【《多储能直流微电网基于储能转换器补偿下垂控制策略分析案例》6900字】

多储能直流微电网基于储能转换器补偿下垂控制策略分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u1194多储能直流微电网基于储能转换器补偿下垂控制策略分析案例 1135441.1传统下垂控制策略 1175851.1.1传统下垂控制原理 1106791.1.2传统下垂控制存在的问题 370881.1.3传统下垂控制框图 420711.2补偿下垂控制策略 4193591.2.1基于固定时间协议算法补偿下垂控制 5142651.2.2基于双补偿项算法补偿下垂控制 873041.3仿真分析 10192571.1.1基于固定时间协议算法补偿下垂控制仿真分析 10241881.1.2基于双补偿项算法补偿下垂控制 15众所周知，与交流微电网相比，直流微电网不存在无功功率和频率控制等问题，这些优点虽然使得直流微电网相比于交流微电网控制易于实现且结构更加简单，但是这也间接决定了直流微电网中的母线电压是其唯一衡量系统功率平衡的量，换言之，仅存在直流母线电压与有功功率的平衡关系。当负载或者光伏单元发生突变时，必然会引起母线电压的波动，一方面母线电压的波动可以反映系统源荷的变化关系，另一方面由于存在波动必须对储能单元采取一些适当的控制方法使母线电压维持在参考值附近，从而达到抑制其波动的目的。一般来说，光伏单元、各个储能单元和负载等都是并联在直流母线上，在忽略线路阻抗的情况下，光伏单元和各个储能单元应该具有相同的输出电压，此时各储能单元之间的功率分配与其输出电流的分配等效，因此在储能单元之间合理分配输出功率就显得尤为重要。正常情况下，并联转换器之间输出电流存在差异是由阻抗不同所引起的，导致相邻转换器之间产生环流，这会降低直流微电网的性能，因此需要对环流进行抑制，使其尽量减小，提高系统性能。目前较为常用的方法为下垂控制，其属于对等控制，既可减少转换器之间的环流，又不需要各储能单元之间的通信联络，可靠性比主从控制高，在实际工程中更加适用。本章是在第二章的基础上，介绍传统下垂控制的原理及其存在的缺点，接着研究基于多储能转换器的改进下垂控制策略，实现储能单元输出电流的合理分配，在MATLAB/Simulink中对多储能直流微电网进行建模，分别在传统下垂控制法和改进下垂控制法进行了仿真对比，验证所提出策略的有效性。1.1传统下垂控制策略1.1.1传统下垂控制原理在直流微电网中，系统的功率变化信息可以直接由直流母线电压的波动反映，因此可以采用基于直流母线电压信号的控制策略。下垂控制是分配电压和电流最常用的方法，通常将电流反馈量和虚拟阻抗引入直流母线电压的控制中，调节设定的电压参考值，其实质是要在电压偏差和均流精度之间进行权衡。下垂控制作为控制的最外环直接嵌入在电压电流环的前端，其输出特性可等效为转换器串联一个虚拟电阻，使得输出电压随电流的增大而线性减小，其输出曲线如图3-1所示。图3-1下垂控制特性曲线根据图3-1可以写出直流微电网中传统下垂控制的表达式为[38]：(3-1)其中，Udcref表示转换器空载时的参考电压；Udc表示第i个转换器的输出电压；idc表示第为了方便分析，给出包含两个并联储能单元转换器的下垂控制等效图，如图3-2所示。图3-2两组转换器并联的下垂控制等效图根据图3-2和基尔霍夫定律可得以下方程式(3-2)(3-3)其中，Udci表示为第i(i=1,2)个转换器的输出电压，Udcref为直流母线电压参考电压，idci表示为第i(i=1,2)个转换器的输出电流，Rdi表示为第i(i=1,2)个转换器的下垂系数，(3-4)由式(3-5)可知，转换器的输出电流与等效电阻RDi成反比（RDi=R(3-5)当忽略线路阻抗时，可以得到理想情况下 (3-6)由式(3-6)可得，转换器的输出电压等于直流母线电压，但实际直流微电网模型中线路阻抗一定会存在且会对系统有影响。