直流微电网中储能系统功率控制技术研究

发布时间：2018-01-12 21:21

本文关键词：直流微电网中储能系统功率控制技术研究　出处：《北京交通大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：微电网是未来分布式能源供应系统的发展趋势,也是未来电力系统重要的组成部分,对实现能源可持续发展以及推进节能减排具有重要意义。在微电网系统中,光伏电池板和燃料电池等很多分布式电源都具有直流输出形式,而直流用电设备也呈现井喷式发展,因此舍弃了交流母线的直流微电网避免了多余的功率转换环节,提高了系统的效率。与此同时,直流微电网中不存在无功和谐波等方面的问题,可控性更高。本文以直流微电网中的储能系统为研究对象,对其中电力电子功率变换接口(以下称作"微电网变换器")的控制系统进行了深入研究,旨在构造能够同时完成三种类型功率控制目标的通用底层控制,同时将控制重心下移至底层控制,强化变流器层面的控制,进而简化系统层面的控制。本文围绕直流微电网储能系统若干关键问题,逐层对直流微电网改进型底层控制策略、分布式储能系统功率控制策略、混合储能系统功率控制策略以及直流微电网系统层控制策略展开研究。研究成果对直流微电网储能系统功率控制等相关技术具有理论指导意义和实际应用价值。(1)围绕直流微电网底层控制策略展开研究。首先建立了多变换器直流微电网数学模型,并以此为基础量化分析了线路阻抗与功率分配精度的关系。为了降低线路阻抗对功率分配精度的影响,提出了一种基于电压变化率为功率信息载体的改进型下垂控制,并详细阐明了所提方法能够改善功率分配精度的原理。同时,提出了电压变化率的归零控制对改进型下垂控制进行了补偿,确保直流电压的稳定控制。通过建立系统的等效电路模型和小信号模型,对所提直流微电网底层控制的控制参数取值进行了讨论,并给出了所提方法实现功率精确分配的约束条件。通过搭建直流微电网底层控制实验平台,验证了所提控制方法的有效性。(2)为了提高直流微电网稳态性能,延长储能单元运行寿命,优化储能单元使用效率,研究了分布式储能单元在直流微电网中的应用。在改进型底层控制的基础上,结合蓄电池单元的荷电状态,通过对电压变化率归零控制器的改造和变形,提出了基于荷电状态的自适应控制方法,并阐述了所提方法能够实现荷电状态均衡的工作原理。在所提自适应控制的基础上加入了调节因子对均衡速度进行控制,并推导给出了调节因子取值的约束条件。给出了分布式储能系统功率分配的综合原则,并以此为基础提出了考虑振荡型波动功率的储能系统功率分配统一控制策略。从等效输出阻抗的角度出发,对不同控制算法的分配效果展开了详细的分析讨论,揭示了所提控制算法可以满足上述原则的本质原因。实验结果证明了理论分析的正确性以及所提方法的有效性,为分布式储能系统功率分配提供了一种新的解决思路。(3)为了提高直流微电网的暂态性能和电能质量,充分发挥蓄电池和超级电容两种储能元件各自的优势,围绕混合储能系统的功率分配策略展开了研究。在改进型底层控制的基础上,提出了一种基于"灵敏度"一次控制,通过设置不同储能单元输出电压关于功率的"灵敏度",确保超级电容在负载突变瞬间能够提供大部分功率,实现了混合储能系统动态功率分配。为确保混合储能系统稳态功率分配的要求,进一步提出了含有稳态修正功能的二次控制。在建立控制系统模型基础上,对负载发生变化时输出电流的运动轨迹进行了详尽的理论分析。通过搭建混合储能系统实验平台,验证了所提混合储能系统分层控制框架的有效性。(4)围绕直流微电网系统层控制策略展开研究。以多母线直流微电网为研究对象,建立了系统的数学模型,并以此为基础量化分析了不同底层控制下功率分配精度与系统结构参数的关系,分析表明即使系统结构上不对称,所提控制的信息载体——电压变化率都将收敛于一致,这也是改进型下垂控制在多母线微电网中可以实现功率精确分配的根本原因。同时,从虚拟阻抗的角度出发,对所提控制的原理进行了重新阐述,其中,改进型下垂控制巧妙地利用虚拟电容引入了电压变化率这一信息载体,而归零控制器则加入并联虚拟电阻确保了稳态时虚拟电容中没有电流流过,实现直流电压的稳定控制。利用一致性算法与所提电压变化率归零控制器的相似性,在所提底层控制的基础上提出了具有共识机制的改进型下垂控制。并根据蓄电池/超级电容单元具体的控制目标,将具有共识机制的改进型下垂控制推广到了含有混合储能系统的多母线直流微电网。最后,通过实时仿真算例验证了所提方法与相关分析的正确性和有效性。
[Abstract]:In order to improve the steady - state performance of DC micro - grid , the control system of DC micro - grid is discussed . ( 3 ) In order to improve the transient performance and the quality of the DC micro - grid , the power distribution strategy of the hybrid energy storage system is studied .

【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM727

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