直流微电网孤岛运行模式小干扰稳定性分析

TM712分 类 号 密 级 621.3 1 0 4 8 6UDC 编 号 武 汉 大 学工 程 硕 士 学 位 论 文 直流微电网孤岛运行模式 小干扰稳定性分析 ：高 琪研 究 生 姓 名 ：2013282070174学 号 ：孙建军 副教授指 导 教 师 姓 名 、 职 称 ：校 外 导 师 姓 名 、 职 称 ：电气工程专 业 名 称 ：直流微电网稳定研 究 方 向 二〇一五年五月 A Dissertation Submitted to Wuhan University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Master’s Degree of Engineering Stability Analysis of DC Microgrid Under the Island Operating Mode By Gao Qi ：Prof. Sun Jianjun Supervisor May, 2015 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者（签名）： 年 月 日 I 摘 要 化石能源的短缺、电能需求的速增和用户对电能质量要求的提高促进了微电网的 发展。微电网既能高效利用清洁能源，又具有较高的可靠性和可控性。依据电流性质 划分，微电网可以分为直流微电网和交流微电网。直流微电网相对交流微电网效率高、 可控性强、损耗低、更有利于光伏等分布式电源的接入。对于并网运行的直流微电网， 其电压稳定可由大电网支撑；孤岛运行模式下，系统直流电压的稳定完全依赖内部电 源的控制，因此分析其小干扰稳定性具有理论和实际意义。 本文首先介绍了总线式直流微电网和互联式直流微电网两种常用拓扑，针对智能 住宅和商业中心等直流微电网应用场合，分析了采用直流配电方式的技术经济优点； 其次，分析直流微电网中最基本的变换器单元的阻抗特性，揭示恒功率负载呈现负阻 抗特性的原因；第三，将孤岛运行模式下总线式直流微电网利用戴维南定理等效成级 联系统，基于阻抗比判据分析其母线电压的稳定性；最后，针对多个总线式直流微电 网通过线路互联的系统，在孤岛运行模式下，建立互联直流微电网的降阶模型，利用 小扰动特征分析法分析系统的小干扰稳定性。本文给出了总线式直流微电网的阻抗模 型和互联式直流微电网的降阶模型，这两种模型可以适用于源和负荷采用各种联接方 式的直流微电网的分析；采用下垂控制的直流微电网系统能够稳定运行的充分条件是 下垂参数小于负荷的等效最小电阻值，该结论可用于设计直流微电网的控制参数；另 外，本文分析了线路参数变化对系统特征值的影响，增大线路电阻或者减小线路电感 有助于改善系统的稳定性。 关键词：直流微电网；孤岛运行模式；小干扰稳定；稳定性分析 II III Abstract Depleting fossil fuels, increasing energy demand, and need for high-reliability power supply motivate the use of microgrid. Microgrids are identified as an effective method for power generation and distribution, also can improve the dependability and controllability. According to the current property, microgrids can be divided into DC microgrid and AC microgrid. Compared to the AC microgrid, DC microgrid with higher efficiency, lower energy consumption, lighter pollution and more convenient to accessing for the distributed generation. Under the grid-connected mode, the voltage level depend on the great grid. But it’s controlled by