低压电网之基于虚拟阻抗下垂控制逆变仪控制策略概述

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1、低压电网之基于虚拟阻抗下垂控制逆变仪控制策略概述第一章绪论1.1选题背景及意义上世纪90年代以来，全球电网迎来了重大的变化，最大的变化是电力市场的自由化，使发电、输电、变电和供电可以进行分类计价[1-2]，其对电网的控制产生了重大的影响。同时，技术的发展使分布式新能源在供电系统中所占的比重逐步加大。加上用户对供电系统电能质量和可靠性的要求越来越高，未来电网的稳定和安全运行将面临更大的挑战和机遇。本文立足于当前电网对未来电网进行展望，提出一种适用于低压电网的逆变器电压和频率控制方法。该控制方法同时控制逆变器的输出电压和电流，可在不同的电网条件下稳定运行，其

2、不仅适用于当前电网，更可使逆变器成为未来电网的重要成员对电网的电压和频率进行支撑。1.2电网及新能源的发展随着社会对电能需求的增大，发电和供电行业将脱离完全垄断的运行方式，因为市场竞争会降低电能成本同时增加电能质量[3]。欧洲自1996年已开始逐步实行电力市场自由化[4]，其区分了发、输、变和供电的计费方式，最终提高电能利用率。我国的区域市场正在逐渐形成，完善监管机制，并制定相应的交易规则，即可促进竞争中价格的形成，最终使电价可以反映电力生产中真正的供需和成本[5]。电网出现后，经历了从离网分布式发电机到大规模公共电网的发展历程[6]。其雏形由一个小型的

3、分布式发电机与部分负载组成，20世纪的上半个世纪这些小型的分布式系统逐渐开始了相互连接，逐渐形成了大规模公共电网，该方式可以提供更为经济的操作方式，同时可共同处理峰值负载，并可实现电能的热备用。20世纪末，电网中出现了越来越多的小功率现场型分布式发电设备，主要是新能源设备，例如光伏和风电，引起电网从大规模公共电网到分布式发电的逆趋势[6]。各国政府很有可能依据该趋势对电网结构进行调整[7]。电网中分布式电源的增加会影响其运行的稳定性，例如风电和光伏均的间歇性佷可能引起很大的交叉功率。未来，该问题可以通过本地微网的发展来解决[8]。相对传统能源新能源有很大

4、优势[9-11]：资源含量大、开发前景好、清洁无污染等。以太阳能为例，按照目前太阳的氢储量和核能的转换速率核算，太阳能可支持上百一年而不竭，而每年地球表面接收的太阳能总量相当于130万亿吨煤。对于风能，据斯坦福大学土木和环境工程系的核算数据，全球可利用风能为72万亿千瓦，为当前全球需要能量的30倍以上。随着国际各国对新能源产业密切关注和大力扶持，新能源的开发成本正在持续下降[12-14]。仍以太阳能和风能为例。据可靠估计，到2015年，光伏组件的成本将降低至7000元/kW，光伏系统的成本会降低至1.3万元/kW，而发电的成本会降低至0.8元/度，光伏发

5、电将形成一定的经济竞争力。到2020年，光伏组件的成本将降低至5000元/kW，光伏系统的成本会降低至1万元/kW，而发电的成本会降低至0.6元/度，从而使其在主要电力市场中与传统能源形成有效的竞争。在美国国家可再生能源实验室NREL的统计中，从1980年到2005年，风电系统的总体成本下降超过了90%，下降速度相对快于其他形式的新能源。丹麦国家研究实验室评估国内风电机组的结果显示，1981到2002年以来，风电从15.8欧分/kWh降至了4.04欧分/kWh，预估2020年的年度发电成本将降至2.34欧分/kWh。风能目前的总体成本已经下降到了0.5元

6、左右，完全具备了基础的竞争力，而随着未来风能总体成本的持续下降，将获得更大的竞争力。第二章基于并联运行逆变器的电网电压和频率控制研究2.1下垂控制理论分析电力系统中，发电机输出的功率必须同负载的消耗平衡。通常发电量并不等于用电量，二者的不平衡被系统中的同步发电机抵消，但是会导致系统频率的微小偏移。当前，主要通过大功率中心发电厂对电网进行电压和频率的控制，不允许分布式发电设备对电网的电压和频率进行控制。当电网中故障发生时，分布式发电机必须切出电网，等待电网恢复后重新并网。当前分布式发电的输出在电网中的比例很小，但是未来随着分布式发电设备的增多，分布式发电的

7、输出在电网中的比例将越来越大，中心调频设备将不再能完成电网的调频任务，未来必然要求分布式发电设备参与电网电压和频率的控制。本章将对分布式发电中流行的并联运行逆变器对电网电压和频率控制进行研究。首先对传统的下垂控制理论进行介绍，导出感性和阻性线路上的电压与频率和有功与无功功率的静态关系，该关系会在并联运行逆变器的控制中起到重要作用；然后基于前文对并联运行逆变器系统应用和需求的分析，从控制角度对逆变器进行分类，并总结每种类型逆变器的典型控制方法；最后引入电网元件的动态相量模型分析逆变器采用下垂控制时的稳定性。2.2并联运行逆变器的电压和频率控制电网建立型逆变

8、器输出的电压和频率固定，其仅可独立操作。供电系统通常只能包含一个电网建立型逆变器