第 1 章  緒   論

1.1  課題背景
電網(wǎng)的穩(wěn)定運行是保障人民日常生活和經(jīng)濟快速發(fā)展的重要基礎(chǔ)。然而隨著國民經(jīng)濟水平和生活水平的不斷提高，供電需求不斷增大，電網(wǎng)負荷日益加重，因此而發(fā)生的停電故障也時常發(fā)生。2005 年 5 月，俄羅斯莫斯科地區(qū)電網(wǎng)因用電負荷大幅增長導(dǎo)致線路相繼跳閘，從而引起其大部分地區(qū)及附近城市發(fā)生大規(guī)模停電事故，近 400 萬人的生活在此期間受到影響。同時，自然災(zāi)害也會引起電網(wǎng)的運行故障，2008 年 1 月 10 日，我國南方地區(qū)就遇到了 50 年以來最大的冰雪災(zāi)害[1]，暴雪和凍雨導(dǎo)致了輸電線路大規(guī)模斷線和倒塌，造成供電系統(tǒng)中斷，，使人民的生活陷入困境。因此，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性對于保證人們的日常生活具有十分重要的意義。 此外，隨著社會的不斷發(fā)展，全球資源緊缺以及環(huán)境污染等問題也逐漸引起人們的普遍關(guān)注。根據(jù)文獻[2]可知，2014 年世界的能源結(jié)構(gòu)在不斷改進，水電和其他再生能源發(fā)電在世界一次能源消費量中占有 6.8%和 2.5%的份額，創(chuàng)下了歷史新高，但人們主要使用的還是以石油，煤炭，天然氣等為主的常規(guī)能源。這些常規(guī)能源的儲量不僅有限，他們的使用還會使環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重。傳統(tǒng)電網(wǎng)主要以火力發(fā)電為主，煤炭的燃燒會產(chǎn)生二氧化碳和二氧化硫氣體，大量的二氧化碳氣體導(dǎo)致全球氣候變暖問題日益嚴(yán)重，同時二氧化硫的排放更是會造成酸雨的形成。我國目前酸雨區(qū)面積已達到國土總面積的 40%，成為世界第三大酸雨區(qū)[3]，酸雨的形成導(dǎo)致了許多生態(tài)問題，如土壤貧瘠化，加速深林衰亡等。 因此，為解決傳統(tǒng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)的上述問題，微電網(wǎng)（Micro-Grid）近年來越來越受到人們的重視。它是相對于傳統(tǒng)大電網(wǎng)的一個概念，也是一種新型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以將多種分布式電源、可再生能源、負荷以及儲能系統(tǒng)有效地組織起來，供電安全性及可靠性較好[4,5]。同時，微電網(wǎng)系統(tǒng)采用儲能技術(shù)后，可以作為電力系統(tǒng)的緩沖器和平衡器，解決了電力供需不平衡的矛盾。因此，國外對微電網(wǎng)技術(shù)進行了廣泛的研究[6]，如歐美等西方國家以及日本。我國也同樣大力支持微電網(wǎng)事業(yè)，積極開展微電網(wǎng)的研究工作并取得了一定的成果，為實現(xiàn)能源和經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展進行不懈的努力。 
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1.2  課題研究的目的和意義
為實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展，提高可再生能源的利用率，在微網(wǎng)中總是希望能夠?qū)崿F(xiàn)太陽能光伏發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電等可再生能源的靈活接入。然而，由于可再生能源輸出的間歇性及隨機性特點，它們的大量接入會對系統(tǒng)的電能質(zhì)量及電網(wǎng)穩(wěn)定性等諸多方面產(chǎn)生影響[7]。儲能系統(tǒng)中加入管理系統(tǒng)后，可以更為有效地促進可再生能源的利用。為了實現(xiàn)電網(wǎng)與儲能系統(tǒng)之間的有效連接，完成對儲能系統(tǒng)的充放電過程，儲能逆變器應(yīng)運而生。儲能逆變器管控的儲能系統(tǒng)既可以擔(dān)任負荷，吸收微網(wǎng)中的剩余電能，也可以作為組網(wǎng)電源給電網(wǎng)供電，在一定程度上抑制可再生能源的波動性以及不確定性，實現(xiàn)電網(wǎng)安全平穩(wěn)可靠地運行[8]。根據(jù)國家對分布式發(fā)電和微電網(wǎng)建設(shè)的要求，儲能逆變器具有對電網(wǎng)提供有功、無功支撐，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓和頻率，同時配合多種儲能設(shè)備接入電網(wǎng)進行充放電等作用。
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第 2 章  儲能逆變器工作原理及模型

本章主要講述儲能逆變器能量雙向流動的基本原理、兩種工作狀態(tài)下的拓撲結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型建立，  SVPWM 調(diào)制方法，以及電路中濾波電感及直流側(cè)電容的參數(shù)選則，為后續(xù)控制策略的研究奠定基礎(chǔ)。 