power electronic converters under island operating mode. Therefore, small signal stability analysis is very important for the island operation mode of the DC microgrid. Firstly, this paper focus on the situations where DC microgrid applying in, such as smart house and business centers. Then analyse the technical and economic advantages of DC microgrid. Secondly, analysis the impedance characteristic of converter unit in DC microgrid, reveal the nature of constant power loads which has negative impedance characteristics. Thirdly, analysis the small signal stability of DC microgrid based on DC-bus by Impedance Criterion. At the last, under the Island Operating Mode, analysis the small signal stability of interconnected DC microgrid by the small disturbance characteristics analysis method. This paper set up the impedance model of DC microgrid based on DC-bus and the reduced-model of interconnected DC microgrid. The methods proposed in this paper is applicable to any interconnecting structure of sources and loads. The sufficiency condition for stable operation of the system is derived. It provides upper bound on droop constants and is useful during planning and designing of dc microgrids. Furthermore, the sensitivity of system poles to variation in cable resistance and inductance is identified. It is proved that the poles move further inside the negative real plane with a decrease in inductance or an increase in resistance. Keywords: DC Microgrid; Island Operating Mode; Small Signal Stability; Stability Analysis IV V VI 目 录 摘 要 .I Abstract .III 1 引言 .1 1.1 研究背景与意义 1 1.1.1 研究背景 .1 1.1.2 选题意义 .2 1.2 研究现状 3 1.2.1 微电网发展现状 .3 1.2.2 直流微电网发展现状 .4 1.2.3 微电网稳定性研究现状 .7 1.3 本文主要内容 9 2 直流微电网拓扑及变换器建模 .11 2.1 直流微电网拓扑 11 2.1.1 总线式直流微电网 .12 2.1.2 互联式直流微电网 .13 2.1.3 直流微电网技术经济比较 .15 2.2 直流微电网变换器 19 2.2.1 变换器数学模型 .19 2.2.2 变换器控制策略 .21 2.2.3 变换器阻抗特性 .24 2.3 