传统电力系统正发生一系列显著的变化:大规模电力电子接口的可再生能源以集中或者分布方式接入电网,一定程度上改变了以同步机为主导的系统特性;微电网作为一种有序接纳分布式可再生能源的方式,得到广泛关注。微电网集合了可再生能源发电技术、电力电子变流技术、储能技术、信息技术,而这些技术也将在传统电力系统得到广泛应用,因此,研究微电网也是认识、理解未来电力系统形态的一种有效方式。在此背景下,本文以交流微电网(以下简称为微电网)为主要研究对象,对其建模、分析、控制设计等一系列相关问题做了研究。一、分布式电源建模、特性分析与控制策略设计。分布式电源和储能设备是构成微电网的基本元件,是进行相关研究的基础。分布式电源有两个特点显著区别于传统同步发电机:首先,它们通常以电力电子变流器接口与电网相连(储能设备有相同特点),接口变流器的动态特性对整个微电网的稳定有关键影响。其次,分布式电源通常连接风、光等可再生能源,出力具有波动性且一般不具有系统支撑的能力,使得微电网的运行依赖于储能设备或柴油机等完全可控机组,给控制带来一定的困难。针对这两个问题,本文进行了如下研究:1.建立并验证了应用于微电网的三种最为典型的接口变流器(下垂电压控制、锁相环电流控制以及虚拟同步机控制)的非线性和线性化数学模型。基于线性化模型,进行特征值分析,得到不同控制接口变流器的基本动态特性和参数影响,是全文研究的基础。2.以双馈风机为例,研究将电压源型控制应用于这类基于可再生能源的分布式电源,提出一种适应于微电网多模式运行的双馈风机下垂电压源型控制策略,使其具备支撑系统电压、参与系统调节的能力。其基本思路为通过风机转子侧间接磁链定向控制技术实现风机下垂电压源型运行;同时,设计协调控制策略,保证风机在风速变化时稳定运行。Matlab/Simulink仿真验证了该种控制策略的有效性。二、微电网系统建模与控制策略设计。微电网的控制可以分为分散控制、集中式控制和分布式控制三种,三种控制各有优缺点。本文侧重研究分散控制和集中式控制:1.针对传统微电网分散控制功能单一的弊端,本文研究将集中式分层控制与传统分散下垂控制相结合,提出一种全分散、准分层控制策略,使得分散控制可以实现部分集中式分层控制的功能。其主要思路为在下垂设计中引入与频率相关的比例控制环节,使得系统频率可以恢复到接近于额定值,实现二次控制的功能;通过引入非线性下垂控制,使得负荷按照成本微增率在各分布式电源之间分配,最后各分布式电源的成本微增率相同,实现了三次控制优化运行的功能。DIgSILENT仿真验证了该控制策略的有效性。2.为了进一步理解并拓展应用非线性下垂,在全分散、准分层控制基础上,本文继续对非线性下垂进行了分析与控制设计研究。将非线性下垂控制的应用场景从孤网运行的微电网扩展到并网运行的微电网,使得分布式电源在并网运行时具有非线性的系统支撑功能。定量分析了非线性下垂控制的小干扰与大干扰特性,进而提出自适应虚拟电抗和暂态稳定控制策略,提高接口变流器在并网与孤网运行时的稳定性。Matlab/Simulink仿真验证了所提出方法的有效性。3.全分散、准分层控制为分散控制微电网赋予了更多的功能,但一个微电网要同时实现并、孤网运行以及无缝切换,集中式分层控制仍是最主要的方案。为此,本文研究提出了一种系统化的分层控制微电网分析与设计方法,建立并验证了含异构分布式电源和中央控制器的分层控制微电网非线性和线性化数学模型。提出了一种结合反馈控制与前馈控制的微电网二次、三次控制策略,可改善微电网的动态性能,并利用Non-smooth H2/H∞综合方法对中央控制器的参数进行整定,实现定结构中央控制器多维度性能优化。Matlab/Simulink仿真验证了分析与设计方法的有效性。三、工程应用。结合第一、第二部分的理论研究,本文第三部分将针对摘箬山海岛微电网示范工程进行中央控制器设计与工程应用研究。研究设计可协调多种异构分布式电源和储能设备的二次、三次控制策略,设计了微电网并网和孤网的无缝切换策略,并在现场测试了控制算法。该微电网中央控制器的设计采用了基于模型的设计方法,提高了开发效率、减轻了工作负担,可以推广应用于其他微电网设计场景。