【直流微电网拓扑结构及各换流站控制分析案例4100字】

直流微电网拓扑结构及各换流站控制分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u17522直流微电网拓扑结构及各换流站控制分析案例 1172021.1风机侧换流站建模及控制策略 15681.2储能系统侧换流站建模及控制策略 210311.3光伏侧换流站建模及控制策略 6122581.4交流并网侧换流站控制策略 737561.5交流负载侧换流站建模及控制策略 8104191.6直流负载侧换流站建模及控制策略 9直流微电网的拓扑结构是国内外研究的热点之一，许多学者纷纷提出了不同类型的直流微电网拓扑结构。例如，瑞典皇家理工学院提出了由多个换流器互联的网状结构；瑞典CIGRE学会提出了类似于多端直流输电的环网型结构；德国亚琛工业大学依据不同的电压等级提出了直流微电网的分层结构目前常见的拓扑结构主要有并联树枝状拓扑、环网型拓扑等，如图1.1所示。（a）并联树枝状拓扑（b）环网型拓扑图1.1直流微电网常用拓扑结构Fig.1.1CommontopologyofDCmicrogrid图1.1中实线表示正极、虚线表示负极。本文设计的直流微电网结构均可以通过修改直流断路器的开关状态，分别实现图1.1中所示的并联树枝状拓扑、环网型拓扑等常见拓扑结构。1.1风机侧换流站建模及控制策略图1.2为本章节建立的永磁风力发电系统端的结构框图；首先，外界风能通过永磁风力机转化为幅值和频率随风速变化的三相交流电；然后，经过AC/DC变换和MPPT最大风能跟踪控制之后变为不稳定的直流电；进一步地，经过三相逆变器DC/AC转换和电压矢量双闭环解耦控制之后变为电压稳定电流变化的交流电；最后，通过LC滤波器滤波之后接入直流微电网。图1.2直流微电网风机侧结构框图Fig.1.2StructureblockdiagramofDCmicrogridfansideMMC-HVDC与VSC-HVDC除了传输容量不同以外，在控制策略方面是相同的。在多端直流微电网内部，永磁风机侧的并网控制策略详情请参见上一章第4.2节，第4.2节永磁风机直流并网采用的控制策略不仅可以实现风机的直流并网，还可以实现换流器的对称性故障穿越，非常适用于本章的直流微电网系统。1.2储能系统侧换流站建模及控制策略1.2.1储能系统图1.3为本文建立的储能系统端的结构框图。多端直流微电网储能系统端主要分为两部分，一部分是储能系统的主电路，一部分是储能系统的控制电路。储能系统的主电路由电池组和双向DC/DC电路构成，并入直流电网之后通过PCS实现储能系统的充放电过程。图1.3储能系统结构框图Fig.1.3Structureblockdiagramofenergystoragesystem1.2.2储能侧换流器及其控制策略随着储能技术的发展，基于双向全桥DC-DC变换器并网的储能系统得到了广泛关注。双向DC-DC变换器不仅能够实现电气隔离、功率密度高，还能实现能量的双向流动，是储能系统连接直流网络的有效途径。由于基于VSC-MTDC的直流微电网能够很好地实现多端系统的功率协调和优化，所以研究基于双向全桥DC-DC变换的储能系统并网的多端直流微电网及控制策略，对于储能系统参与直流微电网的稳定运行，平抑风电、光伏的波动性，具有重要的作用。在本文的多端直流微电网中，永磁风力发电系统和光伏发电系统的输出功率是不可控的，而且两者的输出功率具有大范围的波动。为了减少这种功率波动对直流微电网系统和负荷供电的影响，提高电能质量的可靠性，需要利用储能系统和双向全桥隔离型DC-DC变换器的功率快速调节能力，实现直流微电网的功率平滑控制，保证直流微电网的安全运行。1）双向全桥DC-DC变换器的拓扑结构及状态方程双向全桥DC-DC变换器由一组全桥整流和一组全桥逆变组合而成，两边均为电压型且相互对称。