微型分布式電源工作原理和控制

01二月2023微型分布式電源工作原理和控制01二月2023微型分布式電源工作原理和控制§3-1微型渦輪發(fā)電機(jī)的建模和仿真§3-2燃料電池系統(tǒng)的建?！?-3光伏(Photovoltaic，PV)發(fā)電系統(tǒng)§3-4小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)§3-5微電網(wǎng)中能量存儲(chǔ)設(shè)備01二月2023§3-1微型渦輪發(fā)電機(jī)的建模和仿真一、微型渦輪發(fā)電機(jī)組的基本工作原理如果不考慮微型渦輪發(fā)電機(jī)組的容量大小，則它們的基本運(yùn)行原理相同，即將某種形式的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。隨著渦輪發(fā)電機(jī)組的類型、容量的不同，這一能量轉(zhuǎn)換的過程將有很大的差異。大容量的蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和大型的同步發(fā)動(dòng)機(jī)基本的運(yùn)行和控制原理可總結(jié)如下：系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，進(jìn)入渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的蒸汽流量所對(duì)應(yīng)的功率等于發(fā)電機(jī)所輸出的電功率，發(fā)電機(jī)和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速同步，發(fā)電機(jī)所輸出的正弦電信號(hào)與電網(wǎng)信號(hào)相位相同。在負(fù)荷的暫態(tài)響應(yīng)期間，負(fù)荷所需能量首先來自于大型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速變化。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)將檢測(cè)出轉(zhuǎn)速的變化，并調(diào)節(jié)蒸汽流量，使得其轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定的數(shù)值。01二月2023§3-1微型渦輪發(fā)電機(jī)的建模和仿真微型渦輪發(fā)電機(jī)組的基本工作原理穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，進(jìn)入渦輪的天然氣和空氣的燃燒所獲得的能量與發(fā)電機(jī)輸出電能相等，微型渦輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速不是關(guān)鍵的因素，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)輸出的正弦交流信號(hào)首先經(jīng)過整流然后再通過逆變器輸出。直流側(cè)電壓必須保證能夠提供逆變器輸出的功率的要求，該運(yùn)行模式需要對(duì)微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行良好的控制。在負(fù)荷暫態(tài)響應(yīng)期間，所需的功率也可首先從微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速變化獲得，但是由于系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比較小，所存儲(chǔ)的動(dòng)能也小，因此轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速將變化迅速。微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)將檢測(cè)出轉(zhuǎn)速的變化，并調(diào)節(jié)輸入到微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料流量，使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定數(shù)值。微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速需要迅速調(diào)節(jié)，保證發(fā)電機(jī)能夠正常運(yùn)行。在這種運(yùn)行模式下，渦輪發(fā)電機(jī)組也能跟隨負(fù)荷的變化。01二月2023§3-1微型渦輪發(fā)電機(jī)的建模和仿真二、微型渦輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)微型渦輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的基本功能方框圖回流換熱器利用燃燒過程產(chǎn)生的排出廢氣，增加了系統(tǒng)的效率。系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)為永磁發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)和電力電子接口電路的方框圖逆變器采用電壓源逆變器，可采用PWM控制、矢量控制或其它類型的控制方式。01二月2023§3-1微型渦輪發(fā)電機(jī)的建模和仿真三、微型渦輪發(fā)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型Idc=0，設(shè)直流母線電壓為500V，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為52000rpm

用Honeywell微型渦輪發(fā)電機(jī)參數(shù)計(jì)算Kv、Ke和Kx。當(dāng)輸出功率60kW時(shí)，轉(zhuǎn)速為60000rpm

，直流側(cè)電壓為515V01二月2023§3-1微型渦輪發(fā)電機(jī)的建模和仿真輸出功率和轉(zhuǎn)矩：微型渦輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速模型：01二月2023§3-1微型渦輪發(fā)電機(jī)的建模和仿真為驗(yàn)證轉(zhuǎn)速模型，在轉(zhuǎn)速的輸入端加入了一個(gè)二階的控制器，模擬燃料控制和調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)特性。

為了使得模擬結(jié)果與Honeywell75kW的發(fā)電機(jī)的實(shí)際響應(yīng)接近，采用曲線擬合建立轉(zhuǎn)速和功率給定值之間的關(guān)系。01二月2023§3-1微型渦輪發(fā)電機(jī)的建模和仿真功率給定值如圖所示，時(shí)間序列與Honeywell渦輪發(fā)電機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)有稍許差別，但階躍變化和幅度與實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)相同。輸出功率仿真結(jié)果01二月2023§3-1微型渦輪發(fā)電機(jī)的建模和仿真輸出轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果由于采用了曲線擬合，仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)非常接近。曲線擬合轉(zhuǎn)速模型的直流側(cè)電壓仿真結(jié)果當(dāng)負(fù)荷階躍變化時(shí)，轉(zhuǎn)速和直流側(cè)電壓的調(diào)整具有一定的超調(diào)量，這樣的響應(yīng)是由該模型的特性所決定的，若采用理想模型，可控制超調(diào)量的大小。01二月2023§3-1微型渦輪發(fā)電機(jī)的建模和仿真根據(jù)上述分析，可對(duì)建模所需要的條件總結(jié)如下：轉(zhuǎn)速為測(cè)試數(shù)據(jù)的曲線擬合；暫態(tài)脈沖被不實(shí)際地放大了，對(duì)于不同的運(yùn)行條件，引入的參數(shù)需進(jìn)行調(diào)整；當(dāng)逆變器的輸出電流隨著負(fù)荷變化時(shí)，應(yīng)限制其輸出電流的響應(yīng)，因此負(fù)荷電流必須采用同樣的方式進(jìn)行限制。模型的主要缺點(diǎn)是沒有考慮微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，渦輪和發(fā)電機(jī)將影響轉(zhuǎn)速設(shè)定值變化時(shí)的轉(zhuǎn)子響應(yīng)，這些影響沒有考慮在模型中，但是模型參數(shù)可進(jìn)行正確的調(diào)整。四、微型渦輪發(fā)電機(jī)組的輸入轉(zhuǎn)矩模型為考慮渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，采用轉(zhuǎn)矩作為輸入的模型。01二月2023§3-1微型渦輪發(fā)電機(jī)的建模和仿真微型渦輪發(fā)電機(jī)組的輸入轉(zhuǎn)矩模型01二月2023§3-1微型渦輪發(fā)電機(jī)的建模和仿真01二月2023§3-1微型渦輪發(fā)電機(jī)的建模和仿真電流的上升時(shí)間與轉(zhuǎn)速模型相同；輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和直流側(cè)電壓的仿真結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)很接近，與實(shí)際系統(tǒng)具有相同的特性；在測(cè)試數(shù)據(jù)和模型中具有相同的電壓和轉(zhuǎn)速的超調(diào)；直流電壓和轉(zhuǎn)速的峰值與測(cè)試數(shù)據(jù)也基本相同。01二月2023§3-2燃料電池系統(tǒng)的建模燃料電池通過氫和氧的電化學(xué)反應(yīng)將氫或含氫燃料直接轉(zhuǎn)換成電能，熱能和水。一、自主式燃料電池模型

