【交直流混合微网的模型以及相关控制概述5300字】

VII交直流混合微网的模型以及相关控制概述目录TOC\o"1-3"\h\u10972交直流混合微网的模型以及相关控制概述 1265241.1微网拓扑结构模型 1184511.2光伏阵列模型及控制 3110001.1.1光伏阵列模型 3235781.1.2光伏阵列控制框图及仿真 4182221.3蓄电池模型及控制 799111.3.1蓄电池模型 744161.3.2蓄电池控制框图 7132891.4互联变流器模型及控制 9276641.4.1互联变流器模型 9200711.4.2互联变流器控制框图及仿真 1013871.5MPPT控制策略 1228041.6下垂控制策略 13研究功率输出的基础建立在交直流混合微网的模型上，微网模型由直流侧分布式发电、交流测分布式发电、直流侧储能单元、交流测储能单元、交直流的互联变流器等部分组成。在其他条件不变的情况下，单独改变分布式发电出力、增减负载都会导致系统的电压与频率产生影响。基于此，本章着手介绍交直流混合微电网的拓扑模型，以及其中的光伏模型和蓄电池模型以及互联变流器的模型。1.1微网拓扑结构模型交直流混合微网模型一般由交流侧、直流侧、互联变流器三部分组成。其中常见的典型拓扑有以下几种：图2-1交直流混合微电网拓扑1图2-2交直流混合微电网拓扑2图2-3交直流混合微电网拓扑3这三种拓扑各有其特点。拓扑1将交流测与直流侧分开，中间通过互联变流器相连，电网在交流测，适合交流侧用电负荷较大的情况；拓扑2与拓扑1相似，区别是将电网放在了直流侧，通过变压器和变流器联入直流母线，更适合直流负载较大的情况；拓扑3使用了固态变压器将电网既与直流母线连接又与交流母线连接，使分布式能源得到更有效的利用。微网系统一般还带有中央控制器，中央控制器的作用是对变流器和负载统一管理。微电网系统，在不同运行模式下受到的影响因素不同，所以需要切换运行或者调节，以应对复杂的工况来维持电压和频率的稳定。例如直流微电网的光伏阵列，并网时为了提供更多电能，选取在最大功率点跟踪模式下能更好利用太阳能；然而当离网时，采用下垂控制可以达到限制功率输出的作用，避免功率不平衡影响系统电能质量。本文研究的微电网模型与拓扑1相像，公共电网经过变压后与母线相连，直流侧和有分布式电源和储能物质以及负载，如下图2-4所示。图2-4交直流混合微电网拓扑结构1.2光伏阵列模型及控制1.1.1光伏阵列模型光伏指的是太阳能发电系统，是利用太阳能半导体材料将太阳能接受并直接将光能转化为电能的新型发电系统，有独立运行和并网运行两种方式。光伏阵列是多片光伏模组的连接，也是更多光伏电池的连接，光伏阵列是最大规模的光伏发电系统。当有足够光强的光照，硅中会形成电子-空穴对，两者的移动产生电动势，装上负载后产生电流。其等效物理电路模型如图2-5所示。图2-5光伏电池等效电路模型其中，I、I由于实际物理模型参数在工程上难以测量与确定，故实际应用中多采用如下工程模型：I=其中的C1和CC其中，Isc表示光伏电池的短路电流，Uoc表示开路电压，ImI其中，ΔI和ΔΔ其中，S和Sref分别为实际和参照的光照强度，后者一般取1000W/m2。T由此建立仿真模型，并得到光伏电池输出特性。并通过控制变量分别改变S和T得到相关输出电压-输出电流U-I、输出电压-输出功率U-P曲线。考虑到单个电池性能孱弱，故本文串并联多个光伏电池，特性曲线如图2-6所示：图2-6光伏阵列特性曲线1.1.2光伏阵列控制框图及仿真本文中光伏电池使用扰动观测法实现MPPT控制。扰动观测法是通过给系统一个扰动，根据功率的变化方向调节电压的一种方法，若扰动能够提高光伏阵列的输出功率，则扰动后PV输出功率变大，下一次可以接着往相同的方向扰动。若扰动后光伏阵列输出功率减小，下一次往相反的方向扰动，因为这说明该扰动不利于提高光伏阵列的输出功率。控制框图2-7和2-8如下：图2-7光伏模块1控制框图图2-8光伏模块2控制框图之后选取适当参数进行仿真测试。在Simulink中搭建如图2-7和2-8所示的电路模型，并以最大功率点控制仿真为例介绍，相关参数如下表所示。表2-1光伏电池相关参数参数符号数值单位短路电流I5.4A开路电压U44.6V最大功率点电流I5.09A最大功率点电压U35.4V参考光照强度S1000W/m参考温度T25℃在光伏模块1中，使用MPPT控制。温度取25℃，在3s和6s分别将光照强度由600W/m2上升为1000W/m2和降为800W/图2-9光伏模块1有功功率输出曲线1.3蓄电池模型及控制1.3.1蓄电池模型蓄电池是电池的一种，相比普通电池它可多次充放电，通过可逆反应来达到充电或放电，可直接实现电能与化学能之间的转换，他的基本原理是充电时，在电场作用下化学物质发生正向反应，从而实现了储能，等到需要放电时用导体连接通路可发生逆向反应进行放电。生活中常见的电池有铅蓄电池和锂电池，多见于电动汽车、手机、电瓶车等。 由于蓄电池内部关系比较复杂，不同的科研团队对其采取了不同的建模，如戴维南模型、n阶动态模型、谢菲尔德模型和通用基础模型。