分布式发电与微网小扰动建模及动态特性分析

论文摘要

因为具有诸多优点，分布式发电在世界范围内得到了快速发展并取得了广泛应用。然而，光伏发电、风力发电等新能源发电具有随机性、间歇性，随着其发电规模的不断扩大，它们的接入对电网的安全性和稳定性造成的影响日益增加，有必要对此进行研究。微网中常含有风力发电、光伏发电、微型燃气轮机以及储能装置等大量通过电力电子接口并网的分布式电源，由于分布式发电出力的随机性和间歇性以及负荷变化的随机性等，微网在运行中存在大量的小干扰事件，因而研究微网的小干扰稳定性有重要意义。本文首先研究了两级式光伏发电系统接入无穷大电网的小干扰稳定性。建立了完整的光伏发电系统小扰动模型，包括光伏阵列出口侧稳压电容、Boost电路、L滤波器、MPPT控制器和并网逆变控制器。用特征值分析法分析光伏发电系统的小干扰稳定性，计算振荡模态的参与因子以分析状态变量与振荡模态之间的关联程度，用特征值轨迹法对系统的参数进行优化设计。在PSCAD/EMTDC中搭建了完整的仿真模型，对光照强度突变的情况进行仿真。小扰动分析与仿真结果表明，根据特征值轨迹合理调整控制器参数，可以提高系统的小干扰稳定性。本文接着研究了永磁同步风力发电机接入无穷大电网的小干扰稳定性。建立了完整的风力发电系统小扰动模型，包括风轮机、永磁同步发电机、AC/DC控制器、L型滤波器、DC/AC控制器和直流侧电容器。用特征值分析法分析风力发电系统的小干扰稳定性。在PSCAD/EMTDC中搭建了完整的仿真模型，对风速突变的情况进行仿真，验证了小扰动建模和分析的正确性。本文最后研究了一个3节点微网的小干扰稳定性，该微网由光伏发电、风力发电、储能蓄电池、阻感负载和感应电动机负载组成。其中，光伏发电和风力发电的接口逆变器均采用电压电流双环控制，储能蓄电池的接口逆变器则采用模拟同步发电机下垂特性的下垂控制。建立了微网系统完整的小扰动模型，给出了模型的推导过程。利用该模型分析一个算例系统的小干扰稳定性，利用特征模态的参与因子分析状态变量与振荡模态之间的关联程度，用特征值轨迹法调整控制器参数以提高系统的小干扰稳定性。最后在PSCAD/EMTDC中搭建完整的仿真模型，对光照强度突升和风速突降的情况进行仿真，验证了小扰动建模和分析的正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 分布式发电的兴起
• 1.1.2 微网的提出
• 1.2 课题研究意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本文的主要工作
• 2 小干扰稳定性的特征值分析法
• 2.1 小干扰稳定性的定义
• 2.2 李雅普诺夫第一法
• 2.3 电力系统小干扰稳定分析过程
• 2.4 特征值和参与矩阵
• 2.5 本章小结
• 3 光伏并网发电系统的小扰动建模及动态特性分析
• 3.1 光伏并网发电系统的结构
• 3.2 光伏并网发电系统的小扰动建模
• 3.2.1 光伏电池
• 3.2.2 光伏阵列出口侧稳压电容
• 3.2.3 Boost 升压电路
• 3.2.4 L 滤波器
• 3.2.5 MPPT 控制器
• 3.2.6 并网逆变控制器
• 3.2.7 光伏并网发电系统的小扰动模型
• 3.3 动态特性分析与控制器参数设计
• 3.4 仿真分析
• 3.5 本章小结
• 4 风力并网发电系统的小扰动建模及动态特性分析
• 4.1 风力并网发电系统的结构
• 4.2 风力并网发电系统的小扰动建模
• 4.2.1 风力机
• 4.2.2 永磁同步发电机
• 4.2.3 AC/DC 控制器
• 4.2.4 L 滤波器
• 4.2.5 DC/AC 控制器
• 4.2.6 直流侧电容
• 4.2.7 风力并网发电系统的小扰动模型
• 4.3 动态特性分析与控制器参数设计
• 4.4 仿真分析
• 4.5 本章小结
• 5 微网的小扰动建模及动态特性分析
• 5.1 微网的结构
• 5.2 微网的小扰动模型
• 5.2.1 光伏发电模型
• 5.2.2 风力发电模型
• 5.2.3 蓄电池储能模型
• 5.2.4 统一坐标
• 5.2.5 线路模型
• 5.2.6 阻感负载模型
• 5.2.7 电动机模型
• 5.2.8 微网系统的小扰动模型
• 5.3 动态特性分析与控制器参数设计
• 5.4 仿真分析
• 5.5 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 下一步工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文