微电网协调运行控制策略论文本科论文文档格式.docx
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模型预测控制
StudyontheCoordinationControlStrategyofWind-Solar-StorageMicro-grid
Abstract
Thispapermainlystudiesthemicro-gridintegratedandcoordinatedcontrolstrategies,and,bytheoreticallyanalyzing,simulationplatformconstruction,andsimulationresultsanalyzing,laidthefoundationsforsubsequentin-depthstudyofmicro-grid.
Inthispaper,aPQcontroller,aV/fcontrollerbasedondroopcharacteristicandtheinverteroutputfilterhasbeendesigned.Meanwhile,consideringPIcontroller’sinsufficiency,theModelPredictiveControlstrategywasusedtodesigntheconverter’sPQmodelpredictivecontrolstrategyandV/fmodelpredictivecontrolstrategybasedondroopcharacteristics,andthesimulationmodelwasestablishedinMATLAB/Simulink.Then,bysimulatingasinglemicro-sourcerespectivelyusingPIcontrollerandMPCcontrollerindifferentscenesandbyafterwardanalyzingandcomparing,theeffectivenessofMPCcontrollerswasproved.
Aftersinglemicro-source’sintegratingstrategyresearch,themodelofmicro-gridwithmultiplemicro-sourceswasbuilt,andthroughthesimulatingandanalyzingunder3conditions:
themicro-gridoperationmodeswitching,cuttingoraddingloadinislandmode,cuttingamicro-sourceinislandmode,itisfoundthatthemicro-sourceMPCcontrollerdesignedinthisthesisachievedasoundpowercontrolbehaviorundertheaforementionedthreeconditions.Meanwhile,boththemicro-grid’svoltageandfrequencywerewithintherequiredrangeofthesystem,whichprovestheeffectivenessofcontrolstrategies.
Last,thewind-solar-storagemicro-gridmodelwasbuilt,whichusedawindpowergenerationsystem,aphotovoltaiccellandastoragebatterytoreplaceDCvoltagesources,alongwiththedesignofcorrespondingcontrolstrategies.ThewholemodelofthesystemwasthenbuiltinMATLAB/Simulink,inwhichastoragebatterywasplacedrespectivelyintheoutletofwindpowergenerationsystemandtheexportofPVarraycolumn,forstabilizinggridpowerandoffervoltageandfrequencysupportinislandmode.Thesimulationresultsvalidatedthefeasibilityofthecontrolstrategies.
KeyWords:
Micro-grid；
Integratedcoordinationcontrol；
Wind-Solar-Storage；
Converter；
ModelPredictiveControl
目录
摘要................................................................................................................................I
Abstract................................................................................................................................II
第一章绪论.........................................................................................................................1
1.1选题背景及意义....................................................................................................1
1.2微电网发展现状....................................................................................................2
1.3微电网的控制........................................................................................................4
1.4论文工作的主要内容...........................................................................................7
第二章微电源并网及控制模型.........................................................................................8
2.1微电源并网模型及参数确定................................................................................8
2.1.1三相电压型逆变器的数学模型..................................................................8
2.1.2PQ计算10
2.1.3LC滤波器的设计11
2.2微电源的PI控制策略11
2.2.1PQ控制器11
2.2.2基于下垂特性的V/f控制器12