直流微电网控制方式 27 3 总线式直流微电网稳定性分析 .31 VII 3.1 基于阻抗比的稳定判据 31 3.2 总线式直流微电网数学建模 34 3.2.1 系统组成 .34 3.2.2 系统等效模型 .35 3.3 总线式直流微电网稳定性分析 37 3.3.1 稳定性分析 .37 3.3.2 仿真分析 .40 3.4 实验验证 42 3.5 本章小结 44 4 互联式直流微电网稳定性分析 .45 4.1 小扰动特征分析法 45 4.2 互联式直流微电网数学建模 47 4.2.1 源线性化方程 .48 4.2.2 负荷线性化方程 .48 4.2.3 线路线性化方程 .48 4.2.4 系统等效模型 .49 4.2.5 降阶模型验证 .50 4.3 互联式直流微电网稳定性分析 53 4.3.1 特征值分析 .53 4.3.2 灵敏度分析 .53 4.3.3 仿真分析 .55 4.4 本章小结.59 5 结论与展望 .61 VIII 5.1 结论 61 5.2 展望 61 参考文献 .63 致谢 .67 1 1 引言 1.1 研究背景与意义 1.1.1 研究背景 随着人类社会的进步与发展，电能作为二次能源，需求迅速增长，近代经济和科 技的发展离不开电力的发展，电力工业在国民经济中的地位越来越重要，国民经济每 增长 1%，电力工业要相应增长 1.3~1.5%[1]。目前，我国电力投资大多集中在火电、 水电以及核电等大型集中电源和超高压远距离输电网的建设上。我国能源主体是火电、 水电和核电等，其中火电占 70%以上，而火电主要来源于不可再生的化石能源，如煤、 天然气。一方面，石油、煤炭、天然气等不可再生能源储量日益减少以致将来必然会 枯竭；另一方面，中国的 PM2.5，60%的来源与燃煤和燃油有关，由化石燃料引发的 环境问题日益受到关注。另外，由于我国水资源分布不均匀，能源利用和水资源地域 性很明显，耗资巨大的三峡大坝工程，至今仍在争议其对于环境和生态是否有不可逆 转的影响。日本福岛核电站事件后，虽然是受自然灾害影响，但是对于核泄漏的风险 和核废料处理问题导致清洁优质的核电的发展明显减缓。在我国，能源中心和负荷中 心地区一般都相距甚远。一次能源中，煤炭资源主要集中在山西、内蒙古等地区，水 利资源集中在四川、云南等有水位落差的山区，而负荷中心主要集中在珠三角和长三 角等大城市、大工业区。因此，目前我国电力系统内电能生产、输送和分配方式是集 中发电、高压远距离输电和大电网互联。这种运行方式能减少电能在由能源中心向负 荷中心地区传输过程中的损耗，改善能源使用效率，提高电力系统经济性、稳定性和 可靠性。随着电网规模的不断扩大，超大规模电力系统的弊端也日益凸现，成本高、 运行难度大、难以适应用户越来越高的安全和可靠性要求以及多样化的供电需求。尤 其在近年来世界范围内接连发生几次大面积停电事故后，大电网的脆弱性充分暴露出 来。当前，人类面临资源可持续发展和经济持续发展的双重挑战，一味地扩大电网规 模显然不能满足要求，必须优化电力系统能源的结构，开发多样化、清洁环保的光伏 和风电等清洁可再生能源。 分布式发电指的是电能在距离负荷较近的地方生产并直接供电给用户的方式，具 有可靠性高、污染少、能源利用率高和安装地点灵活等特点 [2]，有效解决了大型集中 电网的许多潜在问题。目前，欧美等发达国家开始广泛研究能源多样化的、高效和经 济的分布式发电系统，并取得突破性进展。无疑，分布式发电将成为未来大型电网的 有力补充和有效支撑，是未来电力系统的发展趋势之一。尽管分布式电源优点突出， 但本身存在诸多问题 [3]，例如，分布式电源单机接入成本高、控制困难等。另外，分 布式电源相对大电网来说是一个不可控源，因此大系统往往采取限制、隔离的方式来 2 处置分布式电源，以期减小其对大电网的冲击。IEEE P1547 对分布式能源的入网标准 做了规定：当电力系统发生故障时，分布式电源必须马上退出运行 [4]。这就大大限制 了分布式能源效能的充分发挥。为协调大电网与分布式电源间的矛盾，充分挖掘分布 式能源为电网和用户所带来的价值和效益，美国电气可靠性技术解决方案协会 （CERTS）提出了微电网的概念。 1.1.2 选题意义 微电网从系统观点看问题，将发电机、负荷、储能装置及控制装置等结合，形成 一个单一可控的单元，同时能向用户供给电能和热能 [5]。微电网中的电源多为微电源， 包括微型燃气轮机、燃料电池、光伏电池以及超级电容、飞轮、蓄电池等储能装置。 