型燃气轮机、柴 油机等)作为主控单元，并采用单机v / f控制或者多机下垂控制策略 来维持微电网电压和频率水平。(c) 微电网并离网切换由于主网故障或电能质量等原因，微电网需要快速与主配网断 开，为了能快速检测出孤岛，国内外许多专家学者提出了多种孤岛检 测方法，大体可分为两类：被动式孤岛检测和主动式孤岛检测。利用 孤岛检测技术，可以“通知”微电网内相关电源切换控制策略
27、，从而 完成微电网从并网向孤岛运行的转换。当主网恢复正常运行时，需将微电网并入主网。为避免并网过 程中的巨大的暂态冲击，必须对微电网进行同期处理，使其与主网的 电压、频率、相角误差在允许范围内。同期完成，微电网与主网相连， 可控DG转换为有功和无功功率控制，并对微电网内负荷进行供电。并离网切换过程中，主控DG的逆变侧至少需要存在两种控制策 略，常见的有Droop 十 PQ和v/f+PQ控制策略。文献介绍了一种基于LCL的滤波器三环控制策略的储能电压源型功率变换器，可以实现微 电网并离网切换时形控制和PQ控制的无缝转换。总之，微电网内含有多种能源输入和多种产品输出，采用多种能 源转换单元，是一种
28、具有多时间尺度和强耦合特征的复杂系统，加之 系统运行模式和间歇性电源出力的不确定性，造成了微电网运行控制 的对象和约束条件多样、控制策略错综复杂，尚缺乏成熟的理论和方 法。所以，无论是系统还是电源层面的微电网运行控制都存在改进和 进一步优化的需求和空间。1.4本文所做工作本文从研究微电网中几种常见的DG的发电原理、结构特性以及 并网特点，对光伏、蓄电池、微型燃气轮机等分布式电源建立了详细 的电磁仿真模型，并研究了其并网控制策略。在此基础上，本文从 DG逆变控制技术的优化、DG之间的协调配合以及DG与负荷之间的协 调配合的三个方面对微电网内协调控制策略进行了深入研究与分析， 本文研究内容可以分为
29、以下六章：第一章：绪论部分主要介绍了课题的研究背景、微电网国内外的 研究现状以及微电网运行控制在系统控制层面、分布式电源控制层面 以及微电网运行层面的研究现状与发展趋势。第二章：本章详细介绍了微电网中光伏系统、微型燃气轮机发电 系统以及蓄电池三种分布式电源的原理和拓扑结构，在此基础上，利 用PSCAD / EMTDC软件搭建了光伏电池、微型燃气轮机以及蓄电池仿 真模型，仿真结果表明本文中采用的微电源能够反应实际工程中的光 伏、微型燃气轮机以及蓄电池的功率输出特性。第三章：本章首先对微电网中逆变器控制策略进行研究分析，从 理论上对PQ控制、v/f控制、下垂控制进行了推导和仿真分析，验 证了三种控
30、制方法的有效性。在此基础上，对DG自身控制方法进行 了优化研究：1、并离网切换过程中基于LCL滤波器的v/f控制和PQ 控制的无缝切换技术；2、在下垂控制结构中通过平移下垂曲线的二 次调频技术；3、DG并网时基于改进下垂控制的预同步技术。最后， 本章利用PSCAD / EMTDC搭建了基于光伏电池和蓄电池储能的微电网 仿真平台，以验证微电源模型和本章控制策的可行性。第四章：本章主要对分布式电源之间的协调配合进行了研究，提 出了一种微电网内基于快速储能投退机制的多源协调控制策略，即通 过响应速度快、但容量较小的快速储能与容量较大、但需要一定启动 时间的后备分布式电源之间不依赖于通信的协调控制，目
31、的是实现分 布式电源在微电网进入孤岛过程中的主动控制以及孤岛模式下的自 治运行。第五章：本章主要对分布式电源与可中断负荷在低频减载方面的 协调控制进行了研究，在传统低频减载方法和自适应低频减载方法的 基础上，提出基于功率变化率的低频减载策略和可中断负荷负荷“镜 像下垂”控制策略，通过理论推导和仿真分析，验证了上述几种减载 策略的有效性。第六章：本章对全文进行总结，主要分析了研究不足和以后工作 方向。第2章微电网内分布式电源仿真建模与特性分析 微电源是指微电网中的分布式发电、分布式储能装置以及能量变换装 置（即逆变器）。微电源可分为两大类：1）传统旋转电机，如水力发电、小型柴油发电机、内燃机、太