2.1  儲能逆變器的能量雙向流動原理
儲能逆變器是微電網(wǎng)和外部電網(wǎng)的出入口，它專為實現(xiàn)能量的雙向流動而設(shè)計。當(dāng)電網(wǎng)能量充足時，儲能逆變器使電能從交流電網(wǎng)側(cè)流入直流儲能側(cè)；當(dāng)電網(wǎng)供電緊張時，它又將儲能設(shè)備的能量逆變到電網(wǎng)，因此，儲能逆變器是微電網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)“削峰填谷，調(diào)劑余缺”的關(guān)鍵。通過適當(dāng)?shù)目刂�，我們可以使其工作在四象限的任意一種狀態(tài)。下面本文將對儲能逆變器能量雙向流動的原理進行分析，并給出系統(tǒng)的期望工作狀態(tài)。具體運行情情況及分析如下[33]： （1）當(dāng)電壓矢量端點在 A~B 點之間時，儲能逆變器工作在儲能狀態(tài)，電網(wǎng)向系統(tǒng)輸送有功及感性無功功率。當(dāng)在 A 點運行時，電網(wǎng)只輸送感性無功功率。 （2）當(dāng)電壓矢量端點在 B~C 點之間時，儲能逆變器工作在儲能狀態(tài)，電網(wǎng)向系統(tǒng)輸送有功及容性無功功率。當(dāng)在 B 點運行時，電網(wǎng)只輸送有功功率。 （3）當(dāng)電壓矢量端點在 C~D 點之間時，儲能逆變器工作在逆變狀態(tài)，系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送有功及容性無功功率。當(dāng)在 C 點運行時，只向電網(wǎng)輸送容性無功功率。（4）當(dāng)電壓矢量端點在 D~A 點之間時，儲能逆變器工作在逆變狀態(tài)，系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送有功及感性無功功率。當(dāng)在 D 點運行時，向電網(wǎng)輸送有功功率。 根據(jù)以上分析，我們可以通過控制網(wǎng)側(cè)電流來實現(xiàn)對儲能逆變器工作在任意狀態(tài)的控制。在三相儲能逆變器的控制中，我們希望系統(tǒng)能夠工作在 B 點和D 點，電網(wǎng)和儲能逆變系統(tǒng)之間只傳輸有功功率，即在儲能工作狀態(tài)下，網(wǎng)側(cè)電壓矢量與電流矢量方向相同，在逆變工作狀態(tài)下，網(wǎng)側(cè)電壓矢量與電流矢量方向相反。  
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2.2 儲能逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)

儲能逆變器主要是由濾波電路，功率開關(guān)管組成的橋式電路，直流側(cè)電源和負載組成。其電路拓撲結(jié)構(gòu)的分類方式很多：按橋式電路結(jié)構(gòu)可將其分為半橋電路和全橋電路；按 PWM 電平的調(diào)制方式可將其分為兩電平、三電平以及多電平電路。但最常用的分類方法則是根據(jù)直流側(cè)儲能形式將其分為電壓型和電流型儲能逆變器。電流型儲能逆變器最大的特點是采用電感進行能量的存儲，而電壓型儲能逆變器最大的特點則是采用母線電容進行儲能。相比于電容儲能，電感的寄生電阻損耗較大，因此其儲能效率相對較低。同時，電壓型儲能逆變器并聯(lián)的大電容能夠較好地抑制直流電壓的波動，因此本文采用圖 2-3 所示的電壓型的拓撲結(jié)構(gòu)。

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第 3 章  儲能逆變器控制結(jié)構(gòu)及 PI 控制策略 ........ 17 
3.1  控制目標(biāo) ....... 17 
3.2  儲能逆變器控制結(jié)構(gòu) ...... 18 
3.2.1  逆變狀態(tài)下的單環(huán)控制結(jié)構(gòu) ...... 18 
3.2.2  儲能狀態(tài)下的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu) ...... 19 
3.3  PI 控制策略 ......... 19 
3.3.1  儲能逆變狀態(tài)下控制方程 .... 19 
3.3.2  PI 控制器參數(shù)設(shè)計 .........21 
3.4  仿真模型搭建 ..... 24 
3.5  本章小結(jié) ....... 29 
第 4 章  無源與自抗擾復(fù)合控制策略 ......... 30 
4.1  基于 EL 模型的無源控制器設(shè)計 ....... 30
4.2  電壓外環(huán)的自抗擾控制器設(shè)計 ......... 41 
4.3  控制器綜合比較 ........ 46 
4.3.1  逆變工作狀態(tài)下仿真比較及分析 .... 46 
4.3.2  儲能工作狀態(tài)下仿真比較及分析 .... 46 
4.4  本章小結(jié) ....... 49  