本文采用通用基础模型，物理电路如图2-10所示：图2-10蓄电池通用基础模型本文中电池选用锂离子电池模型作为需电磁储能单元的模型，受控源放电和充电时空载电压分别为UU其中，Ibatterydt代表蓄电池实际充放电量，U0、K、Q分别为蓄电池额定电压、极化电压、蓄电池容量。A、BUSOC=1001.3.2蓄电池控制框图本文中，蓄电池在并网时起到维持母线电压稳定的作用，电量低时进行恒压充电。蓄电池的控制框图原理如下图2-11和图2-12。图2-11蓄电池1控制框图图2-12蓄电池2控制框图1.4互联变流器模型及控制1.4.1互联变流器模型变流器是指使电源系统的电压、频率、相数和其他电量或特性发生变化的电器设备。其中互联变流器的目的是连接交流侧微网和直流侧微网，起到桥梁的关键作用。本文中使用的是经并联的三相PWM变流器，这样有利于功率交换容量的提高。本文中使用的变流器的拓扑结构如图2-13所示。图2-13互联变流器拓扑结构 其中，u和i分别为交流侧相电压和三相电流；L、R分别为交流侧滤波电感和变流器的等效电阻。CdcL为维持电压和频率稳定，互联变流器在并网时采用恒压控制，离网时采用V/F控制。根据公式(2-9)可获悉，d-q轴分量之间存在耦合关系，故需要将其解耦，得到电流内环为：u恒压控制中，参考电流idref=(kup+kV/F控制下，由于接入电容C，d-q坐标系下跌的模型发生改变为：L电压外环为：i其中，kupl、k1.4.2互联变流器控制框图及仿真根据上文所述，可得其控制框图如图2-14所示。图2-14互联变流器控制框图之后选取适当参数进行仿真测试。取交流母线额定线电压为380V，在50Hz频率下，LCR参数分别为10mH、10μF和0.1Ω.。可得交流侧电流和电压仿真波形符合预期，如下图2-15和2-16所示。图2-15交流母线三相电流图2-16交流母线三相电压1.5MPPT控制策略由前面小节可支，微电网的分布式电源中，光伏电池起着至关重要的作用，能严重影响电网的运行状况。同时，光伏电池的运行又会收到各种因素的影响，包括但不限于光照强度，温度等。在光伏输出特性曲线上可以看出，一个电压有且只有唯一一个功率点与之对应，并在这一个点上取得极值，我们称该点为最大功率点。但该点不是电池的固有属性，也就是说，当光照强度或者环境的温度发生改变时，该点的值也会发生改变。为了始终保持最大功率点的输出，我们可以采取某种方法来不断地接近该点，来降低对光能使用的浪费，从而提升效率，我们称之为最大功率跟踪。 常用的最大功率跟踪的方法有恒定电压法，电导增量法，此外还有前文所用到的扰动观察法。图2-17改变光照情况P-U输出特性曲线 恒定电压法的思路是这样的，当我们观察上图2-17可发现，最大功率点在不同光照条件下虽然有所不同，但是整体上非常接近，值大概位于一个特殊的区间，经过大量的研究发现表明，这个值约为开路电压的一定倍数，该倍数为0.78。由此我们可以粗略地将输出电压设置为该倍数而不考虑其它情况带来的影响，这样近似地得到最大功率点。 电导增量法的思路是这样的，我们先对相应的自变量和因变量求导，得到导数即变化斜率，之后根据所得的变量倒数的符号来进行下一步处理，该问题中变量自然是电压与输出功率。当我们得到功率的变化量之后，判断正负，大于零则代表当电压增大时，输出功率也随之增大；反之小于零则代表电压增大时，输出功率却随之减小；零的时候为最大功率点。若非零，根据正负情况来决定向前后方向搜索，正号按照原来方向搜索，反之则按照180°的反方向搜索。 扰动观测法是本文所采用的方法。扰动观测法又称爬山法，是一种试错性算法，同时也是使用最广泛的MPPT方法，扰动的参考变量可以是电压、电流、占空比。工作原理为：在一个周期内，通过给系统电压一个扰动，根据功率的变化方向调节电压，若扰动能够提高光伏阵列的输出功率，则扰动后PV输出功率变大，下一次可以接着往相同的方向扰动。若扰动后光伏阵列输出功率减小，下一次往相反的方向扰动，因为这说明该扰动不利于提高光伏阵列的输出功率。该方法包括固定步长的扰动观察法和自适应步长的扰动观察法。前者基于固定步长的方法特点是：扰动的信号固定不变，追踪速度和稳态精度稍弱。后者的扰动值不断改变，随着光伏系统不同的系统工作点的位置改变而发生改变，相比前者能更优秀地保证追踪速度和稳态精度。 三者经过比对发现，恒定电压法的电路设计是最基础的，最容易实现，由此带来的缺点也显而易见，那就是精度比较低，当外界环境变量变化剧烈时，无法及时适应。电导增量法很显而易见是这三种方法中精度最高的，所以它的性能最优，但是随之而来的缺点就是对系统控制的要求也在不断增大，增加了设备成本以及构造的复杂性。而扰动观测法的控制过程比较简单，结构比较简单，在追踪到最大功率点后还会有一段时间的扰动，也就是说上面施加的再次扰动，同时由于不合实际情况的步长设置，可能导致无法接近最大功率点，而是在其周围震荡。考虑实用性，本文最终选择了扰动观测法。1.6下垂控制策略下垂控制是用与发电机相似的频率下垂曲线作为微电源的控制方式，是对同步发电机外特性的一种模拟，可粗略理解为反馈调节中的负反馈调节，