它们接在用户侧，具有低成本、低电压、低污染等特点 [6]。微电网既可与大电网联网 运行，也可在电网故障或需要时与主网断开单独运行。它还具有双重角色：对于公用 电力企业，微电网可视为电力系统可控的单元，例如，这个单元可以被控制为一个简 单的可调度负荷，可以在数秒内做出响应以满足传输系统的需要；对于用户，微电网 可以作为一个可定制的电源，以满足用户多样化的需求 [7]，例如，增强局部供电可靠 性，降低馈电损耗，支撑当地电压，通过利用废热提高效率，提供电压下陷的校正， 或作为不间断电源。此外，紧紧围绕全系统能量需求的设计理念和向用户提供多样化 电能质量的供电理念是微电网的两个重要特征。在接入问题上，微电网的入网标准只 针对微电网与大电网的公共连接点，而不针对各个具体的微电源。微电网不仅解决了 分布式电源的大规模接入问题，充分发挥了分布式电源的各项优势，还为用户带来了 其他多方面的效益 [8]。 微电网作为一个独立的整体，可以并网运行，也可以在孤岛模式运行 [9]。按照微 电网中电流运行方式，微电网可以分为交流微电网和直流微电网，与交流微电网相比， 直流微电网不需要对电压的相位和频率进行跟踪，可控性和可靠性进一步提高，因而 更加适合分布式电源和负载的接入 [10]。理论上，直流微电网仅需一级变换器就能方便 实现与分布式电源和负载的连接，具有更高转化效率；同时，直流电在传输过程中不 需要考虑配电线路的涡流损耗和线路吸收的无功功率，线路损耗得到降低；碳排放方 面，直流微电网相对交流微电网碳排放更少，更环保。 直流微电网系统中，分布式电源通过电力电子变换器与负荷相连。电源子系统和 负荷子系统在独立运行时是稳定的，但是子系统的相互作用可能导致系统稳定性的降 低。一般典型的直流微电网系统的负荷中，75%~80%为恒功率负荷，只有 20%的阻性 负荷 [11]，阻性负荷提供正阻尼，而恒功率负荷对外呈现负阻抗特性。恒功率负荷所呈 现的负阻抗特性是影响直流微电网稳定性的重要原因。在直流微电网中，系统中不考 虑无功功率的流动，电压成为了反映系统功率平衡的唯一指标，控制直流微电网中的 3 电压稳定，就可以控制微电网稳定运行 [12]。孤岛运行模式时，直流微电网可以作为一 个可定制的电源，可以满足用户多样化的需求。如果发生电压失稳，就可能导致直流 微电网不能稳定运行，电能质量下降，影响供电可靠性。因此，研究孤岛运行模式下 直流微电网的稳定性问题对未来直流微电网运用到配电系统中有重要意义。 1.2 研究现状 1.2.1 微电网发展现状 负荷的持续增长、电力系统结构的不断老化、环保问题、能源利用效率瓶颈以及 用户对电能质量的高标准要求，已成为世界各国电力工业所面临的严峻挑战。微电网 对分布式电源的有效利用及灵活、智能的控制特点，使其在解决上述问题方面表现出 极大潜能，是许多国家未来电力发展战略的重点之一。目前，一些国家已纷纷开展微 电网研究，立足于本国电力系统的实际问题与国家的可持续发展能源目标，提出了各 自的微电网概念和发展目标。作为一个新的技术领域，微电网在各国的发展呈现不同 特色。 美国最早提出微电网的概念。早在1999年，美国已成立电气可靠性技术解决方案 协会(CERTS)，它对微电网的定义、保护、结构、控制等一系列问题做了概括，并对 微电网的主要思想和关键问题进行了描绘和概括。在CERTS推动下，美国电力公司、 TECOGEN公司、 S&C电气公司、美国北方电力系统、威斯康星大学以及桑迪亚国家 实验室共同建立了CERTS AEP微电网示范工程。由于电力电子技术能够使得微电网实 现智能且灵活的控制，可使得微电网实现各种预期功能，所以美国对微电网的研究主 要集中在对电力电子器件的控制上，以此为基础，逐渐形成了“即插即用”和“对等” 的控制思想和设计理念。2008年，美国自然科学基金将微电网系统作为在电气、通信、 计算机系统等领域的重要科研项目加以研究，进一步拓宽微电网应用领域。在美国出 示的“Grid 2030”发展战略中，微电网是电力系统重要的组成部分。美国的发展重点 是通过微电网来提高负荷的供电可靠性，并满足电能质量的多样性、降低实现成本和 实现智能化等目标。 