基于虚拟惯性的多储能直流微网变换器控制策略研究

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直流微网无需考虑无功功率、频率、相位等问题,结构简单且易于控制,具有更高的供电可靠性。然而由大量电力电子器件组成的直流微网响应速度很快,导致直流微网成为低惯性系统,极易受到分布式电源输出功率波动与负载频繁投切的影响。除此之外,随着大量储能单元分布式地接入直流微网,各储能单元间不合理的功率分配会降低微网运行的稳定性与经济性,因此针对变换器控制进行研究,实现储能单元间合理的功率分配具有重要的现实意义。本文针对多储能直流微网双向DC/DC变换器的控制进行研究,旨在提高直流微网应对功率扰动能力的同时,减少储能单元过充过放等问题,从而提高直流微网运行的稳定性与经济性。论文的主要工作如下:(1)分析了光伏单元、储能单元及其与直流母线相连接变换器的数学模型与工作原理,建立了其小信号模型,利用PSCAD/EMTDC构建了包含光伏电源、蓄电池与负载的光储直流微网模型,为后续工作奠定了基础。(2)分析了虚拟直流发电机的数学模型与工作原理,考虑转动惯量与阻尼系数对系统惯性造成的影响、功率扰动下母线电压波动的特点及系统在不同波动阶段对惯性的需求,提出了一种惯量阻尼自适应虚拟直流发电机控制方法。该方法利用指数函数的变化特性,根据母线电压变化情况对系统惯性进行分阶段调节,从而满足系统在不同波动阶段对惯性的需求,提高直流微网的抗扰动能力。(3)针对传统荷电状态均衡功率分配方法适用范围受限的问题,考虑蓄电池荷电状态的影响,提出了一种适用于多台并联运行虚拟直流发电机的功率分配方法。该方法不受蓄电池工作电压变化的影响,可以根据运行中各蓄电池容量与荷电状态实时调节其承担功率,实现蓄电池间的荷电状态均衡,避免出现蓄电池过充过放及提前退出供电等问题,具备适用范围广、操作简单及可拓展性强等特点。(4)在PSCAD/EMTDC中搭建了直流微网仿真模型,对惯量阻尼自适应控制方法与荷电状态均衡功率分配方法进行了仿真验证,并与虚拟直流发电机的传统控制方法及现有功率分配方法进行了对比分析,仿真结果证明了本文所提方法的有效性及优越性。研究表明:本文所提惯量阻尼自适应控制方法可以更好地为直流微网提供惯性支撑,提高其抗扰动能力;功率分配方法可以根据需求调节荷电状态的均衡速度,实现多台并联运行虚拟直流发电机间的荷电状态均衡。
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