微电网电能控制技术

本书重点关注微电网应用中广泛关注的几种关键技术，对其进行理论分析与探讨。以分布式发电系统的快速发展为切入点，介绍了微电网技术的产生背景与发展现状，总结了微电网系统的主要分类形式与控制方式，同时探讨了影响微电网技术发展的关键研究方向。以微电网系统的电能质量改善为切入点，分析了微电网中谐波的产生机理 。以微电网系统的稳定性提升为切入点，以特定微电网系统结构为例，对微电网系统的静态与暂态稳定性分析方法进行了讨论。

马添翼，吉林松原人，工学博士。2008 年博士毕业于北京交通大学，2008年至2010 年于清华大学精密仪器系从事博士后工作，现为北京印刷学院讲师。主要从事微电网智能控制、微电网建模及微电网谐波治理相关研究。已在国内外发表学术论文30 余篇，其中10 余篇为EI 检索。主持、参加并完成多项国家及北京市项目。

第1 章　绪论 ....................................................................................................... 001

1.1　可再生能源的发展现状 .......................................................................... 001

1.1.1　水能 ............................................................................................. 002

1.1.2　生物质能 ..................................................................................... 003

1.1.3　风能 ............................................................................................. 004

1.1.4　太阳能 ......................................................................................... 005

1.1.5　地热能 ......................................................................................... 006

1.1.6　海洋能 ......................................................................................... 007

1.2 分布式发电技术 ...................................................................................... 008

1.2.1　分布式发电的特点 ..................................................................... 009

1.2.2　分布式发电的经济性与环保效益 ............................................. 010

1.3　改善分布式发电性能的控制方法 .......................................................... 012

1.3.1　主动配电网控制技术 ................................................................. 012

1.3.2　微电网控制技术 ......................................................................... 014

1.4　微电网的分类与控制 .............................................................................. 018

1.4.1　微电网的分类 ............................................................................. 018

1.4.2　微电网系统的控制 ..................................................................... 021

1.5　微电网关键技术 ...................................................................................... 026

1.5.1　微电网的规划设计与经济运行 ................................................. 026

1.5.2　微电网的运行控制 ..................................................................... 027

1.5.3　微电网的分布式电源控制 ......................................................... 029

1.5.4　微电网的孤岛运行技术 ............................................................. 031

1.5.5　微电网的稳定性分析 ................................................................. 033

1.5.6　微电网的电能质量 ..................................................................... 034

1.5.7　微电网的故障检测与接入标准 ................................................. 035

第2 章 微电网变流器控制 ......................................................................... 047

2.1　微电网变流器控制分类 .......................................................................... 047

2.1.1　功率控制型微电网变流器 ......................................................... 048

2.1.2　频率、电压控制型微电网变流器 ............................................. 049

2.2　微电网变流器的PQ 控制策略 ............................................................... 052

2.2.1　PQ 控制的基本工作原理 ........................................................... 053

2.2.2　PQ 控制的实现 ........................................................................... 056

2.3　微电网变流器的下垂控制策略 .............................................................. 060

2.3.1　下垂控制原理 ............................................................................. 060

2.3.2　基于三环解耦的下垂控制实现 ................................................. 063

2.4　线路阻抗特性对微电网变流器功率控制的影响 .................................. 066

2.5　微电网变流器的虚拟阻抗控制 .............................................................. 069

2.5.1　微电网变流器的虚拟阻抗控制 ................................................. 069

2.5.2　虚拟阻抗实现功率解耦控制的机理分析 ................................. 073

2.5.3　虚拟阻抗设计原则 ..................................................................... 075

2.5.4　虚拟阻抗对系统输出电压的影响 ............................................. 077

2.5.5　虚拟阻抗对系统稳定性的影响 ................................................. 079

2.5.6　仿真与实验研究 ......................................................................... 083

2.6　本章小结 .................................................................................................. 089

第3 章　微电网变流器的性能分析与改善 ............................................ 092

3.1　微电网变流器的并网性能分析 .............................................................. 092

3.1.1　并网变流器的数学模型 ............................................................. 093

3.1.2　并网变流器的解耦性能分析 ..................................................... 096

3.1.3　微电网变流器的抗扰性能分析 ................................................. 099

3.2　微电网变流器并网性能分析实例 .......................................................... 103

