【《交直流混合微电网能量管理研究》18000字】

交直流混合微电网能量管理研究目录TOC\o"1-3"\h\u6605摘要 III68931.绪论 54231.1课题研究背景及意义 517241.2国内外微电网能量管理研究情况 6261461.3交直流混合微电网能量管理研究概论 8278251.4论文主要研究内容 8226992.交直流混合微电网能源管理工作及所含系统 1030622.1交直流混合微电网能源管理工作 10270992.2交直流混合微电网系统结构组成 1042342.2.1直流系统 1193032.2.2交流系统 11139762.3交直流混合微电网电源系统 12100562.3.1光伏发电系统 1228046260302.3.2蓄电池系统 1383582.4单向DC/DC变换器 14146352.5DC/DC双向变换器 17145952.6AC/DC双向变换器 19113173.光伏发电交直流微电网能量下垂控制策略 23198713.1光伏发电数学模型与仿真 23160843.1.1光伏发电数学模型 23224103.2光伏发电能量控制 25169833.2.1最大功率点跟踪 25136523.2.2恒压控制模式 2629783.2传统下垂控制 26242153.3蓄电池下垂控制 29309843.4下垂控制改良优化 29289213.4.1AC/DC双向变换器和DC/DC双向变换器的下垂控制的改良优化 29189804.交直流混合微电网仿真 33221854.1搭建光伏发电交直流混合微电网仿真 33159974.2光伏发电最大功率点跟踪控制 33323334.3光伏发电直流系统 36150154.3光伏发电交流系统 38115634.4光伏发电交直流混合微电网仿真结果分析 41199914.4.1仿真电压结果分析 41297835.结论与展望 44202895.1结论 44234165.2展望 449640参考文献 47摘要随着近年来绿色能源的大力推进，为了促进绿色能源可以不断升级需要快速发展含高渗透率可再生能源微电网技术。在进行高渗透率可再生能源交直流混合微电网组网设计中，因为输出功率存在差异性特征以及可能收到外界小扰动的干扰，会破坏高渗透率可再生能源交直流混合微电网的输出平衡性。这时就需要构建高渗透率可再生能源微电网的输出平衡控制模型，对高渗透率可再生能源交直流混合微电网的输出平衡进行控制。研究含高渗透率可再生能源交直流混合微网能量管理仿真模型，在提高含高渗透率可再生能源微电网的稳定性和负载平衡性方面具有重要意义，相关的含高渗透率可再生能源交直流混合微电网稳定性控制方法研究也是受到人们的极大关注。针对含高渗透率可再生能源交直流混合微电网存在的功率不稳定等问题，利用搭建光伏发电交直流混合微电网仿真进行试验验证能量管理控制是否可行。本文光伏发电交直流混合微网由光伏发电器，蓄电池，用户负载，二次电源组成。AC/DC双向变换器。DC/DC变换器。通过光伏发电系统的最大功率点追踪法对其进行能量控制，保证光伏发电的利用率，降低输出波动。对AC/DC双向变换器和DC/DC变换器进行改良下垂控制，通过改良下垂控制保证微电网稳定。最后通过对仿真的电压功率对比和分析，证实光伏发交直流微电网能量管理的可以正确运行。关键词：交直流混合微电网;光伏发电；双向AC/DC变换器;DC/DC双向变换器1.绪论1.1课题研究背景及意义当今社会资源消耗巨大，对能源的过度开采过大会破坏环境，因此为了避免造成不良影响，人们开始开发利用可以使用新型可再生能源的技术同时可以提高传统能源利用率，其中微电网技术就是当前热门技术[1]。首先了解微电网系统的组成，一般的微电网系统是由以下几个部分组成，分布式发电电源，储能系统（蓄电池）AC/DC变换器，用户负载。微电网系统有着众多优点但是有着能量不稳定等问题，所以需要通过微网能量管理控制，确保整个微网的安全稳定[2]。微电网可分为直流微电网、交流微电网和交直流混合微电网。其中随着当今社会的发展交直流负载种类不断增加，以及分布式发电源的不稳定性，单一的直流微电网结构或者交流微电网结构已经不能完全适应发展要求，所以现在应发展交直流混合微电网[2]。交直流混合微电网有着高于直流微电网和交流微电网的能量利用效率和更高的安全性稳定性，其通过使用较少的能量转换装置来满足不同的交直流负荷的需要，可以充分考虑分布式发电储能系统的输出特性和负荷的供电需求[3]。分布式发电电源十分靠近用户负载以及电原产地，微网通过分布式发电系统可减少能源在传输是的损耗，达到更高的能源利用率，同时因为分布式发电的建造成本小大大节约了电网建设所需费用。相较于传统能源发电在通过可再生能源进行发电时，会因为可再生能源发电的不稳定性，分布式发电设备用于发电时，其电源输出可能会出现波动。此时的微电网系统会受到影响导致微电网系统无法稳定运行[4]。这时就需要进行能量管理控制，来保证微网运行的稳定。现在微电网系统可以连接多个分布式电源，这些分布式电源利用像太阳能，风能，潮汐能等可再生能源，微电网很难进行控制无法完美利用，由此产生大量的能源浪费造成不必要的损失。除了受到可再生能源的不稳定影响外，地区因素是一个很大的问题，我国有很多偏远地区和人员稀少地区，这戏地方拥有大量的能源资源可以利用，在这些地方搭建微电网，会因为地区地理环境的恶劣对系统造成影响。为了更好的解决上述问题，研究微电网能量管理是非常重要的。通过微电网能量管理控制高效率的利用可再生能源充分发挥微电网的优势，同时提高整个微电网系统的可靠性[5]。因为微电网组成成分较多，电源较多用户负载变化大，整个微电网系统的能量传输变化较大，可能会出现用户负载需求量大但是供电不足等现象。为了提高微电网系统能量传输的可控性，通过改善微电网能量管理系统来达到微电网系统的稳定和自我调节。其中稳定实现微电网的并网运行和孤岛运行也是研究微电网能量管理的重要课题。