微網(wǎng)孤島運行模式下阻抗匹配關(guān)系和混雜特性研究.pdf

1、微網(wǎng)(Microgrid)也稱微電網(wǎng),是一種由分布式電源、儲能裝置、能量變換裝置、負(fù)荷、監(jiān)控和保護(hù)裝置等組成的能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、管理和保護(hù)的小型發(fā)配電系統(tǒng),既可以與大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運行,也可以孤島運行。本論文在國家自然科學(xué)基金項目“光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)間阻抗匹配關(guān)系及系統(tǒng)穩(wěn)定性研究”的支持下,以阻抗匹配和混雜系統(tǒng)相關(guān)理論為基礎(chǔ),以孤島運行模式下的微網(wǎng)為研究對象,針對發(fā)電單元與負(fù)荷間阻抗失配、能量管理過程中的多目標(biāo)優(yōu)化等問題,從分布式發(fā)電單元

2、接口逆變器建模及運行特性、恒功率負(fù)載影響、多逆變器并聯(lián)穩(wěn)定性、微網(wǎng)混雜特性、能量管理策略及其優(yōu)化控制等方面展開理論和實驗研究。研究成果對微網(wǎng)結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)規(guī)范化設(shè)計,優(yōu)化不同工況下能量管理策略具有一定的理論指導(dǎo)意義和實際應(yīng)用價值。
　　深入分析光伏發(fā)電單元、儲能單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式,建立各單元小信號模型,并根據(jù)系統(tǒng)運行過程中各單元不同工作特點設(shè)計相應(yīng)的控制策略。針對光伏發(fā)電單元,提出基于功率前饋的控制方法,該方法通過將光伏陣列

3、輸出功率信息直接引入到交流電流控制環(huán)節(jié),提高光伏發(fā)電單元對輸入功率波動的響應(yīng)速度;針對儲能單元,在對比以往不同蓄電池充電方式的基礎(chǔ)上,設(shè)計恒壓限流充電控制策略,通過合理配置電壓外環(huán)輸出限幅來減小原有兩階段充電過程中的電壓、電流沖擊。上述研究也為后續(xù)基于阻抗匹配關(guān)系的系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和能量管理策略的優(yōu)化設(shè)計奠定理論基礎(chǔ)。
　　以阻抗穩(wěn)定性分析方法為基礎(chǔ),建立光伏發(fā)電單元孤島運行模式下的逆變器輸出阻抗模型,分析濾波參數(shù)對系統(tǒng)輸出阻抗及穩(wěn)

4、定性的影響,并通過時域分析方法證明分析結(jié)果的正確性,從理論上闡明阻抗分析方法的合理性和可行性。詳細(xì)闡述恒功率負(fù)載(CPL)的負(fù)阻特性特點及其影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的原因,提出一種虛擬電感控制方法,通過在原有控制結(jié)構(gòu)中增加電感電流正反饋支路的方式降低逆變器輸出阻抗,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,同時該方法對于系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度和諧波問題也有一定改善作用。另外,考慮到實際微網(wǎng)中多逆變器并聯(lián)的特點,本文提出單個逆變單元的導(dǎo)納域穩(wěn)定性分析方法,并給出相應(yīng)幅值和相角

5、穩(wěn)定條件及設(shè)計準(zhǔn)則,降低微網(wǎng)設(shè)計的復(fù)雜性。
　　在詳細(xì)分析微網(wǎng)系統(tǒng)混雜特性基礎(chǔ)上,借助混雜系統(tǒng)相關(guān)理論建立可完整描述其運行狀態(tài)的混合邏輯動態(tài)(MLD)模型。該模型以光伏單元直流母線能量作為狀態(tài)變量,給出包括連續(xù)狀態(tài)變量、控制輸入、邏輯變量和輔助變量的系統(tǒng)方程及相關(guān)約束條件。針對所建立的模型以最優(yōu)控制和模型預(yù)測控制理論為基礎(chǔ),以減少儲能裝置的充放電切換次數(shù)為目標(biāo),建立其二次型目標(biāo)函數(shù)并借助混合整數(shù)二次規(guī)劃(MIQP)手段,采用分支界

6、定法求解其最優(yōu)輸入控制序列。通過該方法可以有效減少分布式電源出力和負(fù)荷波動情況下儲能裝置的充/放電次數(shù),提高微網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。
　　基于混雜理論研究成果,為保證微網(wǎng)孤島模式下的能量供需平衡,本文以減少微網(wǎng)運行中蓄電池充放電次數(shù)為目標(biāo),提出主從控制和對等控制相結(jié)合的綜合控制策略。采用兩組光伏發(fā)電單元通過下垂控制方式組成主功率單元,為系統(tǒng)運行提供電壓和頻率支撐;儲能單元采用PQ控制作為從功率單元維持系統(tǒng)功率平衡,以提高系統(tǒng)的可