欧盟对微电网也展开了一系列研究，其发展经历了欧盟第五框架计划和欧盟第六 框架计划两个阶段，目前主要试点项目有德国曼海姆Wallstadt居民示范工程、葡萄牙 EDP项目、丹麦ELTRA项目、意大利CESI项目、希腊基斯诺斯岛微电网项目、西班牙 LABEIN项目等，其研究重点侧重于微电网的可靠性、可接入性、灵活性和经济性等 方面，主要研究目标涉及对新型控制策略的研究、微电网运行时对互联大电网的影响、 4 提高供电可靠性、减小损耗以及实现微电网的商业化运行等，以满足用户对电能质量 的要求、保证电网的稳定、节能环保、实现电力系统的智能化、能量利用的多元化等 效果。现在，欧盟已研究了微电网控制、运行及保护等理论，并通过各个微网示范工 程进行了验证。 日本对微电网的研究侧重在满足用户对电能需求的多样化、节能清洁环保以及能 源的利用率上，其主要目标是减少供需差额、实现电力供需平衡。因受本土资源的限 制，日本政府更加重视可再生能源的利用，希望提高各种可再生能源在能源结构中的 比例，减小对化石能源的依赖，但是可再生能源造成的功率波动使得电能质量和供电 可靠性大为降低，出于整合各种可再生能源优势的考虑，日本政府通过与高校、企业 以及重点实验室之间的合作，在新能源和可再生能源的研究以及在微电网的开发利用 上取得了不少研究成果，并在微电网的拓扑结构、微电网的集成控制、热电冷综合利 用等方面开展了实验研究。目前已在京都、爱知县、青森等三地建设了微电网示范工 程项目。 除美国、日本、欧洲外，加拿大、澳大利亚等国也展开了对微电网的研究。从各 国对未来电网的发展战略和对微电网技术的研究与应用中可清楚看出，微电网的形成 与发展绝不是对传统集中式、大规模电网的革命与挑战，而是代表着电力行业服务意 识、能源利用意识、环保意识的一种提高与改变。微电网是未来电网实现高效、环保、 优质供电的一个重要手段，是对大电网的有益补充。 1.2.2 直流微电网发展现状 由于传统电力系统以交流方式运行，因此，目前关于直流微电网的研究明显滞后 于交流微电网 [13]。目前，直流微电网相关技术的研发得到了产学研各界的广泛关注。 瑞典、日本、法国和美国等国家的通信公司已于 20 世纪 90 年代开始 300-400V 数据 中心直流配电的研究和介绍 [14]。另外，军舰、航空和自动化系统的直流区域配电，尤 其是电力牵引直流供电技术已然成熟 [15]，这为直流微电网的推广应用提供了良好的契 机。家庭住宅、办公楼、舰船、航空、通信等场合是直流微电网应用最具有价值的场 合 [16]，针对这些场合的直流微电网的研究也得到了世界各国的广泛关注。美国弗吉尼 亚理工大学 CPES 中心 [17]、ABB 公司、日本大阪大学 [18]、日本山口大学 [19]和韩国智 能微电网研究中心 [20]等众多国际机构展开了对直流微电网的研究。 美国弗吉尼亚理工大学 CPES 中心提出了“Sustainable building initiative”的直流 微电网架构，其旨在为未来智能住宅供电，其架构图如图 1.1 所示。该系统平台包括 一组 5kW 光伏阵列、一台 3.5kW 风力发电机、锂电池储能单元和电动汽车充电接口 等。系统包含两种电压等级直流母线：300VDC 和 48VDC，这两种电压基本能够满足 5 智能住宅的电压要求。最后整个直流供电系统通过一个双向 AC/DC 变换器接入大电 网。 电力以直流形式提供给用户和负载的技术开发引起韩国的极大关注，为此韩国政 府投资建立直流微电网供电系统，并专门成立了智能微电网研究中心，其研究的重点 集中在直流电分配、功率变换技术和控制及通信技术三方面，其结构思路与图1.1中 CPES提出的直流微电网系统类似，但是没有DC48V低压直流配电母线。 日本对直流微电网的研究在世界范围内处于领先地位，特别是在智能住宅供电和 数据中心供电等方面。2008年12月17日，日本的东北大学研究生院环境科学研究科宣 布，与NEC、东金等共同实施了将太阳能电池发出的直流电直接储存于锂离子充电电 池，并以直流形式直接供给家用电器的试验。2010年6月22日东北大学建成综合使用 太阳能电池、充电电池及直流供电等的实验教学楼“ECOLAB” 。ECOLAB为木制结 构的两层建筑，可将太阳能电池发出的直流电储存在锂离子充电电池中，直接以直流 方式用于LED 照明等。另外，为了普及直流供电的应用，NTT FACILITIES和富士通 共同研制开发出了可支持400V左右直流供电系统的电源分配器和电源插头。此次开发 解决了直流供电普及化所面临的技术难题——直流电源电路开通关断时的电弧放电以 及威胁人身安全的问题。 