通过能量管理控制来保证微电网供电质量和能量分布平衡[6]。含高渗透可再生能源的交直流混合微电网有着很多优点但同时有着控制困难等问题。除了对微电网的可再生能源发电电源进行能量管理外，对内部元器件的控制调整也可以达到很好的控制效果。首先就像单一的光伏发电微电网因为光伏发电的局限性就可能造成供电不足等问题，在之基础上增加一个储能装置就可以大大改善这一问题。不仅仅是储能装置，AC/DC变换器DC/DC变换器的控制管理也是尤为重要的。当AC/DC变换器和DC/DC变换器对交直流系统之间的能量转换控制得到优化改良是，可以在微电网能量传输发生波动时更好的进行控制，以满足用户负载侧的需求和电源的供电的合理分配[7]。现如今微电网的应用已经不仅积极局限在工业上了，在日常生活中微电网系统也是十分普遍的。其中直流微电网和交流微电网的单独使用尤为普遍，然而只是单独的直流微电网或者交流的微电网在现在越来越复杂的用电系统中已经不能适用了。因为微电网利用的可再生能源的不稳定性和局限性还有用户负载的变化性，目前来看交直流混合微电网可以更好的适用。通过对交直流混合微电网的能量管理更好的控制来满足实际的需求[8，9]。1.2国内外微电网能量管理研究情况（1）国内微电网能量管理研究情况我国幅员辽阔能源资源充沛但是用量过大，造成资源紧张，为了解决这一问题我国的很多地区已经开始落实微电网项目的研究建设。其中开展微电网能量管理项目是非常重要的。通过微电网能量管理解决偏远地区长期以来的缺电问题，通过利用丰富的太阳光和风力等可再生能源的交直流混合微电网解决用电问题，是微电网能量管理得典型代表。近年来我国对微电网的发展进步挺大然而对微电网能量管理方面的研究虽说还没到世界顶端，但是也已经出现了不少成果。因为交直流混合微电可以更好的利用可再生能源，通过交直流混合微电网能量管理可以提高供电可靠性、安全性。因为对能源的依赖性当今社会的发展需要更多的能源，为了增加能源人们不断发展和利用可再生能源，目前已经逐渐系统化多元化的利用在微电网中。通过微电网对分布式发电电源的输出功率和用户负载需求的控制，来保证整个微电网的运行平衡和电能质量。通过对微电网内部器件的改良，做到低价格高收益的控制更好的保证微电网的可靠性。[10]。下列文献列举部分了我国对微电网能量管理的研究文献[11]通过研究分析多能互补的交直流混合微电网技术，不断利用利用交直流混合微电网不同的的运行模式和花样百出的控制方法，对微网的能量控制提出新颖的了改进方案。同时研究不同微电网在不同环境下的运行状态和费用支出，也对其进行了优化处理。通过这些控制技术不断优化能量管理系统。文献[12]通过分析不同的分段式电源电压下垂控制对微电网进行能量管理。通过对蓄电池和光伏发电的工作原理以及特性进行分析，同时搭建光伏发电微电网仿真。依据仿真结果证明分段式下垂控制可以有效控制微电网能量管理的成功。文献[13]提出了对微电网系统中储能系统的蓄电池进行优化改良来达到微电网能量管理，保证系统的运行稳定。对蓄电池的充放电系统进行优化改良，同时增大蓄电池容量，在微电网运行不稳定时可以及时进行供电。文献[14]针对交直流混合微电网的孤网运行和并网运行之间的切换进行研究，通过光伏电池和蓄电池在孤岛模式下以及并网模式下的运行模式进行优化从而使两种运行模式更加稳定切换更加自如。同时另一方面通过对光伏电池的最大功率点追踪对光伏电池进行分析，利用孤岛运行和并网运行的能量管理来保证整个微电网系统的可靠性。文献[15]为了实现对微电网经济投资环境保护以及建造成本的能量管理优化控制，通过直流微电网的粒子群算法的优化来进行控制。通过对多时间内的微电网优化研究和结果对比分析，证明其对粒子群算法优化的能量管理的可行性。（2）国外微电网能量管理研究情况首先近年来随着科技的发展和对能源的更多需求，越来越多的地区开始发展微电网这种能源利用率高，污染小，可靠性高的技术。美国和欧洲地区是较早进行微电网研究的因此在方面一直处于世界领先地位,不仅仅是微电网的搭建和利用，因为微电网技术可能受可再生能源不稳定的影响，会出现产能不协调的问题因此发展微电网能量来解决微电网的电能转换和调控协调问题。微电网能够帮助地区解决电力供应和电力弹性等问题，尤其是在非洲地区那里资源发展能力差，急需微电网技术，不仅是非洲，像澳大利亚南亚等地区已经开始了对微电网技术的项目落实据统计，到目前为止，很多非洲国家岛国已经进行了微电网项目的落实共有通过含高渗透率的可再生能源交直流混合微电网，提高了能源的利用率，降低了建造成本。下列文献列举了部分外国对微电网能量管理的研究方案。文献[16]一方面通过对微电网内部输出电源的有功功率进行优化控制达到微电网的能量管理。另一方面对微电网中的输出频率信号进行有效的控制优化分析，通过稳定频率信号达到控制能源功率的控制。文献[17]通过用户负载需求的优化调控对微电网进行能量管理。用户负载的需求是十分多变的，光伏发电可能无法适应其变化，因此搭建光伏风力直流微电网的仿真，通过对用户负载侧的分析利用对直流母线的电压控制进行微电网的能量管理优化，通过仿真结果进行分析对比证明其方法的可行性。文献[18]通过对李雅普诺夫函数控制的研究，利用微电网中发电机和储能装置的调整优化来实现微电网能量管理保证微电网的稳定性。通过对微电网的仿真分析其优化控制方法的可行性。文献[19]通过对微电网中光伏发电的不稳定输出进行优化控制管理。通过最高大功率追踪法对光伏发电源进行检测通过对其控制进行仿真。对仿真数据进行对比分析对光伏发电源的控制可以达到微电网能量控制的优化，保证微电网输出能源的稳定文献[20]通过对粒子群优化和物理优化的方式对交直流混合微电网进行能量管理研究。通过对输出电压和输出频率的分析优化来使微电网的有功功率无功功率的转变稳定化来达到能量控制管理。1.3交直流混合微电网能量管理研究概论相对于直流微电网和交流微电网，交流混合微电网同时包含这两个系统，即拥有它们的优点同时相对的减少了直流微电网和交流微电网的缺点。