采用下垂控制的微电网稳定性研究说明书

摘要 ...................................................................... III 关键词 .................................................................... III ABSTRACT ................................................................ IV KEY WORDS ............................................................... IV 第1章 绪论 ............................................................. - 1 - 1.1论文的研究背景与意义 ............................................... - 1 - 1.2 微电网的发展现状 ................................................... - 1 - 1.3论文的主要研究内容 ................................................. - 2 - 第2章 微电网的数学建模 ................................................. - 3 - 2.1三相逆变器的数学模型 ............................................... - 4 - 2.2 LC 滤波器和耦合电感数学模型 ........................................ - 4 - 2.3 功率环的数学模型 ................................................... - 5 - 2.4 电压电流双环控制器的数学模型 ....................................... - 6 - 2.5 线路模型 ........................................................... - 7 - 2.6 负荷模型 ........................................................... - 7 - 2.7 微电网下垂控制系统的完整数学模型 ................................... - 8 - 第三章 微电网的运行控制方式 ............................................. - 8 - 3.1 微电网的运行控制 ................................................... - 8 - 3.2下垂控制 ........................................................... - 9 - 第四章 采用下垂控制的微电网仿真 ........................................ - 10 - 4.1 微电网下垂控制总仿真图 ............................................ - 10 - 4.2 逆变器与滤波器仿真模型 ............................................ - 11 - 4.3 下垂控制器仿真模型 ................................................ - 11 - 功率环控制器的仿真 ................................................. - 12 -

电压电流双环控制器的仿真 ........................................... - 13 - 4.4 仿真验证 .......................................................... - 14 - 第五章 结论 ............................................................ - 16 - 参考文献 ............................................................... - 17 - 致谢 ........................................................ 错误!未定义书签。

采用下垂控制的微电网稳定性研究

摘要

随着大规模停电事故的屡屡发生，和在能源危机以及环境污染的共同严峻的形势下，大电网的问题日益暴露出来，微电网应运而生。但是，微电网容易受到各种干扰，所以，稳定性是微电网的根本。采用下垂控制的微电网可以有效地保证其稳定性。本文先建立微电网下垂控制系统各部分的数学模型，根据其数学模型设计下垂控制器，最后进行Matlab仿真验证，得出结论。仿真波形表明，下垂控制可以有效提高微电网孤岛运行时的稳定性，保证其电压电流，功率和频率稳定，足以证明下垂控制法的意义。

关键词：微电网，孤岛运行，下垂控制，稳定性分析

The Study of stability of the Droop Control of Micro-grid

Abstract

The problems of large power system has been exposed with large-scale power cut occur frequently and worse environment pollution. However, micro-grid is easy to be disturbed, so that stability is the key to the system. This paper firstly established mathematical model of each part of the droop control micro-grid system, then design the droop controller, finally, it moved to simulation and made a conclusion. The simulation waveform proves that the stability of micro-grid under island module can be improved by droop control, including current, voltage, power and frequency. Above all the conclusions, droop control has great meaning.

Key Words: Micro-grid, island operation, droop control, analysis of stability

第1章 绪论

1.1论文的研究背景与意义

随着人类生活的不断发展，人们对于电的依赖越来越高。

过去的电网，存在许多弊端。例如：成本高，也就是性价比低，运行控制难度大、不太安全，不太可靠，而且难以满足日益丰富的人类日常需求。再者是，近一段时间在世界范围内发生的大规模停电事故所带来的安全隐患和经济损失，让人们意识到，需要开拓新型电网模式。

更加需要关注的是，全球工业不断发展，已经超过地球能源负荷，许多化石能源已经近似枯竭或大量减少，环境污染越来越严重。所以，对于清洁能源的开发和利用已经迫在眉睫。

分布式发电技术（Distributed Generation）的优点是：投资小，安全性和可靠性高，环境污染程度低，能源综合利用率高，安装地点选择方便灵活等，并且可以有效解决许多大电网存在的问题，进行补充与发展[1]。对于此，学者提出了微电网（Micro-grid）的概念。

