直流微电网动态特性分析与控制

发布时间：2020-06-29 06:54

【摘要】：以可再生能源为主的分布式发电方式为缓解环境压力、应对能源紧张提供了一种有效的途径,但是直接将分布式电源接入主电网可能会对主电网的稳定性和电能质量造成影响。实践和研究表明,微电网是利用分布式发电供能的最有效方式。微电网可以分为交流微电网与直流微电网,与交流微电网相比,直流微电网不存在相位、频率及无功等问题,且更易接入分布式电源与直流负载,因此优势更加明显。直流微电网动态特性对直流微电网的稳定性、电能质量有较大影响,因此本文的研究工作主要围绕孤网下的直流微电网动态特性展开,并对直流微电网上层控制进行了研究。首先针对系统中只有一台DC-DC变换器稳压的场景进行研究。由于三相交错 DC-DC 变换器(Three-phase Interleaved DC-DC Converter,TIDC)动态特性好,为了对其动态特性进行分析并进一步改善其性能,本文设计了三相交错DC-DC变换器100kW样机,并对其控制策略进行了研究。在样机实际运行时,大容量负载突变仍然会引起较大的直流母线电压暂升或暂降,因此本文对样机的动态特性影响因素进行了分析,提出了改善其动态特性的前馈控制策略,通过在动态过程中优化电压环输出的参考电流及前馈环节的动作时间,使其响应速度得到明显提升,有效抑制直流母线电压的暂升或暂降。其次,对于系统中并联运行的DC-DC变换器,可采用下垂控制策略在保证直流母线电压稳定的情况下实现其均流。根据下垂特性输入量和输出量的不同,可将下垂控制分为基于虚拟阻抗的下垂控制(Virtual Impedance Based Droop Control,VIBDC)和嵌入式下垂控制(Embedding Droop Control,EDC)。鉴于已有文献在研究中对两种下垂控制的区分不明显,本文规范了两种下垂控制的概念,并针对直流微电网中基于下垂控制的多并联DC-DC变换器,提出了一种新的大信号建模方法,基于此方法建立了可用于分析VIBDC法及EDC法动态特性的状态空间数学模型,模型消去了初始的稳态变量,最后得到状态变量全部是动态过程变化量,包括直流母线电压、各变换器输出电流及各变换器占空比,而输入量为系统负载电流的变化量,从而可以用于分析系统由一个稳态过渡到另一个稳态的中间动态过程。为填补两种下垂控制比较方面的研究空白,本文基于提出的模型,利用根轨迹法对VIBDC法和EDC法的动态特性进行了比较。由于EDC法的动态特性较好,因此本文对EDC法动态特性的影响因素及不同变换器间的动态特性耦合情况进行了分析,基于分析结果,提出一种新的含占空比前馈补偿环节的自适应比例积分(Proportional and Integral,PI)控制策略,在动态过程前期利用较大的比例参数快速缩小误差、消除振荡,在后期减小比例参数快速消除误差并保证输出电流的稳态特性,并且电流内环中的占空比前馈补偿环节可有效防止PI参数返回正常值时引起的电压与电流振荡。本文提出的含占空比前馈补偿环节的自适应PI控制策略可显著提高直流微电网中各DC-DC变换器的响应速度、减少电压在动态过程中的波动量及恢复时间,从而有效改善直流微电网动态特性。再次,由于传统的离散动态一致性算法在通信拓扑发生变化时会使已经收敛的平均值会发生暂态振荡,本文对离散动态一致性算法进行了改进,在保证收敛速度及动态收敛特性的前提下,不受通信拓扑变化的影响。最后,由于已有的上层控制策略主要都是基于VIBDC法,而很少涉及基于EDC法,因此本文提出了一种新的基于EDC法的上层控制策略,在第二层控制中利用提出的动态一致性算法,通过下垂参数的自适应调节实现电流的精确分配,同时消除下垂控制引起的直流母线电压平均值与额定值之间的偏差。第三层控制根据第二层控制得到的下垂特性电压参考值补偿量的平均值,对下垂特性进行自适应调整,从而使各变换器都运行在最大效率点附近,减少系统的全局损耗。与传统方法相比,其通信量大为减少,且实时性更好,响应速度更快,填补了基于EDC法上层控制的研究空白。对于变换器与电池相连应用场景,本文还在第三层优化中加入了电池管理环节,使各电池剩余电量(State of Charge,SoC)都保持在全局平均值附近,实现SoC平衡。
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM46
【图文】：