第 4 章  無源與自抗擾復(fù)合控制策略

自儲能逆變器開始研究以來，其控制方法也在不斷發(fā)展和完善，每種控制方法都有各自的特點及適用場合。然而，單獨一種的控制方法很難解決和實現(xiàn)實際系統(tǒng)中的多個問題和目標(biāo)，因此我們可以結(jié)合不同控制方法的特點及所要解決的問題，通過采用復(fù)合控制策略來得到滿意的控制效果。為改善儲能逆變系統(tǒng)中電流及電壓的控制效果，本文主要將無源控制（PBC）與自抗擾控制（ADRC）相結(jié)合，將其分別應(yīng)用到內(nèi)環(huán)電流及外環(huán)電壓的控制器中。下面，本章將對無源控制器及自抗擾控制器的設(shè)計進行分析。

4.1  基于 EL 模型的無源控制器設(shè)計
系統(tǒng)中的各個物理量的變化都能夠反應(yīng)能量的變化，如系統(tǒng)中流過電感器的電流體現(xiàn)系統(tǒng)磁場能，電容器兩端電壓的變化體現(xiàn)系統(tǒng)電場能的變化。由此可知，通過控制系統(tǒng)的能量便可以控制系統(tǒng)的物理量，使其滿足要求。無源控制的本質(zhì)就是能量的控制，對系統(tǒng)進行無源控制器設(shè)計的模型一般分為三種：一是將系統(tǒng)寫成仿射非線性形式，二是轉(zhuǎn)換成歐拉-拉格朗日（EL）模型形式，三是寫成哈密頓系統(tǒng)形式。由于本文中儲能逆變器模型可以直接方便地轉(zhuǎn)換為EL 模型的形式，通過基于 EL 模型的方法進行分析可以簡化控制器設(shè)計，因此本文采用 EL 模型進行無源控制器的設(shè)計。本節(jié)首先將儲能逆變器模型轉(zhuǎn)換為EL 模型，驗證系統(tǒng)的無源性，然后完成無源控制器的設(shè)計。
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結(jié)   論

能源及環(huán)境問題引起人們對微電網(wǎng)的研究，從而推動了儲能逆變系統(tǒng)的發(fā)展，使得儲能逆變器近年來得到了廣泛學(xué)者的關(guān)注和研究。本課題從儲能逆變器在逆變及儲能兩種工作狀態(tài)下需要滿足的綜合控制目標(biāo)及實際問題考慮，對其內(nèi)部電流及電壓環(huán)控制器的控制策略進行研究。通過分析傳統(tǒng) PI 控制器存在的一些問題，本文將無源控制及自抗擾控制策略應(yīng)用到儲能逆變器的控制中，提高了系統(tǒng)的魯棒性能及抗干擾能力，改善了控制系統(tǒng)的綜合性能。 
（1）建立了儲能逆變器在儲能和逆變兩種工作狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)了系統(tǒng)中采用的 SVPWM 調(diào)制算法，同時對儲能逆變系統(tǒng)中濾波電感及直流側(cè)電容的參數(shù)進行選取。 
（2）根據(jù)儲能逆變器的控制目標(biāo)確立了系統(tǒng)在逆變和儲能兩種工作狀態(tài)下的控制器結(jié)構(gòu)。分析了傳統(tǒng) PI 控制的方法及原理，完成控制方程的建立以及控制參數(shù)的整定工作。在 Matlab/Simulink 仿真環(huán)境下建立了兩種狀態(tài)下的系統(tǒng)模型及 PI 控制器模型，完成了 PI 控制在兩種工作狀態(tài)下的仿真驗證，并對此方法存在的一些問題進行了總結(jié)。 
（3）針對 PI 控制下電流諧波相對較大的問題，對儲能逆變系統(tǒng)電流環(huán)采用無源控制策略，完成了儲能逆變器的 EL 模型以及無源控制方程的建立，通過仿真驗證了無源控制的有效性以及對回路電阻變化的魯棒性。針對儲能工作狀態(tài)下 PI 雙環(huán)控制策略及無源控制策略對電壓控制存在的問題，進一步加入自抗擾外環(huán)電壓控制，改善了系統(tǒng)性能。完成了電壓外環(huán)自抗擾控制器的設(shè)計以及控制參數(shù)的整定工作。 
（4）對逆變及儲能兩種工作狀態(tài)下的控制方法進行了比較總結(jié)。在逆變工作狀態(tài)下，比較分析了無源控制方法以及傳統(tǒng) PI 控制方法策略；在儲能工作狀態(tài)下，比較分析了無源與自抗擾(PBC-ADR)復(fù)合控制策略，無源與 PI 復(fù)合控制(PBC-PI)  傳統(tǒng) PI 雙環(huán)控制。通過比較結(jié)果表現(xiàn)出的性能特點，驗證了本文采用的方法的有效性和優(yōu)越性。 
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參考文獻(略) 

本文編號：43107