另一方面，只有选取的下垂系数在一定范围内，才能保证系统的正常运行，且遵循以下规则(3-7)其中，Rdi表示为下垂系数，∆U1.1.2传统下垂控制存在的问题根据上面一节的分析，下垂控制法不需要通信设备、控制方式简单，可以实现即插即用，因此被人们广泛使用，但是也存在一些缺点，即电流均分精度低、不可避免的电压偏差。为了便于分析，图3-3给出了不同下垂系数(Rd1代表大下垂系数，图3-3不同下垂系数下的特性曲线图3-3中∆idci表示为电流分配误差(也称均流精度)，该值越小表明转换器输出电流越接近，其均流精度越好，即功率分配越准确；∆U1.1.3传统下垂控制框图经过对传统下垂控制原理以及其存在的问题进行详细的分析之后，结合本章研究的储能单元的下垂控制，给出传统下垂控制法应用于储能转换器的控制方法[39]，如图3-4可知。图3-4传统下垂控制框图根据图3-4可知，下垂控制位于整个系统的最外环，依次经过电压外环、电流内环双PI控制，通过PWM脉宽调制得到双向DC/DC转换器的控制信号d，进而调节转换器端的输出。1.2补偿下垂控制策略由1.1节的分析可知，目前下垂控制主要有电压偏差和电流分配精度两个方面的问题，大多数学者的研究主要集中在控制算法和控制结构的改进，以增强系统的快速性和鲁棒性，而关于储能单元的研究大多数都是使SOC与下垂系数相结合，通过改变下垂系数来进行调节转换器的输出值，结合SOC作为二次补偿项的研究较少，故本文提出将固定时间协议控制应用到储能单元二次控制算法中，用于调节电压偏差和电流分配精度；提出的双补偿项方法是通过动态地调节SOC的参考值进而产生电流补偿项以调节均流精度，由于采用了下垂控制算法，势必会存在电压补偿，故又加入了电压补偿项以调节电压偏差。为了简化研究，建立由两组储能单元、一个光伏单元和负载组成的直流微电网模型，如图3-5所示。下面就对这两种改进方法进行介绍。图3-5两组储能系统结构图1.2.1基于固定时间协议算法补偿下垂控制在这一部分中，提出了一种分布式固定时间方法，用于分布式电池供电系统的电压调节项及电流调节项。想要得到这两个补偿项，就必须要在相邻储能单元之间进行简单地通信，以获取信息进而通过公式计算出补偿项。一般在通信模型中，根据图论的相关知识，通常将DG(在本文中为储能单元)简化为一个节点，而节点之间的通信线路一般简化为一条边，同时根据节点发送与接收的方式，通信模型一般情况下分为有向图和无向图，有向图指的是系统内两个节点之间的数据传输是单向的，即节点i可发送信息给节点j，节点j只可接收节点i发送过来的信息却无法发送信息给节点i；而无向图指的是系统内两个节点之间的数据传输是双向的，即节点i和节点j都可接收和发送信息。本文中储能单元之间使用的通信网络用邻接矩阵A=aij∈Rm×m表示，其中，如果第i个储能转换器与第j个储能转换器之间存在通信，则a根据安时积分法，第i个蓄电池的荷电状态可建模为[41]：(3-8)化简可得到： (3-9)其中，SOCit表示第i个电池t时刻的荷电状态，SOCi0表示第i个电池的初始荷电状态，Udcref表示参考母线电压，UBi表示电池电压，CBi表示第i(3-10)对电池的荷电状态求导，可以得到： (3-11)则式(3-1)中的下垂控制可以重新写为：(3-12)采用次级补偿来实现电压补偿和电流调节，通过