第 1 章 绪论
1.1 课题背景和研究意义
随着社会的不断发展，对能源和电力供应的安全、可靠和多元化的要求不断提升，但是传统的能源容易造成环境问题而且具有不可持续性。现阶段的供电系统都是以大电网、高电压为主的集中式单一供电，其自身的缺陷无法满足社会和经济发展的需求。集中式大电网的缺陷主要表现在以下几个方面：（1）大型互联供电系统对局部故障抑制能力弱，某一局部故障产生的扰动会降低全网稳定性，严重时引起大面积停电甚至引起电网崩溃。（2）无法实时跟踪电力负荷的变化，需要建立的调峰调频电厂转移剩余功率甚至出现弃电现象，降低了经济效益。（3）不能满足环保和可持续发展的要求。基于上述特性，依托可再生能源的分布式发电（Distributed Generation，DG）受到世界各国的广泛关注和深入研究。分布式发电系统（Distributed Generation System，DGS）具有就地发电、并网、转换和利用的特性，与大电网系统相结合，节省投资，提高系统安全性和灵活性，有利于能源优化配置等。因此，DG 是以后电力工业发展的必然趋势[1,2]。DG 是基于柴油机和可再生能源（如风电、光伏、生物质能以及燃料电池）的分布式电源，具有较高的灵活性和利用率；（1）发生故障时能快速脱网，降低了局部故障对大电网的扰动，防止大面积停电等事故的发生；（2）可再生能源取代传统的化石燃料，提高了发电方式的环保性和可持续性[3,4]。（3）发出的电能就地消纳，避免输送电力设备成本以及损耗。DG 具有很大的开发价值，但是这种价值必须通过并入电网才能得到体现。由于分布式电源输出的功率具有随机性，不能直接并入电网，需要通过逆变器作为其与电网之间的桥梁，逆变器控制策略的优劣直接决定整个 DGS 能否稳定并网运行。因此，对并网逆变器控制策略的研究具有重要的理论现实意义[5,6]。
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1.2 分布式电源分类
风能是一种分布广泛、无污染的可再生清洁能源，风力发电技术较为成熟。风力发电系统主要包括：风轮机、传动系统、变桨系统、偏航系统以及发电并网、变流控制系统等。风能带动风轮机旋转，通过传动系统将风轮所获取的机械能转化为发电机的电能，经变流器输送到电网或者满足本地负荷需求，风力发电系统结构如图 1.1 所示。太阳能规模巨大，绝对清洁的、可再生的一种能源，在短时间内获得的太阳能就可以满足全球的电力需求。光伏发电的原理是光生伏特效应：太阳光照射到光伏电池芯片的 PN 结上，激发电子为自由电子，使得自由电子与空穴在电场的作用下定向运动，PN 结两端产生的感应电动势，进而发出电能。但由于光照强度不稳定使得发出的功率也不稳定，通过光伏逆变器输出到电网与本地负荷，光伏发电系统结构如图 1.2 所示。储能蓄电池通过电网和微电源进行充电，作为 DGS 中的主要电源，通过双向逆变器输出稳定的电压和频率，进而稳定 DGS 孤岛运行时的系统电压和频率，蓄电池储能系统结构如图 1.3 所示。
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第 2 章 分布式电源建模与仿真研究
2.1 永磁风力发电系统的建模与仿真分析
直驱永磁风力发电系统[31]由风力机、永磁同步发电机、双 PWM 变流器、控制系统等组成，其拓扑结构如图 2.1 所示。风力机通过齿轮箱和联轴器与发电机相连，经过双 PWM 整流逆变环节后通过发电机定子将电能传输给电网。永磁同步发电机是一个非线性、强耦合、多变量的系统，其机电能量转换是通过基波磁场来完成的。为了获得电机良好的动稳态性能，采用坐标变换将交流分量变换为直流分量，在同步旋转坐标系中定子 d-q 轴等效电路如图 2.2 所示。直驱永磁风力发电系统的机侧变流器和网侧变流器控制策略[32]进行分析，实现最大功率跟踪和直流母线电压稳定、输出有功功率和无功功率的独立调节。其中，机侧变流器采用基于转子磁场定向的矢量控制方式，实现对发电机转矩和转速的控制并实现最大功率跟踪；网侧变流器采用基于电网电压定向的矢量控制方式，实现对输出有功功率和无功功率独立解耦控制和维持直流母线电压稳定。
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2.2 光伏发电系统的建模与仿真分析