大多數(shù)的燃料電池系統(tǒng)生成電能所直接包含的全部化學(xué)反應(yīng)可以簡(jiǎn)化為：

熔融碳酸鹽燃料電池，忽略低溫度動(dòng)態(tài)，物質(zhì)平衡方程為U為電池電壓；Niin，Nio分別為第i級(jí)反應(yīng)物在電池輸入和輸出端的流速；Ntin是全部反應(yīng)物在電池輸入端的總流速，Ni=xiNt；Ri為反應(yīng)物的反應(yīng)速率，Rt是Ri的總和。

T為電池的華氏溫度，P為電池的壓力，R為氣體常數(shù)(8.31焦/摩爾華氏度)。01二月2023§3-2燃料電池系統(tǒng)的建模IFC為電池電流，F(xiàn)為法拉第常數(shù)(96500C/摩爾)，n為第一式反應(yīng)中的電子數(shù)。

實(shí)際的燃料電池，反應(yīng)物的摩爾濃度，xH2Oin，xH2in，xO2in是固定的常數(shù)。

電池所有反應(yīng)的動(dòng)態(tài)特性的時(shí)間常數(shù)相同。u為電池利用率。

電池利用率可由H2定義：當(dāng)為常數(shù)時(shí)，利用率u隨著電池電流的增加而增加。01二月2023§3-2燃料電池系統(tǒng)的建模u=0對(duì)應(yīng)于用燃料電池閑置的情況，u=1對(duì)應(yīng)于電池最大輸出。在實(shí)際的應(yīng)用中，u的值約為0.85左右。

電池電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值E可由納斯特定律得到Er為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)電池的開路電壓；f=RT/nF。

因?yàn)榉磻?yīng)物的擴(kuò)散摩爾濃度可由下式計(jì)算：燃料電池的非線性電化學(xué)模型反應(yīng)物的輸入總流速Ntin為模型的獨(dú)立輸入信號(hào)，決定了電池的穩(wěn)定狀態(tài)功率。

連接到電池的電氣端的外部電流決定了電池電流的大小，這是模型的第二個(gè)輸入信號(hào)。模型為降階模型，因?yàn)楹雎粤藴囟纫鸬膭?dòng)態(tài)特性。適用于描述電池?cái)嗬m(xù)工作情況下溫度在數(shù)分鐘內(nèi)幾乎不變的特性。01二月2023§3-2燃料電池系統(tǒng)的建模H2和H2O在穩(wěn)定狀態(tài)釋放的摩爾濃度，可表示為：E的穩(wěn)定狀態(tài)值Eocv為Eo為利用率為零(電池閑置)時(shí)的開路電壓：當(dāng)u較大時(shí)，百分之五十的O2利用率可導(dǎo)出下述近似表達(dá)式。01二月2023§3-2燃料電池系統(tǒng)的建模穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)電池電壓和電池利用率之間的關(guān)系曲線(a)電池開路電壓，(b)端電壓

01二月2023§3-2燃料電池系統(tǒng)的建模二、并網(wǎng)運(yùn)行燃料電池模型1.非線性模型

并網(wǎng)運(yùn)行燃料電池系統(tǒng)原理圖

采用了兩個(gè)控制環(huán)控制系統(tǒng)輸出的交流電壓和功率。01二月2023§3-2燃料電池系統(tǒng)的建模電壓控制器通過改變逆變器的調(diào)制度來調(diào)節(jié)系統(tǒng)與電網(wǎng)接口的母線電壓VT，實(shí)現(xiàn)無功功率的控制。

通常情況下，燃料電池承擔(dān)系統(tǒng)的基本負(fù)荷，因此燃料控制器為燃料電池提供恒定的燃料輸入。燃料控制器的響應(yīng)速度很慢，但是通過調(diào)節(jié)逆變器的功率角，系統(tǒng)可對(duì)較小的瞬時(shí)功率調(diào)節(jié)做出連續(xù)的反應(yīng)。任何穩(wěn)定狀態(tài)功率的改變必將伴隨著燃料流速的相應(yīng)改變。如果電池輸出功率升高，而燃料流速保持不變，則穩(wěn)定狀態(tài)的電池利用率將會(huì)升高而電池電壓將會(huì)降低。并網(wǎng)運(yùn)行燃料電池系統(tǒng)的單相等效電路01二月2023§3-2燃料電池系統(tǒng)的建模m=1，u=0.85，RFC=0.3，E=1.3，XT=0.1，(a)Xs=0.25，(b)Xs=0.2

燃料電池系統(tǒng)的功率特性對(duì)電池電阻和交流系統(tǒng)阻抗之間的比值比較敏感。最大功率受燃料電池內(nèi)部參數(shù)限制，與電網(wǎng)的接口無關(guān)。01二月2023§3-2燃料電池系統(tǒng)的建模2.線性化動(dòng)態(tài)模型并網(wǎng)運(yùn)行燃料電池的小信號(hào)模型

01二月2023§3-2燃料電池系統(tǒng)的建模(1)燃料電池線性化動(dòng)態(tài)模型

分別為正常運(yùn)行時(shí)電池電流，利用率和輸入流速。U0為電池額定電壓；(2)電網(wǎng)絡(luò)電網(wǎng)絡(luò)采用靈敏度矩陣J表示，J為雅克比矩陣。01二月2023§3-2燃料電池系統(tǒng)的建模(3)逆變器控制逆變器的兩個(gè)控制環(huán)均采用PI控制。

當(dāng)燃料電池承擔(dān)基本負(fù)荷時(shí)，燃料流量調(diào)節(jié)器的作用可以忽略?？杉僭O(shè)所有電池均在恒定燃料流速下運(yùn)行，即01二月2023§3-2燃料電池系統(tǒng)的建模電池電流和交流電壓如下面兩式所示：上式中，B2=E2-4RFCPFC。由上述動(dòng)態(tài)模型可知，當(dāng)負(fù)荷功率增大時(shí)，功率偏差將增大從而使得功率角增加，提高了電池的輸出功率。當(dāng)電壓發(fā)生變化時(shí)，逆變器的調(diào)制度將隨著變化。功率控制環(huán)與電壓控制環(huán)通過兩個(gè)二階反饋環(huán)相互作用，反饋環(huán)包含了電網(wǎng)絡(luò)和電池的基本參數(shù)。電壓控制環(huán)的暫態(tài)響應(yīng)只受到電網(wǎng)絡(luò)中的短時(shí)時(shí)間常數(shù)的限制。因此，電壓控制器可以采用PI控制，其響應(yīng)時(shí)間為工頻正弦信號(hào)的一到兩個(gè)周期。功率控制環(huán)的比例和積分增益應(yīng)適當(dāng)選取，以便得到較慢的響應(yīng)，從而減少功率控制環(huán)和電壓控制環(huán)以及其他系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的相互作用。01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)發(fā)電系統(tǒng)一、光伏電池原理