以下是微电网的优点：

能运作，无需任何网络上游的支持。它的优势之一是不会受影响，可从上游故障处于系统分离，进入孤岛模式。

微电网具有\"即插即用\"功能。这意味着，它可以始终与中等电压网络连接或断开。 他们是清洁能源，与传统能源技术相比，这些技术对环境影响小。

1.2 微电网的发展现状

在国际上，微电网还虽已逐步进入市场，但是更多还是停留在实验阶段。由于环境污染问题严重，能源短缺，大电网的不足之处，各个国家对于微电网的依赖也会越来越高，对于微电网的研究和高度关注也会越来越精细化。

从国内来看，已将微电网列入重要项目，各地也在开展微电网的研究与建设。微电网虽在我国尚未完全成型，但是其发展前景和规模不容小觑，尤其我国是用电大国又是

[1]

- 1 -

能源大国。身兼发展与环境保护多个责任与义务。

从未来来看，微电网的发展将成为一股大的趋势，发展前景和应用范围都很广泛。各个国家也都在积极地进行研究和不断创新。力求符合国情，同时环保而又高效。

可以说，微电网将会开拓出一个新的市场，这个市场对于人才的需求也会加大，将会形成一个新的发展趋势。中国的也是这样，紧跟国际的步伐，加大力度发展新兴产业与项目。

1.3论文的主要研究内容

在查阅了很多期刊和文献后，我找到了我的思路和论文的大致内容。

本论文先描述了微电网的崛起的原因和发展状态。再讲控制方法，微电网，突出下垂控制方法，孤岛模式。然后基于下垂控制微电网孤岛运行状态的搭建各个部分的数学模型。最后，仿真，部件的仿真模型，调出适当的参数进行，模拟结束。得出结论。

- 2 -

第2章 微电网的数学建模

微电网的系统框图：

图2.1 微电网系统框图

微电网 (MG) 是由分布式电源 (DG)、 可再生能源和敏感负荷组成的电力网络的新概念。下图是微电网下垂控制系统框图：

图2.2 微电网下垂控制系统框图

- 3 -

2.1三相逆变器的数学模型

（2-1）

2.2 LC 滤波器和耦合电感数学模型

这里采用LC滤波器的作用是：消除开关频率处输出电压产生的谐波。

- 4 -

2-2）

（2-3）

（2-4） （2-5）

（2-6） （2-7）

（2-8)

（ （2-9）

2.3 功率环的数学模型

功率环由以下三个环节构成：

功率计算环节：用电压和电流值算出有功功率和无功功率，经过低通滤波器得到平均功率。

下垂控制环节：利用微电源的额定功率、频率和电压值与之前所得进行比较得出输出频率与电压的指令值。

参考电压合成环节：将所得出得指令值经过坐标变换作为电压电流双环控制器的输入值。

图2.3 功率环控制器

其数学表达式为：

（2-10）

（2-11）

- 5 -

2.4 电压电流双环控制器的数学模型

滤波电容电压满足方程： 式中

为可控正弦调制信号:

（2-12）

（2-13）

（2-14）

（2-15）

根据式（14）和式（15），设计出得电压电流双环控制器如图所示。

图2.4 电压电流双环控制结构图

主要目的是为了稳定负载电压外的电压，以改善而使用PI控制，是比例系数，

是积分系数，保证负载电压的准确性。主要目的是为了提高系统的电流内环的响应速度，所以在使用P比例控制器，比例系数K。

电流内环的传递函数为:

（2-16）

其中，电流比例增益传递函数为：

- 6 -

（2-17）

以输入，为输出，则电压外环的传递函数为：

（2-18）

其中，电压比例增益传递函数（2-19）

逆变电源等效输出阻抗： （2-20）

2.5 线路模型

线路的数学模型表示为：

网络的状态方程[2]表示为：

（2-23）

式中：

（2-25）

（2-24）

（2-21） （2-22）

2.6 负荷模型

负荷的数学模型可表示为：

状态方程可以表示为：

[2]