3.2.1　解耦性能分析实例 ..................................................................... 103

3.2.2　抗扰性能分析实例 ..................................................................... 107

3.3　 基于线路压降补偿的微电网变流器无功负荷分担策略 .................... 110

3.3.1　线路阻抗对微电网变流器无功分担性能的影响 ..................... 110

3.3.2　基于电压补偿的微电网变流器无功分担方法 ......................... 112

3.3.3　实验研究 ..................................................................................... 116

3.4　 基于虚拟阻抗控制的微电网变流器不平衡负荷分担性能改善 .......... 118

3.4.1　孤岛模式下微电网变流器的不平衡负荷分担 ......................... 119

3.4.2　孤岛模式下微电网变流器的非线性负荷分担 ......................... 121

3.4.3　孤岛模式下微电网变流器的不平衡负荷分担方法 ................. 123

3.4.4　孤岛模式下微电网变流器的非线性负荷分担方法 ................. 128

3.4.5　基于虚拟阻抗的微电网变流器负荷分担改善实现 ................. 129

3.4.6　仿真与实验研究 ......................................................................... 133

3.4.7　本章小结 ..................................................................................... 140

第4 章　微电网的谐波分析与抑制 ........................................................... 142

4.1　微电网变流器的谐波特性分析与建模 .................................................. 142

4.1.1　微电网变流器的高次谐波分析 ................................................. 143

4.1.2　微电网变流器的低次谐波分析 ................................................. 148

4.2　微电网系统的谐波特性分析与建模 ...................................................... 151

4.2.1　单台主动配电网变流器接入条件下的谐波分布 ..................... 151

4.2.2　多台微电网变流器接入条件下的谐波分布 ............................. 153

4.2.3　仿真与实验研究 ......................................................................... 158

4.3　微电网的谐波检测技术 .......................................................................... 168

4.3.1　微电网的常用谐波检测方法 ..................................................... 168

4.3.2　基于多旋转坐标变换的谐波检测方法 ..................................... 170

4.3.3　仿真与实验研究 ......................................................................... 179

4.4　微电网变流器的谐波抑制策略 .............................................................. 182

4.4.1　PQ 控制微电网变流器的谐波抑制 ........................................... 182

4.4.2　下垂控制微电网变流器的谐波抑制 ......................................... 187

4.4.3　实验研究 ..................................................................................... 192

4.5　基于二次控制微电网谐波抑制 .............................................................. 195

4.5.1　线路阻抗对PCC 不平衡电压的影响分析 ............................... 195

4.5.2　抑制PCC 不平衡电压控制方法的实现 ................................... 198

4.5.3　实验研究 ..................................................................................... 203

4.6　本章小结 .................................................................................................. 205

5

第5 章　微电网的稳定性分析 .................................................................... 208

5.1　小信号稳定性分析概述 .......................................................................... 209

5.1.1　小信号稳定性分析过程的建模 ................................................. 209

5.1.2　小信号稳定性分析的稳定性判定 ............................................. 213

5.2　微电网系统的小信号建模与分析 .......................................................... 215

5.2.1　集中式负荷系统的小信号建模 ................................................. 215

5.2.2　分布式负荷系统的小信号模型 ................................................. 225

5.2.3　仿真研究 ..................................................................................... 234

5.3　微电网系统暂态的稳定性分析 .............................................................. 242

5.3.1　微电网变流器对暂态稳定性的影响分析 ................................. 243

5.3.2　动态负荷对微电网系统暂态稳定性的影响 ............................. 245

5.3.3　仿真分析 ..................................................................................... 247

5.4　本章小结 .................................................................................................. 261

附录 ............................................................................................................................ 264

本书重点关注微电网应用中广泛关注的几种关键技术，对其进行理论分析与探讨。以分布式发电系统的快速发展为切入点，介绍了微电网技术的产生背景与发展现状，总结了微电网系统的主要分类形式与控制方式，同时探讨了影响微电网技术发展的关键研究方向。以微电网系统的电能质量改善为切入点，分析了微电网中谐波的产生机理 。以微电网系统的稳定性提升为切入点，以特定微电网系统结构为例，对微电网系统的静态与暂态稳定性分析方法进行了讨论。

马添翼，吉林松原人，工学博士。2008 年博士毕业于北京交通大学，2008年至2010 年