其主电路拓扑结构如图1.4所示。图1.4双向全桥DC-DC变换器Fig.1.4Topologicalstructureofabi-directionalfullbridgeDC/DCconverter在图1.4中，DC-DC全桥变换器的输入电压为，DC-DC全桥变换器的输出电压为，位于整流H桥的外加串联电感为，隔离变压器变比为，电源侧缓冲电容为，负载侧支撑电容为，为H桥1的IGBT开关信号；H桥2的IGBT开关信号；为变换器等效负载；为负载电流。双向全桥DC-DC的开关函数定义为： (1.1)则、可分别表示为： (1.2)由上式(1.1)和(1.2)，可以得到双向全桥DC-DC变换器的状态方程为： (1.3)由此可得，双向全桥DC-DC变换器的简化电路如图1.5所示。图1.5双向全桥DC-DC变换器的简化电路Fig.1.5Asimplifiedcircuitoffull-bridgeisolatedDC-DCconverter图1.5中，为辅助电感和变压器漏感之和，为两端的电压值。[97]2）双向全桥DC-DC变换器双重移相控制对于隔离型双向全桥DC-DC变换器的控制，常见的有单移相控制和双重移相控制两种，双重移相控制是由单移相控制发展而来的。本文采用双重移相控制，做了如下三种假设：1）变压器变比为N；2）所有IGBT均为理想器件；3）变压器漏感和辅助电感之和为L。当功率由向传递时，双向DC-DC变换器工作于正向模式。在双向DC-DC整流全桥中，驱动波形互补的开关管为：和，和，且（，）的驱动信号滞后于（，）的驱动信号，（，）的超前移相角为。驱动波形相同的开关管为：和，和，且（，）的驱动信号和（，）的驱动信号互补。（，）的驱动信号滞后于（，）的驱动信号，（，）的超前移相角为；同时，（，）的驱动信号滞后于（，）的驱动信号，（，）的超前移相角也为；双重移相控制的工作原理波形如图1.6所示。图1.6双重移相控制工作波形图Fig.1.6Waveformdiagramofdualphaseshiftingcontrol图1.6中，分别为功率开关管的开关信号。、分别为整流H桥和逆变H桥换算到变压器原边侧的值。、分别为辅助电感的电压和电流。由图1.6分析可知，在双重移相控制下，隔离型双向全桥DC-DC变换器总共可以分为六种工作模式，在一个工作周期内，共有8种状态。模式1：；在之前，电感电流为负值，功率开关管、均处于导通状态；时刻，电感电流仍然为负值，功率开关管导通，功率开关管关断，此时电流的续流路径为。时，电感电流逐渐减小，功率开关管和均导通，电流通过给供电。模式2：；在时刻，功率开关管关断、导通，但电感电流仍为负值，此时电流的续流路径为；功率开关管和导通，功率开关管和关断，电流通过给供电。电感同时给、充电。时刻，电感电流降为0，此时由负变正，整流H桥侧和逆变H桥侧电流流向分别为、，此时、同时向电感L充电，此时电感电流逐渐增大。模式3：；在时刻，整流H桥功率开关管、导通，、关断，电感电流为正值，电流经过续流。逆变H桥侧功率开关管、关断，、导通，电流通过给供电。此时电感电流逐渐增大。模式4：；在时刻，整流H桥功率开关管关断，导通，电感电流为正值，电流经过续流。逆变H桥侧功率开关管、关断，、导通，电流通过给供电。此时电感电流逐渐减小。模式5：；在时刻，电感电流仍为正值，整流H桥侧功率开关管关断、导通，电流经过续流；逆变H桥侧功率开关管、导通，、关断，电流通过给供电。电感同时给、放电。时刻，电感电流降为0，此时由正变负，整流H桥侧和逆变H桥侧电流流向分别为、,此时、同时向电感充电，此时电感电流逐渐增大。模式6：；在时刻，整流H桥功率开关管、关断，、导通，电感电流为负值，电流经过续流。逆变H桥侧功率开关管、关断，、导通，电流通过给供电。此时电感电流逐渐增大。根据双重移相的工作原理，做如下定义：1）占空比，功率开关管相对于的移相角对应半个周期的占空比。