微电网建模与控制基础

前言
Preface
为应对日益严峻的全球变暖、能源短缺问题，以风电和光伏为代表的可再生能源发电技术受到了广泛关注并得到了快速发展。根据国家能源局统计，截至2023年上半年，我国可再生能源发电累计装机容量已突破13亿kW，历史性地超过了煤电比重；而其中风电与光伏发电达到了8.59亿kW，约为36个三峡电站的总装机容量，已成为可再生能源发电的主要贡献力量。
然而，风力与光伏发电具有较强的随机性和波动性，如果采用集中发电和远距离输送的传统形式，将对电网的稳定运行带来较大风险。在此背景下，微电网概念得以提出：作为一个“五脏俱全”的小型电力生态系统，微电网完整涵盖了分布式电源、储能及负荷，并通过电力电子变流器加以连接和控制。微电网既可以并入大电网协同工作，也能够脱离大电网孤岛运行，这些特性缓解了可再生能源对大电网的冲击，也有助于可再生能源的本地消纳，并能极大提升区域供电质量和输电效率。
如今，微电网技术已成为学术界与工业界的研究热点，实际工程也在如火如荼地建设中。然而，微电网系统的运行机制较为复杂，所涉及的电气工程知识体系跨度大，现有文献多关注复杂而先进的控制策略，使得刚接触该领域的读者往往会出现难以理解、无从上手等问题。在此背景下，亟需一本深入浅出、系统梳理微电网建模与控制相关基础理论的教材，帮助读者加深对微电网特性的理解，并初步具备对其分析和设计的能力。
教材共分为9章5个模块：第1章概述了微电网的提出背景、概念、意义、分类与现状，旨在帮助读者建立对微电网技术的宏观认识；第2～4章聚焦微电网中单个电力电子变流器的原理和控制，首先讲解了拓扑、脉冲宽度调制、坐标变换等基础知识，并分别针对最常见的电流控制型和电压控制型两类DC-AC变流器展开介绍；第5～7章聚焦微电网中多个电力电子变流器的协同和控制，对主从控制、下垂控制、二次控制等经典协同方法进行了细致的推导与分析，并就具体应用场景中存在的局限性进行了讨论；第8章简要介绍了直流微电网中变流器的控制及协同方法，旨在丰富读者对不同微电网类型的认知；第9章通过结合一个实际微电网系统的分析设计案例，给出了仿真任务和实验现象，让读者可以融会贯通本书所涵盖的知识要点。
本书由上海交通大学马柯任主编，梁克靖、许少伦任副主编，王嘉石、唐为禹、曹思语、朱文杰四位研究生参与了本书的章节设计及编写工作。
受限于编者水平，书中难免有疏漏和不妥之处，恳请读者批评指正。
编者
2023年7月于上海交通大学

本书是在上海交通大学本科课程“微电网控制系统综合实验”迭代多年的讲义基础上，结合作者科研实践凝练而成，重点聚焦电力电子变流器及其所构成微电网系统的建模及控制基础理论；同时精心设计了由浅入深、贴合实际的多个仿真任务，力求使读者能充分理解典型微电网系统的运行原理，并能深刻体会其技术优势及不足。
教材系统介绍了微电网中常见变流器的等效建模和分析设计方法，以及多变流器之间的协调原理和控制策略，共分9章：绪论、微电网中的变流器、电流控制型DC-AC变流器、电压控制型DC-AC变流器、微电网主从控制、微电网下垂控制、微电网二次控制、直流微电网及综合应用实例。每章后为应用仿真实践。
本书可以作为高等院校电气工程及其自动化专业的本科生教材，也能够为新能源发电、微电网领域的研究生及工程技术人员提供帮助。