2.3本章小结...............................................................................................................17
第三章微电源的模型预测控制.......................................................................................18
3.1模型预测控制机理..............................................................................................18
3.2微电源的模型预测算法......................................................................................19
3.2.1PQ模型预测控制器19
3.2.2基于下垂特性的V/f模型预测控制器23
3.3系统建模与仿真...................................................................................................23
3.3.1基于Matlab/Simulink的控制系统建模23
3.3.2仿真结果分析............................................................................................25
3.4本章小结...............................................................................................................28
IV
第四章微电源组网运行控制策略...................................................................................29
4.1微电网主电路模型和仿真参数..........................................................................29
4.2微电源组网运行仿真分析..................................................................................31
4.2.1微电网运行模式切换的仿真.....................................................................31
4.2.2微电网孤岛模式下增/切增负荷的仿真....................................................32
4.2.3微电网孤岛模式下切除微电源的仿真.....................................................33
4.3本章小结......................................................................................................................34
第五章结论......................................................................................................................47
参考文献.............................................................................................................................48
致谢.............................................................................................................................52
第一章绪论
1.1选题背景及意义
微电网成为近年来越来越多被研究的发电形式，它主要包含风能，光能，燃料电池和其他形式的可再生清洁能源，它不仅能保护环境，还可以节约资源，实现能源的多元化利用。
目前已被广泛研究的大规模发电，远距离传输和大电网并联的电力形态，存在其固有的缺点：
高成本，难维护，并越来越难满足使用者的需要[1,2]。
而分布式能源可以解决这些问题，他可以提高电能质量，增加电能供应的灵活性和可扩展性，增强电力系统的稳定性，优化配电系统，增加旋转备用容量，减小输配电的成本，这些都是对电能应用非常有利的特点[3,4]。
CERTS最早提出微电网的概念，其定义如下[1]：
微电网是一种负荷和微电源的集合；
其中，微电源为系统同时提供电力和热力，微电源中的大多数必须是电力电子型的，并能提供所要求的灵活性，以确保能以一个集成系统运行，其控制的灵活性使微电网能作为大电力系统的一个受控单元，以适应当地负荷对可靠性和安全性的要求[5]。
图1.1微电网基本结构
Fig.1.1BasicstructureofMicrogrid
图1.1为微电网的基本结构，3条馈线A，B和C及1条负荷母线构成了网络整体辐射结构，馈线通过主分隔装置与配电系统相连，微电网通过PCC与外部大电网相连，通过控制PCC点状态实现微电网的孤岛运行和并网运行，系统中还包括光伏发电、风能、燃料电池、微型燃气轮机等微电源形式，其中一些接在热力负荷附近，可以为当地用户提供热源，从而提高了能量的利用率和经济效益[6-7]。
1.2微电网发展现状
目前已经有相当多的国家在研究“微网”。
其中以欧盟、美国和日本最为先进，他们的研究目标如表1.2所示。
表1.2欧盟、美国和日本的微网发展目标[8]
Table1.2MicrogriddevelopmentgoalofEU.,USA.andJapan
2005年，欧洲提出“SmartPowerNetworks”概念。
随后，欧盟第五框架计划[9]和欧洲第六框架计划[10]都对微电网研究进行了资助，总共出资1300万欧元，两次均由希腊雅典国立大学（NTUA）领导，参与的团体包括欧盟多个国家的组织和团体，包括希腊、法国、葡萄牙的电力公司和EmForce、SMA、GERMANOS、URENCOSinmens、ABB、ZIV、I-POWER、Anco、GERMANOS等著名公司，以及Labie、INESCPorto、theuniversityMancherster、ISETKassel等大学和团体，并建立了微电网的实验平台。
重点研究了如何将各种分散的小电源连接成一个微电网，并连接到配电网，多个微电网连接到配电网的控制策略、协调管理方案、系统保护和经济调度措施，以及微电网对大电网的影响等内容。
美国拥有微电网的权威研究机构CERTS，它最早提出了微电网的概念。
CERTS在威斯康辛麦迪逊分校、俄亥俄州Columbus的Dolan技术中心建立了微网平台。
此外，美国还拥有由美国电力管理部门与通用电气建立的微网平台，加州能源认证资助的商用微网DUIT，北方电力和国家新能源实验室的乡村微网[11-16]。
2005年，美国能源部提出了微型电网研究发展的路线图，如图1.2所示。
3
图1.2美国能源部提出的微型电网研究发展的路线图
Fig.1.2RoutechartofMicrogrid’sR&
DraisedbyDepartmentofEnergyofUSA.