用適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射到半導(dǎo)體系統(tǒng)上時(shí)，系統(tǒng)吸收光能后兩瑞產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)光照產(chǎn)生的非平衡載流子各向相反方向漂移，在內(nèi)部構(gòu)成自n區(qū)流向p區(qū)的光生電流，在p-n結(jié)短路情況下構(gòu)成短路電流密度。在p-n結(jié)開路情況下，p-n結(jié)兩端建立起光生電勢(shì)差，即開路電壓。將p-n結(jié)與外電路接通，只要光照不停止，就會(huì)不斷地有電流流過電路，p-n結(jié)起了電源的作用。01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)發(fā)電系統(tǒng)太陽能電池的電流和功率特性為使太陽能電池的輸出功率達(dá)到最大，不論外界環(huán)境如何變化，必須使其運(yùn)行在這一最大功率點(diǎn)。可采用電子控制器實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)PV電池運(yùn)行電壓等于最大功率點(diǎn)的電壓來實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)發(fā)電系統(tǒng)受太陽輻射和負(fù)載大小影響的PV電池的電壓-電流特性電池的溫度影響太陽能電池的性能，隨著溫度的增高，其輸出電壓和功率將線性減小，因此PV電池最好運(yùn)行在太陽輻照度高，氣溫較低的時(shí)候。不同太陽輻射情況下，最大功率點(diǎn)的電壓基本上相同，與電池受到的輻照度無關(guān)。01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)發(fā)電系統(tǒng)二、PV電池等效電路IL

：光能產(chǎn)生的電流；Id

：二極管電流；Ish：旁路漏電流；串聯(lián)等效電阻Rs表示電池中對(duì)電流的阻礙作用，其數(shù)值取決于p-n結(jié)深度、半導(dǎo)體材料的純度和接觸電阻；

旁路電阻Rsh與電池對(duì)地的泄漏電流成反比。常規(guī)的高質(zhì)量的PV電池，一平方英寸的硅電池其Rs在0.05到0.10Ω之間，Rsh在200到300Ω之間。PV電池轉(zhuǎn)換效率對(duì)Rs的變化非常靈敏，而對(duì)Rsh的變化不靈敏，當(dāng)Rs的值少量增加時(shí)，PV電池的輸出電能將顯著減小。二極管電流可采用常規(guī)的二極管電流計(jì)算公式計(jì)算：ID為二極管飽和電流；Uoc為開路電壓；Q為電子電量；A為曲線擬合常數(shù)；K為波爾茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度。

01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)發(fā)電系統(tǒng)負(fù)載電流：實(shí)際的PV電池，Ish與IL和ID相比非常小，可以忽略。在黑暗條件下，將電壓Uoc加到電池兩端，并測(cè)量流入電池的電流即可求得二極管飽和電流，因此該電流常稱為黑暗電流或反向二極管電流。描述PV電池性能的兩個(gè)最重要和最常用的參數(shù)是開路電壓Uoc和短路電流ISC。在滿照度的條件下，將PV電池的輸出端短路測(cè)量得到的電流即為短路電流。在PV電池開路的情況下，得到的最大光電壓即為開路電壓。忽略旁路電流。開路電壓具有負(fù)的溫度系數(shù)。01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)發(fā)電系統(tǒng)PV電池的電氣特性一般采用電流-電壓(i-v)曲線表示。左邊陰影區(qū)，電池工作于理想電流源工作狀態(tài)，其輸出電壓取決于負(fù)載電阻；右邊工作區(qū)，當(dāng)電壓少量增加時(shí)，將引起輸出電流急劇增加。在此區(qū)域，電池相當(dāng)于具有內(nèi)阻的電壓源。在兩個(gè)陰影區(qū)域的中間部分，i-v曲線有一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。PV電池的輸出功率為其輸出電壓和電流的乘積。當(dāng)輸出電壓處于i-v曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)，輸出功率達(dá)到最大。PV電池的電路應(yīng)工作于靠近i-v曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)的左邊。在分析系統(tǒng)的電氣特性時(shí)，可將PV電池等效為近似理想電流源的模型。01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)發(fā)電系統(tǒng)光照為2流明，空氣質(zhì)量為2.5時(shí)，22瓦的PV電池的i-v特性：定義外太空的空氣質(zhì)量為0，太陽輻射可達(dá)1350瓦/平方米。當(dāng)空氣質(zhì)量為1時(shí)為純凈的空氣且在中午的時(shí)候，可將其定義為地面的理想條件，太陽光經(jīng)很小的阻擋達(dá)到地面。一般的白天，空氣質(zhì)量為1.5，可定義為空氣質(zhì)量的參考值。01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)發(fā)電系統(tǒng)PV電池的光電轉(zhuǎn)換效率：三、PV系統(tǒng)組成PV電池必須工作于一定的電壓，從而保證在一定的條件下工作于最大功率點(diǎn)。設(shè)PV電池的輸出電壓為U，輸出電流為I，則P=U×I。忽略上式中的高次方項(xiàng)：在最大功率點(diǎn)，ΔP應(yīng)為零，因此在最大功率點(diǎn)：動(dòng)態(tài)阻抗靜態(tài)阻抗01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)PV電池工作于最大功率點(diǎn)的方法：第一種方法：將一個(gè)很小的電流信號(hào)按一定的周期注入到PV電池陣列的母線上，然后測(cè)量母線上的動(dòng)態(tài)電阻Zd=dU/dI和靜態(tài)電阻Zs=U/I，調(diào)整電池的工作電壓直到Zd=Zs，當(dāng)電池運(yùn)行在這一點(diǎn)時(shí)，其輸出功率可達(dá)最大值；第二種方法：根據(jù)dP/dU的正負(fù)調(diào)節(jié)工作電壓，當(dāng)dP/dU為正時(shí)增加PV電池工作電壓，為負(fù)時(shí)減小工作電壓。如果dP/dU在一定的死區(qū)范圍內(nèi)接近于零則保持其工作電壓不變；大多數(shù)PV電池，最大功率點(diǎn)的電壓與開路電壓的比值(Ump/Uoc)近似為常數(shù)K。第三種方法：將一個(gè)不帶負(fù)載的光電池安裝在PV電池板上，使其與輸出電功率的PV電池處于同一環(huán)境，并不斷測(cè)量其開路電壓，如果將輸出電功率的PV電池的工作電壓設(shè)定為KUoc，則其輸出功率將達(dá)到最大值。01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)發(fā)電系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行的PV系統(tǒng)組成：01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行的PV系統(tǒng)組成：光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)電路兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

集成控制器首先在DC/DC環(huán)節(jié)中實(shí)現(xiàn)MPPT控制，再在一個(gè)DC/AC環(huán)節(jié)中實(shí)現(xiàn)正弦電流輸出與相位控制。

