微电网系统Word下载.docx

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1.1.1光伏并网逆变器

1　光伏并网逆变器的发展概况

光伏并网逆变器的发展源来已久，如今已经发展的十分成熟，其作用在于将PV组件产生的直流电转换为与电网同频同相的交流电，在传统的光伏发电系统有着广泛的应用。

近年来，随着微电网系统的快速发展，并网逆变器又被赋予了一种新的定义：

分布式光伏电源。

它可以作为微电网系统的主电源，成为整个微网系统最核心的技术之一，又由于其电源性质的特殊性（电流源），它又可作为微网系统的补充电源。

2　光伏并网逆变器的类型划分

并网逆变器的拓扑结构纷繁复杂，一般分为半桥、全桥、两电平、多电平，以及单级式、双级式等类型，按照控制方式亦可分为SPWM控制型、SVPWM控制型、CSPWM控制型等，按照电气隔离类型又可分为隔离型与非隔离型。

3　三相光伏并网逆变器运行原理介绍

图1三相并网逆变器控制框图

图1所示为单级式非隔离三相并网逆变器的主电路拓扑及控制算法，本文所搭建的三相三电平并网逆变器的主电路及控制拓扑结构图如图1所示，由MPPT算法计算出最大功率点时的PV电压，然后控制系统使PV组件的电压维持在该电压处以保证系统能够输出最大功率（电压外环）。

并网电流经过dq坐标变换后转变为Id与Iq分量，图1中Iq*即为有功功率轴的电流给定值，Id*即为无功功率轴的电流给定值，改变Iq*与Id*的值即可改变逆变器的输出有功功率与无功功率，而Iq*由电压外环产生，Id*由人为给定。

Id与Iq经PI调节器进行闭环调节后产生ud与uq（电流内环），作为SVPWM调节的输入参数用以生成触发IGBT的脉冲信号，实现并网电流的快速跟踪，三相软件锁相环使并网电流与电网电压保持同频同相，逆变桥的输出经过交流侧L滤波器之后并至电网。

三相软件锁相环的作用在于实时计算电网的当前相位，进行坐标变换以完成电流内环解耦。

1.1.2PCS

1　PCS的定义

PCS，即能源控制系统，是近来年兴起的一种的应用十分灵活、功能十分强大的新型分布式电源，也是一种储能系统。

作为一种四象限运行的换流器，它既可以实现并网逆变功能，也可以实现并网整流充电功能，还可以实现离网独立逆变功能。

2　PCS的功能特点

当蓄电池电量充足的时候，可将PCS运行于并网逆变状态，为负载提供电能；

当蓄电池电量不足而大电网又未脱网的时候，可将PCS运行于并网整流充电状态，以保证蓄电池电量能够始终保持充足；

当大电网已经脱网时，可将PCS运行于离网独立逆变状态，此时它作为微网系统的支撑电源，为并网逆变器提供电压支撑点。

3　PCS的原理介绍

PCS与并网逆变器的主电路拓扑是几乎一样的。

当PCS运行于并网逆变的时候，其运行原理与并网逆变器一样，但是其输入端更换为蓄电池（DC源），如图2所示，其电流外环的给定值Iq*不再由电压外环决定，而是由人为给定，其余原理与“1.1.1”完全一致，不再赘述。

图2PCS主电路拓扑及并网逆变运行时的控制原理图

当PCS运行于并网整流时，也就是充电模式的时候，只需要将Iq*的符号变换为负值即可。

当PCS运行于离网逆变时，其原理控制图如图3所示。

PCS输出端的电压经由dq变换后转变为ed与eq分量，ed分量与给定值311V（每一相电压的峰值给定值）做PI闭环控制，eq与给定值0做PI闭环控制，其输出的α与β分量再经SVPWM模块输出脉冲，从而产生380V/50Hz的三相交流电压。

图3PCS离网逆变运行时的控制原理图

1.1.3微电网系统中各分布式电源的容量配置原则

微电网系统中，各分布式电源的容量配置是有一定原则的，否则的话会造成电源过剩或者电源欠缺。

1　并网逆变器容量配置原则

并网逆变器容量应小于等于总负载容量，以接近负载容量为最佳，不可过小，也不可过高，如果过高，多余的电能无法吸收，易造成系统崩溃。

近年来研究结果表明，当并网逆变器容量大于负载总容量时，如果此时有PCS作为支撑源，并网逆变器的多余电能会馈入PCS，使PCS处于“离网充电”状态，这种状态是不太稳定的，目前还没有真正有效的控制手段，因此建议并网逆变器的容量小于等于总负载容量。

2　PCS容量配置原则

PCS容量应设置负载总容量的1.5倍，但是蓄电池的容量需要按照系统能够承受3到5个阴雨天的容量来配置。

虽然并网逆变器也可为负载提供电能，但是微网系统大部分时间是运行在夜晚的，此时并网逆变器无法工作，因此微网系统的大部分电能是由PCS提供的，所以PCS的容量配置需要考虑到连续阴雨天以及夜晚的工况。

