可再生能源直流发电系统的极间功率均衡方法

发布时间：2020-05-31 19:03

【摘要】：由于人类大量地使用化石能源,能源短缺问题和使用传统化石能源造成环境污染的问题越来越严重。在21世纪,能源问题已经成为一个日益凸显的问题。由此,可再生能源的利用也引起越来越多的重视和发展。可再生能源如风能,太阳能等具有清洁、取之不尽等优点,使其成为理论与技术研究的热点。本文是在双极性三线制直流配网背景下进行研究和讨论的,双极性直流配网具有提供电压等级多,具有很高的可靠性,相对较小的绝缘应力以及好的安全性等优点。风、光发电具有强随机性、强波动性、弱支撑性、弱生存性等显著特点。由大量直流风电、光伏单元构成可再生能源直流发电系统在运行中,因外部自然条件波动或内部故障等原因将造成正负极之间实时功率不平衡。为保持外部直流配网运行稳定,需引入极间功率均衡电路。由此提出了前端电流平衡器能够有效地实现正负极间功率的均衡,具有良好的控制效果。本文首先对直流配网的研究现状、技术特点、架构和关键技术进行了说明,之后再引出双极性直流配网的背景,由于双极性直流配网具有众多的优点,是一种具有优势的配电技术方案,未来在区域性直流配电网建设中将广泛运用双极性直流配电。在双极性直流配网中电压平衡器是一个十分关键的部件,它通过引出一根中线构造出双极性三线制直流配网并且能够实现正负极电压的均衡。之后对并入式结构电压平衡器和嵌入式结构电压平衡器进行了分析研究,着重分析了各种电压平衡器的拓扑结构,控制策略,工作原理以及小信号模型等。另外,还得出并入式结构电压平衡器本质上可以看做是双向输入输出极性相反直流变换器的结论,从而可以相应生成新型的电压平衡器。然后,从结构形式,功能,应用场合等方面分别分析了嵌入式电压平衡器和并入式电压平衡器的不同点。依据“N+1”设计规则以及系统扩展的需求,可以预见双极系统中电压平衡器的并联运行。首先,对双极性直流配网中电压不均衡情况的类型进行了讨论,在此基础上展开分布式电压平衡器并联控制方法的研究。该控制策略中,第一层控制为下垂控制,次级层控制主要用于消除临界负载下的电压不平衡,第三层用于最小化系统损耗。所提出的改进分层控制结构经过仿真验证,具有良好的控制效果。与之前提出的典型的P-N的分布式双极直流系统不同,本文提出了P-Z-N分布式双极直流系统的概念。对这两种不同结构的双极性直流系统从成本,效率和可靠性方面进行了比较,得出相关的结论。并且,从电压平衡器”概念引申为“互联变换器”,提出了互联变换器(IC)对PZ子微网和ZN子微网能量平衡管理的双层控制策略,并进行仿真验证。在双极性三线制直流配网的基础上,进行相关公式的计算,通过公式说明了正负极间不均衡现象的产生原因和表现。并由此得出,在存在不平衡负荷与不平衡分布式电源的情况下,仅依靠电压平衡器无法确保双极性直流配网正负极整体均衡运行。为了确保双极性直流配网正负极间电压、电流、功率总体均衡,需要在此基础上引入前端电流平衡器。前端电流平衡器物理实质可以看作是建立正负极两侧间能量转移通路,和之前研究的电压平衡器工作机理一致。因此,前端电流平衡器拓扑结构可以在电压平衡器现有的拓扑结构基础上进行变化和借鉴。本文提出了一种前端电流平衡器拓扑,对拓扑工作原理进行了分析,并且引入了新的闭环控制策略进行控制。在理论分析的基础上,针对光照强度变化不同工况情况下,进行了仿真验证和分析,以验证前端电流平衡器控制正负极功率均衡的有效性和可行性。仿真结果表明了本文理论分析的正确性和提出的前端电流平衡器能够有效实现正负极功率均衡。
【图文】：

配网,母线,结构形式

(c) 双层式母线结构图 1-2 直流配网母线结构形式Fig.1-2 Structure of DC distribution system足不同直流负载供电需求，直流配电系统通常采用双电压等级形式，即母线与低压直流母线，其具体电压等级可根据相关标准，结合实际用电需示意图参见图 1-2(c)。配网关键技术直流母线电压控制技术配网中电力电子变换器连接分布式能源、储能模块、负载模块等各个模并联在直流母线上。各个并联模块可以等效成电压源，由于各自的配电各不相同，造成了不同的阻抗压降，使得各个节点电压存在差异，，从而源间存在着环流。因此，为了控制母线电压稳定和抑制环流的产生，需。下面对常用的电压控制方法主从控制方法和下垂控制方法进行分析和介控制方法[11]中在并联的模块当中选择一个模块为主模块，并且采用电压

变换器,中小功率,正激,反激

(c) 双向 Cuk (d) 双向 SEPIC-ZETA图 1-4 四种基本非隔离型双向 DC-DC 变换器Fig. 1-4 Four kinds of the basic non isolated bidirectional DC-DC converters双向 Buck/Boost 变换器和双向 Buck-Boost 变换器都具有结构简单，成本较低的优点，有较多的应用，适合于中小功率应用场合。双向 Cuk 与双向 SEPIC/ZETA 实际应用较少，使用了较多的电力电子器件，结构较为复杂。根据与上述类似的方法，分别得到反激双向 DC-DC 变换器、正激双向 DC-DC 变换器半桥双向 DC-DC 变换器、全桥双向 DC-DC 变换器、推挽双向 DC-DC 变换器，如图 1-5 所示。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM61

【参考文献】