32、阳 热发电、地热发电、潮汐能发电、生物质能发电等；2）电力电子型电源（通过电力电子接口与电网联接的电源），也称 为逆变电源。逆变电源又分两种：一种是直流逆变电源，如燃料电池、 光伏发电，储能系统（蓄电池储能、飞轮储能等）另一种为高频交流 逆变电源，如微型燃气轮机、风力发电，必须进行整流，得到的直流 电压通过逆变器转换成交流电压。未来的微电源可能大量采用逆变 电源，其电压的调节和控制方式与常规方式会有很大不同，需要相应 的控制策略和手段与其配合。分布式能源发电的形式多种多样，其运行特性各不相同。因此， 对微电源的建模分析与研究，是对微电网系统进行有效的投资规划和 运行控制的基础。2.1光伏发电系
33、统建模及仿真光伏电池（Photovoltaic cells，PV）发电是根据光生伏特效应原 理，利用太阳能电池将太阳能直接转化为电能的发电技术。2.1.1光伏电池数学模型常用的光伏电池等值模型如图2-1所示。该模型既考虑了电池内 部的并联电阻，又考虑了串联电阻的影响，其精确度更好，在工程应 用最多。图2-1中电流I ph为光生电流，Id为暗电流；Rse表示串联等 效电阻;Rsh表示并联等效电阻，Ish为漏电流。当光照射在电池上， 就会产生光生电流Iph，当电路闭合时，光生电流流经负荷Rscr，并 产生端电压U。同时会在PN结上产生偏置电压，产生暗电流Id。暗电 流反映了 PN结所产生的扩散电流
34、的变化情况。Rse反映了由于电池本 身的电阻率而产生的损耗。并联电阻反映了由于电池本身出现破损而 造成的短路现象，Ish表示短路造成的漏电流的大小Rsh与Rse相比， Rse为阻值很低，一般情况下小于1欧姆;而Rsh是阻值极高，约几千 欧姆。图2-1光伏电池等值电路由上述分析及等效电路可以得出光伏电池的输出电流I=Iph-Id-Ish，由基尔霍夫电流定律，根据光伏电池等效电路，可分析得 出输出电流与其端口输出电压之间的关系如下式。I、= U + IR急山+E-25)U-l)(2-2)(2-3)(2 - 4)在式（2-1）中，棚（3为开路电压；los为二极管饱和电流;T为光 伏电池表面的绝对温度
35、;单位电荷q=1.6x10 - 19C; G为太阳辐射强 度系数;Iscr表示在25摄氏度和光照强度为1000瓦每平方米时的短 路电流;T=301.18C为参考温度口。-为在参考温度下二极管饱和电流; 短路电流温度效应系数Ki 一般取0.0017; B, C为PN结的理想因数； 波尔兹曼常数K =1.38X10 23J/K。2.1.2光伏电池simulink仿真模型图2-2光伏电池simulink仿真模型在2.1.1中详细分析了光伏电池的数学模型和相关特性，由此在 Simulink 上建立了光伏电池仿真模型，如图2-2所示。其中子系统太阳能模块如图2-3所示图2-3太阳能模块simulink仿
36、真模型仿真参数设定如表2-1所示。表2-1仿真参数设定参数名称数值参考太阳辐射强度（w/w）1000参考温度（C）25短路电流（A）11短路电流温度效应系数0.015并联电阻（Q）2000开路电压（V）22开路电压温度系数0.7最大功率点电压(V)12最大功率点电流(A)10光伏电池一般考虑三个输入信号，分别是工作电压、太阳辐射强 以及环境温度。为了体现光伏电池对光照强度变化的响应情况，同时 实现非线性问题进行线性化处理，在三个输入项中，保持工作电压和 环境温度不变，只考虑了太阳辐射强度的变化对光伏电池输出的影 响。在仿真过程中，设定太阳辐射强度从400w/tf变化为950w/m其变化曲线如图
37、2-4所示，对应的光伏电池的输出电流如图2-5所示:图2-4太阳辐射强度变化曲线图2-5光伏电池输出电流光伏电池是多输入单输出系统，因此其是非线性的。在本模型中， 只考虑了太阳光辐射强度这一个输入对于光伏电池输出的印象，从而 避免了多输入而造成的非线性的影响，将光伏电池近似于线性系统。 仿真结果表明，该模型具有较好的实用性，并且很好的体现了光伏电 池的输出电流随光照强度变化而变化的线性特点，适用于中探讨复杂 系统层面稳定性和安全性的仿真研究。在忽略串、并联电阻的影响的情况下43，在Simulink中仿真 环境温度t=30C时，R = 950w/tf 下的光伏电池P-V变化曲线，如 图2-6所示
