可再生能源微电网先进控制技术及其应用

“十四五”时期国家重点出版物出版专项规划项目，北方工业大学在可再生能源微电网选址定容优化、交直流微电网动态扰动补偿控制、能量管理协调优化控制等关键技术领域，开展了深入的理论研究和实践探索。研发团队立足自主创新，历经五年攻关，在以下方面取得了突破：①风/
光资源选址定容优化设计；②基于区域功率平衡调度的储能选址定容规划；③基于残差生成器的直流微电网稳定性控制；④交流微电网分散式动态扰动补偿控制；⑤能量管理优化控制策略。基于这些研究成果，团队构建了基于分布式控制的微电网能量管理平台，该平台一体化集成了建模仿真、控制策略优化验证及工程部署应用等功能，并开发了配套的上位机通信控制程序与人机交互界面。该平台的成功开发与应用，有效解决了可再生能源微电网在能量管理协调优化控制中亟须突破的选址定容、电能质量治理及多目标协调优化等核心难题。

电力需求的持续增长、日益严重的环境污染，以及传统化石燃料短缺等问题正驱使电网朝着高效、灵活、智能和可持续的方向发展。微电网技术提高了分布式发电系统的供电可靠性，通过对分布式电源（DG）尤其是可再生能源的规模化接入与应用，实现了分布式电源与负荷的一体化运行，这是智能微电网未来的发展趋势。
本书首先介绍了可再生能源微电网的概念，并着重分析了可再生能源微电网的特征，以及我国发展可再生能源微电网的重要意义；然后提出基于预测的微电网分层智能控制架构，建立了可再生能源微电网模型；随后阐述微电网风/光/储选址定容优化配置、微电网分布式可再生能源变流器控制技术，以及基于残差生成器的直流微电网稳定性控制策略和交流微电网分散动态扰动补偿控制策略；最后，介绍了可再生能源微电网能量管理协调优化控制，并给出可再生能源微电网相关软硬件设计方法。
本书适合作为电气工程、自动化等专业的高年级本科生和研究生的参考资料，也可供从事电力系统、可再生能源发电，以及自动化等领域研究的科研人员和工程技术人员参考使用。

胡长斌，男，副教授，毕业于北京科技大学，获得博士学位，现任职于北方工业大学电气与控制工程学院，任新能源专业方向讲师，研究方向为新能源发电优化与控制。电气与控制工程学院实验中心主任，全国海洋能转换设备标准化技术委员会委员、IEEE PES直流输配电系统仿真技术分委理事、IEEE PES中国区配电分委会理事、中国可再生能源学会储能专委会委员，中国电机工程学会会员，中国自动化学会会员，中国电源学会会员，中国有色金属工业协会会员。近3年以负责人身份主持包含国家重点研发计划在内的省部级项目5项，企业类横向项目15项，近几年科研经费达到1000万，指导的大部分研究生都进入国家电网和高校工作。