集成控制器檢測(cè)太陽能板的輸出電壓、電流，中間環(huán)節(jié)的電壓Ud，以及交流側(cè)電壓和輸出電流等信號(hào)，輸出DC-AC逆變器的調(diào)制信號(hào)，同時(shí)還要向DC-DC換流器發(fā)出最大功率點(diǎn)電壓指令U*pv和啟動(dòng)停止信號(hào)。01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)發(fā)電系統(tǒng)四、逆變器電流跟蹤控制通過基于PWM調(diào)制的電壓源型逆變器(IGBT、MOSFET等)與電網(wǎng)互聯(lián)，以輸出電流作為控制對(duì)象。

外部電壓控制環(huán)產(chǎn)生內(nèi)部電流跟蹤控制環(huán)的參考電流，而電流環(huán)主要負(fù)責(zé)補(bǔ)償誤差電流，產(chǎn)生PWM調(diào)制信號(hào)，要求具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和諧波補(bǔ)償能力。電流跟蹤型PWM的控制方法很多，根據(jù)使用的坐標(biāo)系不同主要有兩種類型：基于三相瞬時(shí)坐標(biāo)系下的非線性控制器、基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的線性控制器。01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)發(fā)電系統(tǒng)非線性控制器采用瞬時(shí)比較的方式，將有功電流指令和無功電流指令經(jīng)過Park反變換得到交變的輸出電流指令ia*、ib*、ic*，分別與實(shí)際三相電流相比較，偏差通過電流環(huán)調(diào)節(jié)器輸出的Ua*、Ub*、Uc*為按正弦規(guī)律變化的一系列調(diào)制脈沖，經(jīng)電壓放大到驅(qū)動(dòng)主電路功率開關(guān)管，輸出三相橋逆變電壓。為了確保輸出有功電流與電網(wǎng)電壓同相位，電網(wǎng)電壓的相位和頻率信號(hào)可以經(jīng)過鎖相環(huán)節(jié)(Phase-lockedloop)得到。1.基于三相瞬時(shí)坐標(biāo)系下的非線性控制器01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)發(fā)電系統(tǒng)采用上述PLL可以較好的得到正序相角，抑制諧波分量和其它擾動(dòng)信號(hào)的影響。但在不對(duì)稱電壓故障下，負(fù)序分量通過PLL環(huán)節(jié)會(huì)產(chǎn)生諧波分量，因此需要結(jié)合濾波技術(shù)，過濾負(fù)序分量。01二月2023§3-3光伏(Photovoltaic，PV)發(fā)電系統(tǒng)2.基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的線性控制器三相并網(wǎng)系統(tǒng)中，常采用把三相變量變換為兩相，將交流變量轉(zhuǎn)換為直流變量，在d-q同步參考坐標(biāo)系下設(shè)計(jì)基于空間矢量PWM(SVPWM)的線性電流控制器。功率控制器產(chǎn)生有功和無功電流指令id*、iq*，分別與實(shí)際的id、iq相比較，差值通過電流控制環(huán)輸出空間矢量調(diào)制的電壓指令Ud*和Uq*。電流控制環(huán)采用PI控制，使用交叉耦合方法并增加電壓前饋環(huán)節(jié)提高控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。01二月2023§3-4小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)能來發(fā)電，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(簡(jiǎn)稱風(fēng)電機(jī)組)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的機(jī)械。一、風(fēng)機(jī)的特性

風(fēng)輪是風(fēng)電機(jī)組最主要的部件，由槳葉和輪轂組成。槳葉具有良好的空氣動(dòng)力外形，在氣流作用下能產(chǎn)生空氣動(dòng)力使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再通過齒輪箱增速驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。理論上最好的風(fēng)輪只能將約60％的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能?，F(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪的效率可達(dá)到40％。風(fēng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換公式可以寫成：

ρ為空氣密度；R為葉片旋轉(zhuǎn)半徑；u為風(fēng)速；θ為槳距角；λ為葉尖速度比ωrot為風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，Cp為風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)換效率。