38、。由结果可以看出，该模型与真实系统的P-V曲线拟合程 度很高，证明该模型能很好的体现太阳能电池的属性。0 /IIII02468W12电压(V)图2-6光伏电池P-V曲线2.1.3 MPPT最大功率点跟踪原理与建模光伏电池的功率电压曲线为单凸峰曲线，如图2-6所示，P-V曲线呈 非线性，但是其中存在唯一的电压和电流使得输出功率达到最大，图 2-6中的最高点所示，此时，光伏电池输出电压Um，输出功率为Pm。 为了能最大限度的输出电能，提高电池效率，光伏电池的最大功率跟 踪(Maximum Power Point Tracking， MPPT)算法被提出(49)。扰动观测法是目前最常用也是最基础的最
39、大功率点跟踪算法之 一，其工作原理为在固定时间间隔内检测光伏电池电压和电流，得到 电池当前的输出功率Pnow，再将它与前一时刻的记忆功率Pold相比较， 从而确定给定电压调整的方向。若P0，说明参考电压调整的方向 正确，可以继续按原来的方向调整；若PV。，则说明参考电压调整 的方向错误，需要改变电压的调整方向。经过这种方法不断定时采样， 则输出电压会稳定在最大输出功率点上。2.1.4光伏Boost升压控制器由于光伏电池的输出电压比较低，而光伏并网逆变器则对电压有较高的要求，故选择升压电路对光伏电池的输出电压进行升压处理。图2-7Boost升压电路图2-7为Boost升压电路示意图，其控制过程为
40、：当开关管T导 通时，电池只与电感构成回路，电感L上的电流增加；当T关断时， 电池、电感与电容构成回路，电池与电感向电容充电，使得输出电压 上升。由Boost原理可知，其稳态电路表达式：(2-8)(2-9)|匕=占/式(2. 8)、(2. 9)中，和分别为输入端的稳态电压和电流:Vo甜和么甜分别为输出端的稳态电压和电流。Boost变换器的升压功 能主要是通过改变占空比D来实现的，光伏电池的等效阻抗可表示 为：(2-10)IZ,=上二= Z(l-D)，Afl y在内阻Z不变的情况下，通过改变D的值就可以调节其等效阻抗值， 从而可以调节光伏电池伏安特性曲线与负载特性曲线的交点，实现最大功率传输。2
41、.1.5光伏发电系统特性分析通过PSCAD / EMTDC对光伏电池进行带负载分析，仿真由光伏电 池模型、MPP算法、Boost升压电路控制电路、负载等构成。其中， 光伏阵列由多组光伏电池串并联组成，目的是提高其输出功率。图 2-9给出了光伏阵列的仿真结果650 1350 -:IOOOWe000。三。 CT30 040 Q5C o5o 070 Em(a) r = 25 C时不同光照强度下的功率值O.CKJ MO 0 200 30040 D 50 。一的 0.70 D SDH s(b) S二1000“护时不同温度下的功率值图2-8光伏阵列仿真结果在本仿真中，串并联数目为10X200,而单个光伏电
42、池在额定情况下约为280W，故本例中的光伏阵列最大输出功率约为280x200X1 0=560kW。由图2-9的仿真结果可知，光伏阵列输出功率的仿真结果 与实际特性基本一致，在额定情况下功率输出约为550kW，与理论值 较为接近，并且在光照强度和温度的变化过程中，均能实现MPPT功 能微型燃气轮机（Micro Turbine，Mr）是一种新发展起来 的小型热力发动机，其单机功率范围为25. 300kW，由燃气 轮机、压气机、燃烧室、回热器、发电机及电子控制部分组 成。以天然气、甲烷、汽油、柴油等为燃料，具有重量轻、 污染小、噪音低、寿命长和运行成本低等优点59。2.2.1微型燃气轮机系统结构本文
