直流微電網(wǎng)中儲能系統(tǒng)功率控制技術(shù)研究.pdf

1、微電網(wǎng)是未來分布式能源供應(yīng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，也是未來電力系統(tǒng)重要的組成部分，對實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展以及推進(jìn)節(jié)能減排具有重要意義。在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，光伏電池板和燃料電池等很多分布式電源都具有直流輸出形式，而直流用電設(shè)備也呈現(xiàn)井噴式發(fā)展，因此舍棄了交流母線的直流微電網(wǎng)避免了多余的功率轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，提高了系統(tǒng)的效率。與此同時，直流微電網(wǎng)中不存在無功和諧波等方面的問題，可控性更高。本文以直流微電網(wǎng)中的儲能系統(tǒng)為研究對象，對其中電力電子功率變換接口（以下稱

2、作“微電網(wǎng)變換器”）的控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，旨在構(gòu)造能夠同時完成三種類型功率控制目標(biāo)的通用底層控制，同時將控制重心下移至底層控制，強(qiáng)化變流器層面的控制，進(jìn)而簡化系統(tǒng)層面的控制。
　　本文圍繞直流微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)若干關(guān)鍵問題，逐層對直流微電網(wǎng)改進(jìn)型底層控制策略、分布式儲能系統(tǒng)功率控制策略、混合儲能系統(tǒng)功率控制策略以及直流微電網(wǎng)系統(tǒng)層控制策略展開研究。研究成果對直流微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)功率控制等相關(guān)技術(shù)具有理論指導(dǎo)意義和實(shí)際應(yīng)用價值。

3、>　　(1)圍繞直流微電網(wǎng)底層控制策略展開研究。首先建立了多變換器直流微電網(wǎng)數(shù)學(xué)模型，并以此為基礎(chǔ)量化分析了線路阻抗與功率分配精度的關(guān)系。為了降低線路阻抗對功率分配精度的影響，提出了一種基于電壓變化率為功率信息載體的改進(jìn)型下垂控制，并詳細(xì)闡明了所提方法能夠改善功率分配精度的原理。同時，提出了電壓變化率的歸零控制對改進(jìn)型下垂控制進(jìn)行了補(bǔ)償，確保直流電壓的穩(wěn)定控制。通過建立系統(tǒng)的等效電路模型和小信號模型，對所提直流微電網(wǎng)底層控制的控制參數(shù)取

4、值進(jìn)行了討論，并給出了所提方法實(shí)現(xiàn)功率精確分配的約束條件。通過搭建直流微電網(wǎng)底層控制實(shí)驗(yàn)平臺，驗(yàn)證了所提控制方法的有效性。
　　(2)為了提高直流微電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)性能，延長儲能單元運(yùn)行壽命，優(yōu)化儲能單元使用效率，研究了分布式儲能單元在直流微電網(wǎng)中的應(yīng)用。在改進(jìn)型底層控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合蓄電池單元的荷電狀態(tài)，通過對電壓變化率歸零控制器的改造和變形，提出了基于荷電狀態(tài)的自適應(yīng)控制方法，并闡述了所提方法能夠?qū)崿F(xiàn)荷電狀態(tài)均衡的工作原理。在所提自適

5、應(yīng)控制的基礎(chǔ)上加入了調(diào)節(jié)因子對均衡速度進(jìn)行控制，并推導(dǎo)給出了調(diào)節(jié)因子取值的約束條件。給出了分布式儲能系統(tǒng)功率分配的綜合原則，并以此為基礎(chǔ)提出了考慮振蕩型波動功率的儲能系統(tǒng)功率分配統(tǒng)一控制策略。從等效輸出阻抗的角度出發(fā)，對不同控制算法的分配效果展開了詳細(xì)的分析討論，揭示了所提控制算法可以滿足上述原則的本質(zhì)原因。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了理論分析的正確性以及所提方法的有效性，為分布式儲能系統(tǒng)功率分配提供了一種新的解決思路。
　　(3)為了提高直流

6、微電網(wǎng)的暫態(tài)性能和電能質(zhì)量，充分發(fā)揮蓄電池和超級電容兩種儲能元件各自的優(yōu)勢，圍繞混合儲能系統(tǒng)的功率分配策略展開了研究。在改進(jìn)型底層控制的基礎(chǔ)上，提出了一種基于“靈敏度”一次控制，通過設(shè)置不同儲能單元輸出電壓關(guān)于功率的“靈敏度”，確保超級電容在負(fù)載突變瞬間能夠提供大部分功率，實(shí)現(xiàn)了混合儲能系統(tǒng)動態(tài)功率分配。為確?；旌蟽δ芟到y(tǒng)穩(wěn)態(tài)功率分配的要求，進(jìn)一步提出了含有穩(wěn)態(tài)修正功能的二次控制。在建立控制系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，對負(fù)載發(fā)生變化時輸出電流的運(yùn)動

7、軌跡進(jìn)行了詳盡的理論分析。通過搭建混合儲能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，驗(yàn)證了所提混合儲能系統(tǒng)分層控制框架的有效性。
　　(4)圍繞直流微電網(wǎng)系統(tǒng)層控制策略展開研究。以多母線直流微電網(wǎng)為研究對象，建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并以此為基礎(chǔ)量化分析了不同底層控制下功率分配精度與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，分析表明即使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上不對稱，所提控制的信息載體——電壓變化率都將收斂于一致，這也是改進(jìn)型下垂控制在多母線微電網(wǎng)中可以實(shí)現(xiàn)功率精確分配的根本原因。同時，從虛擬阻抗

8、的角度出發(fā)，對所提控制的原理進(jìn)行了重新闡述，其中，改進(jìn)型下垂控制巧妙地利用虛擬電容引入了電壓變化率這一信息載體，而歸零控制器則加入并聯(lián)虛擬電阻確保了穩(wěn)態(tài)時虛擬電容中沒有電流流過，實(shí)現(xiàn)直流電壓的穩(wěn)定控制。利用一致性算法與所提電壓變化率歸零控制器的相似性，在所提底層控制的基礎(chǔ)上提出了具有共識機(jī)制的改進(jìn)型下垂控制。并根據(jù)蓄電池/超級電容單元具體的控制目標(biāo)，將具有共識機(jī)制的改進(jìn)型下垂控制推廣到了含有混合儲能系統(tǒng)的多母線直流微電網(wǎng)。最后，通過實(shí)時