基于dSPACE快速控制原型的直流微电网协调控制研究

摘要

随着全球经济高速发展和化石燃料的大量消耗，能源危机和环境问题日益突出，基于可再生能源的分布式发电得到了广泛的应用。利用可再生能源的关键技术是如何将可再生能源并入大电网，微电网技术恰好可以解决这个问题。基于光伏发电的直流微电网不存在频率、相位和无功等复杂控制，受到越来越多的关注。然而不同微源有着不同的特性，如何协调这些微源之间的关系是微电网控制技术的关键。
　　本文以一个由光伏阵列、蓄电池、燃料电池组成的直流微电网为研究对象。利用先进的半实物仿真技术，基于dSPACE实时仿真系统的快速控制原型技术，对直流微电网孤岛运行时系统的能量管理以及各电源模块的控制策略、并网运行时并网变换器的控制策略等关键技术问题，进行了以下研究工作。
　　首先，基于dSPACE实时仿真系统构建了直流微电网能量管理研究平台，采用快速控制原型技术，可在实验室条件下实现对直流微电网各种运行状态的模拟，详细介绍了平台的总体结构及系统关键部件的选型与设计，为直流微电网相关控制策略的研究奠定了良好的实验基础。
　　光伏发电单元是直流微电网内最主要的能量来源，为了进一步提高光伏阵列的利用效率，本文针对传统扰动观察法在光伏最大功率跟踪时的不足，提出了一种改进型控制策略。该策略利用在最大功率点两侧，参考电压的前后压差符号发生变化的特性进行变步长控制。采用这种方法可以消除定步长扰动观察法在最大功率点处产生的振荡，实现稳态功率无脉动，优化电能质量，且方案简单，易于实现。
　　其次，对孤岛运行状态下的直流微电网自适应能量控制策略进行了研究，以协调微电网内各微源之间的能量均衡关系。控制系统中无集中控制单元，以直流母线电压为信息载体，各个电源模块分段参与母线电压控制。在分析蓄电池充放电特性的基础上，对蓄电池单元采用基于电压反下垂控制的双闭环控制策略。该控制策略可以在光伏阵列发电量及负载功率需求波动时，适时地充电或放电，从而保证了母线电压的稳定，实现了系统能量的均衡。通过对燃料电池的放电阀值的设定，使得燃料电池可以在系统能量不足时准确投入运行。仿真和实验结果均证明了直流微电网孤岛运行时所采用的自适应能量控制策略的有效性和可行性。
　　最后，基于直接功率控制技术对直流微电网内并网变换器的并网控制策略，特别是在不对称电网故障下的控制策略进行了研究。在两相静止坐标系下，建立了以瞬时有功和无功功率作为状态变量的并网变换器的数学模型。根据此模型，结合空间矢量调制技术，设计了基于空间矢量调制(SVM)的并网变换器直接功率控制策略。在介绍常见电网故障的基础上，详细分析了不对称电网故障对并网变换器输出有功和无功功率的影响，并采用在无功功率中加入振荡补偿量的方法，有效抑制了并网电流中含有的谐波分量。提出了一种通过补偿并网变换器交流侧阻抗功率振荡来消除直流母线电压波动的改进型功率优化补偿控制策略，进一步提高了系统在电网故障期间的不间断运行能力。仿真和实验结果均证明了该优化补偿方案的有效性和可行性。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 直流微电网的发展及研究现状

1.3 实时仿真技术

1.4 本文主要研究内容

第2章 基于dSPACE快速控制原型的直流微电网能量管理平台

2.1 引言

2.2 平台总体结构

2.3 平台硬件电路参数设计

2.4 dSPACE转接控制板的设计

2.5 本章小结

第3章 光伏单元的最大功率点跟踪控制技术

3.1 引言

3.2 光伏电池的特性与模型

3.3 稳态无振荡的改进型MPPT算法

3.4 仿真与实验

3.5 本章小结

第4章 孤岛模式下直流微电网的自适应能量控制策略

4.1 引言

4.2 直流微电网的自适应能量控制方案

4.3 光伏单元的控制策略

4.4 蓄电池的控制策略

4.5 燃料电池的控制策略

4.6 系统仿真及实验

4.7 本章小结

第5章 并网模式下的直流微电网的控制策略

5.1 引言

5.2 基于直接功率控制技术的并网变换器控制策略

5.3 电网故障及其对并网变换器运行影响分析

5.4 不对称电网故障下直流微电网的并网控制策略

5.5 基于dSPACE快速控制原型的并网变换器实验

5.6 本章小结

结论

展望

参考文献

攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