直流微网柔性互联开关控制策略研究

摘要

微网作为一种整合分布式电源、储能系统和负荷的有效组织形式，自提出后逐渐受到国内外学者的广泛关注和研究。但以往的研究主要集中于交流微网，随着具有直流特性的分布式电源和直流负荷的增加，直流微网的研究意义日益凸显。以往对于直流微网的研究主要集中于微网内部，如直流微网内部的多源协调控制和储能优化配置等，但对于直流微网间能量调度控制策略等的研究还不是很多。本文以此为切入点，分析了利用柔性互联开关进行直流微网互联和能量调度的控制策略，重点从以下几个方面对柔性互联开关及其与直流微网构成的直流配电系统展开研究。
　　(1)对柔性互联开关在不同工作模式下的工作原理进行了详细理论分析，采用双载波三模式调制方式来实现柔性互联开关在降压、升降压和升压三种模式之间的平滑切换。分析了柔性互联开关的单电流环和电压电流双闭环控制方式，并通过仿真和实验进行验证，证明了相关理论分析的正确性。
　　(2)为实现柔性互联开关进行直流微网互联和能量调度的功能，设计了柔性互联开关的一次调节下垂控制策略。柔性互联开关将检测到的两端微网母线电压大小输入到控制器中，控制器根据设定好的下垂曲线计算出潮流调度的大小和方向。下垂曲线的设置与直流微网内部储能变流器的控制相协调，通过微网间的能量调度使直流微网之间相互支撑，以维持两侧微网母线电压均处于合理范围。接着介绍了柔性互联开关的并联运行控制策略，说明了柔性互联开关在并联运行上的可行性。
　　(3)为辅助实现对两侧直流微网储能SOC(State of Charge)的优化调节，在柔性互联开关一次调节的基础上增加了二次调节功能。二次调节是指柔性互联开关的一次调节下垂控制曲线会根据两侧微网储能SOC的状态上下平移。柔性互联开关在得到两侧微网储能SOC的大小后，由控制器根据相应的公式计算出平移量，将能量从SOC高的一侧调度到低的一侧，以维持两侧微网储能SOC于合理范围内，实现对储能单元SOC的优化调节，延长其使用寿命。
　　(4)对三种模式下的柔性互联开关进行了小信号建模，以柔性互联开关工作于Buck模式为例，推导了柔性互联开关及两侧直流微网在柔性互联开关工作于Buck模式时的数学模型， 并对其在下垂控制策略下的稳定性进行了分析，说明了各控制变量的取值变化对直流微网运行稳定性的影响。
　　(5)在以上理论分析的基础上，在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，并且搭建了基于dSPACE1103的半实物仿真平台，对相关理论和控制策略的正确性进行仿真和实验验证。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 课题研究背景和意义

1．2 直流微网拓扑结构

1．3 直流微网中的双向DC／DC变换器

1．3．1 双向DC／DC变换器作为储能系统接口电路

1．3．2 双向DC／DC变换器作为微网间的互联装置

1．4 直流微网柔性互联开关拓扑选择

1．5 本文主要研究内容

2 柔性互联开关工作原理及控制策略

2．1 柔性互联开关工作原理

2．1．1 柔性互联开关降压模式(Buck Mode)工作原理分析

2．1．2 柔性互联开关升压模式(Boost Mode)工作原理分析

2．1．3 柔性互联开关升降压模式(Buck-Boost Mode)工作原理分析

2．2 柔性互联开关调制策略

2．3 柔性互联开关基本控制策略及仿真分析

2．3．1 单电流环及电压电流双闭环控制策略

2．3．2 仿真分析

2．4 实验验证

2．4．1 dSPACE半实物仿真平台简介

2．4．2 开环实验及结果分析

2．4．3 互馈实验及结果分析

2．4．4 效率实验及结果分析

2．5 本章小结

3 柔性互联开关能量调度控制策略研究

3．1 直流微网拓扑结构及控制原理

3．2 柔性互联开关的一次调节下垂控制策略

3．2．1 一次调节下垂控制策略分析

3．2．2 一次调节下垂控制策略仿真及实验验证

3．3 柔性互联开关的并联控制策略

3．3．1 并联控制策略分析

3．3．2 并联控制策略仿真及实验验证

3．4 基于直流微网储能SOC的二次调节控制策略

3．4．1 二次调节控制策略分析

3．4．2 二次调节控制策略仿真及实验验证

3．4．3 二次调节对实现储能SOC均衡的仿真验证

3．5 本章小结

4 柔性互联开关稳定性分析

4．1 柔性互联开关的小信号建模

4．1．1 Buck模式下柔性互联开关的小信号建模

4．1．2 Buck-Boost模式下柔性互联开关的小信号建模

4．1．3 Boost模式下柔性互联开关的小信号建模

4．2 含下垂控制的柔性互联开关稳定性分析

4．2．1 稳定性分析

4．2．2 仿真和实验验证

4．3 本章小结

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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