直流微电网的弧岛小信号稳定性分析与并网分层控制策略

摘要

全球能源危机和环境危机正促使世界各国寻找可再生新能源以替代石油、煤炭等传统能源，激发了风力发电、太阳能发电等技术的迅猛发展。直流微电网技术作为集成利用分散的可再生能源的一种有效途径，具有重要的研究价值和应用前景。本文对直流微电网的孤岛小信号稳定性问题进行了分析，并提出了直流微电网的的并网分层控制策略。主要工作如下:
　　首先，总结了包括Buck、Boost、Buck-Boost等多种基本DC/DC变换器在6种基本控制下的电路;在基本DC/DC变换器统一电路模型的基础上，推导得到了在单电压环进行恒电压控制下的各种基本DC/DC变换器的输出阻抗和输入导纳;并依次推导得到了Buck、Boost、Buck-Boost三种电路在单电流环和电压电流双环控制时的输出导纳和输入导纳;为直流微电网孤岛小信号稳定性分析奠定基础。
　　其次，提出了一种基于阻抗的直流微电网稳定性判据，该判据揭示了:在各模块自身稳定的前提下，系统稳定性只与各部分的阻抗或导纳相关。该判据能够兼容考虑系统节点间的阻抗;省去了参考到输出的闭环传递函数矩阵，简化了计算;对系统结构无特定要求，可适用于放射型系统，也可适用于环形系统;可分析含电压控制型电源、电流控制型电源、恒功率负载、系统节点间阻抗等复杂直流微电网的稳定性，且易于扩展。
　　然后，在提出的基于阻抗的直流微电网稳定性判据的基础上，针对多电源主从控制下环形直流微电网稳定性进行了实例分析，给出了主从控制下环形直流微电网的稳定性判据;对电压电流双环控制的主电源、单电流环控制的从电源以及带有电磁干扰滤波器的恒功率负载进行了详细的阻抗建模;在分析双准PR控制器的特性基础上，提出了一种基于双准PR控制器的串联有源阻尼控制方法;三机四节点的主从控制下环形直流微电网案例结果表明:提出的稳定性判据能够准确判断不同恒功率负载、阻性负载下系统的稳定性和动态特性，提出的基于双准PR控制器串联有源阻尼控制方法能在有效提高系统稳定性的同时，不影响系统稳态潮流分布。
　　再者，在提出的基于阻抗的直流微电网稳定性判据的基础上，针对多电源对等控制下环形直流微电网稳定性进行了实例分析，给出了对等控制下环形直流微电网的稳定性判据;对下垂控制的电源进行了阻抗建模，在分析陷波器特性基础上，提出了一种基于陷波器的并联有源阻尼控制方法，给出了相应的参数设置方法;利用提出的稳定性判据，通过分析多种负荷功率情况下的系统稳定性和不同控制器参数、恒功率负载下系统的根轨迹，准确地分析了系统的稳定性和动态性能。三机四节点的对等控制下环形直流微电网案例结果验证了所提稳定性判据和并联有源阻尼控制方法的有效性。
　　最后，总结了直流微电网的分层控制架构，并提出了基于并联双向交流器的直流微电网并网分层控制。提出的电流内环d-q-0控制方法抑制了多个并联双向交流器中的环流，提出的电压环中采用直流电压的平方策略使得非线性耦合关系成为线性;采用下垂控制实现多个并联双向变流器的初步均流，通过对电流均流误差与直流电压偏差的定量分析发现，仅依靠下垂控制会在降低电流均流误差与减小直流电压偏差之间产生折中问题;于是提出了动态下垂系数调整和电压调整策略，同时消除了电流均流误差和直流电压偏差;最后通过控制实现了直流微电网与交流大电网联络线的精确功率控制。

目录

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致谢

摘要

图目录

表目录

1绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 DC／DC变换器阻抗建模

1．2．2 孤网状态下小信号稳定性分析与提高

1．2．3 并网分层控制

1．3 本文主要研究内容

1．4 本文的组织结构

2 DC／DC变换器阻抗建模

2．1 概述

2．2 基本DC／DC变换器及其控制电路

2．3 统一电路模型下的阻抗建模

2．3．1 单电压环控制下电压源的输出阻抗

2．3．2 单电压环控制下恒功率负载的输入导纳

2．4 Buck变换器阻抗建模

2．4．1 Buck变换器单电流环控制下电流源的输出导纳

2．4．2 Buck交换器单电流环控制下恒电流负载的输入导纳

2．4．3 Buck变换器电压电流双环控制下电压源的输出阻抗

2．4．4 Buck变换器电压电流双环控制下恒功率负载的输入导纳

2．5 Boost变换器阻抗建模

2．5．1 Boost变换器单电流环控制下电流源的输出导纳

2．5．2 Boost变换器单电流环控制下恒电流负载的输入导纳

2．5．3 Boost变换器电压电流双环控制下电压源的输出阻抗

2．5．4 Boost变换器电压电流双环控制下恒功率负载的输入导纳

2．6 Buck-Boost交换器阻抗建模

2．6．2 Buck-Boost交换器单电流环控制下恒电流负载的输入导纳

2．6．3 Buck．Boost变换器电压电流双环控制下电压源的输出阻抗

2．6．4 Buck-Boost变换器电压电流双环控制下恒功率负载的输入导纳

2．7 本章小结

3 直流微电网的孤岛小信号稳定性分析与有源阻尼控制

3．1 概述

3．2 稳定性判据

3．3 主从控制下直流微电网稳定性分析与提高

3．3．1 主电路

3．3．2 阻抗建模

3．3．3 基于双准PR控制器的有源阻尼控制方法

3．3．4 稳定性分析

3．3．5 仿真结果

3．4 对等控制下直流微电网稳定性分析与提高

3．4．1 主电路

3．4．2 阻抗建模

3．4．3 基于陷波器的有源阻尼控制方法

3．4．4 稳定性分析与仿真结果

3．5 本章小结

4 直流微电网的并网分层控制

4．1 概述

4．2 直流微电网分层控制架构

4．3 并联双向变流器的分层控制

4．3．1 第0层控制

4．3．2 第1层控制

4．3．3 第2层控制

4．3．4 第3层控制

4．4 仿真结果与分析

4．5 本章小结

5 总结与展望

5．1 全文工作总结

5．2 进一步的工作展望

参考文献

作者简历

攻读博士学位期间所取得的科研成果

攻读博士期间参加的科研工作