一种混合储能变换器的模型预测整体控制方法
发布时间：2020-12-21 02:45
新能源发电渗透率逐渐提高,由新能源本身固有特性向电网引入的功率扰动不容忽视,且在高比例接入情况下对于新能源发电参与电网调节的需求越来越大,这对其系统功率响应性能提出了更高的要求。由蓄电池和超级电容组成的混合储能由于具有互补的能量特性,应用于新能源发电系统中可以帮助提升其整体的能量处理能力。为了充分发挥储能介质的功率特性,针对光伏发电系统中的应用,提出了一种应用于蓄电池-超级电容混合储能变换器的模型预测整体控制方法。根据变换器主电路的数学模型,结合混合储能的控制目标,设计了嵌入功率滤波器的模型预测整体控制策略。仿真结果表明提出的模型预测整体控制方法具有优越的功率响应特性与参数鲁棒性。
【文章来源】：电力系统保护与控制. 2020年21期 北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
混合储能双向DC/DC变换器主电路
根据母线支撑与能量需求的控制目标，结合双向DC-DC变换器的数学模型，利用式(14)和式(15)所示的目标函数即可实现对混合储能变换器的整体控制[25]。基于以上推导，最终确定混合储能变换器的整体控制方法如图4所示。该方法在实现过程中未使用PID调节器，结构简单，避免了耗时较长的参数校正环节。第2节将通过仿真证明该方法在功率响应特性与参数鲁棒性方面的优越性。2 仿真分析
在国家政策支持与研究者的不断努力下，新能源发电在多个领域得到大量应用，成为缓解能源危机，减少环境污染的有效途径。由于新能源本身固有分散性、间歇性、易受环境因素影响等特点，多通过电力电子换流器转换后接入电网。随着浸透率的提高，新能源发电参与电网调节的需求越来越大，对其系统中电力电子换流器的性能提出了更高的要求。以光伏发电为例，因受光照、温度等的影响，其产生的功率波动通过电力电子换流器注入电网，对电网造成一定的影响，且无法保证在电网调节中可靠发力。文献[1-2]解决该问题的一个有效方法是加入储能，以缓冲光伏与电网间的能量交换。目前，蓄电池和超级电容由于具有互补的能量、功率特性，其组合形成的混合储能在电动汽车、新能源发电等领域得到了广泛的应用[3-7]。蓄电池能量密度高，负责提供长时间的能量缓冲；超级电容功率密度高，适用于实现快速的功率响应。采用蓄电池和超级电容作为混合储能的光伏发电系统如图1所示。二者互补，在双向直流变换器的控制下，根据系统需求提供能量缓冲与功率响应。在很多情况下，还需提供直流母线支撑作用。例如，为了使新能源发电装置参与电网调节，可以对并网逆变器应用虚拟同步发电机(VSG)控制方法，使其具备同步发电机特性[8-11]。此时，系统直流母线电压需由储能双向变换器支撑，且要求其能够配合光伏部分对电网功率波动进行快速响应。因此，储能双向变换器的性能决定了储能介质能否有效补偿光伏能量，提升发电系统的整体性能及参与电网调节的可靠性。在储能双向变换器的控制方面，典型的基于低通滤波功率分频的双环控制[12-14]方法如图2所示。电压外环负责稳定直流母线电压，生成内环电流指令，经过低通滤波器分频后得到蓄电池和超级电容的电流参考信号，二者分别经过比例积分微分(PID)调节器实现对蓄电池和超级电容的功率控制。在该方法中，电流指令反映功率需求，蓄电池提供低频功率缓冲，超级电容进行高频功率响应，实现对光伏能量的补偿。文献[15]利用双有源桥变换器(DAB)构成了由蓄电池和超级电容组成的复合储能系统，设计了基于级联双环控制的能量管理策略，实现了功率需求的自动分配。文献[16]针对蓄电池-超级电容级联储能系统结构，提出了基于电压下垂的混合储能控制方法。由电压下垂控制稳定直流母线电压，同时生成内环电流指令，实现对蓄电池电流的平滑控制。这些控制方法实现了混合储能系统的能量分配，但均基于PID调节器，其固有缺点导致储能介质的性能无法得到充分利用。采用级联双环反馈控制使得控制结构复杂化，系统动态响应速度较慢。PID参数调节耗时长[17]，且基于特定稳态工作点设计的参数值无法在工作点变化后保持良好的控制特性。对于蓄电池和超级电容组成的混合储能来说，需根据发电系统需求进行能量转换，其运行功率、端电压等均存在较大的变化，使用基于PID的控制器难以保证在多种运行条件下的响应性能。
