【《基于DAB能源路由器能量控制策略研究》4500字】

X基于DAB能源路由器能量控制策略研究目录TOC\o"1-3"\h\u12834基于DAB能源路由器能量控制策略研究 1244641.1能源路由器控制策略 2188531.1.1能源路由器拓扑结构分析 2127241.1.2能源路由器统一协调控制策略 3200451.2工作模式的确定 4253801.3各个单元控制策略 5271201.1.1双向AC/DC控制策略 6138311.1.2储能控制策略 7243181.4基于DAB能源路由器仿真验证分析 8287581.4.1离网仿真分析 9153071.4.2并网仿真分析 11本章提出了基于DAB能源路由的拓扑结构，提出对应的控制策略。交流电网通过双向AC/DC变换器、光伏通过Boost变换、储能，负载通过DAB变换器连接到直流母线上,构成一个四端口的能量路由器，光伏采用MMPT控制，双向AC/DC采用传统的d、q解耦电压电流双闭环控制，DAB采用电压电流双闭环移相控制，当DC母线电压在小范围内波动时，母线电压由电池控制，大范围波动时由双向AC/DC控制，采用改进的下垂控制来协调变换器与蓄电池的工作，其整体控制策略如图3-1所示。图3-1系统控制框图1.1能源路由器控制策略1.1.1能源路由器拓扑结构分析随着直流发电、用电设备的增加[55]。DC微网不存在频率和相位同步问题、没有无功功率流动，能量流动时不考虑线路的涡流损耗和无功损耗，能量损耗得到降低。直流微网还有控制相对容易，系统可靠性高，电能质量好等优点[56]。更加适合分布式电源与负荷的接入。由于减少电力电子转换设备，因此具有更高的转换效率。随着直流领域的配电应用技术的成熟，这也加快了直流微电网推广应用。直流母线电压是衡量直流微电网安全稳定运行的唯一指标。当电压发生很大的波动时，不仅会影响系统的稳定运行，而且严重时会威胁大电网的正常运行。因此，DC微网控制目标就是维持DC母线电压的稳定，维持系统的能量平衡。本文基于直流母线的能源路由器不存在频率稳定、无功率功率波动等问题。除易于控制外，省去一些AC/DC转换装置，降低了成本和损耗。还有以下优点[58]。(1)高频隔离变压器实现电气隔离，能有效隔离交流侧扰动或故障，保证系统的可靠供电；(2)选取合适的高频变压器原副边比，可用于不同电压等级的互联；(3)易于进行端口扩展，以及大功率场合进行级联[59]，扩大其应用范围；(4)能量能够双向流动，控制方式灵活。本文提出能源路由器的拓扑结构如图3-2所示，交流电网通过双向AC/DC变换器、光伏通过Boost变换、储能，负载通过DAB变换器连接到直流母线上,构成一个四端口的能量路由器[60]。设备级控制是对DC微网底层单元变换设备的控制，如双向AC/DC变换器、Boost变换器。它根据本地信息完成基本控制。系统级控制是完成集中管理和优化系统这方面的任务，从而提高整体运行效率和可靠性。除此之外，系统控制还具有母线电压二次调节的功能、实现系统在不同多模式的切换。从系统优化运行的角度来看，系统并网是确定AC/DC互联的参考功率；独立运行时，管理系统中的分布式能源和负荷，来维持母线电压的稳定。图3-2基于DAB能源路由器拓扑结构1.1.2能源路由器统一协调控制策略能源路由器的控制框架如图3-3所示，将控制框架分为三层。第一层为调度层，根据约束条件，考虑需求侧的响应。通过智能算法求解能源路由器的最优经济能量分配。第二层为设备层，用于接受调度指令，控制各个变换器的当前工作状态。最后一层为本地控制层，控制对应变换器的开关动作。图3-3分层控制框架能源路由器基于各种触发信号有多种工作模式。在不同的工作模式下，变换器的工作状态是不同的。因此需要提出对应的控制策略，维持能量平衡以及直流母线电压的稳定。能源路由器中的功率交换可通过直流母线电容解耦，电压动态方程为： (3-1)式中：、、、和分别为母线电压、分布式能源电流、储能系统电流、负载电流以及双向AC/DC变换器上电流。