01二月2023§3-4小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)理想風(fēng)機(jī)的功率特性曲線：當(dāng)風(fēng)速檢測(cè)系統(tǒng)在持續(xù)10分鐘內(nèi)測(cè)得風(fēng)速平均值達(dá)到切入風(fēng)速，系統(tǒng)自檢無故障時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出釋放制動(dòng)器令，機(jī)組由待風(fēng)狀態(tài)進(jìn)入低風(fēng)速起動(dòng)。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，執(zhí)行并網(wǎng)操作。輸出功率隨著風(fēng)速的的增大而增加，當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速的時(shí)候，由于風(fēng)機(jī)失速效應(yīng)的影響，風(fēng)機(jī)的輸出功率恒定。01二月2023§3-4小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)轉(zhuǎn)速超越上限發(fā)生飛車時(shí)，必須進(jìn)行限速及剎車操作，以強(qiáng)制停機(jī)。二、風(fēng)機(jī)的葉片控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)按照槳距是否控制可分為定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)和變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)。若風(fēng)機(jī)的功率調(diào)節(jié)完全依靠葉片的空氣動(dòng)力學(xué)特性，則稱為定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)一般在小于額定風(fēng)速時(shí)風(fēng)輪具有最佳轉(zhuǎn)換效率，發(fā)電機(jī)工作于同步轉(zhuǎn)速附近。當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，由于葉片存在著失速效應(yīng)，降低了Cp，維持發(fā)電及輸出功率恒定。實(shí)際中風(fēng)速的變化范圍很大，特別在強(qiáng)風(fēng)速下，風(fēng)速的變化非?？欤沟蔑L(fēng)機(jī)的輸出功率波動(dòng)要比正常風(fēng)速時(shí)大，因此很難維持發(fā)電機(jī)輸出功率的恒定。另外失速控制方式主要依賴于葉片獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，隨著葉片加長(zhǎng)，成型工業(yè)難度加大，且失速動(dòng)態(tài)特性也不好控制。01二月2023§3-4小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為了盡可能提高風(fēng)力機(jī)風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率和保證風(fēng)力機(jī)輸出功率更為平穩(wěn)，風(fēng)力機(jī)需要加裝槳距調(diào)整環(huán)節(jié)進(jìn)行槳距調(diào)整，這種風(fēng)機(jī)稱為變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率調(diào)節(jié)不完全依靠葉片的空氣動(dòng)力學(xué)特性，主要依靠與葉片相匹配的葉片攻角改變來實(shí)現(xiàn)。在額定風(fēng)速以下時(shí)，葉片攻角處于零度附近，此時(shí)葉片角度受控制環(huán)節(jié)精度的影響，變化范圍很小，等同于定槳距風(fēng)機(jī)。在額定風(fēng)速以上時(shí)，變槳距機(jī)構(gòu)發(fā)生作用，調(diào)整葉片攻角，保證發(fā)電機(jī)的輸出功率在允許范圍內(nèi)變動(dòng)。定槳距和變槳距風(fēng)機(jī)的功率特性曲線01二月2023§3-4小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)三、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制1.獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)早期10kW以下的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用直流發(fā)電系統(tǒng)。采用直流發(fā)電機(jī)與蓄電池儲(chǔ)能配合向直流負(fù)載供電，直流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)量大，目前多采用交流發(fā)電機(jī)經(jīng)整流器后輸出直流電。交流發(fā)電機(jī)包括永磁式發(fā)電機(jī)、無刷自勵(lì)發(fā)電機(jī)、硅整流自勵(lì)交流發(fā)電機(jī)和電容自勵(lì)異步電機(jī)。永磁發(fā)電機(jī)自身不能調(diào)節(jié)，為了調(diào)節(jié)輸出功率，必須另加輸出控制電路，與小型風(fēng)電裝置和經(jīng)濟(jì)性需求相矛盾。無刷罩極自勵(lì)發(fā)電機(jī)所有的勵(lì)磁都來自一套勵(lì)磁繞組，具有較好的調(diào)節(jié)性能，通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁可以方便的控制輸出特性，并有可能使風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)最佳葉尖速比，得到最好的運(yùn)行效率。非常適合千瓦級(jí)的微、小型風(fēng)力發(fā)電裝置。在整流器后接逆變器則可以向交流負(fù)載供電。01二月2023§3-4小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行的異步發(fā)電機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)電壓和頻率都隨負(fù)載的變化及負(fù)載的性質(zhì)有較大的變化。為了維持頻率不變，必須相應(yīng)地增加發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，異步發(fā)電機(jī)的滑差絕對(duì)值增大，在異步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于定子電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，異步電機(jī)的頻率下降，如果維持異步發(fā)電機(jī)頻率不變，必須增加轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。01二月2023§3-4小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為了維持發(fā)電機(jī)的電壓不變，當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)載增加時(shí)，必須相應(yīng)地增加發(fā)電機(jī)端并接電容的數(shù)值。多數(shù)情況下，負(fù)載為電感性，感性電流將抵消一部分容性電流，這樣將導(dǎo)致勵(lì)磁電流減小，發(fā)電機(jī)端電壓下降，所以必須增加并接電容的數(shù)值，以補(bǔ)償負(fù)載增加時(shí)感性電流增加而導(dǎo)致容性勵(lì)磁電流的減小。異步電機(jī)的功率因數(shù)由輸出功率決定，不能調(diào)節(jié)，電網(wǎng)供給勵(lì)磁的無功電流會(huì)導(dǎo)致功率因數(shù)下降，同步電機(jī)則可以使用勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)整功率因數(shù)。因此單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，異步電機(jī)的電壓調(diào)節(jié)比同步電機(jī)困難很多。為了保證對(duì)負(fù)載的不間斷供電，獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，經(jīng)蓄電池蓄能裝置向電阻性負(fù)載供電。當(dāng)風(fēng)力減小時(shí)，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速降低，致使直流電壓低于蓄電池組電壓時(shí)，則發(fā)電機(jī)不能對(duì)蓄電池充電，而蓄電池卻要向發(fā)電機(jī)反向送電。01二月2023§3-4小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為了防止這種情況，在發(fā)電機(jī)電樞電路與蓄電池組之間裝有逆流繼電器控制的動(dòng)觸點(diǎn)，當(dāng)直流發(fā)電機(jī)電壓低于蓄電池組電壓時(shí)，逆流繼電器動(dòng)作，斷開動(dòng)觸點(diǎn)J，使蓄電池不能向發(fā)電機(jī)反向供電。為保證風(fēng)機(jī)對(duì)負(fù)載持續(xù)供電，蓄電池的容量非常關(guān)鍵。容量選擇與選定的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定數(shù)值，日負(fù)載狀況，以及該風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝地區(qū)風(fēng)力(無風(fēng)持續(xù)時(shí)間)等有關(guān)系，同時(shí)還需要計(jì)算蓄電池的充電和放電電流值，保證合理的使用蓄電池，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。2.恒頻/恒速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)要求其輸出頻率與電網(wǎng)保持一致。根據(jù)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可以分為恒頻/恒速和恒頻/變速系統(tǒng)。早期風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行方式多為恒頻/恒速，風(fēng)機(jī)采用失速調(diào)節(jié)或者變槳距調(diào)節(jié)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速不隨風(fēng)速的改變而改變，發(fā)電機(jī)主要采用異步感應(yīng)電機(jī)。01二月2023§3-4小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)組成的恒頻/恒速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略：低風(fēng)速下追求Cp最優(yōu)，進(jìn)入高風(fēng)速時(shí)限制輸出功率。01二月2023§3-4小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)風(fēng)速在啟動(dòng)風(fēng)速和正常風(fēng)速之間時(shí)，風(fēng)機(jī)的輸出功率小于額定功率，此時(shí)模式切換開關(guān)調(diào)整到優(yōu)化控制模式，調(diào)整槳距角獲得最佳的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率Cp

。當(dāng)風(fēng)速在正常風(fēng)速和關(guān)停風(fēng)速之間時(shí)，風(fēng)機(jī)的輸出功率超過額定功率，模式切換開關(guān)切換到功率控制模式，調(diào)整槳距角以增強(qiáng)失速效應(yīng)，維持輸出功率在額定功率。功率控制器采用帶有反纏繞設(shè)計(jì)的PI控制器，可以有效減少控制模式切換時(shí)控制器輸出與實(shí)際槳距角θ不等引起的系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)變差現(xiàn)象。邏輯控制的主要功能是比較新的指令信號(hào)θsp與和槳距角θ的采樣信號(hào)，只有θsp與采樣信號(hào)不同，并持續(xù)一段時(shí)間后，新的指令信號(hào)θsp才能夠傳遞給伺服系統(tǒng)?？刂颇Ｊ街g的切換取決于風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，為避免槳距角出現(xiàn)較大偏差，控制模式切換時(shí)應(yīng)同時(shí)滿足兩個(gè)條件：風(fēng)機(jī)的輸出功率是否大于額定功率；風(fēng)速是否大于額定風(fēng)速。01二月2023§3-4小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)3.恒頻/變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)換效率Cp影響很大，恒頻/恒速的風(fēng)機(jī)可調(diào)整的范圍和靈敏度都是有限的。應(yīng)用交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速技術(shù)，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的大小和相位實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，追求Cp最優(yōu)和無功功率的平衡，將這種調(diào)速系統(tǒng)與變槳距控制環(huán)節(jié)結(jié)合，就構(gòu)了恒頻/變速變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)恒頻/變速運(yùn)行主要有兩種方式：有限變速運(yùn)行方式和全變速運(yùn)行方式。(1)有限變速運(yùn)行方式系統(tǒng)中換流器的額定容量不超過風(fēng)機(jī)的容量。發(fā)電機(jī)采用高滑差繞線式轉(zhuǎn)子的異步發(fā)電機(jī)，如雙饋異步發(fā)電機(jī)和滑差可調(diào)的繞線式異步發(fā)電機(jī)。異步電機(jī)采用交流勵(lì)磁，與電力系統(tǒng)之間構(gòu)成一種柔性連接，根據(jù)電網(wǎng)電壓和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速通過電力電子變換裝置調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，實(shí)現(xiàn)變速條件下的并網(wǎng)運(yùn)行。01二月2023§3-4小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)雙饋異步電機(jī)定子繞組直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組由一臺(tái)頻率、電壓可調(diào)的低頻電源(一般采用交－交循環(huán)變流器)供給三相低頻勵(lì)磁電流。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組通過三相低頻電流時(shí)，在轉(zhuǎn)子中形成一個(gè)低速旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度(n2)與轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速(nr)相疊加，使其等于定子的同步轉(zhuǎn)速n1