马柯，上海交通大学长聘副教授、博导，电力传输与功率变换控制重点实验室副主任。研究方向为电力电子可靠性测评技术及其在可再生能源领域应用，以第一或通讯作者发表中科院一区SCI期刊论文50余篇、获授权中国发明专利30余项。入选国家高层次青年人才计划、爱思唯尔“中国高被引学者”，获欧洲风能学会“优秀青年风能博士奖”、中国电源学会“优秀青年奖”、台达科教发展计划“中达青年学者奖”，以及数个国内外论文奖励。目前担任2个IEEE专委会副主席、3个IEEE Transaction期刊副主编/编委、电源学报编委。
梁克靖，高校创业指导师，实验师，上海交通大学能源互联网科普教育基地常务副主任，从事工业自动化、人机交互、能源互联网、科研资源科普转化方面的研究工作以及大学生创新创业竞赛指导。作为主要成员承担国家自然基金科普专项2项，省部级科普专项1项，获省部级科普奖励1项;指导学生获中国国际“互联网 ”大学生创新创业大赛金奖1项、银奖1项；国家级、省级大学生创新创业训练计划3项、5项。
许少伦，博士，高级工程师，现任上海交通大学电气工程实验教学中心主任、闵行区能源互联网科普教育基地主任，负责电气工程学科的专业实践教学工作，同时从事电动汽车充电管理、微电网、运动控制方面的研究工作以及学生实践创新指导。策划建设的2门虚拟仿真实验均获上海市一流课程称号，发表SCI、EI、教改论文等20余篇，主持多项省级和校级教学改革项目，主编教材4本。曾获上海市教学成果奖二等奖3项、上海交通大学教学成果奖一等奖3项、上海交通大学卓越奖励计划、晨星计划、实验室先进工作者、招生先进个人等称号，指导学生获全国大学生电子设计竞赛国家一等奖4项、上海市一等奖10余项，并获优秀组织奖、优秀指导教师。

目录
Contents
前言
第1章绪论
1.1微电网技术的提出背景
1.1.1分布式电网结构
1.1.2微电网的概念及意义
1.1.3微电网的构成要素及分类
1.1.4国内外微电网发展现状
1.2微电网控制系统概述
1.2.1变流器本地控制
1.2.2微电网协同控制
1.2.3上层系统交互
参考文献
第2章微电网中的变流器
2.1微电网中常见的电力电子变流器拓扑
2.1.1不同输入输出电压类型的变流器
2.1.2不同输出电平数的变流器
2.2微电网中的DC-AC功率变换
2.2.1单相及三相DC-AC功率变换
2.2.2电流控制型及电压控制型DC-AC功率变换
2.3DC-AC变流器的脉冲宽度调制
2.3.1变流器PWM环节及半桥电路的数学建模
2.3.2变流器空间矢量调制及等效
2.4三相交流系统坐标变换
2.4.1从abc坐标系到αβ0坐标系
2.4.2从αβ0坐标系到dq0坐标系
2.4.3三相交流系统坐标变换案例
2.5仿真任务：三相DC-AC变流器电压开环控制
参考文献
第3章电流控制型DC-AC变流器
3.1电流滤波器的设计及建模
3.1.1电感滤波器的纹波计算
3.1.2电感滤波器的dq0坐标系建模
3.2电流型DC-AC变流器的控制理论
3.2.1电流控制系统架构
3.2.2锁相环
3.2.3电流控制器
3.2.4控制参数设计
3.3高阶电流滤波器
3.3.1LCL滤波器的频域特性
3.3.2LCL滤波器的参数设计
3.4仿真任务：电流控制型并网逆变器设计
参考文献
微电网建模与控制基础
目录第4章电压控制型DC-AC变流器
4.1电压型变流器的设计及建模
4.1.1LC滤波器设计
4.1.2带LC型滤波器DC-AC变流器的dq0坐标系模型
4.2电压控制系统
4.2.1电压控制系统结构设计
4.2.2电压控制系统参数设计
4.3仿真任务：电压控制型变流器设计
参考文献
第5章微电网主从控制
5.1单台变流器的恒功率控制
5.1.1三相系统的瞬时功率计算
5.1.2三相DC-AC变流器的功率控制
5.2基于负载电流的主从控制
5.3无负载电流采样的主从控制
5.4仿真任务：多台变流器的主从控制器设计
参考文献
第6章微电网下垂控制
6.1线路功率传输方程推导
6.1.1线路的简化与电流的推导
6.1.2不同电压等级下线路特性
6.2感性线路下垂控制原理及下垂曲线
6.2.1频率-有功下垂方程的推导
6.2.2电压-无功下垂方程的推导
6.2.3下垂特性系数的选取
6.2.4变流器下垂控制实现方法
6.3感性线路下垂控制的功率分配特性
6.3.1下垂控制有功功率自主分配机制
6.3.2下垂控制无功功率自主分配机制
6.4阻性线路中的下垂控制
6.4.1阻性线路下的下垂控制原理
6.4.2阻性线路下的下垂控制功率分配特性
6.5仿真任务：多台电压控制型变流器的下垂控制设计
参考文献
第7章微电网二次控制
7.1微电网分层控制策略
7.1.1分层控制策略概述
7.1.2二次控制的目标与分类
7.2用于电压幅值和频率校正的集中式二次控制
7.2.1下垂控制中的电压幅值和频率偏差问题
7.2.2电压幅值和频率校正的集中式二次控制结构
7.3用于无功功率分配补偿的集中式二次控制
7.3.1下垂控制中的无功功率分配问题
7.3.2无功分配的集中式二次控制结构
7.4分布式二次控制
7.4.1分布式二次控制概述
7.4.2复杂通信系统下的分布式二次控制
7.4.3简化通信系统下的分布式二次控制
7.5仿真任务：多台电压控制型变流器的二次控制设计
参考文献
第8章直流微电网
8.1直流微电网简介
8.2单台变流器的控制方式
8.2.1调制算法
8.2.2电压控制
8.3直流微电网的控制
8.3.1直流微电网控制架构
8.3.2直流下垂控制
8.3.3直流二次控制
8.4仿真任务：双有源全桥DC-DC变流器的设计
参考文献
第9章综合应用实例
9.1实际微电网的应用情况
9.2案例设计要求
9.3参考实现案例