4 8 V D C D C / D C 电动 汽车 D C / D C 蓄电 池 A C / D C 风力 发电 D C / D C 太阳 能 A C / D C 大电 网 D C / D C 燃料 电池 D C / A C 空调 系统 D C / D C 直流 负载 显示 设备 服务 器 3 0 0 V D C 图 1.1 CPES 的 SBI 系统构架 2011年6月8日，夏普宣布已在日本大阪市的工业园区“绿色前线”内建成“夏普 生态住宅” ，如图1.2所示。该住宅兼顾了耗电量的最小化和居住空间的舒适性，采用 6 了多种目前可在家庭利用的节能、创能和蓄能技术。该系统包括输出功率为9kW的太 阳能光伏电池、人体传感器与照度传感器联动的LED照明器具、家电设备耗电量的可 视化系统、可用HEMS控制的网络家电以及采用直流供电的直流家电，还配备了 ELIIY Power制造的8kWh蓄电池、三菱电动汽车以及夏普自主开发的使二者联动的功 率调节器等。经过全年核算后，该试验住宅可使来自电力系统的供电量达到净值为零。 也就是说，太阳能发电能够供给家庭全年所需电力。具体实施方案为：换购最新的环 保家电和LED 照明灯可削减耗电量 30％，通过电力可视化可削减15％，通过HEMS优 化运行可削减10％，通过太阳能光伏发电和蓄电池与EV的联动可削减35％，利用直 流家电可削减10％，合计可将原来的耗电量全部削减 [21]。因此，在家庭住宅中采用直 流供电，所需的能量变换环节少，系统损耗降低，即家庭住宅、办公楼等一些场合更 适合采用直流微电网。 A C D C D C D C D C D C D C D C 蓄 电 池 D C A C H E M S 图 1.2 夏普生态住宅 我国在直流微电网的研究方面起步稍晚，但随着国家对微电网研究的大力扶持， 我国对直流微电网的研究越来越深入。2006年，全国第一个微网实验室在合肥工业大 学建成，主要用于研究分布式发电系统电能质量优化、仿真模型的建立及控制方法与 经济性分析等。重庆大学对直流配电系统的结构及其负荷模型展开研究，证明了直流 配电能够提高电能质量、降低能耗。上海交通大学是较早对直流微电网展开研究的高 校之一，基于直流微电网的基本结构对直流微电网系统进行了建模、控制及稳定性分 析，并且对直流微电网在配电网中的应用前景进行了分析，对国内开展直流微电网的 研究具有重要指导意义。哈尔滨工业大学针对直流微电网的能量管理策略以及混合储 7 能技术展开研究，在系统稳定运行的基础上，提高了储能单元的使用效率。 广东白色家电产学研创新联盟在顺德家电博览会上，展示了采用350V 直流供电的 冰箱、冷藏柜、空调、洗衣机，以及采用48V直流供电的 LED照明灯。2010年10月， 广东白色家电产学研创新联盟直流家电项目工作组取得新进展，由华南家电研究院电 控中心和瑞德电子共同开发的直流电磁炉研发成功。350V 直流电磁炉的研制成功，意 味占家庭耗电量约2/3的白色家电350V直流供电技术方案已经按计划完成初步验证工 作。 总之，目前各国对直流微电网的研究还处于实验探索阶段，研究重点集中在以直 流微电网为核心的低压直流配电网方面。但是可以预见的是，直流微电网技术的发展 与现代电力电子、通信和保护等相关技术的发展相辅相成，其中，现代电力电子技术 的发展在很大程度上将主导着直流微电网技术的发展趋势。在世界各国对节能减排和 能源需求增长的今天，直流微电网将以其强大的技术和经济优势而拥有广阔的发展前 景，也必将对生活生产产生巨大的影响。 1.2.3 微电网稳定性研究现状 由于现代社会与电能的关系密不可分，电网事故导致用户的停电，在经济上、政 治上的影响十分巨大。对大电网而言，最突出的问题是保证电网的安全稳定。但是， 随着电网互联的不断发展、负荷规模的日益扩大和电力体制改革的逐渐深化，我国电 力系统运行将面临日益突出的稳定问题。2001年版《电力系统安全稳定导则》对电力 系统稳定性定义为：电力系统受到事故扰动后保持稳定运行的能力。通常根据动态过 程的特征和参与动作的元件及控制系统，将稳定性的研究划分为静态稳定、暂态稳定、 小扰动动态稳定、电压稳定及中长期动态稳定。针对电力系统的暂态稳定性，指系统 受到大扰动情况下能否保持稳定运行，传统的分析方法有间接法即数值积分法和李雅 普诺夫函数(能量函数) ；针对电力系统的静态稳定性，主要研究系统遭受小扰动时的 稳定性，分析方法有自动控制理论方法和小扰动特征分析法。 