《互联直流微电网的物理结构与控制系统分析》6600字

互联直流微电网的物理结构与控制系统分析综述目录TOC\o"1-2"\h\u8106互联直流微电网的物理结构与控制系统分析综述 138231.1互联直流微电网的物理结构 1272241.1.1直流变换器的状态空间模型 2161621.1.2互联直流微电网的变换器状态空间模型 39125up=d1d2 3178351.2互联直流微电网的控制系统 4185231.1.1初级控制 4163061.1.2二级控制 6282621.1.3双微网互联条件时的控制器时滞状态空间模型 8110911.3系统仿真 10173801.3.1单微网运行仿真 10196721.3.2双微网互联仿真 131.1互联直流微电网的物理结构本研究基于双微网互联结构，每个微电网由可再生能源发电单元、储能单元和负载构成，本研究设定的可再生能源发电单元为光伏发电单元，发电类型为直流电，用户负载为直流负载，每个单元通过DC/DC变换器与直流母线连接，当双微网互联时，两个微网的直流母线通过连接线形成串联。图1.1互联直流微电网结构示意图1.1.1直流变换器的状态空间模型在该微电网模型中，发电单元、储能单元通过双向直流变换器与直流母线连接在一起，图1.2所示为本研究所使用的双向半桥DC/DC变换器，母线电压设定为48V，变换器工作在boost升压模式。图1.2双向半桥DC/DC变换器图中的表示的是滤波电感，表示的是滤波电容，表示的是负载电阻，和为开关管。设变换器的输出电压为,电感电流为，升压模式下，关断，作为脉宽调制（PulseWidthModulation，PWM）的开关管工作。当开关管开通时，电源给滤波电感充电，电感电流呈线性上升，同时滤波电容给负载供电，有：（1.1）式中的为变换器的输入电压，为输入电感电阻。当关断时，电源和滤波电感中存储的能量共同为负载供电并为滤波电容充电，有：（1.2）根据上式（1.1）和（1.2），利用状态空间平均法得到变换器在boost工作状态下的状态空间模型：（1.3）式中的为开关管的占空比。根据式（1.3）得到变换器在boost工作状态下的状态空间矩阵为：（1.4）其中，为变换器的状态空间，,为变换器的输入信号，即为开关管的占空比。A=000式中的和分别为系统稳定运行状态下的输出电压和电感电流。1.1.2互联直流微电网的变换器状态空间模型如图1.1所示的微电网结构，每个微电网有发电单元和储能单元两个DC/DC变换器并联，当双微网互联时，两个微电网的母线串联，则有四个DC/DC变换器并联，考虑到储能系统独立调节系统中的功率平衡，与控制系统互动的主要为发电单元，所以将两个微电网中的发电单元直流变换器纳入考虑之中。设互联的两个微电网分别为MG1和MG2根据式（1.4）的单个DC/DC变换器状态空间矩阵，可得到考虑的两个个变换器并联状态空间矩阵为：xp=Ap其中：xup=AVin1，iL1，uo1分别为MG1光伏单元变换器的输入电压、电感电流和输出电压；Vin2，iL2L1,CUo1和IL1为系统稳定运行状态下MG1光伏变换器的输出电压和电感电流；Uo21.2互联直流微电网的控制系统本文章中的微电网系统采取的是分层控制结构，在双微网互联时有针对单微网的初级控制和针对双微网的二级控制。两层控制分别在设备级和系统级层面保证互联系统无论运行在互联模式下或者孤岛模式下都能保证母线电压稳定。1.1.1初级控制初级控制主要针对单微网，属于单微网的本地控制，通过对各个分布式发电单元的控制来分配输出功率，保证微电网的母线电压平衡。互联直流微电网的初级控制主要为电压、电流双闭环控制，为了调整变换器功率分配引入下垂控制，其控制框图如图1.3所示。图1.3初级控制框图其中，双闭环控制由电流环和电压环构成，电流环保证控制对象的电流能够跟随参考值，电压环则保证其电压跟随参考值。电压环中通过采集变换器的输出电压来对控制器进行反馈从而形成闭环，其采样值与参考值进行比较后经过PI调节器（proportionalintegralcontroller，比例积分调节器），得到电流环参考值，与输出电流进行比较，从而完成电流闭环。直流微电网中不同的供电单元的特性以及运行状态各有不同，控制环路也会有所差异，例如光伏发电单元采取MPPT(MaximumPowerPointTracking,最大功率点跟踪）控制，以及储能单元采取的恒功率控制。