直流微電網(wǎng)中儲能系統(tǒng)功率控制技術研究.pdf

1、微電網(wǎng)是未來分布式能源供應系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，也是未來電力系統(tǒng)重要的組成部分，對實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展以及推進節(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)進行了深入研究，旨在構造能夠同時完成三種類型功率控制目標的通用底層控制，同時將控制重心下移至底層控制，強化變流器層面的控制，進而簡化系統(tǒng)層面的控制。
　　本文圍繞直流微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)若干關鍵問題，逐層對直流微電網(wǎng)改進型底層控制策略、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)功率控制等相關技術具有理論指導意義和實際應用價值。

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)學模型，并以此為基礎量化分析了線路阻抗與功率分配精度的關系。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型下垂控制，并詳細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型下垂控制進行了補償，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、值進行了討論，并給出了所提方法實現(xiàn)功率精確分配的約束條件。通過搭建直流微電網(wǎng)底層控制實驗平臺，驗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)中的應用。在改進型底層控制的基礎上，結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、應控制的基礎上加入了調(diào)節(jié)因子對均衡速度進行控制，并推導給出了調(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。實驗結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。在改進型底層控制的基礎上，提出了一種基于“靈敏度”一次控制，通過設置不同儲能單元輸出電壓關于功率的“靈敏度”，確保超級電容在負載突變瞬間能夠提供大部分功率，實現(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)模型基礎上，對負載發(fā)生變化時輸出電流的運動

7、軌跡進行了詳盡的理論分析。通過搭建混合儲能系統(tǒng)實驗平臺，驗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)學模型，并以此為基礎量化分析了不同底層控制下功率分配精度與系統(tǒng)結構參數(shù)的關系，分析表明即使系統(tǒng)結構上不對稱，所提控制的信息載體——電壓變化率都將收斂于一致，這也是改進型下垂控制在多母線微電網(wǎng)中可以實現(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行了重新闡述，其中，改進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上提出了具有共識機制的改進型下垂控制。并根據(jù)蓄電池/超級電容單元具體的控制目標，將具有共識機制的改進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，通過實時