微电网的稳定性就是微电网的电压与频率的稳定性以及供电的持续性。现代工业 尤其是精密仪器的生产对电力的稳定性要求极高，如果这三点电网不能保证，那么微 电网的意义也就基本失去，保证微电网的稳定性既能给用户提供高质量的电能又能减 少对大电网的依赖。微电网稳定性可以定义为：微电网受到扰动后保持稳定运行的能 力。根据微电网中的电流性质，可以分为直流微电网稳定性和交流微电网稳定性；根 据微电网与大电网的联接情况，可以分为并网运行稳定性和孤岛运行稳定性；根据微 电网受到扰动情况可以分为小干扰稳定性和暂态稳定性。如图1.3所示。 8 微 电 网 稳 定 交 流 微 电 网 稳 定 直 流 微 电 网 稳 定 孤 岛 模 式 稳 定 并 网 模 式 稳 定 并 网 模 式 稳 定 孤 岛 模 式 稳 定 电 压 稳 定 频 率 稳 定 电 压 稳 定 小 干 扰 稳 定 暂 态 稳 定小 干 扰 稳 定 暂 态 稳 定 图 1.3 微电网稳定分类 目前，研究交流微电网的稳定性主要分为两类：一类是针对孤岛运行模式下基于 下垂控制的交流微电网的小信号稳定问题[22-26]；另一类是针对并网模式下交流微电 网的稳定性问题[27-29]。目前主要采用特征值分析法来研究交流微电网的稳定性。特 征值分析法信息量丰富，不仅可以用于系统小干扰稳定性问题的分析，而且可以用于 控制参数的调整。另外特征值分析法可以提供有关特征值与系统参数的灵敏度，这将 有助于了解小干扰稳定性的实质，从而提出改善系统稳定性的策略。 从效率、体积和成本上而言，直流微电网的结构都要优于交流微电网。交流微电 网可以利用现有的交流系统结构，但并网时与大电网的同频同相控制实现起来比较复 杂，稳定性问题也比较复杂[30-31]。但是，直流微电网也存在自身的稳定性问题，尤 其是当直流微电网中存在大功率的恒功率负荷（CPL）时，可能会引起直流母线的不 稳定 [32]。 对于直流微电网的暂态稳定性分析，目前国内外这方面的研究比较少，文献[33] 对直流微网暂态稳定性做了简单介绍，并给出一个仿真实例，没能从方法和理论的角 度进行概括。不同于暂态稳定性分析，直流微电网的小干扰稳定性成为了直流微电网 的一个研究热点，文献[34-35]主要研究直流微电网的拓扑结构、控制方式、储能系统 等对直流微电网小干扰稳定性的影响，并提出一些提高直流微电网稳定性的方法。文 献[34]中提出在源侧变换器与恒功率负荷之间增加无源阻尼装置来提高系统的稳定性， 但这种方法会增大系统的体积和损耗；因此文献[35]中提出把直流微电网看成一个整 体，通过在交流大电网的接口变换器的控制器中增加有源阻尼信号来改变变换器的等 效阻抗，这种方法不需要改变原有系统结构，通过选取合适的控制器参数就可以极大 改善系统的稳定性，但是没有考虑当直流微电网孤岛运行时，并网变换器不参加运行， 9 系统的稳定控制问题。 在直流微电网中，系统中不考虑无功功率的流动，电压成为了反映系统功率平衡 的唯一指标。文献[12] 给出直流微电网的电压稳定的定义为：当系统受到干扰时，将 直流母线电压保持在一定范围内（电压波动不超过额定值的±5%）的能力。直流微 电网的小干扰稳定性的定义为：当直流微电网系统受到小干扰时，系统能够自动恢复 到原始运行状态的能力。为了稳定直流母线电压在较小的范围内波动，文献[36-38]针 对变换器提出了不同的控制方式和策略。文献[36]提出了一种用于交直流双向功率变 换器在整流、逆变及停机三种模式自动切换的改进下垂控制。文献[37]充分发挥直流 微电网中储能系统的功能，提出一种适用于直流系统的基于单元剩余容量的改进下垂 控制方法。文献[38] 基于储能系统的光伏直流微电网系统，提出一种储能系统自动充 放电改进控制策略。 目前对直流微电网稳定性的研究大多是基于总线式直流微电网这种结构，侧重于 控制策略的改进和参数的设计，以及并网运行下对并网逆变器的研究，较少涉及互联 式直流微电网的建模和稳定性分析问题，以及线路参数对直流微电网稳定性的影响等。 因此，本文针对总线式直流微电网和互联式直流微电网这两种结构，分析孤岛运行模 式下的小干扰稳定性，并分析线路参数对稳定性的影响，探讨改善系统稳定性的措施， 对于未来将直流微电网应用到配电网中具有重要意义。 1.3 本文主要内容 本文的研究对象是孤岛运行模式下的总线式直流微电网和互联式直流微电网这两 种结构，主要内容包括对其的数学建模和小干扰稳定性分析两个部分。