尤其是随着交直流混合微电网的不断优化，其重要性和应用性将会飞速增长。交直流混合微电网通过变换器和和部分系统的合作，在微电网系统发生波动甚至损害时可以及时的做出调整和应急措施。其中能量输出波动和用户负载电压不够是常见性问题，为了更好的实现微电网的自我保护和自我调整，需要大力发展微电网的能量管理技术。微电网技术的成本小能源利用率高搭建简单等优点使得全世界范围内出现了大力发展微电网技术的热潮。直流微电网，交流微电网交直流混合微电网的应用在飞速发展。除了对微电网技术硬件材料的研究外，对微电网的能量管理研究也是十分重要的。我国在交直流混合微电网能量管理方面的研究还是相对外国较弱，但是也逐渐形成合理的研究体系。1.4论文主要研究内容本文主要是对含高渗透率可再生能源交直流混合微电网的能量管理与仿真进行研究，找到较好的能量控制方法，来提高该交直流混合微电网的工作效率。首先，前期进行搜集相关资料及文献的工作，深入了解含高渗透率的可再生能源交直流混合微电网能量控制所面临的问题，然后介绍了含高渗透率可再生能源交直流混合微电网的背景意义和各问题的研究现状，之后对含高渗透率可再生能源交直流混合微电网的能量管理进行分析，并说明了我国含高渗透率可再生能源交直流混合微电网的能量管理技术的建议。由于微电网的广泛应用，我们需要维持微电网系统的运行稳定和能源输出分配合理用以及满足户负载需求做出合理的控制管理。这就需要我们对交直流混合微电网能量管理进行研究讨论。本文通过搭建一个光伏发电的交直流混合微电网系统，利用光伏发电作为能量来源。通过储能系统蓄电池和二次能源进行辅助配电，在光伏发电输出能量无法满足用户负载需求是进供电。同时对微电网系统中的AC/DC变换器DC/DC变换器进行优化分析。本文主要有以下几个章节:第一章介绍含高渗透率的可再生能源能量管理的研究背景和研究意义。分析了国内外对交直流混合微电网能量管理研究情况，确定了本文的研究方向。第二章阐明交直流混合微电网能量管理的工作。分析交直流混合微电网的结构构成对其内部结构进行分析。其中包括直流系统、交流系统、光伏发电系统、蓄电池系统，单向DC/DC变换器、DC/DC双向变换器、AC/DC双向变换器。第三章研究光伏发电交直流微电网能连下垂控制策略，对通过对光伏发电的数学模型和仿真，通过增量电导法跟踪光伏电池的最大功率点对光伏发电进行能量管理，采用下垂控制策略研究传统的下垂控制和电池下垂控制。对单向DC/DC变换器和双向DC/DC变换器以及双向AC/DC变换器进行结构和工作分析研究改进下垂控制方案。第四章在Matlab中搭建了光伏发电交直流混合微电微电网的仿真模型。对交直流混合微电网中的光伏发电系统，直流系统交流系统进行能量管理控制仿真，通过对光伏发电最大功率点跟踪控制和对交直流混合微电网中的直流系统和交流系统的分析。最后通过整个光伏发电交直流混合微网仿真中的光伏发电蓄电池和用户负载能量变化图的对比分析验证其能量管理的可行性。第五章对整篇文章的内容进行分析总结，提出自己对交直流混合微电网能量管理研究的不足之处和对其未来发展的期望。

2.交直流混合微电网能源管理工作及所含系统2.1交直流混合微电网能源管理工作微电网能量管理在微电网系统中要保证其功率的稳定性，同时要保证分布式发电与微网还有用户需求侧之间功率交换的稳定。通过能量管理，达到对变换器的合理控制，在不损耗大量能源的前提下让整个微电网达到最高的能源利用率[21]。这是微电网管理的主要工作。微电网的能量管理系统需要在可再生能源不稳定的所造成的供电不稳定情况下满足整个微网的供电需求的稳定[22]。通过对微电网能量管理的不断研究已经取得了不错的研究成果，尽管是刚刚起步，但还是逐渐形成了体系。其中现在出现了的微电网能量管理研究大多是对微电网内部元件的优化研究[23.24]。然而在微电网能量管理系统的研究中，针对微电网内各个单元协调控制策略的相关研究较少。微电网的抵抗外界干扰能力较弱，是因为可再生能源的随机性和波动性所造成的输出波动，还有用户需求侧的电压变化。因此为了解决微电网的这种不稳定性设计合理的能量管理策略非常重要。为了实现平衡微电网中的输出功率，以及提高其能源利用率快速发展微电网能量管理系统是非常重要的。同时交直流混合微电网的交流系统和交流系统之间的能源交换稳定也需要能量管理系统的控制[25]。2.2交直流混合微电网系的统结构组成与分析图2-1交直流混合微电网大多交直流混合微电网系统构架如图2-1所示。首先光伏发电阵列通过单向DC/DC变换器与直流母线相连。蓄电池通过双向DC/DC变换器与直流母线相连，对蓄电池进行充放电。直流负载直接直流母线连接，直流母线与交流母线通过AC/DC双向交直流变换器连接。通过并网点的断开与连接交直流混合微电网系统进入孤岛运行状态和并网运行状态。光伏发电系统产生的电能通过DC/DC变换器进入直流母线，蓄电池通过DC/DC双向变换器接入直流母线，风力发电机通过AC/DC变换器接入直流母线。二次电源之就与直流母线连接。正常情况下系统通过光伏发电系统进行供电，但当用户负载需求量增大到光伏发电系统输出点亮无法满足时，蓄电池和二次电源对系统供电。2.2.1直流系统结构分析直流系统包括光伏发电器，蓄电池，二次电源。(1)光伏发电器光伏发电通过太阳能进行发电工作产生直流电压，直接通过直流母线进入电网。(2)蓄电池光伏发电等可再生能源有较大的波动性和局限性，其产生的输出能源波动会影响整个微电网的运行稳定。而蓄电池进行供电不会出现较大波动，当光伏发电供电不稳定或用户负载需求量远超于光伏发电输出的电量时就需要增加蓄电池进行供电，来满足用户负载需求，维持微电网能量稳定。(3)二次电源是整个光伏发电交直流混合微电网系统中的最后供电保障，平时不进行放电，当光伏发电和蓄电池发电所提供的电量仍旧不能满足用户负载需求时进行紧急供电。2.2.2交流系统结构分析(1)用户负载整个光伏发电交直流混合微电网系统中的用电部分，通过微电网中的光伏发电和蓄电池等发电系统进行供电，满足日常生活所需点电量。