【参考文献】：
期刊论文
[1]含高渗透率光伏发电的直流配电网协调控制研究[J]. 黄靖,殷世杰. 可再生能源. 2019(12)
[2]基于模型预测控制的微电网逆变器控制方法研究[J]. 董润楠,刘石,梁庚,安馨. 电力系统保护与控制. 2019(21)
[3]基于DAB变换器的舰船中压直流混合储能系统端电压限制[J]. 郭燚,张权宝,郭将驰,邵德东,于士振. 上海海事大学学报. 2019(01)
[4]虚拟同步储能变换器的功率环双模式控制[J]. 温春雪,杨春来,陈丹,胡长斌,朴政国,周京华. 电力系统自动化. 2019(08)
[5]基于开关序列的光伏储能双向DC-DC变换器预测电流控制方法[J]. 杨惠,晁凯悦,孙向东,张琦,骆姗. 电网技术. 2019(01)
[6]考虑需求响应不确定性的光伏微电网储能系统优化配置[J]. 李姚旺,苗世洪,刘君瑶,叶畅,尹斌鑫,杨炜晨. 电力系统保护与控制. 2018(20)
[7]基于优化控制集的模块化多电平变换器模型预测控制方法[J]. 薛花,邓兴成,王艳青,王育飞,李杨. 电力系统保护与控制. 2018(19)
[8]电动汽车复合储能系统的功率分配优化研究[J]. 吴晓刚,侯维祥,帅志斌,高明明. 电机与控制学报. 2017(11)
[9]应用于光伏微网的一种虚拟同步发电机结构及其动态性能分析[J]. 王振雄,易皓,卓放,孙力,裴云庆,翟灏,吴嘉琪. 中国电机工程学报. 2017(02)
[10]基于预测方法的直流微网混合储能虚拟惯性控制[J]. 于明,王毅,李永刚. 电网技术. 2017(05)
本文编号：2929040
【文章来源】：电力系统保护与控制. 2020年21期 北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
混合储能双向DC/DC变换器主电路
根据母线支撑与能量需求的控制目标，结合双向DC-DC变换器的数学模型，利用式(14)和式(15)所示的目标函数即可实现对混合储能变换器的整体控制[25]。基于以上推导，最终确定混合储能变换器的整体控制方法如图4所示。该方法在实现过程中未使用PID调节器，结构简单，避免了耗时较长的参数校正环节。第2节将通过仿真证明该方法在功率响应特性与参数鲁棒性方面的优越性。2 仿真分析
在国家政策支持与研究者的不断努力下，新能源发电在多个领域得到大量应用，成为缓解能源危机，减少环境污染的有效途径。由于新能源本身固有分散性、间歇性、易受环境因素影响等特点，多通过电力电子换流器转换后接入电网。随着浸透率的提高，新能源发电参与电网调节的需求越来越大，对其系统中电力电子换流器的性能提出了更高的要求。以光伏发电为例，因受光照、温度等的影响，其产生的功率波动通过电力电子换流器注入电网，对电网造成一定的影响，且无法保证在电网调节中可靠发力。文献[1-2]解决该问题的一个有效方法是加入储能，以缓冲光伏与电网间的能量交换。目前，蓄电池和超级电容由于具有互补的能量、功率特性，其组合形成的混合储能在电动汽车、新能源发电等领域得到了广泛的应用[3-7]。蓄电池能量密度高，负责提供长时间的能量缓冲；超级电容功率密度高，适用于实现快速的功率响应。采用蓄电池和超级电容作为混合储能的光伏发电系统如图1所示。