光伏电池是一种半导体器件，通过一定波长的太阳光照射在 PN 结上，在其两端产生电压，将两端通过导线连接起来即可产生光生电流。这种现象称为光生伏特效应，即将太阳能转换为电能。由于一个光伏电池的输出电压、电流和功率都非常小，为了保证对外界负载持续稳定供电，需要将多个光伏电池通过串并联进行封装。光伏电池由一个光生电流源phI 和一个二极管并联组成，考虑到其固有损耗，硅片的内部自身电阻和电极电阻组成的串联电阻sR ，由硅片边缘不干净以及自身老化引起的漏电电阻shR 。光伏电池实际等效电路[33]如图 2.8 所示。由于光伏电池的输出特性呈非线性，其输出特性受到光照强度、外界温度等多方面因素的影响。为了降低外界环境变化的光伏发电系统输出特性的影响，改善光伏电池的输出特性并提高输出功率，必须引入最大功率点跟踪（maximum power pointtracking，MPPT）控制[34]。MPPT 实际上是一个主动寻优过程，通过实时采集光照强度、环境温度等参数，以及输出电压、电流、功率等信息参数依据最大功率跟踪算法评估光伏电池的工作状态和输出特性，最后控制其运行于最大功率输出工况下。目前常用的 MPPT 方法如下：最优梯度法、电导增量法、扰动观测法等。其中扰动观测法包括变步长和恒定步长两种，但是变步长虽然控制精度高，但控制算法复杂。因此控制精度高、控制算法简单的恒定步长的扰动观测法应用最为广泛，为了简化控制和提高运算速度，本文采用恒定步长C 的扰动观测法来实现最大功率跟踪，下面对这种扰动观测法的具体工作原理进行阐述。
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第 3 章 分布式电源逆变器的控制策略研究........22
3.1 下垂控器设计..........22
3.2 PQ 控制器设计........24
3.3 V/f 控制器设计.........26
3.4 虚拟同步发电机控制器设计.......27
3.5 DGS 的孤岛检测技术和同步锁相技术基本原理.........29
3.5.1 孤岛检测技术分析.......29
3.5.2 同步锁相技术分析.......30
3.6 本章小结....31
第 4 章 分布式发电系统多逆变器的协调控制研究..........32
4.1 主从控制策略研究.........32
4.2 并网与孤岛运行模式无缝切换控制策略研究.......37
4.3 多逆变器并联并联运行时环流抑制的控制策略研究.........43
4.4 本章小结.....48
第 5 章 结论....49
第 4 章 分布式发电系统多逆变器的协调控制研究
DGS 中分布式电源特性多样及负荷影响，研究和优化 DGS 控制策略有利于保证其稳定运行。DGS 运行模式多样，存在两种稳态和两种暂态模式：并网运行和孤岛运行以及这两种模式之间的相互切换。为了实现这暂态模式的平滑切换以及稳态模式的稳定高效运行，在前一章的基础上，提出了在微电网并网运行时采用 PQ + PQ、孤岛运行时采用 V/f + PQ、droop + PQ、VSG + PQ 的协调控制策略。基于风/光/储 DGS 的逆变器控制框图如图 4.1 所示。DGS 电源多种多样，因而其逆变器相应的控制策略有所不同。作为主电源的储能蓄电池，其逆变器的控制策略在运行模式切换时进行相应的切换：并网运行时采用 PQ控制，孤岛运行时采用 V/f 或者 droop 或者 VSG 控制。由于采用 droop 控制的逆变器之间的没有相互的通讯完全独立，不存在所谓的从属关系。因此，本文只对在孤岛运行时储能逆变器采用 V/f 或者 VSG 控制展开研究。但是对于随机性较大的风电和光伏发电系统，为保证最大功率跟踪，只能采用 PQ 控制。
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结论
DGS 逐步向多元化、智能化、经济化的方向发展，对相应的控制策略提出了更高的要求和巨大的挑战。本文分布式发电系统中分布式电源逆变器作为研究对象，分析了风/光/储三种分布式电源逆变器在并网、孤岛以及两种运行模式相互切换时的控制策略，对 DGS 在不同运行模式下逆变器的控制效果进行仿真验证，得出了如下结论：（1）搭建了风/光/储分布式电源的详细仿真模型，说明了 DGS 中不同分布式电源的输出特性有所区别。（2）针对 DGS 不同运行模式下逆变器的主从控制策略， DGS 在并网运行模式下采用基于 PQ+ PQ 的主从控制策略，在孤岛运行模式时采用基于 VSG + PQ 的主从控制策略可以保证 DGS 的运行稳定性、响应电网的快速性等。（3）针对 DGS 并网/孤岛运行模式之间的相互切换，基于 VSG 的无缝切换控制策略，可以实现 DGS 并网/孤岛运行模式之间的无缝切换。（4）针对 DGS 中多逆变器并联运行时有环流产生，引入虚拟阻抗的方法有效补偿了DGS中多逆变器并联运行时输出特性差异，实现了多逆变器并联运行时环流抑制。
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参考文献(略)