通过并网点连入微电网，可通过并网点的断开连接进行状态切换。(2)小型发电机当长时间进行孤岛状态运行，光伏发电和蓄电池的供电量可能依旧不够，这时就需要小型发电机进行供电。2.3交直流混合微电网电源系统2.3.1光伏发电系统(1)光伏发电工作原理经过多年的发展我国的光伏发电技术已经相对成熟和普及，到处都能可以看到光伏发电的身影，同时在微电网中光伏发电也是非常重要的组成部分。首先太阳能发电可以通过光伏发电和光热发电，收到光照强度和光照温度的影响。其中光伏电池是光伏发电的重要器件，光伏电池通过太阳的照射利用自身PN结的特性产生空穴电子，通过电子的移动将光能转换为电能。这就是光伏发电的原理，可以很好的利用太阳能这种量大污染小的可再生能源。图2-2光伏发电原理图在交直流混合微电网结构中，光伏发电系统是非常重要的组成部分，一般用于发电提供充足的输出电压。其中光伏发电器在直流微电网系统当中是可以直接连入直流母线从而进行供电的，因为可以不需要经过变换器这样既可以使微电网搭建变得简单还可以节约成本。但是微电网会受到光伏发电本身的不稳定性局限性的影响，所以在交直流混合微电网中需要通过DC/DC变换器才能连入直流母线，这样就可以通过DC/DC变换器进行控制，保证输出功率的稳定。(2)光伏发电控制因为在光伏发电交直流混合微电网系统中主要的供电输出来自光伏发电系统，光伏发电系统的能量输出产生的波动会对整个微电网系统产生影响。最好的办法就保证光伏发电系统可以在任何光照条件下都能达到此时的最大输出功率，尽可能的保证发电的稳定性和电量充足。为了减少因为光伏发电输出功率的波动影响，需要对光伏发电进行能量控制，从而保证微电网系统的运行稳定。因为光伏发电在不同的光照强度和光照温度下会出现波动，通过图2-3可知，在不同光照强度下当输出电压达到一定数值时，其输出功率将会达到此时最大值，那就是最大功率点，且最大功率点有且只有一个，而这最大功率点只会随着不同的光照温度进行改变。如果让光伏发电器始终保持在最大功率点处，将会最大程度的利用太阳能，减少能源浪费。图2-3在不同光照条件下电压与功率的输出特性那么该如何让光伏发电输出电压一直保持在最大功率点上，下面介绍几种最大功率点的检测方法。(1)恒定电压法。根据图2-3，在不一样的光照条件下最大功率点的输出电压其实都相差不多，只要将输出电压控制在这一周围，光伏发电的输出功率就会极大程度接近最大功率点。根据实验表明其这一特殊输出电压大约为0.78倍的开路电压，所以将输出电压控制在这范围内，就可以基本保持在最大功率点。但是这种方法精准度较低。(2)电导增量法。为了在不同光照条件下能更加准确的判断最大功率点的所在位置，对光伏发电的电压求导，获得功率变化量。当其大于0时说明功率变化为正，输出电压增大功率增大，当小于0时则功率变化为负，输出电压增大功率减少，当等于0时为最大功率点。电导增量法的优点就是准确度高，可以正确找到最大功率点。通过对比分析本文选用电导增量法来寻找最大功率点。2.3.2蓄电池系统因为微电网系统受可再生能源的发电系统影响，极易造成供电不稳定，此时蓄电池系统可以及时进行供电，所以蓄电池系统在微电网中尤为重要。蓄电池是一种非常重要的储能装置，可以再主要分布式电源功能不足时对微电网进行供电。其中通过制造材料的不同，蓄电池可以分为很多种类，其中铅酸电池和锂电池应用及其广泛，因为这种蓄电池制作成本低，且技术成熟。在交直流混合微电网系统中有许多发电电源，大多都是利用可再生能源进行供电，所以在一些特定情况下像是阴天，无风这种情况，供电系统很有可能无法供电或者供电不足，此时依靠蓄电池系统对用户负载进行供电。当然在其他供电系统发电充足的情况下可以进行充电储存多余没利用上的能量。2.4单向DC/DC变换器在交直流混合微电网系统中光伏发电产生的输出电压是需要经过DC/DC变换器进行调节，不可以直接接入直流母线。因为DC/DC变换器还可以通过内部电容电感对光伏发电输出电压进行改变，就可以通过DC/DC变换器可以进行最大功率点追踪控制。DC/DC变换器主要有三种，升压型DC/DC转换器、降压型DC/DC转换器以及升降压型DC/DC转换器.因为本文采用光伏发电为电源，传输电量只需要单向DC/DC变换器[30]。本文介绍升压型DC/DC转换器和降压型DC/DC转换器(1)降压型变换器当开关管绝缘栅双极型晶体管IGBT正处在连通状态这种情况时，此时二极管可以被认为为是短路忽略。光伏发电电源U,向直流母线R传输电压的同时对电容电感充电。当绝缘栅双极型晶体管IGBT处于断开状态这种情况的时候，二极管为连通，电感对直流母线输出功率，电容维持负载两端的电压。设绝缘栅双极型晶体管IGBT时连通情况下的时间为,关断时间为，,D为占空比，为开关周期。求出输出电压的平均值为:(2-1)D∈(0,1)，所以可得>UR，降压型变换器的重要作用就是是对直流侧电压进行降压电路仿真如图2-4所示。图2-4Buck电路仿真通过脉宽调制(PWM)来控制绝缘栅双极型晶体管IGBT开关，原理如图2-5所示。图2-5脉宽调制波形如图生成的锯齿波分析计算，因为设定的占空比D为0.6，所以当锯齿波的输出信号超过0.6时，输出信号就为0，当锯齿波的输出信号值没有达到0.6时，输出信号就为1，通过输出信号大小来实现PWM控制。设定输入电压=12V，输入和输出电压如图2-6所示。图2-6输入输出电压(2)升压型变换器升压型变换器的电路图如图2-7所示。图2-7Boost变换器当绝缘栅双极型晶体管IGBT是连通状态这种情况的时候，二极管判断为断开形式，此时的升压变换器已经被分成了两个部分，此时直流母线对蓄电池输出电压开始充电，同时也为电容C为负载供。当绝缘栅双极型晶体管IGBT断开情况下，此时的二极管相当于短路状态，蓄电池对直流母线输出电压，同时为电容C充电，在绝缘栅双极型晶体管IGBT在此变成连通模式这种情况时的向直流母线输出功率如(2-2)。