上述控制在微电网中只能调整单个变换器的功率输出，但是微网是多变换器并联的情况，多个发电单元或者储能单元会同时向母线供电，在系统稳定运行的前提下，还需要保证每个功率源的功率不能超过其允许上界，这种情况下在双闭环控制的基础上还需要引入下垂控制。在该控制系统中引入下垂控制，是因为变换器并联的输出特性与发电机的外特性有相似之处，当系统中的负载逐渐增大的时候，变换器的输出电压就会降低，如图1.4所示：图1.4变换器并联的下垂控制示意图和分别为变换器1和变换器2的输出电压，和分别为两个变换器的输出电流，和分别为其输出阻抗，为公共负载，假设，则有：（1.6）可以看出，变换器并联的情况下，变换器的输出电流之比等于其输出阻抗与虚拟阻抗的和之比，实际场景中的虚拟阻抗一般远大于输出阻抗，因此可将输出阻抗忽略不计，有：（1.7）根据式（1.7）得出直流微电网的下垂负载特性曲线如图1.5所示,可以看出当输出电压下降到时，变换器1的输出电流小于变换器2的输出电流，将该输出曲线的斜率设定为下垂系数，则该系数决定了变换器的输出电流。利用该控制思想，在直流微电网内部的变换器并联结构中，可以控制不同变换器的功率分配，从而避免各个变换器自身的控制相冲突从而影响母线电压稳定。图1.5下垂负载特性曲线根据图1.3所示，直流微电网初级控制中，需要采取变换器的输出电压和电感电流作为反馈，取电压环和电流环之前的值，作为控制器的状态量，可以得到：xc1=Cx其中,为控制器的状态，为被控的变换器状态，。ki0和kp0分别为电压环PI调节器的比例系数和积分系数，kd为初级控制的下垂系数。设电流环输出的信号为d，有：d=Ixc1+JI=kp1其中，kp1和ki1分别为电流环PI调节器的积分系数和比例系数。1.1.2二级控制在单个微电网控制中，由于下垂控制的引入，导致实际的母线电压往往会略低于参考值。在不同的微电网中，存在功率分配关系、线路阻抗等条件的不同，从而下垂控制导致的电压偏差也会不同，在微电网互联时，这将会导致互联的母线电压不一致，从而产生母线环流，环流的存在会加大电能在线路上的损耗，同时给微电网控制系统的采样造成干扰。当环流较大时，甚至会破坏线路和设备。因此，在微电网互联时，我们需要引入二级控制来消除电压偏差。电压偏差产生的根本原因在于下垂控制带来的压降，所以基本的控制思路就是对压降进行补偿，让母线电压恢复到参考值，从而让两个微网母线连接时保持母线电压一致。在本文所述的互联直流微电网系统中，引入了离散一致性算法来设计二级控制。在多智能体网络控制中，需要各个智能体协调一致工作，这就形成了一致性协同工作问题，需要设计合适的一致性算法来协调系统中的各个单元。多智能体网络中，分布式控制比中央控制占用更少的资源，且具有更强的灵活性和鲁棒性，更容易设计一致性控制算法。如图1.6所示的n个智能体所组成的系统中，其结构可由图𝐺={𝑉,𝐸,𝐴}表示。图1.6多智能体系统示意图集合𝑉={𝑥1,𝑥2,⋯,𝑥n}代表智能体节点。在互联微电网系统中，可用𝑣i来表示第i个直流微电网，n则表示一共有n个微电网节点。集合𝐸⊆{(𝑥𝑖,𝑥𝑗):𝑥𝑖,𝑥𝑗∈𝑉,𝑖≠𝑗}中，边(𝑥i,𝑥j)表示微电网𝑥i与微电网𝑥j存在从j到i的信息流交互。矩阵𝐴(𝐺)=[𝑎𝑖𝑗](𝑖,𝑗=1,2,3,⋯𝑛)为图G的邻接加权矩阵，该矩阵对于图G，表示了图中所有点和边的关系，对于微电网集群，则表示微电网间的信息交互。其对角线元素恒为0，而对任意非对角线的元素𝑎𝑖𝑗，假如有𝑎𝑖𝑗>0，表示顶点i和j之间有信号交互，否则𝑎𝑖𝑗=0。定义度矩阵𝐷(𝐺)=𝑑𝑖𝑎𝑔{𝑑1,𝑑2,⋯𝑑𝑛}，di为节点𝑎i的度。图G的Laplace矩阵为𝐿(𝐺)=𝐷(𝐺)−𝐴(𝐺)，𝐿(𝐺)的次小特征值是一致性算法收敛的量化指标，体现了一致性算法的收敛速度。若对于系统中所有的智能体都有∀𝑖≠𝑗,||𝑥𝑖−𝑥𝑗||→0，则系统趋于一致。连续时间动态一致性算法如式(1.9)及(1.10)所示：xit=ε∙在上式中，是与一致性算法收敛速度相关的常数。集合𝑁𝑖表示所有与节点i存在通信的节点集合。在直流微电网互联系统中，𝑎𝑖𝑗=𝑎𝑗𝑖恒成立，所以网络拓扑结构为无向图，则有ixi=0xit==ε∙基于上述的离散一致性算法，本文章所述的电压二次控制方法可以在直流微电网互联时补偿母线的电压偏差，让其恢复至参考值，从而避免环流对电力系统的影响。