，即：當(dāng)轉(zhuǎn)速nr變化時(shí)，相應(yīng)改變轉(zhuǎn)子電流的頻率和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度n2，以補(bǔ)償電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，保持輸出頻率恒定不變。發(fā)電機(jī)可以超同步運(yùn)行(轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向與機(jī)械旋轉(zhuǎn)方向相反，n2為負(fù))，也可以次同步速運(yùn)行(轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向與機(jī)械旋轉(zhuǎn)方向相同，n2為正)。超同步運(yùn)行時(shí)，除定子向電網(wǎng)饋送電力外，轉(zhuǎn)子也向電網(wǎng)饋送一部分電力。次同步運(yùn)行時(shí)，定子向電網(wǎng)饋送電力的同時(shí)，需要向轉(zhuǎn)子饋入部分電力。01二月2023§3-4小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)雙饋異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行模式同步運(yùn)行時(shí)：n=n1，滑差頻率s=(n1-n)/n1，此時(shí)通入轉(zhuǎn)子繞組的電流頻率為0，亦即直流電流，與普通同步發(fā)電機(jī)一樣01二月2023§3-4小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)使用雙饋異步電機(jī)的風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)

功率控制器速度控制器

電網(wǎng)側(cè)整流器控制

轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器控制整個(gè)控制系統(tǒng)包含有風(fēng)機(jī)控制和雙饋感應(yīng)電機(jī)控制。

01二月2023§3-4小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)將發(fā)電機(jī)定子繞組接同等容量換流器并網(wǎng)運(yùn)行的。(2)全變速運(yùn)行方式主要缺點(diǎn)是電力電子變換器安裝于系統(tǒng)的主回路，容量大，成本和維護(hù)費(fèi)用高，但是在中、大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中所占風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總成本比例并不大。主要的風(fēng)機(jī)類型和控制結(jié)構(gòu)帶有變速齒輪的異步電動(dòng)機(jī)交-直-交系統(tǒng)以漿距控制作為主要調(diào)節(jié)手段維持異步電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，電力電子換流器作為輔助控制手段，輸出恒定功率。01二月2023§3-4小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)帶有變速齒輪的同步發(fā)電機(jī)交-直-交系統(tǒng)利用小容量硅整流器提供勵(lì)磁電流，同步發(fā)電機(jī)隨風(fēng)輪變轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生頻率變化的電功率，勵(lì)磁調(diào)節(jié)與漿距控制相結(jié)合實(shí)現(xiàn)恒頻變速。發(fā)電機(jī)發(fā)出頻率變化的交流電通過交－直－交變換電路接入電網(wǎng)。采用多極同步發(fā)電機(jī)，同時(shí)引入小容量的AC/DC整流器提供勵(lì)磁電流優(yōu)點(diǎn)是不需要機(jī)械變速齒輪。01二月2023§3-4小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用多極永磁同步發(fā)電機(jī)的交-直-交系統(tǒng)永磁同步發(fā)電機(jī)不存在勵(lì)磁繞組銅損耗，發(fā)電效率比同容量的電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)高；轉(zhuǎn)子上沒有滑環(huán)，維護(hù)簡(jiǎn)單；重量輕，制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)便，廣泛應(yīng)用于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。缺點(diǎn)是電壓調(diào)節(jié)能力差。以漿距控制作為主要調(diào)節(jié)手段維持異步電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，電力電子換流器作為輔助控制手段，輸出恒定功率。01二月2023§3-5微電網(wǎng)中能量存儲(chǔ)設(shè)備光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率隨著氣象條件的變化而變化，并且為間歇性的，為保證對(duì)負(fù)荷的連續(xù)供電，必須在微電網(wǎng)中安裝電能存貯系統(tǒng)。大型電力系統(tǒng)中，同步發(fā)電機(jī)組的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能在維持負(fù)荷的動(dòng)態(tài)平衡、減小系統(tǒng)頻率的瞬時(shí)變化起著重要的作用，但是在微電網(wǎng)中，由于發(fā)電機(jī)容量較小，因而其旋轉(zhuǎn)動(dòng)能也小，另外光伏發(fā)電系統(tǒng)和燃料電池系統(tǒng)根本沒有旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，因此如果微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，則很難保證系統(tǒng)頻率的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。電力負(fù)荷從微電網(wǎng)中吸收有功功率和無功功率，微電網(wǎng)與負(fù)荷/電網(wǎng)之間的接口通常為三相dc/ac逆變器，采用三相逆變器可實(shí)時(shí)控制提供給負(fù)荷的電壓、有功功率和無功功率。三相逆變器能夠給交流系統(tǒng)提供無功功率的需求，不需要能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，只需在其直流母線上加入電容器組，因?yàn)闊o功電流只在逆變器的三相交流側(cè)循環(huán)，不會(huì)對(duì)直流側(cè)起作用，因此負(fù)荷的無功功率的變化不會(huì)影響微電網(wǎng)中能量存儲(chǔ)設(shè)備的容量。01二月2023§3-5微電網(wǎng)中能量存儲(chǔ)設(shè)備一、蓄電池?zé)o控制直流母線結(jié)構(gòu)可控直流母線結(jié)構(gòu)

