基于光伏-混合储能的直流微网运行控制研究

摘要

太阳能光伏发电以其清洁无污染、安装灵活等优点成为国内外研究热点。如果将光伏发电直接接入电网，其随机性和间歇性会对电网的稳定运行与控制造成一定影响，将其以微网的形式接入配电网则能很好地解决上述问题。而微网中光伏阵列和储能装置输出的都是直流电，需要通过逆变器才能接入微网，其转换过程会产生大量电能损耗以及影响电能品质。同时，由于目前直流设备的使用日益增多，直流电需求呈上升趋势。因此，研究直流微网具有较高的理论意义及实际应用价值。
　　本文针对住宅和办公楼宇的光储直流微网展开研究，主要研究内容如下:
　　首先，在研究直流微网拓扑结构的基础上，提出一种适用于住宅和办公楼宇的光储直流微网拓扑结构，主要包括光伏发电单元、储能单元、负载单元以及公用电网单元，阐述了该拓扑结构的特点。对其中光伏电源进行建模仿真与分析，选择一种基于变步长扰动的最大功率跟踪方法，通过仿真证明其具有良好的寻优精确度及响应速度。
　　其次，对比各种储能介质的主要性能，综合考虑能量密度、功率密度、使用寿命以及环境保护等因素，选择锂离子电池和超级电容器构成混合储能系统，并将其以有源架构方式接入微网。对其中储能控制器进行小信号建模分析，并说明了离网和并网运行下混合储能系统的容量配置原则。
　　然后，提出基于无逆潮流并网的光储直流微网运行控制策略。针对直流微网可能出现的运行情况，将其分成四种工作模式，包括普通放电模式、普通充电模式、极端过放模式以及极端过充模式。根据直流母线电压波动和储能电池容量变化论述了各工作模式之间的平滑转换原则。在详细分析各单元功率转换器协调控制的基础上，提出一种基于能量均衡的直流母线电压控制策略，以储能单元的能量调节为主，其他单元的能量交换为辅，相互配合使系统总能量达到动态平衡，维持整个系统稳定高效运行。
　　最后，在Matlab中对光储直流微网的运行控制进行建模与仿真分析。主要考虑微网中两种功率不平衡的情况，包括光伏发电输出功率单独变化和负载消耗功率单独变化，分别对普通充放电模式、极端过放模式以及极端过充模式下微网运行控制进行仿真分析。仿真结果证明了所提工作模式下微网运行控制策略的正确性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景与意义

1．2 国内外直流微网的研究现状

1．3 储能技术在直流微网中的应用

1．4 本文主要研究内容

第2章 直流微网拓扑结构及光伏电池建模仿真

2．1 直流微网的拓扑结构

2．1．1 直流微网的结网方式

2．1．2 直流微网的拓扑结构

2．1．3 光储直流微网拓扑结构

2．2 光伏发电单元建模与仿真分析

2．2．1 光伏电池数学建模

2．2．2 光伏电池工作特性分析

2．2．3 最大功率跟踪方法选择

2．3 本章小结

第3章 直流微网混合储能系统

3．1 储能方式的选择

3．2 混合储能介质工作特性分析

3．2．1 锂离子电池工作原理

3．2．2 锂离子电池等效模型与充放电特性分析

3．2．3 超级电容器等效模型与充放电分析

3．3 混合储能系统结构设计

3．4 储能控制器设计

3．4．1 储能双向DC-DC变换器

3．4．2 双向Buck-Boost变换器的小信号建模

3．5 混合储能容量配置原则

3．5．1 离网型直流微网储能系统容量匹配研究

3．5．2 并网型直流微网储能系统容量匹配研究

3．6 本章小结

第4章 光储直流微网无逆潮流并网运行控制

4．1 光储直流微网无逆潮流并网

4．1．1 基于无逆潮流并网的直流微网工作模式

4．1．2 直流微网工作模式转换原则

4．2 各单元功率变换器控制策略

4．2．1 光伏发电单元Boost变流器控制策略

4．2．2 储能单元双向Buck-Boost变流器控制策略

4．2．3 负载单元变流器控制策略

4．2．4 无逆潮流并网变流器控制策略

4．3 直流母线电压控制策略

4．4 本章小结

第5章 光储直流微网运行控制的仿真分析

5．1 光储直流微网Matlab建模

5．2 光伏发电输出功率变化时的运行特性分析

5．3 负载消耗功率变化时的运行特性分析

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文及申请的专利

攻读学位期间参加的科研工作