（2-26） （2-27）

- 7 -

（2-28）

式中：

（2-29）

2.7 微电网下垂控制系统的完整数学模型

微电网中的电压方程可以表示为：

（2-30）

式中：

表示虚拟电阻。

微电网的状态方程可以表示为：

（2-31）

式中 ：

表 示 微 电 网 的 状 态 矩 阵。

本章介绍了基于下垂控制的微电网的各个模块。各模块的数学模型和微电网下垂控制系统的完整的数学模型，为以后仿真铺垫。

第三章 微电网的运行控制方式

3.1 微电网的运行控制

微电网的运行目标是无论系统处于故障或不正常运行状态，都可提供可靠和高质量的电力。

微电网有两种运行方式，并网运行和孤岛运行方式。

微电网与大电网并网运行的时候，微电网的所有需要所有能量都由大电网提供，微电

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网依赖着大电网，各种问题都不会影响微电网的稳定运行。微电源大多采用恒功率控制（PQ控制）[3]。当微电网与主网连接时，如果微电网产生的电力比电力需求水平低，主网来抵消这些偏差。另一方面，微电网也可以给主网提供电能。

一旦大电网出现问题或故障，又或者是电能质量没办法满足时，微电网会自动切断与大电网的连接的公共连接点（PCC），转换成孤岛模式，此时，微电网中的分布式电源向负荷提供能量[4]。如果该网由于故障或低电压处于孤岛模式时， 网络控制器必须保持系统频率和可取的电压来向消费者发送合格的电力。而在微电网孤岛模式运行时，多数情况下采用下垂控制（Droop控制）。所以在这里只重点介绍下垂控制。

3.2下垂控制

当微电网受到干扰时会出现角失稳和电压质量差的问题，由于旋转电机对分布式电源反应缓慢和电力电子变流器与分布式电源作为与大电网系统的接口。在这种情况下，最常用又有效地方法就是下垂控制法。

下垂控制的优点是：实现了微电源的“即插即用”，各部分之间协调沟通，以确保在未来微电网孤岛模式下的稳定，简单方便，可靠地进行网络功率平衡和频率平衡。

Droop的控制原理如下图：

图3.1 下垂控制原理图

由此可得，有功功率P和频率f以及无功功率Q与电压U的Droop关系为：

（3-1）

或者 （3-2）

Droop控制方法有两种：（1）通过调节电压频率和幅值控制输出的功率，即f-P和U-Q

[3]

[4]

- 9 -

的Droop控制；（2）通过调节输出的功率控制电压频率和幅值，即P-f和Q-U的Droop控制[5]。在这里，只针对控制方法（2）进行研究。

本章重点介绍微电网的两种操作控制方式，分为孤岛、并网操作和运行。所讲述地控制方法主要针对孤岛运行状态，尤其是下垂控制方法。描述下垂控制方法的优点，与下垂控制特性曲线图，以解释下垂控制的原理。为微电网下垂控制稳定性分析铺平以后的路。

第四章 采用下垂控制的微电网仿真

本章讲下垂控制，它的孤岛运行特性，和微电网根据前面研究的仿真模型。此外，根据上一节下垂控制器的设计研究，利用Matlab / Simulink的软件建立仿真模型下的下垂控制器，取得了理想的仿真波形，验证了其正确性。

4.1 微电网下垂控制总仿真图

[5]