(2-2)升压变换器输出和输入电压之间的关系如式(2-2)所示。占空比D∈(0,1)，所以可得到其输出电压大于输入电压，升压变换器起到直流升压的作用。通过图2-8升压仿真。图2-8Boost电路仿真当D为0.6时，此时升压变换器输出电压如图2-9所示。根据公式(2-2)可得当D为0.6，在输入电压=8V时，输出电压=20V。通过仿真结果表明升压变换器输出电压约为20V。图2-9输出输入电压2.5DC/DC双向变换器DC/DC双向变换器是由两个绝缘栅双极型晶体管IGBT组成的。在交流微电网和交直流混合微电网中用途广泛。由于它可以做到让系统中的能量的进行双向流动，因此主要用于储能设备的接口，蓄电池通过DC/DC双向变换器连接直流母线。图2-10DC/DC双向变换器DC/DC双向变换器的电路图如图2-10所示。因为蓄电池与DC/DC双向变换器连在一起所以为蓄电池电输出源，同时变换器另一端与直流母线相连所以直流母线。通过、两个这输出电容，可以尽量维持蓄电池输出电压不变;.为两个绝缘栅双极型晶体管，电感为L。DC/DC双向变换器也有多种运行模式。(1)升压模式当DC/DC双向变换器处在升压模式这种情况时，此时的蓄电池正在向直流母线方向进行供电。此时处于断开状态这种情况，受到PWM控制开关。当处于连通状态时，电路运行于图2-11下的状态。图2-11VD2此时处于连通状态这个时候处为短路可以不考虑。此时蓄电池放电输出电压使电感L电压增大导致增大，蓄电池同时给电感充电。当处于断开状态时，电路运行于图2-12下的状态。图2-12断开当处于断开状态时此时处于正向连通状态，这时蓄电池和电感L同时供电，输出电压升高，同时为进行充电。(2)降压模式当DC/DC双向变换器处于降压模式蓄电池停止供电由直流母线向蓄电池供电进行充电。此时的处在断开的状态，PWM控制使其处在连通状态。当导通时电路运行于图2-13的状态。图2-13导通当处于连通状态时此时正是反方向断开状态。直流母线电源开始向电感L和蓄电池输送电压，此时蓄电池和电感都是充电的状态，这时电流逐渐增大。当断开时电路运行于如图2-14状态。图2-14断开当处在断开状态时，这个时候是连通状态，同时电感L对蓄电池传输电压进行充电，电感电压为。2.6AC/DC双向变换器AC/DC双向变换器电路如图2-15所示。包括六个绝缘栅双极型晶体管IGBT(V1−V6)，通过三个滤波电感将交流母线连接。、、为交流侧的相电压，、、为交流侧的电流，为直流侧的电压，为直流侧的电流。为交流侧电阻。为交流侧电抗。图2-15AC/DC双向变换器分析AC/DC变换器的数学模型开关函数的数学模型如式(2-3)所示:开关函数数学模型（2-3）三项回路电压方程式(2-4)双向AC/DC交换器仿真如图2-16图2-16双向AC/DC交换器仿真双向AC/DC变换器下垂控制原理图如图2-17图2-17双向AC/DC变换器原理图交流母线上的频率和直流母线上的电压通过下垂控制，求导得出交直流侧的下垂量，通过Z/P垂控制量在经过dq/abc输入PWM生成器，生成PWM控制脉冲控制绝缘栅双极型晶体管IGBT的开断。(a)双向AC/DC控制仿真(b)PI控制和PWM输出图2-18双向AC/DC变换器控制系统仿真通过搭建AC/DC双向变换器仿真，可以模拟器控制器的这种控制变化同时可以更好的进行优化改良。

光伏发电交直流微电网能量下垂控制策略3.1光伏发电数学模型与仿真3.1.1光伏发电数学模型图3-1光伏发电数学模型光伏发电能量计算(3-1)(3-2)(3-3)(3-4)其中每个字母含义位光伏发电的输出电流，通过等效二极管的输出电流，并联的电阻，阻值较大大约为103Ω;，串联电阻为阻值很小;二极管反方向的饱和电流。光伏发电输出电流为I,光伏发电输出电压为V;电荷常数为q(1.6×10−19c)，玻尔兹曼常数为k(1.38×10−23JK)，标准环境下光伏短路电流;二极管品质因数n。为的温度常数，绝对温度T，光伏发电输出电流I的表达式为：(3-5)光伏发电输出功率P的表达式为：(3-6)得到I-V和P-V特性曲线(a)I-V曲线(b)P-V曲线图3-2光伏发电的I-V和P-V特性曲线由图3-2可知，当电压不大时随着光伏发电电压的不断变大光伏电池的电流并没有发生变化这就是为恒电流区域。当光伏发电电压增加到一定数值时，光伏发电电压增加量并不多时，光伏发电电流快速降低，这就是恒电压区域。这两个区域之间,即为最大功率点。于是可得到P-V曲线图。在不同的光照条件下，通过改变输出电压可以达到最大功率，由图可知在光伏发电电压处在恒电流区域时，光伏发电电压增大时光伏发电功率同时也在增大。当光伏发电电压处在恒电压区间时，光伏发电电流减小同时功率也在减小。可以找到最大功率点同时维持光伏发电功率始终处于最大功率点上更好的利用光伏资源。光伏发电仿真图如图3-3图3-3光伏发电器仿真利用Matlab/Simulink对光伏发电器进行仿真，探究其受光照强度和光照温度的影响。通过仿真对光伏发电输出功率进行分析，寻找最大功率点。3.2光伏发电能量控制为了减少光伏发电时产生的剧烈能量波动，需要对光伏发电输出能量进行能量管理控制，通过这些来提高微电网的电能质量。首先通过最大功率点追踪(MaximumPowerPointTracking)MPPT控制策略将光伏发电输出功率控制在最大功率点上，更好的利用太阳能。其次通过恒压控制对光伏发电进行控制为保护光伏发电输出电压过大烧坏器件。通过对光伏发电能量管理控制，保持光伏发电在任何光照条件下都可以达到最大值，保证其供电量。3.2.1最大功率点跟踪最大功率点追踪MPPT控制模式根据图3-2可知在还没有到达一定的输出电压值之前，随着光伏发电的输出电压增加输出电流基本保持不变，在到达某一数值后输出电压进本保持不变输出电流急剧减少，此时存在一个最大功率点。