直流微电网母线电压与能量协调控制研究答辩PPT

2012级硕士研究生毕业论文答辩直流微网母线电压控制与能量协调策略研究学生：颜瑞凡指导教师：蒋东荣副教授互联大电网课题背景及意义•与大电网互为后备，保证供电可靠性•提高电力变换效率•实现能源的最优利用•提高系统的可控性和稳定性•运行特性及与外部电网相互作用•内部自主运行控制•经济运行与能量优化管理直流微网在现代供配电系统的应用主要集中在乡镇及城市居民小区。优势需解决问题应用光伏单元1光伏单元nDCLOADDCLOAD交流电网48V直流负荷直流负荷蓄电池1蓄电池m-+燃料电池DCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCAC分布式电源（主电源）储能（功率缓冲）主网负荷辅助电源（提高供电可靠性）系统构成电压与能量协调控制策略基于电压变化量的分层控制是实现直流微网稳定运行控制的主要手段。系统在实时运行中的模式自主动态切换，同步实现网内能量优化协调和电压稳定控制要求。目的实时监测母线电压，基于预设电压阈值，自主选择系统运行模式。特点直流微网中不考虑无功功率流动，有功功率波动直接影响母线电压稳定性，母线电压反应网内功率平衡唯一指标。单元变换器工作状态自主切换控制•建立了基于直流母线电压实时监测的各单元接口变换器工作状态自主切换控制策略•通过各变换器的协调控制，实现网内能量调节，为直流微网在不同运行模式下的电压与能量协调控制策略的建立提供依据并网双向DC/AC变换器自主控制光伏单元变换器输出自主控制蓄电池单元双向DC/DC变换器自主充放电控制燃料电池单元变换器自主投切控制PIPWM-+PIabcdqPI-++-+-+--双向DC/AC变换器控制框图控制任务：•电压、电流和频率满足并网要求；•在并网运行状态下，维持直流母线电压恒定；•为减少损耗，当直流微网能量平衡时，可处于空闲模式，其余情况工作在逆变或整流模式。控制特点：•采用双闭环控制，电压外环控制直流侧电压稳定，电流内环使交流侧电流快速跟踪电压外环提供的电流参量；•有功电流参量控制有功功率，同时实现直流母线电压的稳定控制；•保证输出无功功率为零，实现单位功率因数控制，令无功电流参量为零。并网双向DC/AC变换器自主控制电导增量法PIPWMPI模式选择MPPT恒压MPPT模式恒压模式-+-光伏接口变换器控制框图控制任务：•最大限度利用可再生能源；•根据网内能量流动情况实现光伏单元输出自主切换。控制特点：•并网运行时，光伏单元始终工作在MPPT控制模式，向直流微网输入最大功率；•孤岛运行时，实时监测母线电压，光伏单元依旧工作在MPPT控制模式，当且仅当光伏输出严重过剩时，变换器自主切换到恒压控制模式。光伏单元变换器输出自主控制PIPWM模式选择恒流恒压恒流模式-+PIPI恒压模式-+-PIPI充放电下垂控制-+-空闲下垂蓄电池单元变换器控制框图控制任务：•实现储能单元和母线间的能量双向流动；•通过充放电调节直流微网内部的功率平衡，稳定母线电压。控制特点：•并网运行时，采用两阶段充电法对蓄电池进行充电，可有效避免过充，且充电效率高；•取蓄电池SoC上下限分别为90%和40%，到达上限时停止充电，到达下限时停止放电，延长使用寿命；•孤岛运行时，采取电压下垂控制法，控制蓄电池充放电。蓄电池单元双向DC/DC变换器自主充放电控制PIPWMPI模式选择放电空闲恒压模式-+-燃料电池变换器控制框图控制任务：•当且仅当孤岛运行，网内功率输出严重不足时，投入使用；•避免母线电压过度跌落，甚至失衡。控制特点：•优先级最低，通常处于空闲状态，避免燃料电池过早启动，造成资源浪费；•当孤岛运行，负荷需求无法满足时，母线电压较低，燃料电池投入使用，进行恒压输出。