基于光燃储系统的独立直流微电网能量管理研究

摘要

随着经济全球化的快速渗透，全球日益紧缺的一次能源和日渐突出的环境污染问题已成为不可忽视的重要议题。中国现阶段已将可再生能源纳入全国能源结构的重要组成部分。微电网技术可将以太阳能、风能、生物质能为代表的分布式电源较好地渗透入配电网，降低了分布式电源的间歇性对配电网的影响，同时最大限度地充分利用了分布式电源。其中，直流微电网作为交流配电网的支持与补充，可发挥即插即用、快速可靠等特点，有效解决现有配电网存在的问题，具有重大意义。 本文以光燃储系统为基础，构建了一个独立直流微电网，并根据分布式电源光伏电池与燃料电池的性能特点，研究了不同的控制方法对微电源进行优化控制。根据独立直流微电网拓扑结构及运行需求，设计了一种建立在有限状态机理论上的独立直流微电网能量管理方法，并进行了仿真验证。 根据所研究的光燃储独立直流微电网的拓扑结构，选定以光伏电池输出作为微电网主要出力电源，蓄电池及质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为辅助电源。为使光伏电池达到最大效率利用，本文研究了一种基于回溯搜索算法的光伏电池最大功率点跟踪(MPPT)方法，以使得光伏 MPPT 跟踪效果更好，光伏输出更为平滑、稳定。 为解决燃料电池因动态特性较慢，输出功率频繁快速波动将影响电堆寿命和性能等问题，本文研究了一种基于虚拟直流发电机(VDG)的燃料电池输出优化控制，控制燃料电池侧DC/DC变换器输出表现出直流发电机的动态特性，以提升燃料电池发电系统惯性和阻尼，减小燃料电池输出功率的快速波动对其性能和寿命产生的负面影响。 对所选取的燃料电池、蓄电池进行性能分析，根据实验测得的燃料电池极化曲线、蓄电池SOC与开路电压和充放电内阻等关系，在Matlab/Simulink中建立了基于光燃储系统的独立直流微电网模型。在有限状态机理论的基础上，设计了一种适用于独立直流微电网的能量管理方法。以蓄电池荷电状态SOC为依据，将蓄电池SOC分别划分为高、中、低3个层次，并以负载需求功率、光伏电池、燃料电池和蓄电池输出功率四者之间的关系为判断条件，将独立直流微电网工作状态划分为10个子模式，从而进行微电源能量优化分配与管理。 根据所建立的光燃储独立直流微电网，对蓄电池分别设置高、中、低3种初始SOC模式，采用仿真分析所设计的有限状态机能量管理方法。结果表明：本文设计的基于有限状态机理论的光燃储独立直流微电网能量管理方法，可根据各微电源状态，对直流微电网各微电源功率实现合理分配。

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