直流微网全频段功率/信息融合协同调控方法研究

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直流微网是未来智能配用电系统的重要组成部分,有助于实现“碳达峰”和“碳中和”的“双碳”目标。功率/信息融合协同调控方法是利用电力电子变换器本身的调控单元进行功率变换与信息传输协同控制,以实现功率流与信息流深度融合的新兴研究方向,其迎合未来直流微网功率信息集成化、区域自治智能化、信息本质安全化的发展需求,具有广阔的研究前景。本文以直流微网作为研究背景,聚焦于功率/信息融合协同调控这一研究目标,根据不同频段内电力电子变换器的基本特性,提出了全频段功率/信息融合协同调控理论,并分别在低、中、高频段内,针对单母线结构的电能自主溯源、电压协同层的高效区域自治、同质化电能的安全可靠标记等直流微网亟待解决的关键问题,对应提出了功率/信息融合协同调控思路下的具体解决方法。首先,提出了全频段功率/信息融合协同调控理论。基于电力电子变换器的解构结果,将全频段划分为低频段——阻抗可控域、中频段——信道自治域、高频段——开关调制域三部分,阐明了各频段内变换器的基本特性,并提出与基本特性相契合的各频段内功率/信息融合协同调控统一设计思路。根据频段划分结果,对功率/信息融合协同调控系统中的噪声进行了分类,提出了功率/信息融合协同调控系统通信信噪比的统一分析方法,为后续研究的开展提供理论基础。接着,提出了一种低频段阻抗可控域内的功率/信息融合协同调控方法,即基于可控端口阻抗的点对点功率流追踪方法,实现了直流微网单母线结构下的电能自主溯源,以保障点对点电力交易的准确性与公平性。在应用该方法时,需对阻抗可控域内源变换器和负载变换器的母线端口阻抗特性进行构造,源变换器向微网母线发送有功功率可控的低频交流载波,作为信息流的载体。该方法具体包括源-载点对点功率流测量技术和源-源点对点功率流校验技术,在源-载功率流测量技术中,各负载变换器通过检测自身母线输入端口的交流载波有功功率,推算得知源变换器传输至本负载变换器的点对点直流功率,源-源功率流校验技术利用源变换器的下垂特性与交流载波的幅值信息,完成各源变换器直流输出功率的校验。以上方法的可行性与有效性在一个容量为3k W的直流微网平台上得到了实验验证。随后,设计并完善了中频段信道自治域内的功率/信息融合协同调控方法,即基于功率控制环扰动的频带电能编码方法,为直流微网电压协同层的高效区域自治提供了更为经济可靠的解决方案。针对直流微网电压协同层实时、高速、长距离的通信需求,本文将正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)调制技术引入传统基于功率控制环扰动的频带电能编码方法中,实现了信道自治域带宽利用率的最大化;对中频段内的直流微网进行了小信号建模,阐明了信道自治域内的信道特性,据此提出了功率参数和通信参数设计准则;对影响该方法通信性能的码间串扰和峰均功率比问题,分别提出了时频域数值评估方法和抑制策略。以上方法的可行性与有效性在一个容量为3k W的直流微网实验平台上得到了验证,实验实现了长距离传输场景下高信噪比的OFDM通信。最后,设计并完善了高频段开关调制域内的功率/信息融合协同调控方法,即基于电力电子开关调制的电能编码方法,为直流微网同质化电能的安全可靠标记提供了技术手段。针对直流微网电池管理系统这一应用,提出了隔离型时分复用基带电能编码方法,并对其基本原理与系统设计准则进行详细阐述,推导出了最大节点数边界条件;针对传统基于电力电子开关调制的电能编码方法抗干扰性差、通信可靠性不佳的缺陷,引入线性调频(Chirp)扩频技术与跳频扩频技术,分别提出了基于Chirp扩频与对称二元跳频-直序扩频的频带电能编码方法,大幅提升了通信信噪比,有效降低了系统的EMI。在此基础上,为这两种方法设计了直流微网多机通信协议,以实现电能的安全可靠标记。以上方法的可行性与有效性在一个容量为3k W的直流微网实验平台上得到了实验验证。
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