燃料电池单元变换器自主投切控制分层控制系统示意图能量过剩模式(5)自由并网模式(1)孤岛平衡模式(2)能量不足模式(6)1.11.051.020.980.950.9第三层第二层第一层第二层第三层(..)dcUpu能量最优利用储能充电调节模式(3)储能放电调节模式(4)储能充放电极限运行储能充放电极限运行基于母线电压监测的直流微网分层控制方法能量最优利用系统控制策略控制任务：不论直流微网处于并网或孤岛运行状态，当母线电压变化范围处于∆𝑼𝒅𝒄𝟐%区间内时，系统即处于第一层控制，其目的主要在于最大限度利用可再生能源，此时，DG接口变换器工作在MPPT状态，蓄电池采用两阶段充电法，工作于充电或空闲状态，根据直流微网运行方式分为两种运行模式。自由并网运行模式孤岛平衡运行模式可再生能源最大化利用控制直流微网并网运行时，双向DC/AC变换器工作状态根据直流微网实时运行状态在整流和逆变间自动切换，系统运行在自由并网运行模式（以下简称模式1）；光伏单元输出大于负荷功率与储能充电功率总和时，剩余功率送入交流主网；当光伏单元输出小于负荷功率与储能充电功率总和时，由大电网补偿网内功率缺额。功率交换关系：1211++nmPViGBmLLiiPPPPP微网与主网的交换功率；定义蓄电池充电时，蓄电池电流为负，放电为正，相应的𝑷𝒃𝒎为负，表示蓄电池充电，放电时𝑷𝒃𝒎为正。直流微网并网运行时，并网双向DC/AC变换器作为平衡节点，利用其自主控制策略，通过工作状态的切换有效满足网内功率平衡。孤岛运行网内功率平衡控制功率交换关系：网内缺少平衡节点，直流母线电压允许在小范围内波动。在孤岛平衡运行模式（以下简称模式2）下，负荷需求和光伏单元输出功率基本满足供需平衡。大电网发生故障时，直流微网进入孤岛运行状态，直流母线电压在此区间表明DG输出总功率与负荷功率满足功率平衡。121nPViLLiPPP蓄电池单元自主切换至空闲状态，光伏单元接口变换器仍工作MPPT控制状态。仿真分析：为判定所建立的能量最优利用控制策略在直流微网功率平衡状态中的有效性，文内通过Matlab/Simulink建立仿真模型，对该层控制下的两种运行模式进行仿真验证分析。其中光伏单元10组，在标准条件（温度𝑻=𝟐𝟓℃，辐照度𝑺=𝟏𝟎𝟎𝟎𝑾/𝒎𝟐）下工作；储能单元选用铅酸蓄电池模块2组，额定电压为120V，标称容量为100Ah；燃料电池额定功率6kw，额定电压45V；直流母线额定电压400V。蓄电池1和2初始SoC分别为89.8%和89.85%。模式1内运行变化t/s102030-20-10010-200200102030456392400408Udc/VPL/kWPG/kWPB/kWPPV/kW-30-20-10010120130140010203040506070809010089.890-30-20-1001012013014005101520253089.889.990SoC2/%Ubat2/VIbat2/ASoC1/%Ubat1/VIbat1/At/s(a)直流微网工作特性负荷功率发生变化，双向DC/AC变换器由逆变状态切换至整流状态(b)蓄电池工作特性蓄电池1和2采取两阶段充电。同时，为延长蓄电池使用寿命，当蓄电池SoC到达90%时，充电完成，充电电流降为零，蓄电池组进入空闲状态。02040-10010-20-10010010200123456392400408Udc/VPL/kWPG/kWPB/kWPPV/kWt/s直流微网由并网运行切换为孤岛运行，此时，若光伏单元输出总功率与负荷总功率基本平衡，蓄电池不再继续充电，直流母线电压稳定在额定值400V。