对式(3-12)求导得到电压次级补偿控制输入δu1(3-13)次级控制电流调节项δu2i：(3-14)因此，用于蓄电池转换器的母线电压补偿和电流调节项的次级控制补偿可以表示为：(3-15)将式(3-16)得到的次级控制补偿项与式(3-1)中的下垂控制器相结合，可以得到改进后的表达式为：(3-16)下面将介绍如何设计蓄电池次级控制项δu1i1)固定时间控制的电压调节项根据孤岛交流微电网的固定时间次级控制，其频率恢复和有功功率分配的次级控制器δuωi、δupi如下所示(3-17)(3-18)其中，0<μ<1，v>1，cω、cp>0，s(3-19)由式(3-17)和(3-18)可以知道在交流微电网的次级控制中，使用固定时间频率次级控制器和有功功率次级控制器产生了两个调节项δuωi和δupi用于对初级下垂控制中的频率参考值(3-20)(3-21)由以上分析可知，直流微电网中的控制目标和交流微电网中的控制目标具有一定的相似性，通过类比文献[41]并且考虑到Udci,=δu(3-22)式(3-23)可实现：(3-23)2)固定时间控制的电流调节项基于式(3-11)，做出如下假设： (3-24)(3-25)其中，k1i=电流调节项δu (3-26)式(3-22)和式(3-26)中，cv、ci、α、α1图3-6基于固定时间协议改进下垂控制结构图根据图3-6可知，该方法的具体原理是通过交换电池相邻信息，计算出固定时间控制产生的电压调节项δu1i和电流调节项1.2.2基于双补偿项算法补偿下垂控制基于1.1节对传统下垂控制的分析可知，如果将下垂控制应用到直流微电网系统中，在其运行期间直流母线电压一定会偏离参考值，这是由下垂曲线特性所决定的，与此同时，功率单元运行在不同下垂系数的曲线上，在同一直流母线电压输出功率不同，并且下垂系数越大，各单元的输出功率越小。理想条件下，只有当母线电压稳定时才能最大程度的保证系统可靠运行，但是实际运行中使母线电压波动的因素较多，因此需要对传统下垂控制存在的缺点进行补偿，为了改善传统下垂控制的局限性，一般采用二次控制对直流母线电压偏差进行补偿，补偿算法所需的各种电压电流信息通常通过一种与分布式直流微电网特性相匹配的低速通信方式来获取，然后采用电压补偿项来调节下垂曲线，故分布式二次补偿被人们广泛地应用于直流微电网的下垂控制。本节中通过提出双补偿项的控制方法来改善传统下垂控制存在的固有局限性。1)电流补偿项为了使蓄电池的转化效率能得到最大化的利用，本文将基于下述控制策略来补偿蓄电池的SOC，并将SOC保持在上下限内，以确保蓄电池的正常运行并防止其过充过放。式(3-27)给出了蓄电池SOC参考值，当其SOC运行在安全区域内时，电流补偿项δIi为0，当SOC达到上下限值后(3-27)其中，式(3-27)中设定的SOC的区间为[0.20.8]，电流补偿项δIi的表达式为：(3-28)其中，G图3-7SOC补偿电流调节项的控制框图2)电压补偿项为了对直流母线电压进行补偿，本文将采用下述策略对母线电压偏差进行补偿，使用Udcref来衡量母线电压水平，Udcref直流母线电压补偿项δUi的表达式为：(3-29)其中，G图3-8电压补偿项的控制框图根据上面的分析，将两个补偿项进行结合，从而实现对下垂控制的改进，由此给出基于双补偿项改进下垂控制的整体框图。图3-9基于双补偿项改进下垂控制策略框图从上面的框图中可以看出，整个框图最外环是下垂控制，通过δU1.3仿真分析本小节在MATLAB/Simulink中建立了如图3-5所示的具有两组并联储能单元的直流微电网模型，用于验证提出的方法可行性，为了系统模型更加简便，在此模型中将光伏单元等效成一个直流源，通过调节可变负载来模拟系统运行中的变化，进而验证所提出的方法的有效性。