2）占空比，功率开关管相对于的移相角对应半个周期的占空比。根据上述六种工作模式的数学表达式和双重移相得工作原理，可得电感电流的分段表达式为： (1.4)由此可得，双重移相控制下DC-DC变换器的传输功率为： (1.5)式（1.5）是本文直流微电网稳定工作的理论基础，十分重要。由上式可得，通过调节占空比、，即可调节DC-DC变换器的储能系统传输功率的大小和方向。1.3光伏侧换流站建模及控制策略1.3.1光伏发电系统图1.7为本文光伏发电系统的结构框图。本文的光伏发电系统主要由两部分构成，一部分为光伏发电系统的主电路，一部分为光伏发电系统的控制电路。整流电路和DC-DC变换电路共同构成了光伏发电系统的主电路。首先，光通过太阳能电池板产生不稳定的交流电；然后，产生的交流电通过整流电路获得直流电压；进一步地，直流电压通过DC-DC变换电路获得并网所需的直流电压；最后，并入直流微电网，参与功率平衡。图1.7光伏发电系统结构框图Fig.1.7Structureblockdiagramofphotovoltaicpowergenerationsystem1.3.2光伏侧换流器控制策略当外界温度T和光照强度S保持恒定的情况下，PV系统可以以不同的输出电压进行能量的转换。但是，只有PV系统的输出电压处于某一值时，光伏发电系统才能以最大的功率输出值Pmax进行工作。在本文的六端直流微电网中，为了使PV系统运行于最大功率跟踪模式（MPPT），需要设定外界温度、光照强度、最大功率点电压、最大功率点电流等参数。当前，计算PV系统最大功率点的方法主要分为四种，分别为三点比较法、扰动观察法、二次插值法和电导增量法等。依据本文的直流微电网系统及各种参数，对于PV系统最大功率点的计算，本文选择扰动观察法。光伏（PV）系统侧换流器控制框图如图1.8所示。图1.8光伏侧换流器控制框图Fig.1.8ControlblockdiagramofPVsideconverter1.4交流并网侧换流站控制策略直流电网中，交流大电网并网换流站为电压源型换流器，采用PI调节器进行调节。由于VSC换流站主要用于提供直流母线电压，同时维持直流电网功率平衡，在多端直流微电网系统中，通常选择三相PWM换流器作为交流系统侧的换流站，控制系统则采用基于常规PI控制的双闭环控制策略。因为相比于其他侧的换流站，交流系统侧换流站的出力通常是可控的，因此交流系统侧VSC换流站通常是整个多端直流微电网的平衡功率点。VSC换流站采用直接电流控制，其中外环为电压环，控制直流母线电压稳定；内环为电流环。VSC换流站控制结构示意图如图1.9所示。图1.9交流侧换流站控制框图Fig.1.9ControlblockdiagramofACsideconverter1.5交流负载侧换流站建模及控制策略1.1.1三相交流负载直流微电网中，交流负载系统示意图如图1.10所示，可编程交流负载交流负载可以模拟R、L、C负载，范围为0-60kW连续可调。图1.10三相交流负载结构框图Fig.1.10BlockdiagramofthreephaseACload1.1.2交流负载侧换流器控制策略作为无源网络的交流负载，当直流微电网向三相交流负载供电时，维持直流母线电压稳定所需的功率主要由交流电网侧VSC1换流站提供，交流负载侧换流器全功率输出即可。因此，交流负载侧换流器采用定交流电压控制，保证交流电压的稳定输出即可。采用“电压外环-电流内环”的双闭环控制策略，交流负载侧换流器的控制框图如图1.11所示。图1.11交流负载侧换流器控制框图Fig.1.11ControlblockdiagramofACloadsideconverter1.6直流负载侧换流站建模及控制策略1.6.1直流负载直流微电网中，直流负载系统示意图如图1.12所示，直流负载10~1000Ω内连续可调。图1