43、采用的微型燃气轮机采用单轴结构，其发电系统结构如图2-9 所示。该独立系统由微型燃气轮机、永磁发电机、整流器、逆变器、 滤波电路和负荷组成，其中微型燃气轮机透平包含压缩器、能量回收 器、燃烧室以及带一个负荷的动力透平机。图2-9微型燃气轮机发电系统结构图单轴微型燃气轮机动态模型如图2-10所示，控制系统主要由速度控制模块、温度控制模块和加速度控制模块三方面组成。图2-10轴微型燃气轮机动态模型图2-10中，速度控制模块的主要控制方式为斜率控制，将转子 实际转速与参考速间的差值作为速度控制器的输入信号，从而产生转 速校正需求信号，这是一种有差调节。在实际的设备中，由于存在一 些时间常数，因此调节
44、器实际是一个比例-惯性环节。加速度控制模 块主要在微型燃气轮机达到稳态前起作用，目的是限制转子的加速 度。温度控制模块通过限制透平进口温度，减少对透平进口叶片产生 的损害，但实际中进口温度过高，测量难度大，故通过测量和控制排 气温度，间接实现对透平进口温度的控制温度调节，其实质上是一个 PI调节器，根据实际温度与参考温度的差值产生温度校正需求信号， 从而调节透平排气温度60。速度控制模块、温度控制模块和加速度控制模块各自产生相应的 燃料需求信号，这3个信号经过小值选择器后得到燃料最低需求信 号，此信号进入燃料供给环节。由于燃料泵的转速、燃料压力均与转 子转速成正比关系，所以限幅后的值乘以实际转
45、子转速，就得到实际燃料量信号。与汽轮机不同，微型燃气轮机需要较大比例的燃料流量 来维持空载工况下的正常运行，这里取23%的额定燃料量作为微型 燃气轮机的基荷。2.2.2永磁同步发电机模型本文采用的永磁同步发电机(PMSG)模型，与微型燃气轮机同轴运 行，由于在一个平衡系统中，0轴分量趋向于零，故可以得到其在由 坐标系下的电压和电磁转矩方程61。R . L妇+产冽山Ld 6Lq(2-11)(2-12)(2-13)(2-14)(2-15)，_ 1 .不一/7；=1.5奶+(心胳)dod . _ 1其中，Vd、Vq分别为定子d轴和g轴电压；id、iq分别为定子 d轴和q轴电流：R为定子绕组电阻；Ld
46、、Lq分别为定子d轴q轴电 感；Wr为转子角速度；Te、Tm死分别为电磁转矩和机械转矩；J为 转子转动惯量；P为极对数：入为定子感应通量。2.2.3微型燃气轮机的整流器的控制微型燃气轮机的AC / DC整流器一般采用三相PWM整流，控制结构 如图2-11所示。其中，L为整流器的滤波电感，C为直流侧电容。图2-11三相PWM整流框图皿三相PWM整流控制器的控制采用如图2.13所示的电压外环、电 流内环控制方式。电压外环主要作用是稳定直流侧电容电压值，使其 能跟踪参考值并为电流内环提供参考电流值；电流内环的作用是按照电压外环输出指令进行电流控制62。图2-12PWM整流控制器图2-12中，u dc
47、ref为直流侧电压参考值，Udc为直流侧电压值，11 11 .Ldref、 Lqref分力别为电感L的电流参考值；Ld、 Lq分力别为电 感L的电流值；Und、Unq分别为发电机出口电压值；ULdref、ULqref 分别为输入整流桥的参考电压值。2.2.4微型燃气轮机特性仿真根据图2-10，在PSCAD / EMTDC中建立微型燃气轮机动态模型， 模型参数主要参考Rowen的单轴单循环微型燃气轮机模型。该仿真主 要用来模拟微型燃气轮机启动以及分析在不同的负荷情况下转速、电 磁转矩、机械转矩以及燃料用量之间的关系。图2-13给出了微型燃气轮机启动及带负荷过程。其中，0-100S 为微型燃气轮机空载启动过程，燃料用量和永磁同步电机的转速呈上 升趋势100s时微型燃气轮机启动完成，100S-120S为微型燃气轮机 空载运行，其转速为额定转速，电磁转矩与机械转矩均为0，此时燃 料用量维持在Q.23p.uo 120s-200s对微型燃气轮机进行阶梯增减负 荷实验，燃料用量、发电机转速与转矩均呈阶梯性变化，验证了该模 型的正确性。-C.40 1电点短t / S f)转矩赠负荷yg二启动过程严载h切负荷图2-13微型燃气轮机启动及带负荷过2.3蓄电池模型蓄电池是一种电化学电池，它可以将电池内部物质氧化还原反应 释放的能量直接转化为直流电能。通过内部化学物质的氧化还原反 应，