1.1.1基于固定时间协议算法补偿下垂控制仿真分析(1)两组储能单元下垂系数相同本节具体参数如表3-1所示：表3-1下垂系数相同时的仿真参数fIRRRI52A4Ω4Ω3Ω3A仿真条件：光伏电池提供2300W的恒定功率，负载初始功率为3300W，在1.5s时负载所需功率减小至1700W，随后在3s时负载所需功率增加至3300W，母线参考电压为400V，图3-10给出了传统方法与基于固定时间协议方法下垂系数相同时的对比仿真结果，本节的仿真是在两组储能单元的基础上对比实验。(a)传统方法下垂系数相同时的输出电流(b)基于固定时间协议方法下垂系数相同时的输出电流(c)传统方法下垂系数相同时的输出电压(d)基于固定时间协议方法下垂系数相同时的输出电压图3-10传统方法与基于固定时间协议方法下垂系数相同时的对比仿真由仿真条件可知，系统在0-1.5s时负载所需功率大于光伏电池提供的功率，此时整个系统功率缺额，蓄电池需要释放缺少的功率，以维持系统功率动态平衡，在1.5s-3s时，负载所需功率小于光伏电池提供的功率，此时整个系统功率冗余，蓄电池需要吸收多余的功率，以维持系统功率动态平衡。从图3-10(a)中可以看出，由于线路阻抗的存在，当负载发生变化时，传统下垂方法不能保证输出电流按照下垂系数等比例分配，存在一定的均流误差，与之相比图3-10(b)中通过对电流进行调节，可以减小线路阻抗对均流精度的影响，达到精确的比例分配，同时负载发生变化时，输出电流波动较小；从图3-10(c)中可以看出传统下垂控制可以将母线电压维持允许误差范围内，但是当负载发生变化时母线电压波动较大；从图3-10(d)中可以，基于固定时间协议控制方法相较于传统方法波动更小，偏差更小，故可以验证此方法的有效性。(2)两组储能单元下垂系数不同本节具体参数如表3-2所示：表3-2下垂系数不同时的仿真参数fIRRRI52A3Ω2Ω3Ω3A仿真条件：与上一节相同，故不再赘述。图3-11给出了传统方法与基于固定时间协议方法下垂系数相同时的对比仿真结果。(a)传统方法下垂系数不同时的输出电流(b)基于固定时间协议方法下垂系数不同时的输出电流(c)传统方法下垂系数不同时的输出电压(d)基于固定时间协议方法下垂系数不同时的输出电压图3-11传统方法与基于固定时间协议方法下垂系数不同时的对比仿真仿真条件与上一节相同，系统内功率变化相同，故不再赘述。从图3-11(a)中可以看出，由于线路阻抗的存在，当负载发生变化时，传统方法无法保持输出电流按照与下垂系数成反比例分配(即2:3)，与之相比图3-11(b)中满足反比例分配，可以减小线路阻抗的影响；从图3-11(c)中可以看出传统方法可以将母线电压维持允许误差范围内，但是当负载发生变化时，母线电压波动较大；从图3-11(d)中可以看出基于固定时间协议方法由于增加了电压补偿项，可以将母线电压以较小的偏差维持在参考值附近，同时负载发生变化时其波动更小，相较于传统方法对电压的调节更好，故可以验证此方法的有效性。1.1.2基于双补偿项算法补偿下垂控制(1)两组储能单元下垂系数相同本节具体参数如表3-3所示：表3-3下垂系数相同时的仿真参数fIRRRI52A4Ω4Ω5Ω3A仿真条件：与1.1.1节相同，故不再赘述。图3-12给出了传统方法与基于双补偿项方法下垂系数相同时的对比仿真结果。(a)传统方法下垂系数相同时的输出电流(b)基于双补偿项方法下垂系数相同时的输出电流(c)传统方法下垂系数相同时的输出电压(d)基于双补偿项方法下垂系数相同时的输出电压图3-