本书是在上海交通大学本科课程“微电网控制系统综合实验”迭代多年的讲义基础上，结合作者科研实践凝练而成，重点聚焦电力电子变流器及其所构成微电网系统的建模及控制基础理论；同时精心设计了由浅入深、贴合实际的多个仿真任务，力求使读者能充分理解典型微电网系统的运行原理，并能深刻体会其技术优势及不足。
教材系统介绍了微电网中常见变流器的等效建模和分析设计方法，以及多变流器之间的协调原理和控制策略，共分9章：绪论、微电网中的变流器、电流控制型DC-AC变流器、电压控制型DC-AC变流器、微电网主从控制、微电网下垂控制、微电网二次控制、直流微电网及综合应用实例。每章后为应用仿真实践。
本书可以作为高等院校电气工程及其自动化专业的本科生教材，也能够为新能源发电、微电网领域的研究生及工程技术人员提供帮助。

马柯，上海交通大学长聘副教授、博导，电力传输与功率变换控制重点实验室副主任。研究方向为电力电子可靠性测评技术及其在可再生能源领域应用，以第一或通讯作者发表中科院一区SCI期刊论文50余篇、获授权中国发明专利30余项。入选国家高层次青年人才计划、爱思唯尔“中国高被引学者”，获欧洲风能学会“优秀青年风能博士奖”、中国电源学会“优秀青年奖”、台达科教发展计划“中达青年学者奖”，以及数个国内外论文奖励。目前担任2个IEEE专委会副主席、3个IEEE Transaction期刊副主编/编委、电源学报编委。
梁克靖，高校创业指导师，实验师，上海交通大学能源互联网科普教育基地常务副主任，从事工业自动化、人机交互、能源互联网、科研资源科普转化方面的研究工作以及大学生创新创业竞赛指导。作为主要成员承担国家自然基金科普专项2项，省部级科普专项1项，获省部级科普奖励1项;指导学生获中国国际“互联网 ”大学生创新创业大赛金奖1项、银奖1项；国家级、省级大学生创新创业训练计划3项、5项。
许少伦，博士，高级工程师，现任上海交通大学电气工程实验教学中心主任、闵行区能源互联网科普教育基地主任，负责电气工程学科的专业实践教学工作，同时从事电动汽车充电管理、微电网、运动控制方面的研究工作以及学生实践创新指导。策划建设的2门虚拟仿真实验均获上海市一流课程称号，发表SCI、EI、教改论文等20余篇，主持多项省级和校级教学改革项目，主编教材4本。曾获上海市教学成果奖二等奖3项、上海交通大学教学成果奖一等奖3项、上海交通大学卓越奖励计划、晨星计划、实验室先进工作者、招生先进个人等称号，指导学生获全国大学生电子设计竞赛国家一等奖4项、上海市一等奖10余项，并获优秀组织奖、优秀指导教师。