無控制直流母線結(jié)構(gòu)：蓄電池直接與直流母線連接，蓄電池的充、放電狀態(tài)決定了直流母線電壓的大小，由于電池充、放電功率持續(xù)時(shí)間很短，因此需要電池能夠放電到最終電壓和在短時(shí)間內(nèi)充滿?？煽刂绷髂妇€結(jié)構(gòu)：直流母線連接了電容器組，其電壓可以調(diào)整，與蓄電池的充、放電過程無關(guān)。電池組由多個(gè)電池串聯(lián)，提高輸出電壓，降低輸出電流，但串聯(lián)電池過多，可能導(dǎo)致各電池的充電平衡問題。01二月2023§3-5微電網(wǎng)中能量存儲(chǔ)設(shè)備常用的蓄電池有鉛酸蓄電池、鎳鎘(NiCd)蓄電池、鎳氫(NiMH)蓄電池和鋰離子(Li-ion)蓄電池。鎳鎘蓄電池和鎳氫蓄電池自放電率非常高，不適合于應(yīng)用在微電網(wǎng)中。鋰電池雖然具有最高的能量密度，但是非常昂貴。鉛酸蓄電池的每kWh的費(fèi)用最低，可滿足微電網(wǎng)系統(tǒng)的能量密度的要求。1.蓄電池組的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)應(yīng)用于微電網(wǎng)的蓄電池首先應(yīng)考慮單體電池的特征。若要單體蓄電池充分放電電壓Ufvc保持大于或等于1.5V，則應(yīng)在23℃時(shí)使電池工作在瞬時(shí)功率曲線的線性段。當(dāng)Ufvc較低時(shí)，電池?fù)p耗很高，因此Ufvc應(yīng)盡可能高，可選擇在額定電壓Ucn的80%至90%之間。01二月2023§3-5微電網(wǎng)中能量存儲(chǔ)設(shè)備對(duì)于高速率放電的蓄電池，典型的Ufvc為1.75V、1.78V和1.81V。設(shè)Ubatf為由Nc個(gè)單體電池串聯(lián)組成的蓄電池組的端電壓，則單個(gè)電池的數(shù)量為對(duì)于無控制的dc母線結(jié)構(gòu)，Ubatf為逆變器的最小母線電壓，而逆變器的dc母線電壓取決于ac電壓。在可控dc母線結(jié)構(gòu)，Ubatf決定于dc/dc轉(zhuǎn)換器的開關(guān)器件的占空比。蓄電池必須在負(fù)荷變化的很短時(shí)間內(nèi)提供足夠的功率，如果負(fù)荷的最大功率變化已知，則可根據(jù)該功率選擇電池。負(fù)荷最大功率的變化可假設(shè)為從微電源開路到滿負(fù)荷所需的功率變化。01二月2023§3-5微電網(wǎng)中能量存儲(chǔ)設(shè)備設(shè)Pbmax為在Trmax時(shí)間內(nèi)電池所提供的最大功率，則它與滿負(fù)荷功率Pfl的關(guān)系為g(t)為Trmax時(shí)間內(nèi)從零上升到最大值的遞增函數(shù)，g(t)取決于微電源的響應(yīng)曲線。一般情況下，g(t)可描述為冪函數(shù)或線性函數(shù)。蓄電池的最大存儲(chǔ)電能可表示為當(dāng)g(t)為線性函數(shù)和冪函數(shù)時(shí)，k可分別近似取0.5和0.2。滿負(fù)荷功率可表示為Pifl為逆變器的滿負(fù)荷功率，cosφ為逆變器所接負(fù)荷的功率因數(shù)，η為逆變器效率。01二月2023§3-5微電網(wǎng)中能量存儲(chǔ)設(shè)備單體蓄電池的放電量可用Ih(Ah)表示，則電池的充、放電速率用C率表示，數(shù)值上等于上述表達(dá)式獲得的Ah數(shù)。蓄電池的放電速率可用C率的倍數(shù)表示，如果d為蓄電池的放電速率因子，則蓄電池的放電速率為d×C。設(shè)每個(gè)單電池放電時(shí)的平均電流為IpC，則時(shí)間Trmax時(shí)間內(nèi)如果要求蓄電池的放電與微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)配合，微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)從冷起動(dòng)開始達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行需要一定的起動(dòng)時(shí)間，例如，28kW的Capstone微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)間大約為2分鐘。01二月2023§3-5微電網(wǎng)中能量存儲(chǔ)設(shè)備Pcs為微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)時(shí)在Tcs時(shí)間內(nèi)從蓄電池所吸收的電能。2.蓄電池的等效電路模型鉛酸蓄電池的簡(jiǎn)化模型該模型較好地表示了蓄電池的自放電、存儲(chǔ)容量和內(nèi)阻等特性關(guān)系。Pb、Ub和Ib分別表示蓄電池的功率、電壓和電流，電池的開路電壓Uoc為電池內(nèi)硫酸電解質(zhì)的平均重力和溫度的函數(shù)，電池的等效電容根據(jù)其所提供的最大功率來估計(jì)。蓄電池的能量(單位為J)定義為蓄電池的等效電容為01二月2023§3-5微電網(wǎng)中能量存儲(chǔ)設(shè)備串聯(lián)充放電電阻Rc為蓄電池的有效內(nèi)阻，可從蓄電池的產(chǎn)品技術(shù)手冊(cè)得到，Rc包括蓄電池的柵網(wǎng)、鉛電極等效阻值以及各部分之間的接觸電阻。自放電電阻Rs為蓄電池自放電特性的函數(shù)，可從產(chǎn)生技術(shù)手冊(cè)獲得。二、超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能系統(tǒng)超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)的原理是將電能存儲(chǔ)于線圈的磁場(chǎng)中，存儲(chǔ)的能量為B為線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度；μ為空氣的磁導(dǎo)率；L為線圈的電感量。線圈上電壓與電流的關(guān)系為若線圈的儲(chǔ)能處于穩(wěn)定狀態(tài)，則上式中第二項(xiàng)為零，因此為產(chǎn)生足夠的電流，線圈兩端的電壓可簡(jiǎn)化為U=RI。01二月2023§3-5微電網(wǎng)中能量存儲(chǔ)設(shè)備線圈的電阻與溫度有關(guān)，對(duì)于大多數(shù)導(dǎo)體，溫度越高電阻越大，如果線圈的溫度降低，電阻也將下降。某些材料當(dāng)溫度降低到某一臨界值TC時(shí)，其電阻急劇下降為零。當(dāng)溫度低于TC時(shí)，線圈兩端不需電壓也可產(chǎn)生電流，線圈可視為短路，線圈的電流將達(dá)到無窮大，相應(yīng)地線圈中存儲(chǔ)的能量也為無窮大。超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)組成原理圖線圈由AC-DC轉(zhuǎn)換器充電，將電能轉(zhuǎn)換為磁能，當(dāng)線圈

充滿電后，轉(zhuǎn)換器繼續(xù)向線圈提供很小的電壓，補(bǔ)償線路中室溫部分元件的能量損耗，保持線圈中固定的直流電流。

01二月2023§3-5微電網(wǎng)中能量存儲(chǔ)設(shè)備系統(tǒng)控制器具有三個(gè)主要功能：實(shí)現(xiàn)電力電子開關(guān)器件的控制；監(jiān)視負(fù)荷電壓和電流；電壓調(diào)節(jié)器接口，控制直流功率流入和流出線圈。如果系統(tǒng)控制器檢測(cè)到線路電壓下降，則意味著電網(wǎng)不能滿足負(fù)荷的需要，電壓調(diào)節(jié)器的開關(guān)斷開，線圈的電流流向電容，直到系統(tǒng)電壓恢復(fù)到額定水平。電容上的電能逆變?yōu)?0Hz的交流送到負(fù)荷，隨著電容上電能的消耗，母線電壓下降，開關(guān)再一次斷開，通過上述過程繼續(xù)向負(fù)荷供電。01二月2023§3-5微電網(wǎng)中能量存儲(chǔ)設(shè)備與其它能量存儲(chǔ)系統(tǒng)相比，超導(dǎo)能量存儲(chǔ)系統(tǒng)具有下述幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：充放電循環(huán)效率可達(dá)95％，比任何其他系統(tǒng)都高。