模式1切换至模式2结论：•实现了能源最大限度利用的目标•并网运行下能够利用双向DC/AC变换器的工作状态自主切换实现功率的双向流动•孤岛平衡状态能够实现快速、平滑的切换，母线电压稳定储能充放电自主调节系统控制策略•由于DG输出可能会因此产生波动，同时，总的负荷功率也可能发生变化，因此，直流微网孤岛运行时，网内供需平衡会受到影响，母线电压进入第二层控制区间𝟐%≤∆𝑼𝒅𝒄𝟓%；•蓄电池作为网内平衡节点，调节网内功率流动；•基于母线电压特性，利用下垂特性获得输出电压参量：•充放电过程中平衡各蓄电池单元间的荷电状态（SoC），平均分配单元调节能力；•采用蓄电池充放电自主切换控制，实现充电或放电；11,0,0HBiBiBirefdcLBiBiBiUKIIUUKII•第i个蓄电池单元SoC与所有蓄电池单元平均SoC间的比率𝜶𝒊定义为：•放电过程中，SoC不断减小，下垂系数随之增大，放电电流逐渐减小；相反，充电过程中，SoC不断增大，下垂系数随之增大，充电电流逐渐减小。•计算该比率的目的是用于调节第i个蓄电池单元变换器的下垂系数，自主修正调节后的下垂系数为：11iiljjSoCSoCn,0/,0iBiBiBiBiiBiKIKKI电流比率𝑰𝑩𝒊𝟎（充电）𝑰𝑩𝒊𝟎（放电）𝜶𝒊𝟏𝑲𝑩𝒊′𝑲𝑩𝒊𝑲𝑩𝒊′𝑲𝑩𝒊𝜶𝒊𝟏𝑲𝑩𝒊′𝑲𝑩𝒊𝑲𝑩𝒊′𝑲𝑩𝒊仿真分析：基于构建的直流微网系统模型，利用储能充放电自主调节控制策略，对第二层控制下的两种运行模式进行仿真实验分析。t/s1520-200201233904004104201520Udc/VPL/kWPB/kWPPV/kW模式2切换至模式3直流微网孤岛运行，初始满足供需平衡，运行于模式2，一旦负荷减小，光伏输出大于负荷需求，此时，蓄电池自主进入下垂充电控制状态，母线电压得以稳定在该层控制电压区间。模式2切换至模式4202122-10118202224123380390400410Udc/VPL/kWPB/kWPPV/kWt/s直流微网孤岛运行，初始满足供需平衡，运行于模式2，一旦负荷增大，光伏输出小于负荷需求，此时，蓄电池自主进入下垂放电控制状态，母线电压得以稳定在该层控制电压区间。结论：•实时监测母线电压直接获取直流微网系统运行模式的自主切换判据；•利用蓄电池充放电下垂控制自主调节网内功率，达到抑制母线电压持续变化的目的；•不需预先掌握系统运行状态，能适应系统的复杂变化，可用于直流微网孤岛运行供需不平衡时的网内自主调节。网内功率严重不平衡的极限运行系统控制策略控制任务：•直流微网系统孤岛运行时，若网内功率严重不平衡，将导致母线电压严重偏离额定值，此时蓄电池调节能力受到严重制约，系统进入第三层控制，5%≤∆𝑼𝒅𝒄𝟏𝟎%。为避免电压过高或过低，影响系统运行稳定性和供电质量，甚至导致直流微网崩溃，需采取相应的运行模式切换，系统极限运行可分为下面两种情况：功率严重过剩•当DG输出功率远大于蓄电池充电所需功率和负荷需求时，蓄电池充电调节不足以抑制因功率严重不平衡导致的母线电压持续升高，一端DG并网变换器自主切换至恒压控制，作为网内平衡节点，调节功率输出功率严重不足•蓄电池放电到达下限时退出运行，直流微网失去功率调节能力，母线电压进一步偏离，燃料电池作为辅助电源投入运行，充当网内平衡节点，补偿功率缺额网内功率严重过剩控制•对于直流微网孤岛运行状态下，能量过剩运行模式（以下简称模式5）对应母线电压变化量为5%≤∆𝑼𝒅𝒄𝟏𝟎%时的状态。•其中一个光伏单元接口变换器不再工作在MPPT状态，转而自主切换至恒压状态，作为直流微网系统的平衡节点，通过电压下垂控制调节𝑼𝒅𝒄。•光伏单元接口变换器下垂特性表达式为：•利用蓄电池充放电自主切换控制，蓄电池以最大充电电流恒流充电；2refdcHPVdcUUKI•由于可再生能源的严重不足或负荷功率的大量增多，导致母线电压持续降低，能量不足运行模式（以下简称模式6）对应母线电压变化量为−𝟏𝟎%≤∆𝑼𝒅𝒄−𝟓%时的状态；•光伏单元接口变换器工作于MPPT状态，蓄电池作为平衡节点，通过下垂放电控制母线电压，控制方法与第二层控制类似；网内功率严重不足控制•蓄电池下垂放电表达式为：2refdcLBiBiUUKI•而当所有蓄电池都到达下限时，为避免母线电压崩溃，燃料电池作为直流微网内部的辅助电源投入使用，以补偿DG和储能输出功率严重不足造成的网内