通过电导率增加法来寻找最大功率点。其中电导率增量法如下。(3-7)P为光伏发电的输出功率，U为输出电压，I为输出电流，对(3-7)求导(3-8)(3-9)联立(3-8)(3-9)得(3-10)通过电导增量要测量端电压U和电流I,求导计算出功率P后，通过dP/dU和-I/U之间相比较，就可以找到光伏发电输出功率的最大功率点，控制光伏发电输出电压维持在最大功率点。3.2.2恒压控制模式当光伏发电输出功率维持在最大功率点时，充分利用太阳能进行发电，但是当用户负载需求量不高时，蓄电池等储能系统也已经达到最大储能点，这个时候光伏发电的最大功率发电可等会损坏微电网中的器件造成损失。为了解决功率过大问题，可以通过恒压控制来降低光伏发电输出。通过图3-2当输出电压达到一定数值时，随着输出电压的微弱增加输出电流会急速减小，可以通过这种方法对光伏发电进行控制已达到保护微电网系统的目的。3.2传统下垂控制在光伏发电交直流混合微电网中，因为电源的不稳定和局限性，对整个微电网系统的能量输出和稳定运行产生影响，因此需要对其进行能量管理控制。其中下垂控制是一种很有效的控制方法。因为交直流微电网中既包括交流母线又包含直流母线，需要考虑的地方有很多例如交流侧的f-P，U-Q控制，又要考虑直流侧的U-I控制。交流下垂控制的原理如下:图3-4下垂控制电力系统图3-3来看交流侧电源输出电压为E∠θ,交流母线阻抗为Z∠φ=R+jX(3-11)通常电力线路阻抗以电感为主，忽略电阻R，即Z=jX，φ=90°(3-12)其中各字母代表含义交流电源电压为E，交流母线输出电压为U，交流母线电抗为X，交流电源输出功率的有功功率为P和无功功率为Q，交流电源和交直流混合系统之间输出电压的夹角为θ。当θ=0时，sinθ=0，P=EUsinθX，功角θ决定了P，当P从相位超前的点流向相位滞后的点，所以P与频率f相关。Q受两端输出电压的影响，由电势高的地区流向电势低的地区，所以无功功率Q与电压U相关。因此可以实现对PQ的解耦控制，得到式((3-13)(3-14)图3-5f-P,U-Q的下垂控制不同于交流侧的下垂控制在直流侧的下垂控制中并没有出现频率和无功功率，输出功率的有功功率的不平衡会直接反映到输出电压的改变上，如此直流侧之考虑直流母线的输出电压波动变化，所以可以得到关于U−P的下垂控制。由于P=UI，同时也可以用U−I来表示直流系统的下垂关系。(3-15)(3-16)图3-6U-P,U-I的下垂控制U-P，U-I下垂控制如图3-5中，当有功功率大于等于0，I大于等于1时交直流混合微电网系统此时正处在第一象限的范围内。对于蓄电池和AC/DC双向变换器DC/DC双向变换器，输出功率允许向两个方向进行传输，此时的交直流混合微电网系统处在第一象限和第二象限中。输出功率P可以为负，当输出功率P小于0时就证明蓄电池处于充电状态，当输出功率P大于0就证明此时蓄电池处于放点状态。3.3蓄电池下垂控制蓄电池交直流混合微电网中，通过双向DC/DC变换器与直流母线连通。如图3-7所示.图3-7蓄电池接入直流母线蓄电池在交直流混合电网中起到如下作用:因为微电网系统受可再生能源的发电系统影响，极易造成供电不稳定，此时蓄电池系统可以及时进行供电，所以蓄电池系统在微电网中尤为重要。蓄电池是一种非常重要的储能装置，可以再主要分布式电源功能不足时对微电网进行供电。其中通过制造材料的不同，蓄电池可以分为很多种类，其中铅酸电池和锂电池应用及其广泛，因为这种蓄电池制作成本低，且技术成熟。蓄电池的工作模式如式(3-17)所示。(3-17)规定为直流母线的额定电压，为直流母线此时的输出电压。则蓄电池的工作状态如下所示:(1)放电工作状态。当用户负载需求量过大时，其主点源供电不足，此时直流母线处的输出电压减肥第，双向DC/DC变换器转变为升压模式，蓄电池开始放电。(2)充电工作状态。主电源输出电压过大远远大于用户负载需求量时，此时直流母线处的输出电压增加，双向DC/DC变换器转变为升压模式，蓄电池开始充电。3.4下垂控制改良优化3.4.1AC/DC双向变换器和DC/DC双向变换器的下垂控制的改良优化AC/DC双向变换器工作有两种逆变状态和整流状态。其变化受到直流母线侧的电压变化影响。当直流母线侧电压因为用户负载需求过小光伏发电输出功率过大而增加是，双向AC/DC变换器会变成在逆变模式。当直流母线因为用户负载需求过高，电网供电不足时电压变双向AC/DC变换器会变成整流模式。可以得到图3-8所示的电压功率下垂特性。图3-8直流母线下垂控制为输出时的最高电压，为输出时的最低电压，为输出标准电压。为AC/DC双向变换器变为整流状态下时最大输出功率，为AC/DC双向变换器逆变状态下时的最大输出功率。电压和功率的关系如式(3-18)所示。(3-18)式中a为U-P下垂控制系数，为双向AC/DC变换器的功率。对AC/DC双向变换器的下垂控制改良优化，增加一个待机模式。此模式下时当AC/DC双向变换器不工作时，通过蓄电池进行控制。图3-9为改进后的下垂控制特性。图3-9直流母线改进下垂控制改良优化的下垂特性关系为:(3-19)为AC/DC双向变换器处在逆变模式下的电压阈值，为AC/DC双向变换器处在整流模式下的电压阈值。这个时候双向AC/DC变换器就有三种工作状态。交流系统的下垂控制改良优化方案和直流系统的类似当AC/DC双向变换器变换器不工作，也处于待机模式。改良优化的交流下垂特性如图3-10所示。图3-10交流母线的改进下垂控制改进后的下垂特性频率和功率的关系为:(3-20)为AC/DC双向变换器传输的功率，，为AC/DC双向变换器输出功率的频率，、是交流母线频率变化范围的上下限。交流系统控制的AC/DC双向变换器有三种工作模式:(1)逆变模式:当AC/DC变换器工作在逆变模式的区域时，此时交流母线频率处于到之间，通过控制直流母线向交流母线传输有功功率来维持交流母线的频率。(2)整流模式:当AC/DC变换器工作在整流模式的区域时，当交流母线频率处于到之间时，直流母线功率不足，交流母线向直流母线输送功率。(3)待机模式:当交流母线频率处于到之间时，AC/DC变换器不传输功率。通过对传统下垂控制的分析研究，本文对其进行了优化改良，尤其是对AC/DC双向变换器和DC/DC双向变换器的下垂控制优化改良。通过优化改良的控制方法对交直流混合微电网能量管理系统进行控制，在光伏发电无法满足用户负载需求是进行快速控制，同时在蓄电池进行充放电时进行控制管理，让蓄电池可以快速在需要充电充电，需要放电时进行放电，不会和变换器产生冲突。