二者互补，在双向直流变换器的控制下，根据系统需求提供能量缓冲与功率响应。在很多情况下，还需提供直流母线支撑作用。例如，为了使新能源发电装置参与电网调节，可以对并网逆变器应用虚拟同步发电机(VSG)控制方法，使其具备同步发电机特性[8-11]。此时，系统直流母线电压需由储能双向变换器支撑，且要求其能够配合光伏部分对电网功率波动进行快速响应。因此，储能双向变换器的性能决定了储能介质能否有效补偿光伏能量，提升发电系统的整体性能及参与电网调节的可靠性。在储能双向变换器的控制方面，典型的基于低通滤波功率分频的双环控制[12-14]方法如图2所示。电压外环负责稳定直流母线电压，生成内环电流指令，经过低通滤波器分频后得到蓄电池和超级电容的电流参考信号，二者分别经过比例积分微分(PID)调节器实现对蓄电池和超级电容的功率控制。在该方法中，电流指令反映功率需求，蓄电池提供低频功率缓冲，超级电容进行高频功率响应，实现对光伏能量的补偿。文献[15]利用双有源桥变换器(DAB)构成了由蓄电池和超级电容组成的复合储能系统，设计了基于级联双环控制的能量管理策略，实现了功率需求的自动分配。文献[16]针对蓄电池-超级电容级联储能系统结构，提出了基于电压下垂的混合储能控制方法。由电压下垂控制稳定直流母线电压，同时生成内环电流指令，实现对蓄电池电流的平滑控制。这些控制方法实现了混合储能系统的能量分配，但均基于PID调节器，其固有缺点导致储能介质的性能无法得到充分利用。采用级联双环反馈控制使得控制结构复杂化，系统动态响应速度较慢。PID参数调节耗时长[17]，且基于特定稳态工作点设计的参数值无法在工作点变化后保持良好的控制特性。对于蓄电池和超级电容组成的混合储能来说，需根据发电系统需求进行能量转换，其运行功率、端电压等均存在较大的变化，使用基于PID的控制器难以保证在多种运行条件下的响应性能。
【参考文献】：
期刊论文
[1]含高渗透率光伏发电的直流配电网协调控制研究[J]. 黄靖,殷世杰. 可再生能源. 2019(12)
[2]基于模型预测控制的微电网逆变器控制方法研究[J]. 董润楠,刘石,梁庚,安馨. 电力系统保护与控制. 2019(21)
[3]基于DAB变换器的舰船中压直流混合储能系统端电压限制[J]. 郭燚,张权宝,郭将驰,邵德东,于士振. 上海海事大学学报. 2019(01)
[4]虚拟同步储能变换器的功率环双模式控制[J]. 温春雪,杨春来,陈丹,胡长斌,朴政国,周京华. 电力系统自动化. 2019(08)
[5]基于开关序列的光伏储能双向DC-DC变换器预测电流控制方法[J]. 杨惠,晁凯悦,孙向东,张琦,骆姗. 电网技术. 2019(01)
[6]考虑需求响应不确定性的光伏微电网储能系统优化配置[J]. 李姚旺,苗世洪,刘君瑶,叶畅,尹斌鑫,杨炜晨. 电力系统保护与控制. 2018(20)
[7]基于优化控制集的模块化多电平变换器模型预测控制方法[J]. 薛花,邓兴成,王艳青,王育飞,李杨. 电力系统保护与控制. 2018(19)
[8]电动汽车复合储能系统的功率分配优化研究[J]. 吴晓刚,侯维祥,帅志斌,高明明. 电机与控制学报. 2017(11)
[9]应用于光伏微网的一种虚拟同步发电机结构及其动态性能分析[J]. 王振雄,易皓,卓放,孙力,裴云庆,翟灏,吴嘉琪. 中国电机工程学报. 2017(02)
[10]基于预测方法的直流微网混合储能虚拟惯性控制[J]. 于明,王毅,李永刚. 电网技术. 2017(05)
本文编号：2929040
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlilw/2929040.html
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