1.1.4微电网系统中的控制策略

图4微电网系统典型主电路拓扑图

1　主电路拓扑简介

如图4所示为微电网系统的架构图，由并网逆变器与PCS共同并接至系统母线上，同时母线上挂上负载。

其中光伏并网逆变器为三相单级式光伏并网逆变器，采用IGBT作为功率开关器件。

其输入端接太阳能光伏组件，输出端接系统母线。

PCS为四象限运行的双向换流器拓扑结构，输入端接蓄电池，输出端接系统母线。

大电网系统等级为380V电压等级，负载为可调负载。

2　系统各种运行工况简介

a.当大电网没有脱开时，如果负载总容量小于光伏并网逆变器容量，则系统运行于并网逆变器为主分布式电源的状态，PCS处于给蓄电池充电的状态，以作为备用电源。

b.当大电网没有脱开时，如果负载总容量大于光伏并网逆变器容量，则系统运行于并网逆变器与PCS共同为主分布式电源的状态，PCS处于并网逆变放电的状态，多余的电能上送至大电网。

c.当大电网脱开时，系统运行于PCS作为支撑源、并网逆变器作为辅助电源的状态，并网逆变器与PCS为基准源并在其上；

备注：

为了系统的简要性，本文档并未涉及到系统工作在夜晚时的工况，在夜晚时应只有PCS作为主电源给系统供电（光伏并网逆变器无法工作），此时就要求PCS以及蓄电池的容量能够满足负载的长期供电。

1.2仿真建模

1.2.1模型介绍

为了进一步研究微电网系统的机理，以Matlab为基础搭建微电网仿真模型，如图5所示。

图5微电网系统建模主电路

1　系统各分布式电源容量设定

整个系统由一台光伏并网逆变器、一台PCS以及负载及大电网组成。

由于考虑到仿真各种试验的需要，各分布式电源的容量均以10kW为上限【1】。

【1】备注：

在仿真中，各分布式电源的容量其实没有实际意义，只有在实际系统中才会考虑，因为超过系统容量后各分布式电源会处于过流状态，装置会自动保护从而停止运行，而在仿真中不会出现此现象。

2　系统各种运行工况设定

设定系统：

a.0---0.2，大电网正常，负载较小，并网逆变器容量（11kW）大于负载总容量（8kW），并网逆变器发电，PCS并网充电，PCS剩余的电流上送电网；

b.0.2--0.3：

大电网正常，负载增大（增大至16kW），并网逆变器容量小于负载总容量，并网逆变器发电，PCS并网逆变，PCS剩余的电流上送电网；

c.0.3--：

大电网故障断开，PCS离网运行，并网逆变器并在PCS上逆变发电。

1.2.2仿真结果

1　0---0.2秒前，大电网正常，负载较小，并网逆变器容量（11kW）大于负载总容量（8kW），并网逆变器发电，PCS并网充电，PCS剩余的电流上送电网；

图6并网逆变器电压电流波形图7PCS充电状态时的电压电流波形（整流）图8负载电压及电流波形

2　0.2--0.3：

图9并网逆变器电压电流波形图10PCS并网逆变时的电压电流波形（逆变）图11负载电压及电流波形（电流值增大至2倍）

3　0.3--：

大电网故障断开，PCS离网运行，并网逆变器并在PCS上逆变发电。

图12并网逆变器电压电流波形（保持不变）图13PCS离网逆变时的电压电流波形（逆变）图14负载电压及电流波形

结论：

由仿真结果可知，并网逆变器本身是一个电流源，无论负载如何变化，其输出电流一直保持不变（温度与光照不变的情况下）；

PCS是一种可以双向运行的换流器，既可以运行于并网逆变状态也可以运行于并网整流状态，无论是哪种状态其输出电流值是需要人为给定的，而当其运行于离网逆变状态时，输出电流由负载决定。

2.微电网系统实际应用探讨

3.1微电网特点

1　具备独立供电特性

2　需要储能系统

3　需要为蓄电池匹配最佳容量

3.2微电网与独立光伏电源系统的区别

1　微电网系统属于有源系统，可以与大电网连接，独立伏发电系统属于无源系统，不能与大电网连接

2　微电网系统更加复杂，需要配置的分布式电源较多，独立光伏发电系统只需要控制器及离网逆变器即可

3　微电网系统中的储能系统为四象限运行的换流器，可以实现能量双向流动，独立光伏发电系统中的储能系统为单相换流器，不能实现能量双向流动。

3.3微电网系统的应用区域选择原则

微电网一般适用于距离大电网较近的区域，应用场合应尽量靠近大电网，需要人工频繁维护并且对调度要求较严格，因为这种系统的各种分布式电源的投切以及运行状态的调度均需要人为干预，有的甚至需要监控系统。

若是海岛、戈壁以及山区等距离大电网较远的区域，则以海岛微电网等特殊微电网为主，本文不再详述。