使用壽命長(zhǎng)，可達(dá)30年以上。充放電時(shí)間非常短，可在很短的時(shí)間內(nèi)提供大量的電能。除了冷卻系統(tǒng)外，沒有運(yùn)動(dòng)部件。三、超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)常規(guī)電容將電能以靜電的形式存儲(chǔ)于由電介質(zhì)隔離的兩個(gè)極板之間，其電容值為超級(jí)電容通常指電容值為數(shù)法拉到數(shù)千法拉的電容。為提高電容單位體積的電容值，超級(jí)電容通常為電化學(xué)電容，也即它不僅具有電容的性質(zhì)，還具有蓄電池的性質(zhì)。電容充電時(shí)，和蓄電池一樣，電荷以離子的形式存儲(chǔ)，因此單個(gè)電容電壓只有幾伏。01二月2023§3-5微電網(wǎng)中能量存儲(chǔ)設(shè)備超級(jí)電化學(xué)電容由兩個(gè)極板、隔離物、電解質(zhì)和電流采集器組成。1.超級(jí)電化學(xué)電容原理(1)赫爾姆霍茨模型最基本的雙層電容效應(yīng)由赫爾姆霍茨于1853年發(fā)現(xiàn)，假設(shè)在電極的表面形成了單個(gè)離子層，其電容值為δ為單離子層中心與電極表面之間的距離。該模型預(yù)示電容值為常數(shù)，沒有說明電壓和離子濃度之間的關(guān)系。01二月2023§3-5微電網(wǎng)中能量存儲(chǔ)設(shè)備(2)查普曼模型查普曼模型考慮了擴(kuò)散層電荷，電容值將增大。z為離子的化合價(jià)；k為德拜長(zhǎng)度的倒數(shù)。(3)斯特恩模型斯特恩改進(jìn)了查普曼模型，在查普曼模型上包含了一個(gè)緊密的類似于赫爾姆霍茨模型的離子層，因此雙層電容由緊密層和擴(kuò)散層組成。01二月2023§3-5微電網(wǎng)中能量存儲(chǔ)設(shè)備2.超級(jí)電化學(xué)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮的因素能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中超級(jí)電容的實(shí)際電壓比單個(gè)電容的電壓高，因此必須將多個(gè)電容串聯(lián)，獲得所需的電壓，但將增加總的串聯(lián)等效電阻。如果需減小串聯(lián)等效電阻，需要額外增加串聯(lián)電阻與之并聯(lián)。并聯(lián)電阻的數(shù)量取決于串聯(lián)等效電阻、存儲(chǔ)的能量和放電時(shí)間等。串聯(lián)電容中電容和電阻的分散性將使串聯(lián)電容中電壓的分布不相等，由于局部電壓有可能高于電解質(zhì)的擊穿電壓，從而導(dǎo)致電容的損壞。因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)增加電壓平衡電路。設(shè)d為C1和C2的相對(duì)差值的百分比值，則C1和C2可表示為設(shè)單個(gè)電容的電壓為2.5V，則當(dāng)電容充滿電后串聯(lián)電容的總電壓為5V，如果初始電壓為零，則有：01二月2023§3-5微電網(wǎng)中能量存儲(chǔ)設(shè)備設(shè)參考電容C=1000F，根據(jù)上述關(guān)系可考慮兩個(gè)極端情況，第一種情況為C1和C2均為參考值，即d=0%；第二種情況為d=-20%的情況，即C1=1000F，C2=800F。表電壓平衡和存儲(chǔ)能量電壓和能量d=0d=-20%無平衡電路d=-20%有平衡電路U/V54.55/V2.522.5/V2.52.52.5E/J625045005625電壓平衡電路的主要優(yōu)點(diǎn)是使得串聯(lián)回路中每個(gè)電容上的電壓都可達(dá)到額定值，這樣使每個(gè)電容上所存儲(chǔ)的能量達(dá)到了最大可能的數(shù)值。3.電壓平衡電路平衡串聯(lián)電容上電壓的常用方法是電容充電時(shí)在每個(gè)電容上并聯(lián)一個(gè)電阻。01二月2023§3-5微電網(wǎng)中能量存儲(chǔ)設(shè)備電阻的阻值可采用不同的準(zhǔn)則來選取，主要準(zhǔn)則是使得充電過程中電容上的動(dòng)態(tài)電壓保持平衡，避免單個(gè)電容過充電。采用并聯(lián)電阻來平衡串聯(lián)電容電壓將引起較大的能量損耗。為減小平衡電路的損耗，可在每個(gè)超級(jí)電容上并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓管，穩(wěn)壓管擊穿電壓為電容額定電壓，充電時(shí)只要每個(gè)電容電壓不超過穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓，就沒有能量損耗，但當(dāng)許多電容的電壓超過穩(wěn)壓管的擊穿電壓時(shí)，能量損耗也非常大。為了在每個(gè)電容上獲得相等的電壓，并得到最高的效率，可以采用有源平衡電壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其原理是在每個(gè)電容上加入一個(gè)輔助電流源，輔助電流源的電流取決于電容充放電過程中每個(gè)電容上電壓的動(dòng)態(tài)平衡。01二月2023§3-5微電網(wǎng)中能量存儲(chǔ)設(shè)備由V1和V2組成的轉(zhuǎn)換器的借助于有源開關(guān)器件產(chǎn)生的偏移電流來平衡電壓。與穩(wěn)壓管型電壓平衡電路比較，有源電壓平衡電路原理不是基于功率損耗，因此其效率較高。有源電壓平衡電路是一個(gè)可逆電流Buck-Boost轉(zhuǎn)換器，這種結(jié)構(gòu)使得

從C1到C2(或從C2到C1)的能量轉(zhuǎn)換與電容電壓無關(guān)。為使器件效率達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，有源電壓平衡電路應(yīng)工作于斷續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)需要正的電流2Ieq(即Uc1大于Uc2)時(shí)，V2截止，V1按一定的頻率導(dǎo)通和截止；反之，當(dāng)需要負(fù)向電流2Ieq(即Uc1小于Uc2)時(shí)，V1截止，V2按相同頻率導(dǎo)通和截止。只要C1和C2上電壓差達(dá)到一定數(shù)值，即開始上述開關(guān)過程，當(dāng)兩個(gè)電容上的電壓相等時(shí)，V1或V2的開關(guān)過程即停止。01二月2023§3-5微電網(wǎng)中能量存儲(chǔ)設(shè)備Buck-Boost轉(zhuǎn)換器工作于斷續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)V1和V2工作于50％的占空比時(shí)，平衡電流與充電電流的關(guān)系為f為開關(guān)頻率；Leq為電感值；Ud為二極管的正向?qū)妷?。?dāng)充電電流I已知，且C1和C2的差值已知時(shí)，即可由上式確定電感和開關(guān)頻率。當(dāng)電感值確定后，開關(guān)頻率f可采用下述兩種方法確定：f固定不變。為了限定平衡電流的大小，必須考慮Uc1和Uc2的最大值。在電容的充放電過程中，平衡電流為Uc1和Uc2的函數(shù)，當(dāng)Uc1和Uc2達(dá)到最大值時(shí)，電壓的平衡將最有效。