由式(3-1)可知负载的波动、电源的波动都会对母线电压产生冲击。某段时间内能源路由器运行时能量供需的平衡关系满足下式： (3-2)式中：为负载消耗功率，为分布式能源发出功率为储能系统发出或吸收的功率为双向变换器发出或消耗的功率。当某刻出现功率波动时: (3-3)式中：、分别为工况变换前后电压，为母线电容。由上式可知系统发生波动时，直流母线上的不平衡能量由母线电容完全吸收。系统内能量的波动引起电压的变化。因此，通过控制母线电压的稳定实现功率的实时平衡。1.2工作模式的确定电能路由器在运行过程中，光伏采用MMPT控制，在有光照时候光伏一直工作在MMPT状态下，以获取最大的经济价值。双向AC/DC采用传统的d、q解耦电压电流双闭环控制。DAB采用电压电流双闭环移相控制。当DC母线电压在小范围内波动时，它由电池控制，大范围波动时由双向AC/DC控制，采用改进的下垂控制来协调变换器与蓄电池的工作。因分布式能源出力的改变、储能系统充放电功率发生变化、并网变换器容量的极限以及负载的投切，使能源路由运行在不同的模式下[61]。运行方式1：电网侧故障或并网变流器故障时，能量路由器工作在离网运行方式。系统中负载消耗的能量由分布式发电和储能提供。分布式发电单元产生能量是足够的，能够满足负载能量的消耗以及向储能系统充电。若负载消耗能量过多，储能通过放电来满足负载的需求。运行模式2：在这种模式下，光伏电池工作最大功率状态，发出足够的能量。在满足负荷消耗的同时给储能系统充电，通过并网变流器给电网馈电。运行模式3：在这种模式下，光伏产生的能量相对不足，储能系统调节功率以稳定DC母线电压。根据系统发出的能量和负载消耗的能量，储能系统选择工作在放电状态或充电状态。此时并网变流器不参与工作。运行模式4：在这种模式下，光伏发电和储能产生的能量不能满足负荷消耗的需求，并网变流器工作在整流状态，实现能量平衡，从而稳定DC母线电压。1.3各个单元控制策略在DC微网中，母线电压的波动反映了系统功率的平衡。一般采用维持电压稳定的控制策略[62]。下垂控制是把下垂曲线控制作为控制外环，获得电压参考值。并将其作为电压电流双闭环的参考信号。进行电压电流双闭环控制。其控制框图如图3-4所示。图3-4下垂控制框图简单地说，下垂控制就是控制电压和电流或电压和功率在下垂曲线上运行。以储能单元为例分析，其下垂曲线如图3-5所示。表3-1下垂控制参数参数符号参数符号输出电压期望值U0变换器输出电压Udc变换器输出电流I给定输出电压Udref表3-2下垂曲线参数参数符号参数符号电压运行上限Uhigh最大放电电流Icha_limit电压运行下限Ulow最大充电电流Idis_limit图3-5下垂曲线由图3-5可见，下垂曲线表达式为：，其中为下垂曲线系数。在下垂控制下，当母线电压高于期望值时，给储能系统充电，维持能量平衡。当母线电压低于期望值时，储能系统释放能量稳定母线电压。当母线电压超过运行上下限时，变换器工作在最大状态，即充放电电流最大。如果不能满足系统的稳定运行，就需要采取其他方法来维持系统稳定[63]。1.1.1双向AC/DC控制策略双向AC/DC变换器符合的下垂特性，电压和功率之间的关系表达式为： (3-4)式中，为母线额定电压；为下垂系数；为变换器传输的功率；为额定电压下变换器传输的功率。为了使变换器工作范围增大，对下垂控制做相应的改进。在并网条件下，提出如下控制策略：电压小范围波动时由储能系统稳定直流母线电压，电压发生大范围波动时双向AC/DC变换器来稳定。对双向AC/DC变换器下垂曲线做出的改进，使双其与储能进行协调工作[64]。改进后双向AC/DC下垂特性曲线如图3-6所示。、控制电压的下限和上限；当电压波动超过此范围，双向AC/DC被限制最大传输功率处。改进后双向AC/DC下垂特性曲线如图3-6所示。改进后直流母线电压和传输功率的表达式： (3-5)式中：为最大传输的有功功率，为实际传输的有功功率。