技术摘要：
本发明涉及一种微电网系统的非线性建模方法。微电网系统结构包括微源发电单元、储能系统、负荷和双向变换器，微电网系统的非线性建模方法包括以下步骤：S1：微源发电单元的非线性模型；S2：负荷的非线性模型；S3：储能系统的非线性模型；S4：双向变换器的非线性模型。  全部
背景技术：
相比传统大电网，微电网具有建设速度快、运行控制灵活、清洁效率高等优点。由 分布式电源、负荷、储能装置及控制单元组成的系统就是微电网，微电网系统结构如图1所 示。微电网中，分布式电源既包括原来的典型电源，比如燃气轮机，又包含新能源发电系统， 比如风力发电、光伏发电。一般来说，微电网还具有储能设备，为微电网的稳定、持续、可靠 运行保驾护航。微电网中的负荷类型也是多种多样的，有阻性负荷，也有闭环控制的电动机 和变换器负荷。微电网包括多个变换器，各个变换器常用的协调控制方法包括主从控制、对 等控制和多代理控制等，微电网的主要双向变换器所用控制方法主要有恒功率控制（PQ  控 制）、下垂控制（Droop  控制）和电压电流双闭环控制等，其控制框图分别如图2、图3、图4所 示。 在微电网系统运行中，存在很多大扰动现象，比如模式切换、微源切除、负荷变化、 系统故障等，这些非线性的大扰动会对微电网系统的正常工作产生巨大影响。同时，微电网 的分布式电源、储能装置和绝大部分负荷皆是通过电力电子变换器进行连接，电源、储能与 负荷的动态特性互相耦合、互相影响，同时大量电力电子设备的强非线性都大大增加了微 电网动态性能分析的复杂性。基于传统线性模型是无法准确分析微电网系统动态特性的， 为保证微电网系统的稳定可靠运行，对其进行非线性建模非常必要的。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服上述不足，提供了一种微电网系统的非线性建模方法。此 方法充分考虑微电网系统的非线性因素对系统动态性能的影响，基于各个子系统的工作特 性和功率不变的原则，对微电网各个子系统：微源发电单元、储能系统、负荷以及双向变换 器提出了一种非线性建模方法，该方法保留了各子系统主要的非线性因素，忽略了次要的 因素，简化了模型结构，为微电网系统的动态性能分析提供了基础。 本发明的目的是这样实现的： 一种微电网系统的非线性建模方法，其特点是：微电网系统结构包括微源发电单元、储 能系统、负荷和双向变换器，微电网系统的非线性建模方法包括以下步骤： S1：微源发电单元的非线性模型 微源发电单元包括光伏单元、风机和燃气轮机，光伏单元、风机和燃气轮机系统结构分 别如图5、6和7所示； 在微电网系统建模时，考虑微源发电单元的输出特性，将其简化为等效电压源或者电 流源；当微源恒压输出时，将其等效为电压源，如图8所示，当恒流输出时，将其等效为电流 源，如图9所示； S2：负荷的非线性模型 6 CN 111611696 A 说　明　书 2/10 页 微网系统中，大部分负荷通过可控变流器连接到交流母线或直流母线，这些负荷由于 受到闭环控制，消耗功率不受输入电压变化的影响，可视为恒功率负载，特性曲线如图10所 示，其瞬时功率P、瞬时电压v和瞬时电流i满足： P=vi=恒定值 对于功率为P0、电流I 0、电压V0的恒功率负载系统，当母线电压为Vs，等效内阻为R 0，则 恒功率负载的稳态平衡工作点满足：   根据上式，可得到电源特性曲线和恒功率负载特性曲线，如图11所示。当母线电压与恒 功率负载端电压相等时，恒功率负载处于稳态平衡工作点，整个系统才能稳定工作；电源特 性曲线和恒功率负载特性曲线的交点A、B点都是恒功率负载的工作点，只有在小扰动后重 新恢复稳态工作的工作点才是稳态平衡工作点； 首先判断A点是否为稳态平衡工作点，假设A点存在小扰动，母线电压变化ΔV0，由于母 线电流小于负载电流，则滤波电容放电，导致恒功率负载电压下降，闭环控制使得电流不断 上升，以维持恒定功率；最终恒功率负载的电流会趋近无限大，电压趋近于0，电路无法达到 稳态，因此A点并不是稳态平衡工作点； 接着验证B点是否为稳态平衡工作点，同样假设B点有小扰动，导致电压变化ΔV0，此 时，恒功率负载电流大于母线电流，表示滤波电容已经放电，因此负载电压增加，运行恢复 至B点，表明B点是稳态平衡工作点；稳态平衡工作点B的电压和电流满足： 为避免出现复数，系统参数 必须小于 ，所以有 上式给出了整个系统能够承受恒功率负载的功率上限； 微网的闭环控制负荷建模为恒功率负载时，功率、电流和电压需满足下式： P=vi=恒定值 稳态平衡工作点满足下式： 负荷总功率需要满足下式： ； S3：储能系统的非线性模型 蓄电池组通过双向DC-DC变换器连接至直流母线；蓄电池组放电时，  DC/DC  变换器工 作在  Boost  升压模式，输出稳定直流电压；蓄电池组充电时，DC/DC  