华北电力大学博士学位论文逡逑为了解决海岛供电问题的优选方案ｌ９９ＨＫ）７］。因此，我国学者针对海岛微电网方案逡逑进行了大量的分析与研究，已建成的海岛微电网示范工程如图１－６所示。与边远逡逑地区及海岛场景下的微电网相比，城市微电网的发展相对不是特别的迫切。城市逡逑微电网的目标主要是为了进一步集成和利用可再生能源、提高供电质量与可靠性逡逑等ＷＨｉｎｉ。我国典型的城市微电网示范项目如图丨＿７所示。逡逑１．３直流微电网动态特性与控制策略研究现状逡逑直流微电网的概念提出以来，其电压等级－？直没有统一标准，拓扑结构的分逡逑类方式也各不相同。总的来看，直流微电网可以分为母线分层型与非母线分层型。逡逑母线分层型是指系统中存在不同电压等级的母线，且这些不同电压等级的直流母逡逑线通过若干ＤＣ－ＤＣ变换器相连；若系统不符合母线分层型直流微电网的条件，逡逑则为非母线分层型直流微电网。逡逑交流系统逡逑变压器逡逑ｍ邋、邋ｆ逡逑ａｃＡ＾ｃ￣｜肉匕电１１人逡逑变换器逡逑３８０Ｖｌ）ｆ逡逑１逡逑ｌＯＯＶＤＣ逦１邋ＤＣ／ＤＣ邋｜逡逑逦邋｜逦｜逦ｌ（）（）Ｍ）Ｃ逡逑ＤＣ／ＤＣ邋ＩＩ邋ＤＣ／ＤＣ逦ｒ－Ｊ￣￣￣￣逡逑Ｉ邋Ｊ＿－邋ｉ逦直流负荷逦丨邋ＤＣ（ＡＣ邋［ＤＣ／ＤＣ逡逑十逦Ａｓ邋直流负荷逡逑直流发电装置逦Ｕ交流电源或负荷逡逑图１－８典型母线分层型的直流微电网逡逑Ｆｉｇ．邋１－８邋Ｔｙｐｉｃａｌ邋ｍｕｌｔｉ－ｂｕｓ邋ＤＣ邋ｍｉｃｒｏｇｒｉｄ逡逑对于母线分层型的直流微电网，其系统中必然包括多个电压等级，典型拓扑逡逑如图１－８所示。如图可知系统中的电压等级可分为两层

或紧急状态进行处理，保证直流微电网的可靠性。文献［１７３］针对直流微电网与交逡逑电网之间的并联ＤＣ－ＡＣ接口变换器提出了一种分层控制策略，基于主从系统，逡逑第二层控制用于消除直流ＤＣ－ＡＣ变换器下垂控制引起的直流侧电压偏差，第三逡逑层控制用于实现微网群之间的协调控制。文献［１７４］针对光伏－储能构成的城市楼逡逑宇直流微电网提出了一种多层控制策略，综合考虑并解决了甩负荷、光伏供电不逡逑足、电网的坚强程度等因素对直流微电网造成的影响。文献［１７５］提出了一种基于逡逑主从的自适应下垂控制策略，通过调节下垂曲线的斜率、截距等下垂特性参数，逡逑对系统内部各节点的直流母线电压进行调节，从而实现对系统内部功率流动方向逡逑的控制及电池ＳｏＣ的管理。与文献［１７５］类似，文献［１７６］也是基于主从系统采用逡逑自适应下垂特性参数调节方式，通过对下垂曲线参数的同步调节，解决线路阻抗逡逑引起的不均流问题以及下垂控制引起的电压偏差问题，其利用单元连接法对各电逡逑源、恒功率负载等功率模块进行戴维南／诺顿等效，得到相应的阻抗／导纳，结合逡逑系统节点导纳矩阵给出了一种基于阻抗的直流微电网稳定性判据，能够分析含电逡逑压控制型主电源、电流控制型从电源、恒功率负载、系统节点间阻抗等复杂直流逡逑微电网的稳定性。逡逑控制中心逡逑

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本文编号：2733562