本文研究思路 如图 1.4 所示。 10 提 出 问 题 ： 孤 岛 运 行 模 式 下 直 流 微 电 网 的 小 干 扰 稳 定 性 直 流 微 电 网 的 拓 扑 、 变 换 器 模 型 、 控 制 方 式 总 线 式 直 流 微 电 网 稳 定 性 分 析 （ 阻 抗 特 性 ） 互 联 式 直 流 微 电 网 稳 定 性 分 析 （ 特 征 值 ） 结 论 图 1.4 论文思路 本文主要内容如下： 第一章，引言。介绍本文的研究背景和意义，微电网和直流微电网的发展现状， 包括示范工程介绍和研究成果。对微电网的稳定性问题进行分类，总结微电网的稳定 性研究现状，提出本文的研究点为孤岛运行模式下直流微电网的小干扰稳定性。 第二章，直流微电网拓扑及变换器建模。介绍未来直流微电网发展的两种基本拓 扑结构：总线式直流微电网和互联式直流微电网。分析直流微电网的技术经济优势。 介绍直流微电网中常用的变换器的控制策略和阻抗特性，其阻抗特性用于第三章稳定 性分析。介绍直流微电网的控制方式，详细介绍本文采用的分散式控制中的下垂控制。 第三章，总线式直流微电网稳定性分析。首先介绍基于阻抗比的稳定判据，对总 线式直流微电网数学建模，然后进行稳定性分析和仿真分析，最后搭建实验平台，进 行验证实验。 第四章，互联式直流微电网稳定性分析。对于多个总线式直流微电网互联组成的 系统，建立其降阶模型，利用小扰动特征分析法分析其特征值和灵敏度，并仿真验证。 第五章，结论与展望。 11 2 直流微电网拓扑及变换器建模 2.1 直流微电网拓扑 近年来，微电网成为电气工程研究领域的一个热点，微电网是指将微型电源、负 荷和储能装置结合在一起的电网形式，作为一个独立的整体，可以并网运行，也可以 孤岛模式运行 [39]。 A C D C D V R D C D C D C D C A C D C A C D C 远程监控系统 高电能质量 需求的负荷 光伏阵列 燃料电池 蓄电池 光伏阵列 D C 负荷 电网 A C 负荷 微型燃 气轮机 图 2.1 交流微电网 目前，微电网主要是以交流微电网的形式存在，如图 2.1 所示，对其的研究涉及 到基础理论研究、微电网保护、运行以及经济性研究等，并投入大量资金建立了微电 网示范性工程。直流微电网的结构如图 2.2 所示，直流微电网通过并网逆变器与大电 网并网运行。孤岛运行模式下，并网逆变器断开。直流微电网的电源根据输出电能形 式的不同可以分为两类：一类是直流电源，这类电源主要通过 DC/DC 变换器接入直 流母线，如光伏电池和蓄电池；另一类是交流电源，如大电网和微型燃气轮机等，在 能源不能自给自足时，大电网通过逆变器给直流微电网提供电能；微型燃气轮机则需 要一个 AC/DC 变换器接入直流母线。负荷方面，目前很多电气设备本质上就是使用 直流电，如 LED 照明灯、电动汽车、个人电脑和手机等，这些负荷大多经过 DC/DC 变换器接入直流微电网。 类似于交流配电网，根据直流母线的特性，常用的直流微电网的拓扑可以分为如 下两大类：总线式直流微电网和互联式直流微电网。接下来对这两种拓扑结构做介绍 12 和分析。 蓄 电 池光 伏 电 池 微 型 燃 气 轮 机 电 动 汽 车 高 压 直 流 电 器 低 压 直 流 电 器 电 网 L E D 直 流 母 线 图 2.2 总线式直流微电网 2.1.1 总线式直流微电网 如图 2.2 所示，这种拓扑结构为典型的总线式直流微电网，所有源和负荷通过电 力电子变换器与直流母线连接，不考虑线路的影响，能够很好的适用于智能住宅的配 电网络。 目前，对于直流微电网的研究大多是基于直流母线结构，如图 2.3 所示，美国 ABB 公司最早提出一种基于母线的直流微电网拓扑，相比于交流母线的微电网可以为 用户提供高可靠性和高质量的电力供应。 美国弗吉尼亚理工大学 CPES 中心提出了“Sustainable building initiative”的直流 微电网架构，其旨在为未来智能住宅供电，其架构图如图 1.1 所示。系统包含两种电 压等级的直流母线：300VDC 和 48VDC，这两种电压等级基本能够满足智能住宅的电 压要求。整个直流供电系统通过一个双向 AC/DC 变换器接入大电网。 13 总线式直流微电网拓扑结构简单，故障保护简单，线路投资费用较低，但是供电 可靠性差、易发生停电