前言
第1章　可再生能源微电网先进控制技术概述1
1.1　微电网的定义及特点1
1.2　微电网相关问题分析2
1.2.1　电能质量问题分析2
1.2.2　环流问题分析5
1.2.3　功率分配问题分析6
1.2.4　逆变器硬件参数摄动问题分析9
1.2.5　线路故障问题分析13
1.3　可再生能源微电网相关问题的研究现状18
1.3.1　电能质量问题研究现状18
1.3.2　微电网变换器功率分配问题研究现状20
1.3.3　微电网变换器功率分配不确定性问题研究现状21
1.3.4　微电网线路故障问题研究现状23
1.3.5　微电网源荷预测不精确问题研究现状26
第2章　可再生能源微电网建模28
2.1　分布式可再生电源模型的建立28
2.1.1　光伏外特性数学模型的建立28
2.1.2　风力机外特性数学模型的建立29
2.1.3　超级电容外特性数学模型的建立30
2.1.4　蓄电池外特性数学模型的建立31
2.1.5　微型燃气轮机外特性数学模型的建立33
2.1.6　柴油发电机外特性数学模型的建立34
2.1.7　负荷外特性数学模型的建立35
2.2　微电网电力电子模型的建立36
2.2.1　单个DC-DC变换器模型36
2.2.2　单个DC-AC变换器模型38
2.2.3　多个DC-DC变换器并联模型42
2.2.4　多个DC-AC变换器并联模型45
2.3　可再生能源微电网的小信号模型49
2.3.1　虚拟同步发电机控制器小信号模型49
2.3.2　电压环和电流环控制器小信号模型51
2.3.3　逆变电路和负荷的小信号模型52
2.3.4　单台逆变器小信号模型53
2.3.5　多台逆变器小信号模型54
第3章　微电网风/光/储选址定容优化配置56
3.1　考虑上级电网消纳的风/光/储优化决策总体思路56
3.2　风/光选址定容规划设计方案57
3.3　集群划分及储能选址定容规划设计方案58
3.4　嵌入潮流计算的阶段式粒子群算法60
3.4.1　粒子群算法60
3.4.2　基于小生境的多目标粒子群算法62
3.4.3　单目标燃气轮机出力占比自定义模式64
3.4.4　多目标经济性自定义模式65
3.4.5　算例分析65
3.5　区域配电网的风力机、储能优化决策总思路74
3.6　平衡区划分及风力机选址定容规划设计76
3.7　基于区域功率平衡调度的储能选址定容规划设计77
3.8　算例分析77
第4章　微电网分布式可再生能源变换器控制技术82
4.1　分布式可再生能源变换器控制技术82
4.1.1　光伏变换器控制技术82
4.1.2　风力机变换器控制技术82
4.1.3　柴油机变换器控制技术83
4.1.4　蓄电池变换器控制技术84
4.2　微电网多变换器并联控制技术85
4.2.1　主微源的VF控制85
4.2.2　从微源的PQ控制87
4.2.3　多微源下垂并联控制89
4.2.4　多微源虚拟同步发电机控制91
4.3　微电网系统并离网控制技术92
4.3.1　微电网黑启动运行控制92
4.3.2　交流微电网离网稳定运行策略93
4.3.3　交流微电网并网稳定运行策略95
4.3.4　交流微电网并离网切换控制策略95
第5章　基于残差生成器的直流微电网稳定性控制策略97
5.1　基于全维状态观测器的残差生成器设计97
5.2　基于残差的扰动抑制理论98
5.3　双向DC-DC变换器扰动抑制结构及控制器求解102
5.3.1　Buck模式双向DC-DC变换器扰动抑制结构102
5.3.2　Boost模式双向DC-DC变换器扰动抑制结构103
5.4　基于残差生成器的直流微电网多变换器并联稳定性控制策略105
5.5　直流微电网小信号稳定性分析106
5.5.1　下垂控制器的小信号模型106
5.5.2　残差生成器的小信号模型107
5.5.3　动态补偿控制器Q*(s)的小信号模型107
5.5.4　双闭环控制器的小信号模型107
5.5.5　被控对象的小信号模型107
5.5.6　线路的小信号模型108
5.5.7　单台变换器的小信号模型108
5.5.8　多台变换器的小信号模型111
第6章　基于残差生成器的交流微电网分散动态扰动补偿控制策略112
6.1　“即插即用”的控制问题112
6.2　过程监控及控制框架113
6.2.1　反馈控制系统的可扩展性113
6.2.2　过程监控及控制框架与容错控制框架的等价性116
6.2.3　过程监控及控制框架的优势119
6.3　基于鲁棒模型匹配的参数化控制器求解119
6.4　基于鲁棒残差生成器的分散动态扰动补偿控制120
6.5　并联逆变器中动态扰动补偿控制器的设计和求解125
6.6　分散动态扰动补偿控制的交流微电网小信号稳定性分析129
6.6.1　分散动态扰动补偿控制器小信号模型129
6.6.2　逆变器及其线路小信号模型132
6.6.3　单台逆变器小信号模型133
6.6.4　多台逆变器并联系统小信号模型134
6.6.5　不同容量逆变器参数设计136
6.6.6　并联逆变器小信号稳定性分析136
第7章　可再生能源微电网能量管理协调优化控制141
7.1　高比例新能源接入的多目标优化141
7.1.1　荷侧响应模型141
7.1.2　多时间尺度互补优化调度框架144
7.1.3　日前优化调度策略145
7.1.4　日内优化调度策略148
7.1.5　优化算法及其实现150
7.1.6　算例分析152
7.2　基于数字孪生的协调优化控制159
7.2.1　基于数字孪生特征的优化控制159
7.2.2　综合灵敏度分析指标162
7.2.3　实时运行控制策略165
7.3　基于混合整数线性动态规划理论的微电网系统能量协调优化169
7.3.1　混合整数线性动态规划理论169
7.3.2　基于混合整数线性动态规划理论的微电网系统能量协调优化170
7.3.3　算例分析173
7.4　基于预测框架的遗传算法微电网系统能量协调优化176
7.4.1　遗传算法176
7.4.2　微电网系统能量协调优化管理模型177
7.4.3　基于预测框架的遗传算法的微电网系统能量协调优化179
第8章　可再生能源微电网相关软硬件设计182
8.1　包含光储供电系统的多端口直流变换器系统的软硬件设计182
8.1.1　控制电路的芯片选择182
8.1.2　控制电路的通信电路设计182
8.1.3　控制电路的驱动电路设计183
8.1.4　控制电路的继电器电路设计184
8.1.5　主电路电源转换电路设计185
8.1.6　基于MATLAB中Simulink代码生成的程序设计187
8.1.7　多端口直流变换器的程序设计188
8.2　基于分布式控制微电网能量管理平台设计192
8.2.1　微电网能量管理平台设计192
8.2.2　微电网能量管理系统的仿真194
8.3　基于PCS7的微电网能量管理系统设计200
8.3.1　微电网能量管理系统软件平台设计200
8.3.2　微电网能量管理系统仿真验证203
8.3.3　微电网能量管理系统硬件平台205
8.4　基于LabVIEW的SCADA系统设计208
8.4.1　LabVIEW基本认识208
8.4.2　分布式SCADA系统架构211
8.4.3　SCADA系统程序开发设计213
8.4.4　系统调试与算例分析219
8.5　逆变器系统上位机通信控制程序开发及界面设计222
8.5.1　逆变器并联系统上位机通信控制222
8.5.2　LabVIEW上位机界面设计227
参考文献228