下式（1.12）为互联直流微电网的电压二次控制算法表达式：Viavgk+1其中，𝑉𝑗𝑎𝑣𝑔(𝑘)为𝑘时刻微电网𝑗的平均母线电压，Viavgk+1，Viavg由于本文章只考虑双微网互联的情景，设微电网MG1和MG2互联，将式（1.12）化为：V1avgk+1其中，K为常数系数，通过上式得到的Viavgk+1为各微电网初始母线电压的平均值，其值不一定等于预设的参考电压，要让每条母线电压最终收敛到参考电压值，还需要让Viavg和参考电压V电压二次控制的控制框图如图1.7所示：图1.7电压二次控制框图根据式（1.13），双微网互联条件下，设MG1和MG2的二级控制器组成的控制系统状态为xc2xc2t=由于电压二级控制算法中需要采集微电网的母线电压，所以变换器状态会直接影响到二级控制器的状态。E=−KK电压二级控制算法输出到初级控制器的信号设为u2to1u2to1t=GG=−kp11和1.1.3双微网互联条件时的控制器时滞状态空间模型如图1.8所示，双微网互联条件下，控制器主要通过调节光伏单元的输出功率来达到稳定母线电压的目的，在变换器-控制器模型中，双微网的二级控制器之间需要借助通信网络来完成信息交互，这也是该模型中时滞的主要来源。在对系统进行时滞模型建模的时候需要将光伏单元的变换器模型和两级控制器模型结合起来。图1.8时滞模型建模对象根据式（1.8）所得到的单微网初级控制器状态空间模型，在双微网互联的情况下，将状态向量xc1拓展为x其中，x11，x21是MG1初级控制器电流环和电压环输出的值，x12，xxc1=CCic=M=ki01和kp01分别MG1为电压环PI调节器的比例系数和积分系数，kd1为MG1初级控制的下垂系数。ki02和kp02分别MG2为电压环PI调节器的比例系数和积分系数，kd2为MG2初级控制的下垂系数。设初级控制器输出给变换器的信号为d=[dd=IicxIJ其中，kp11和ki11分别是MG1电流环PI调节器的积分系数和比例系数，kp12和ki12分别是MG2电流环PI调节器的积分系数和比例系数。结合式（1.5），式（1.14）,式（1.15），式（1.16），式（1.17）,设双微网互联的情况下，系统的状态为xt=xp(t)xc1(t)xc2(t)xc2t=E=设整个系统的状态空间为：x=有：xt=AA1=Ap1.3系统仿真在本小节中，使用了SIMULINK软件对上述的微电网系统进行了仿真建模，通过仿真实验的方式来验证系统是否能按照预期的目标运行。该仿真主要使用了SIMULINK中的电力电子工具箱和数学工具箱，搭建了变换器并联结构的微电网模型，并使用数学逻辑构建了控制器模型。为了研究方便，该仿真模型中使用直流电源替代光伏发电单元为系统供电。1.3.1单微网运行仿真如图1.9所示为单微网的仿真示意图图1.9单微网仿真模型示意图该直流微电网中包括一个光伏发电单元、一个蓄电池单元以及阻性负载。其中光伏电池的输出电压为24V，蓄电池的额定电压为24V，容量为24Ah，它们都通过双向DC/DC变换器与母线相连，变换器输出端为RL滤波环节，直流母线电压为48V。光伏电池作为恒压源，同时为蓄电池和负载供电。当系统的负载从25Ω突变到50Ω时，系统的母线电压变化如图1.10所示，系统的电感电流变化如图1.11所示：当时间t在0.2s之内时，负载为25Ω，光伏变换器的电感电流为8.95A，蓄电池的充电电流为5.02A，直流母线电压为47.12V。时间到达0.2s，负载突变为50Ω，电感电流也随之突变为6.94A，而母线电压出现了大小约为1V的波动，随后稳定在47.31V。时间在0.6s时，直流负载再次突变到25Ω，电感电流随之突变回8.95A，母线电压在波动后回到47.12V。在整个过程中，蓄电池的充电电流与端电压保持不变。以上仿真实验证明了，蓄电池不发生变化的情况下，系统能够应对负载的突变，通过电流的调节来稳定母线电压。图1.10单微网系统母线电压的变化示意图图1.11单微网系统电感电压的变化示意图1.3.2双微网互联仿真如图1.12所示为双微网互联的系统仿真示意图，微电网MG1和MG2都具有图1.13所示的结构，二者的母线通过连接线相连，仿真模型可以通过示波器元件监测两个微网的母线电压和电流。图1.12双微网互联软件仿真示意图下图1.13为微电网中DC/DC变换器的仿真模型，在变换器的输入端使用直流电源代替光伏直流电源给系统功能，输出端使用电阻元件模拟微网中的直流负载：图1.13DC/DC变换器仿真模型下图1.14为