- 10 -

图4.1 微电网下垂控制总体仿真图

4.2 逆变器与滤波器仿真模型

图4.2 逆变器仿真图

4.3 下垂控制器仿真模型

下垂控制器主要由三个模块组成：

变换与功率计算、下垂控制与参考电压合成以及

- 11 -

电压电流双环控制。

dq变换与功率计算模块、下垂控制与参考电压合成了功率控制器模块。

图4.3 下垂控制器仿真模型

图4.4

变换与功率计算仿真图

进行坐标变换的原因是：逆变器输出的是变化的交流量，而三相静止坐标系不便于对

- 12 -

其进行设计分析，所以讲其转变为两相同步旋转坐标系，这样可以直接对直流量进行控制。这种方法方便而又精细。

图4.5 下垂控制与参考电压合成仿真模型

电压电流双环控制器的仿真模型如下图所示：

图4.6 电压电流双环控制器仿真模型图

- 13 -

4.4 仿真验证

设计仿真算例验证其有效性：

图4.7 仿真算例图

仿真参数设置如下： 微电源参数：

滤波器参数：

PI控制器参数：电流内环：负荷参数：

仿真结果如下图所示：

400 300 200 100 0 -100 -200 -300-400 U/V，，，，

电压外环：

频率

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

时间t/s

图4.8 电压仿真波形图

- 14 -

60 40 i/A 20 0 -20 -40 -60

电流

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

时间t/s

图4.9 电流仿真波形图

16000 14000 12000 10000 8000 6000 400 2000 0

P/Kw 有功功率

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

时间t/s

图4.10 微电源输出的有功功率仿真波形图

时间t/s

- 15 -

50.1 50.08 50.04

f/Hz 50.02 50 49.98 49.96 49.94 49.92

频率的波形是相当标准的正弦波，是正常稳定的，稳定在50Hz的频率也可以说明，有功功率输出的波形也很规范，这表明整个系统稳定。当选择合适的控制参数，下垂控制方法能有效地解决稳定性问题，在微电网孤岛运行的时候，可以为系统提供了高质量的电能。

本章利用微电网下垂控制设计的仿真实例进行了验证，也模拟运行了他们的孤岛模式，下垂控制方法的有效性足以见证。

可靠性，并易于实现微型电源的“即插即用”[6]。在本文中，微电网下垂控制器已经使用仿真软件来构建其仿真模型，还有它的孤岛运行状态的模拟研究，最后得出结论。本文的主要结果和结论如下：

1.微电网下垂控制的数学模型的各个部分搭建完成。进行下垂控制器的设计，包括滤波器，功率控制器和电压电流双环控制器的数学模型。

（2）利用Matlab/ Simulink仿真软件，建立一个系统仿真模型设计仿真例子，仿真结

[6]

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

时间t/s

图4.11 频率仿真波形图

可以从上面的仿真波形看出，使用下垂控制的微电网系统，微电源的输出电压和电流

第五章 结论

基于微电网下垂控制可自动调整电压和频率，无需大电网的帮助，从而可提高系统的

- 16 -

果表明，选择适当的控制参数，下垂控制方法可以提供高质量的电能，确保微电网孤岛运行时系统的稳定。 个人心得：

经过这几个月的写论文，让我懂得了很多！一开始拿到论文大题目，微电网，自己孤陋寡闻都没有听说过，真不知道该怎么写，只能去多查资料。看了许多篇论文和期刊，都无法确定下来我自己的题目。后来于老师说针对于它的控制方法里的一种进行研究也可以，一下点醒了我，很快确定了这个题目。可以说是从完全不了解到逐渐明朗，这期间我发现，真得自己一篇一篇资料地去查，再筛选。

我这个论文最后是需要出仿真波形才算完整，为了仿真，又是无限地查资料，还请懂得同学给我讲才清楚一些的。最后看到波形出来，真是觉得什么都值得。

干什么都得用心，都得下功夫，才能换来一点点的进步。我以前是太不用心了，真的，这个论文磨了我好长时间，不停地改，不停地完善。

我有英语双学位，这学期写了两篇论文，中间也有时间冲突了，但是现在回想起来，确实用心完成，并且非常充实的一段时间。 不足与期望：

这篇论文只说明了微电网孤岛模式时的运行状态，只是它的一部分，并网运行和中间的切换过程都没有进行研究。在这之后，我希望可以把这些部分都弄明白，了解清楚微电网的基本知识，和它的工作过程。

参考文献

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