根据公式(3-5)可知双向AC/DC变换器有三种工作模式。逆变、空闲和整流模式。图3-6双向AC/DC改进下垂曲线。双向AC/DC控制策略如图3-7所示：图3-7双向AC/DC控制框图1.1.2储能控制策略当储能电池达充放电临界状态时，需要对其进行保护。当储能系统中电池达到上限时，只工作在放电状态；当达到下限时，只工作在充电状态。本文蓄电池初始设为，工作范围为。储能系统的下垂曲线如图3-7所示。 (3-6)式中：k为下垂系数；表示离线的区域；为电池充放电门槛电压；为母线额定电压。图3-8蓄电池控制框图1.4基于DAB能源路由器仿真验证分析根据前文对能源路由器的运行模式分析和对应的控制策略进行验证，在离网和并网进行单独验证，在仿真分析中，分别改变光照强度、负载功率的大小来验证不同的工作情况。搭建的仿真模型如图3-9所示，系统仿真中，各个参数参值如表3-3所示。表3-3系统仿真参数系统组成部分相关参数数值系统组成部分相关参数数值电网电压380V双向AC/DC电容2000µF电网频率50HzDAB电路变压器变比400:200光伏电池最大功率点处电压288VDAB电路电容600µF光伏电池最大功率点处电流11.88ADAB电路电感200µH光伏电池开路电压354VBoost电路电容700µF光伏电池短路电流14.88ABoost电路电感200µH图3-9仿真模型1.4.1离网仿真分析在0.3s、0.7s时改变光照强度，不改变负载大小。在此情况下，进行仿真验证。图3-10系统各个单元功率出力系统内各个部分的功率波形如图3-10所示、母线电压波形如图3-11所示、储能系统波形如图3-12所示。系统在0.3s内光照强度从1200W/m2下降到800W/m2到0.7s时又上到1000W/m2。在这个过程中光伏功率由4800W下降到3200W，在0.7s由于光照强度的上升，功率提高到4000W。在此过程中，负载功率不发生变化。储能通过充放电来维持系统能量的平衡。图3-11母线电压图3-12储能系统波形图由图3-12可知，储能系统在0.1~0.3s吸收多余的能量，电池SOC增加，0.3~0.7s由于光伏出力减小，储能系统释放能量。0.7s之后光伏出力增大可以满足负载的功率，储能吸收多余的功率，继续维持能量的平衡。在此过程中，由于光照强度的变换，0.3s、0.7s时引起母线电压的变化，但是经过短暂的波动之后，还能够维持母线电压的稳定，验证了离网模式下能源路由器的运行工况。在0.5s、0.8s时改变负载大小，不改变光照强度的大小。在此情况下，进行仿真验证。母线电压波形如图3-15所示、系统内各个部分的功率波形如图3-13所示、储能系统波形如图3-14所示。在这个过程中光伏功率保持4800W不变。在0.5s时负载功率增加到5800W、在0.8s时发生突变，负载功率突然8000W。在此过程中，储能通过充放电控，来维持系统能量的平衡。0.2~0.3s时，光伏出力大于负载消耗、储能吸收多余的能量。0.5s、0.8s时由于负载功率加大，储能通过释放功率来维持系统的平衡。由于负载的不断增大、储能系统也发出更多的能量维持系统的平衡。图3-13系统各个单元功率出力图3-14储能系统波形图图3-15母线电压通过对能源路由器不同的工况进行仿真验证，可以看出在运行过程程中，母线电压在光伏、负载发生变化的时刻进过短暂的波动之后能够保证母线电压的稳定，验证了离网模式下能源路由器的运行工况。1.4.2并网仿真分析在并网条件下，0.8s时通过改变负载大小，引起母线电压的变化。能源路由器在储能，和电网的调节下，维持母线电压的稳定。仿真波形如图3-16、3-17所示。图3-16加载仿真波形图由图3-16所示，在系统稳定之后，负载功率为5000W，能量由光伏电池、和储能来维持，在0.8s时，负载功率突然增大，母线电压降落，跌至380V，此时电压变化范围很大，电网输出功率，来维持母线电压稳定。随着电压的缓慢提升，电网的输出功率为零，功率的缺额由储能系统来完成