1.3微电网的控制
微网的控制有多种方式，一种是模拟传统电力系统的分层控制方案，它是将微网控制分为分布式电源原动机控制、分布式电源接口控制和微网及多微网上层管理系统的控制。
另一种是“即插即用”式控制，它包括两层含义：
当大电网中存在多个微网的时候，微网对大电网可以即插即用；
微网中的不同类型的分布式电源对微网具有即
4
插即用的功能。
总体来说，微电网控制的主要目标为：
1.调节微网内的功率潮流，实现功率解耦控制；
2.调节微电源出口电压，保证局部电压稳定;
3.孤岛模式下，提供电压频率参考，实现微电源快速响应和功率分担；
4.平滑自主实现与主网分离、并联或二者过渡。
目前微电网控制策略已有许多研究，但仍然有一些不足之处需要改进：
首先，目前采用的控制算法在模式转换时多存在冲击大、调节时间长的问题；
其次，只考虑负荷、微电源功率、或网络结构单一变化的影响；
再次，多采用简化的微电源模型。
1.4论文工作的主要内容
本文主要研究了微电网综合控制策略的理论、仿真平台，为后续微电网的深入研究奠定了基础。
第二章，分析微电源逆变器的控制方法和原理，并给出了PQ控制器、基于下垂特性的V/f控制器的设计方法，并对逆变器输出滤波器进行了设计。
第三章，针对PI控制器的不足，利用模型预测控制方法，设计了微网中分布式微电源逆变器的PQ控制策略和基于下垂特性的V/f控制策略，并在MATLAB/Simulink中建立了仿真模型，对单个微电源分别采用PI控制和MPC控制时的不同场景进行了分析，证明了MPC控制器的效果。
第四章，建立了微电源组网运行的微电网模型，通过对微电网运行模式的切换、孤岛模式下切/增负荷、孤岛模式下切除某一微电源3种情况下的运行特性进行仿真分析，经过仿真分析，本文设计的微电源模型预测控制器在以上三种情况时都能很好地进行系统的功率控制，实现负荷功率共享，同时，微电网电压和频率变化在系统允许的范围内，证明了控制策略的有效性。
第二章微电源并网及控制模型
2.1微电源并网模型及参数确定
2.1.1三相电压型逆变器的数学模型
三相电压型并网逆变器的拓扑结构如图2.1所示。
馈线
图2.1电网侧变流器主电路模型
Fig.2.1Maincircuitmodelofgrid-sideinverter
三相并网逆变器通过滤波电感Lf、电容Cf、线路阻抗Zln和馈线相连，三相负载接于滤波电路出口和传输线路之间，其阻抗为Zld，三相电流为ilda、ildb、ildc。
Uia、Uib、Uic为变流器三相出口电压，iia、iib、iic为变流器的三相输入电流，
Ula、Ulb、Ulc为滤波电路出口电压（即三相负载Zld电压），ica、icb、icc为滤波电容电流；
Ufa、Ufb、Ufc为馈线的三相电压。
根据基尔霍夫电压和电流定律，可以写出以下方程
8
在实际仿真中，需要建立用开关函数表示的逆变器数学模型。
令SA、SB、SC为开关函数，其定义如下：
⎧1
Si（i=A,B,C）=⎨
⎩0
桥臂上管导通，下管关断桥臂下管导通，上管导通
则变流器出口电压可以表示为：
以上为三相电压型变流器在三相静止坐标系（abc坐标系）下的数学模型，为了方便控制系统的设计，将其转化为两相旋转坐标系（d-q坐标系）下的数学模型。
将d轴选为与电网电压矢量同向，由三相静止坐标系到d-q坐标系的转换矩阵为
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式中，ω为d-q同步旋转坐标系的角频率。
经过变换，d-q同步旋转坐标系下电网侧变流器的数学模型为
在电网电压矢量定向的d-q坐标系下，由逆变器输入到电网的有功和无功功率计算公式为
⎧⎪Pg=-ugdigd-ugqigq=-ugdigd
=ui-ui=ui
⎨
⎪⎩Qggdgqgqgdgdgq
（2.6）
式（2.6）表明，当电网电压稳定时，通过调节网侧变流器电流的d、q分量，能单独调节其输入电网的有功功率和无功功率，即PQ解耦控制。
经同步旋转坐标系变换后，变流器系统的模型结构如图2.2所示。
1
Lf
Ud1Id
s
ωω
Uq1
sIq
IlndIlnq
1Uldd
Cf
ω
1Uldq
图2.2旋转坐标系下变流器系统模型结构图
Fig.2.2IllustrationofInvertersystemmodelunderrotatingcoordinatesystem
10
2.1.2LC滤波器的设计
滤波器的设计对于采用SPWM调制的逆变器是非常重要的，因为该调制方法会
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