变流器工作在  Buck  降压模式，为蓄电池组提供充电电压和电流；双向DC-DC变换器放电时可采用恒流控制或恒 压控制，可将放电的储能系统建模为受控电流源；当蓄电池充电时，受到电压外环、电流内 环控制，消耗功率恒定，可将其等效为恒功率负载，其瞬时电压、瞬时电流和瞬时功率满足： P=vi=恒定值；蓄电池等效模型如图13所示； S4：双向变换器的非线性模型 7 CN 111611696 A 说　明　书 3/10 页 双向变换拓扑如图14所示，基于功率守恒原理，分别把双向变换器直流侧和交流侧利 用恒功率网络法进行建模； 应用恒功率网络法，通过把abc静止坐标系模型转换为dq旋转坐标系模型进行简化，可 将双向变换器建模为两端口输入、单端口输出的三端口恒功率网络；当双向变换器工作在 整流模式，根据基尔霍夫电压定律可得： 由三相系统对称性可得三相电压、电流关系满足： 其中，ea、e b、ec为网侧三相电压，L是滤波电感，R是电感等效电阻，ia、i b、ic是分别流过 三相滤波电感上的电流，vdc为直流侧电压，vNO是N点与O点之间的电压；开关函数sk为：   k=a ,b ,c 最终可得： 对直流侧电容C及负载节点RL应用基尔霍夫电流定律可得： 其中，RL是直流侧负载； 上式所示数学模型是在abc静止坐标系建立的，包含时变的三相交流量；通过坐标变换 进行简化，将abc坐标系的三相交流量转化为以电网基波频率50Hz旋转的dq坐标系的直流 量，可直接利用变换矩阵求解；将两相旋转坐标系dq中的d轴与电网电动势E同轴，且规定初 始条件下d轴与abc坐标系下的a轴同轴；三相静止坐标系abc到同步旋转坐标系dq的变换矩 阵C3s2r为： 8 CN 111611696 A 说　明　书 4/10 页 应用上式对三相静止坐标系模型式 和   进行坐标变换，可以得到双向变换器在dq坐标系下的数学模 型： 其中，vdc为直流侧电压，iq、id为交流测电流经过abc-dq坐标变换后在q轴和d轴上的电 流分量，uq、ud为变流器交流侧输出电压经过abc-dq坐标变换后在q轴和d轴上的电压分量， sq、sd为互联变流器开关函数在经过abc-dq坐标变换后在q轴和d轴上的开关函数分量； 取 ， ，根据输入输出功率平衡关系， 可以 利用网 侧电 压v d 和v q  表示直流侧电 流i d c ，即 : ； 根 据 双 向 变 换 器 在 d q 坐 标 系 下 的 数 学 模 型 和 ，双向变换器可以等效两端口输入、单端口输出的三端口网络， 如图15所示，符合功率守恒原理。 进一步的，光伏单元由光伏阵列，变流器和控制系统等部分组成，光伏阵列并网采 用两级式变换器，测量光伏阵列的直流电压和电流对前级  DC/DC  变换器实现最大功率跟 踪控制，再通过并网逆变控制策略控制后级DC/AC  逆变器连接母线；为了防止高次谐波注 入微网母线，需通过  LC滤波器进行过滤。 进一步的，风机采用永磁直驱风力发电机机组进行建模，系统包括风轮机、发电 机、全功率电力电子变频器和滤波器，风力机吸收风能转化为动能直接驱动永磁发电机产 9 CN 111611696 A 说　明　书 5/10 页 生高频交流电，经过全功率AC-DC-AC变频器及  LC  滤波器后，得到工频的幅值稳定交流电 并入电网。 进一步的，燃气轮机是发出的电能通过AC-DC-AC变换器并网，包含四个环节：速度 控制环节、燃料控制环节、燃气轮机环节、温度控制环节。 进一步的，恒功率负载在母线电压变化时呈现负阻抗特性，随着电压增大，负载电 流随之减小，满足 ∆ v/ ∆ i<0。 与现有技术相比，本发明的有益效果是： 本发明一种微电网系统的非线性建模方法，充分考虑微电网系统的非线性因素对系统 动态性能的影响，基于各个子系统的工作特性和功率不变的原则，对微电网各个子系统：微 源发电单元、储能系统、负荷以及双向变换器提出了一种非线性建模方法，该方法保留了各 子系统主要的非线性因素，忽略了次要的因素，简化了模型结构，为微电网系统的动态性能 分析提供了基础。 附图说明 图1为典型的微电网系统结构示意图。 图2为恒功率控制控制框图。 图3为下垂控制控制框图。 图4为电压电流双闭环控制框图。 图5为光伏单元的结构示意图。 图6为永磁直驱风力发电系统结构图。 图7为燃气轮机的结构示意图。 图8为微源等效的电压源拓扑结构。 图9为微源等效的电流源拓扑结构。 图10为恒功率负载的负阻抗特性曲线示意图。 图11为直流母线和恒功率负载的电压-电流曲线示意图。 图12为典型储能单元结构图。 图13为储能系统充放电的非线性模型示意图。 图14为双向变换器拓扑结构示意图。 图15为双向变换器等效模型示意图。 图16为混合微电网系统拓扑结构。 图17为电池充电模式的微电网系统非线性模型。