4.交直流混合微电网仿真4.1搭建光伏发电交直流混合微电网仿真通过Matlab/Simulink中搭建光伏交直流混合微电网的仿真模型如图4-1图4-1光伏发电交直流混合微电网仿真设计搭建光伏发电交直流微电网系统，包括光伏发电，蓄电池，用户负载，双向AC/DC变换器。4.2光伏发电最大功率点跟踪控制光伏发电最大功率点跟踪控制仿真图4-2图4-2光伏发电最大功率点跟踪控制仿真图光伏发电的输出电压因为其不稳定性导致数值不高，想直接连接进入直流母线就需要大幅度的提高输出功率，想要完成这一目标就需要让光伏发电系统输出功率达到最大。这时候就用到了电导增量法来寻找最大功率点并将光伏发电输出功率稳定在这一点上。同时用电负载的需求量会不断增高，需要光伏发电提供大量电能。电导增量法的控制仿真如图4-3所示。图4-3电导增量法的控制仿真(a)输出电压(b)输出功率图4-4光伏电池输出电压及功率图4-4中，在标准情况下光照强度时不改变其他光照条件。可以通过电导增量法找到光伏发电输出功率的最大功率点，并控制其输出功率稳定在最大输出功率点上持续输出。在其他光照强度不发生改变时，只改变光照强度，假设光照强度为S:(4-1)仿真得到的输出电压和功率图4-5(a)仿真输出电压图(b)仿真输出功率图4-5光照强度改变时光伏发电的输出电压和输出功率由图4-5可知，在其他光照条件不发生改变下只有光照强度改变时，电导增量法还是可以快速找到最大功率点并维持住尽管出现了波动，但还是很快的稳定了下来。当其他光照条件不变时光照温度发生改变，可以得到光伏电池的输出电压与功率如图4-6所示。输出电压(b)输出功率图4-6温度改变时光伏发电的输出电压和输出功率通过验证无当光照强度和温度发生变化，电导增量法都可以快速找到最大功率点并维持输出功率，通过这种方法对光伏发电进行能量管理控制，从而满足用户负载需求。4.3光伏发电直流系统

图4-7光伏发电直流系统仿真光伏发电交直流混合微电网包括光伏发电阵列直流系统，搭建光伏发电直流系统仿真如图4-7所示。此直流系统依靠光伏发电进行供电，安装蓄电池辅助供电。图4-8光伏发电直流系统下垂控制光伏发电直流系统的下垂控制原理如图4-8所示。通过直流双环PI控制得到直流母线的输出电压和直流系统的输出频率，计算直流系统输出功率。输入PWM调制来实现对绝缘栅双极型晶体管IGBT的控制。控制系统模型如图4-9所示。图4-9直流双环PI控制控制模拟器需要保证整个系统的安全性和可靠性，为了保护母线在系统工作时的安全，特意使用使用了48V额定电压的保护系统安全，降压电路模型如图4-10所示。图4-10抵押直流母线仿真利用降压模式对直流系统进行降压，通过计算可以得到PMW控制波占空比D=0.08。(4-2)通过光伏发电直流系统的升变化和降压变化通过能量管理控制系统，完成整个系统的最大功率持续输出，充分利用太阳能的情况下对用户负载需求进行满足。4.3光伏发电交流系统图4-11光伏发电交流体统仿真光伏发电交流系统的下垂控制图4-12光伏发电交流系统下垂控制当UabcIabc通过abc/dq转换，解耦成输出电压的有功功率P和无功功率Q之后，在进行下垂控制，得到输出功率的频率量sin/cos，通过下垂控制得到电压Uref。全部通过PI控制器进行控制最后通过交流下垂控制系统下垂控制系统(c)PI控制和PWM输出(d)PQ解耦图4-13交流下垂控制系统仿真通过光伏发电的交流系统仿真和控制管理，使整个光伏发电交直流混合微电网至今的能量转换和用户负载供给进行了有效的控制，不会因为单一的直流系统或者交流系统的变化和输出功率不平衡而产生大量的能源浪费和运行供电质量。也是通过两种系统的能量管理控制变化，让整个交直流混合微电网系统变得更加完整更加稳定，可以更好的实现系统中的各种要求。4.4光伏发电交直流混合微电网仿真结果分析4.4.1仿真电压结果分析交直流微电网系统电压监控系统仿真如图4-4图4-4交直流微电网系统监控系统仿真通过监控系统知道整个微电网的电压输出情况，可以及时观察到光伏发电电压，蓄电池电压，用电负载，以及整体电压的变化。快速将其变化内容传输到能量管理系统，并通过能量管理控制系统及时对光伏发电输出电压进行控制以及对蓄电池充放电控制。(1)仿真光伏发电电压图4-5。其纵坐标为输出电压V0单位(v)，横坐标为随时间变化的太阳光照T0图4-5光伏发电仿真电压通过V0−T(2)电力负荷仿真电压变化曲线如图4-6纵坐标为负载电压V1单位(v),横坐标为时间T1单位(h)，每一刻度为图4-6仿真中电力负荷电压V-T曲线图通过曲线图V1−T1可知一天当中在一天当中8点-12点用户负载起伏较大，用户负载增加，在(3)蓄电池输出电压仿真曲线图4-7其纵坐标为电压V2单位(v)，横坐标为时间T2图4-7仿真中电池输出电压曲线图通过V2−T2蓄电池输出电压曲线图可知，在大约6点-11点左右进行放电工作，在大约1点-13点左右进行充电功作，在大约19点-(4)二次电源电压曲线图4-8。其纵坐标为电压V3单位(v)，横坐标为时间T3单位(h)且每个刻度为图4-9仿真中辅助电源电压曲线图通过二次电源电压V3根据曲线图4-5,4-6,4-7,4-8,4-9分析可以明显看到各系统电压在不同时间段里的变化情况，尤其是当用户负载需求量增加的那段时间内，因为光伏发电的发电量总数是由限度的，所以不足以对用户负载供电，这时在光伏发电输出足够时进行充电的蓄电池和二次电源快速进行供电来稳定系统波动，同时当用户负载需求量不大时，通过对光伏发电的最大功率点追踪控制使得光伏发电器可以最大程度的利用太阳能。这些图反应的内容会及时的传送到能量管理控制系统，进行分析控制及时作出正确的调整，稳定微电网的运行稳定，进而可以快速对此交直流混合微电网进行能量管理控制，来保证整个交直流混合微电网电压稳定和用户负载的需求，进而证明本次仿真的下垂控制的可行性。5.结论与展望5.1结论当今社会的快速发展；离不开能源的高效利用，其中含高渗透率的可再生能源的交直流混合微电网是当今社会微电网利用的典范。为了对其进行有效的能量管理本文通过研究光伏发电的交直流混合微电网能量管理策略，来进行论证。对光伏发电交直流混合微电网的各组成部分进行分析，通过对光伏电池蓄电池，AC/DC变换器DC/DC变换器的分析与控制优化得到以下结果。(1)通过对光伏发电系统的分析，利用最高功率点追踪控制光伏发电的能量输出，再通过蓄电池的能量管理优化对整个微电网的能源输出进行稳定控制。在对系统中的直流母线交流母线进行下垂控制的改良优化，通过改良优化实现对光伏发电交直流混合微电网系统的能量管理优化，达到可以充分维持电网运行稳定和用户负载的需求。(2)在Matlab上搭建光伏发电交直流混合微电网仿真，通过对仿真中的光伏发电，蓄电池，二次电源和用户负载电压波形图进行对比分析。得到当用户负载增加时且光伏发电供电不足时，蓄电池和二次电源会立刻进行供电来满足用户负载需求。在用户负载需求不高但光伏发电一直处于最大输出功率，此时通过蓄电池储存多余的电能，同时保证微电网系统不会因为负载过大而出现损伤。证明其能量管理优化的可行性。进而推导出含高渗透率的可再生能源交直流混合微电网能量管理控制对整个微电网的稳定有重要作用。本次论文通过对光伏发电的交直流混合微电网能量管理仿真，以点带面来研究含高渗透率的可再生能源交直流混合微电网能量管理技术。其能量管理技术的应用在各种微电网系统中都是极为重要的。5.2展望本文通过光伏交直流混合微电网能量管理仿真来验证了含高渗透率可再生能源的交直流混合微网能量管理优化的可行性，并证明对微电网的稳定有重要作用，但是由于我的理论知识的不足在进行仿真实验时有不完善的地方，需要更多的理论知识和实践进行完善。像对风力发电的能量控制策略的研究。本文并没有过多的描述。同时对含高渗透率的可再生能源交直流混合微电网能量管理研究抱有更高的期望。可希望可以有更多的研究方法和研究方向，通过不同的改进方法来完善这个能量管理策略，当微电网系统发生波动时可更加快速的进行处理真正做到自我控制自我管理。同时可以普及到当今社会。如今的微电网技术发展可谓是日新月异，也会不断地对人类做出用用的贡献。参考文献[1]张昊.微电网技术的应用现状和前景分析[J].中国高新科技,2019(13):101-104.[2]李越嘉,杨莹,常国祥.微电网技术在中国的研究应用现状和前景展望[J].中国电力,2016,49(S1):154-158+165.[3]孟明,陈世超,赵树军,李振伟,卢玉舟.新能源微电网研究综述[J].现代电力,2017,34(01):1-7.[4]鲍敏.微电网典型特征及关键技术[J].信息系统工程,2017(12):43.[5]王成山,周越.微电网示范工程综述[J].供用电,2015(01):16-21.[6]张丹,王杰.国内微电网项目建设及发展趋势研究[J].电网技术,2016,40(02):451-458.[7]赵博博.光伏发电用DC/DC/AC变换器研究[D].燕山大学,2018.[8]HuXie,ShuZheng,MingNi.MicrogridDevelopmentinChina:Amethodforrenewableenergyandenergystoragecapacityconfigurationinamegawatt-levelisolatedmicrogrid.[J].IEEEElectrificationMagazine,2017,5(2).[9]郑漳华,艾芊.微电网的研究现状及在我国的应用前景[J]电网技术,2008(16):27-31+58.[10]WencongSu,JianhuiWang.EnergyManagementSystemsinMicrogridOperations[J].TheElectricityJournal,2012,25(8).[11]徐虹.多能互补微网能量管理策略研究[D].华北电力大学,2013.[12]周跃斌.直流微电网的协调控制与能量管理研究[D]哈尔滨工业大学,2013.[13]张继元.直流微网中储能单元并联及能量管理技术研究[D].哈尔滨工业大学,2013.[14]赵润富.光储直流微网控制策略的研究[D].北京交通大学,2014.[15]邓得政.直流配网能量管理与优化运行研究[D].华北电力大学(北京),2016.[16]MuniV.EnergyManagementinaDCMicrogridwithEnergyStorageSystem[J].JournalofAdvancedResearchinDynamicalandControlSystems,2020,12(2):130-136.[17]FagundesTA,FuzatoGHF,AguiarCRD,etal.ManagementandEqualizationofEnergyStorageDevicesforDCMicrogridsUsingaSoC-SharingFunction[J].IEEEAccess,2020,PP(99):1-1.[18]WangS,GuoD,HanX,etal.Impactofbatterydegradationmodelsonenergymanagementofagrid-connectedDC